返回首页ipbus.org

探讨小型永磁磁浮系统(ipbus)在公交中的初期应用

 2008年4月 

摘要:本文探讨采用全新、先进、便捷、快速、高效的理想化的小型永磁磁浮系统，即小型化的智能化的高速交换的线速路由的永磁磁浮的含交换式电梯的带微型延伸线路的网络化的网络快车（ipbus），它集合现有交通形式的优点即解决缺点,来解决交通难题，最终可达到合理运输和必要运输的理想运输目的。本文阐述了采用网络快车的必然性和必要性（优点）。并对网络快车近期在公交中的初期应用进行了初步的规划和研究。该文还通过初步的成本和效益评估来论证初期网络快车应用在公交中的可行性。

关键词：网络快车  小型化交通    集线站  交换站  路由站    智能运输系统（ITS）永磁磁浮  交通规划

1.前言（背景）

交通技术背景及存在的问题:目前限制交通能力的瓶颈问题关键有三个，一是前后车辆的大间距问题 ；二是普通站台限制了车辆的通行能力，以高速公路为例，如正常速度通常为１００千米每小时左右，而车辆在上下高速的入口处则通常只能２０－４０千米每小时，它对运能有一个很大的限制。合理化则是线路速度是多少，上下入口处的速度就是多少。网络快车的交换站将不再会限制线路的运输能力；第三就是需要不用换乘或无中转的网络化交通系统。很显然现有大型化的车辆相对小型化的车辆，存在土地空间和线路造价两个难以逾越的问题，绝不可能实现细网络化。网络快车可以实现细网络化，并且运能特大。网络快车的核心技术就是实现高速交换和线速路由，它是智能运输系统的最高形式。

2.    网络快车系统简介

网络快车（ipbus）是将网络、通信、公交、电梯通过交换理论统一起来，提出一种全新的网络化的公共交通工具，以及交换式电梯。网络快车的主要特点是公交小型化、网络化、运能大、随到随走、建站灵活、站距小、客货混运、点到点运输、建设灵活、单位建设成本低，车辆模式灵活多样。网络快车主要采用最理想的永磁磁浮系统。电梯可以看作是公交线路的延伸，小型货运甚至还可以到达建设有网络快车管道的住宅的户内,如厨房。网络快车的物流定义为物品从供应地或生产线向接收地或最终用户的实体流动过程。根据实际需要，将开采、汇集、运输、储存、运输线路存储、生产线存储、装卸、包装、流通加工、配送、分发、自动收货、信息处理等基本功能实施有机结合。

小型化的智能化的高速路由的永磁磁浮的网络快车是一种全新、先进、快捷、基于永磁磁浮、从低速到超高速客货混运的交通系统。它们车身小巧，能乘1－4 名乘客。在运行的过程中由微电脑和/或服务器全程操控，可以实现零停靠，零换乘。服务质量和舒适程度可与私家车相媲美，服务效率高于常规公交。是一种低能耗、低建设成本、低运营成本的全新先进的交通工具。

总之，便捷、快速、高效的采用交换和路由原理的网络快车可以运送劳动者本身即人、可以运送所有生活资料即劳动产品、可以运送大多数生产资料即生产工具，小型网络快车在运输中可以避免一切不合理或不必要的运输。小型网络快车唯一不足是不能运输太大太重太长的生产资料，而广义的大型网络快车（包括公路和铁路等）可以补充。从长远看仍然需要铁路和公路等作为它的有益补充。

网络快车可以将电梯、市内公交、城际交通及长途运输有机统一起来。并且是大众化的交通工具。狭义网络快车的高等级车辆对低等级线路向下兼容。

2.1    网络快车的车厢

标准客车车厢长2米, 外宽0.8米，高2米。可设置一个可躺座位。 其它车厢略。

2.2    网络快车的线路

网络快车的线路采用磁悬浮车辆在路轨上运行。车辆底下的左右磁轨为U形对抱磁轨，将车厢底部的承重磁体及电机的电磁导线组紧紧搂住，绝对不可能出轨。车辆运行的动力来自固定在车辆底部的电磁流与上下磁轨的相互作用。供电轨面位于U形磁轨内垂直面内侧,不同速度线路分别采用市电、高压电供电, 电磁导线组外侧的电刷直接从供电轨面受电,通过左右电磁导线(即电机)之间的控制电路控制电机在不同电压下的电流。

2.3    网络快车的站

网络快车（含电梯）的站分为集线站、交换站和路由站三种。挂接在交换站和路由站之下的集线站就建在低速线路上；交换站是一种并联形式的具有一个或多个站台的车站，各个站台之间及站台与线路之间通过一系列的分道和合道组成，在线路的分道和合道之间通常依据不同站距通常设有长度不等的减速带和加速带；路由站指带有路由功能而不带站台的一种特殊的交换站。多种不同速度的线路和远近站距的车站根据客货流量的需要可以灵活组成网络快车的交通网络。

一般线路与垂直电梯及微型纯货运管道之间采用带有车辆或货厢自动中转的交换站进行连接。包含电梯站在内的部分交换站还设有货厢自动交换处理设备，完成货物的自动交换和处理。

2.4 站距与运载量对照表

说明:

1.    运量为最高运输量,即满负荷的运输量。数值为略数，而不是确数，平均实数取值的10%-30%-70%为宜，即客运实运人量平时取表中数值的30%，后半夜取值的10%，高峰时取值的70%。

2.    运量为最高运输量,即满负荷的运输量。数值为略数，而不是确数，平均实数取值的10%-30%-70%为宜，即客货线的货运平时取值的10%，客货线的货运高峰时取值的30%，纯货运重载线的货运平时取值的30%，纯货运重载线的货运高峰时取值的70%。

3.    客运按每辆车厢长3米，内长1.8米，另1.2米为撞击缓冲部分，可以坐2人，在人流高峰必要时市内还可以站2人，但长途时每辆一般只坐卧1人，带动力的单体货车的车厢内外长与客车一致，纯货运挂车组按每辆车厢长2.5米(不算0.5米的挂钩)。

4.    长途客运量在以上基础上减半计算。

5.    满负荷的运输量按每辆车厢1吨计算。

6.    每条线路的最高总运输能力是各种不同速度线路之运输能力的总和。

  网络快车系统具有很强的可扩展性和可升级性。

在陆地交通系统中，永磁磁浮车辆的能源消耗是公认的最低。

线路的最大坡度可达30%（30%坡度用于电梯，一般线路坡度不过15%），另外还有交换式垂直磁浮或非磁浮电梯。

网络快车的最小转弯半径为最高5米每秒平方离心加速度条件下的不同速度线路的最小转弯半径，对特别超高速度线路可以采用减速转弯的方式。

适应气候情况，全天候运营。地面和高架线路在雨天、大雪、冰雪天、一般冰雹气候、低于80 英里/小时风速条件下正常运行，地下或封闭区域不受气候的影响。

  3.    网络快车是交通发展的必然产物

从以下十多点可以看出未来之路必定是网络快车系统。①现有交通工具缺点集合→解决缺点。②现有交通工具优点集合→综合优点。③公认无污染的绿色化、高速化、智能化以及舒适、便捷是基本趋势，人类交通将大发展。④人们展望未来，提出了新型交通总趋势是向运输量大、安全、快速、舒适、省钱、节能和少污染的方向发展。⑤公认交通面临新的改革，建立自动化、高效率的，既有公汽大众性和经济性，又有小汽车灵活性和适应性的新型客运系统十分必要。⑥公认轨道线路形成网络，车辆小型化，在电脑控制下，许多车辆协调地在网络上自动运行，能如同出租车满足乘客需要。但速度、安全和环保方面，均远优于小汽车，且无人驾驶。⑦智能运输系统方兴未艾。⑧目前的交通问题最终是交通工具与技术、运输需求、运能、效率、资金投资及其回报效益的平衡问题。⑨目前迫切需要一种能够达到技术上先进、大运能、高效率、环保、较低建设运维成本的新型交通工具。⑩公众角度考虑交通,首先要便捷便宜，其次是快速安全，再次是舒适零换乘。政府、社会和单位考虑交通需要运输量大、高效、绿色、环保、节能和少污染、材料、形状、高度智能化、资金投资及其回报、交通占地、低建设运维成本等问题。⑫公众希望人流最好是从楼层或大楼或其它出发地开始到楼层或大楼或其它目的地，即点到点运输；随到随走零换乘；便宜、快速、安全、舒适。⑬社会希望物流是从源头经生产和消费再循环回到源头的符合环保的交通运输。

4.    网络快车的磁悬浮车的优点

１、网络快车的磁悬浮系统是以永磁体完成悬浮、导向功能的，悬浮安全平衡，不存在断电后有类似电磁磁悬浮车辆的安全保障措施问题。分道的换向动力由电池提供稳定的能源。所有磁浮都是由电磁提供驱动功能的，网络快车的磁悬浮车不存在线路停电后的列车制动问题，因为网络快车带有可以直撞的防撞车辆，并且在前面的车辆出现故障停车后其后面的车辆不需要制动而是直接推动故障车辆运行，除站台外一般没有制动的能量损失。具有高速稳定性和可靠性。还具有悬浮力大且不需控制和双向稳定，悬浮、推进、导向三大系统的结构都比较简单、能耗低、推进效率高、车厢自重轻等一系列优良性能。

２、网络快车由于车体较小，因此对线路的平整度、路基下沉量及道岔结构方面对悬浮高度的要求较低。不像常导磁浮在较低悬浮高度情况下对线路的平整度、路基下沉量及道岔结构方面要求较超导技术更高。

３、网络快车的磁悬浮车可以采用直线直流电机驱动。原理和结构简单，重量轻。

4、磁悬浮车辆快速、低耗、安全、舒适、经济、无污染。

5、磁悬浮网络快车有利于保护环境。

6、磁悬浮车辆在路轨上运行。车辆底下的U形磁轨合抱车辆的底部，将车厢底部紧紧搂住，绝对不可能出轨。车辆运行的动力来自固定在车辆底部的电磁流，同一区域内的电磁流强度相同，不会出现几辆列车速度不同或相向而动的现象，车辆追尾或相撞的可能很小。

5.小型化的智能化的高速交换的永磁磁浮的网络快车的优点

优点对于乘客，其优点是：

(1)首先是便捷便宜，其次是快速安全，再次是舒适零换乘。

(2)可以 按需要设置密集的站点（包括交换式电梯站点），乘客易于步行至站点。

(3)收费简单方便，以非接触式IC卡为主。

(4)乘客可实现即到即乘，一般不需要等待时间。

(5)空间较大，车内宽敞卧一人，也可换成坐两人，也能够小家同乘，保留顾客私人空间。

(6)车辆运行稳定，无交通堵塞，预测到达站点时间准确。

(7)可全天候运营。

(8)可实现无需停靠、无需转乘直达终点，点到点的客货混运。

(9)小型货物可以立即启运。

(10)建设到户内的微型纯货运管道可以将小型货物直接送到户内。  

对于交通营运部门，其优点是：

(1)可根据高峰、非高峰时间，灵活提供服务（尤其是货运）。

(2)建站灵活，可以按照实际需要设立不同密度的不同规模的站点，方便客货运输。

(3) 容易搭建、改线和扩延。由于车辆小型化，建设线路可以大量采用预制构件。

(4) 线路可以穿越建筑物。可以采用电梯的交换站将公交线路与交换式电梯连成一体。网络快车的电梯可以单独成系统。网络快车可以将电梯、市内公交、城际交通及长途运输有机统一起来，实行一体化的客货混运。

(5) 在具备大量微型纯货运延伸线路的细网络条件下，可实现点到点的无中转货物运输。

(6)  在同等速度线路的前提下比较,运输能力高于其它陆上交通工具。

(7)  占用土地少。

(8) 与其它交通工具相比，客货在同等总运输时间条件下,运营成本最低，而且相同客货的总运输时间最短。

(9) 在细网络条件下，它的运输效率是最高，从而实现节约社会资源。

6. 网络快车线路和站点初期规划

6.1 实验时速100千米的线路及交换站和线速路由站

时速100千米内的实验线路选在连接市内近距离的多个交通枢纽处，例如2千米之内就可以连接武昌火车站、公交站、两个长途车站四个交通枢纽。

6.2采用时速100千米在非主干线采用低成本的梯状单线连接现有交通枢纽的线路规划

在建成实验线路之后，接着采用时速100千米线路在非主干线采用低成本的梯状单线连接市内的交通枢纽（火车站、长途汽车站、飞机场等），每建一段开通一段。在现有公交站点线上主要采用500米以内的中小站距，站台尽量建在现有公交站的上方，以便换乘，主要采用右拐的简单路由站连接单线。它也可以应用于迫切的远程交通，如京沪高速等（若干年后再增建时速500或1000千米的线路）。

6.3   推广低成本的“交通局域网”

在小区、学校、公园、单位等局部区域，采用单线建设，采用简单交换站和集线站，以及右拐的简单路由站。由于交通局域网的速度不高，因此可以采用减薄磁轨降低车辆悬浮高度的低成本方案。同时它也可以连接主干和电梯。它的成本只有普通双线的20%左右。

6.4  继续采用梯状单线连接现有的小交通枢纽及未联网线路

6.5 实验时速300千米的线路及高速交换站和线速路由站

在连接市内的各个交通枢纽之后，实验时速300千米的线路及高速交换站和线速路由站，接着采用双道高速线路连接各个卫星城镇及建设市内主于线。站距8千米左右。

6.6 实验电梯及微型延伸线路，以及高速线路本文中省略。

7.网络快车的效益评估

网络快车系统建成后，将有很大的经济效益和社会效益。

从线路、遂道、磁轨、信号采集和控制、车辆、动力电机、转向电机、供电、车站、通信、服务器、软件等方面评估网络快车的成本。  

1.网络快车由可宽敞卧一人的标准客车，变化形成的系列轻小微型客货车辆，及最小化线路，是实现随到随走的零停靠的零换乘的细网络化，和低建设成本的基础；智能化是交通发展的必然趋势；交通的高速交换是网络快车的核心；U形磁轨和丫形道岔是实现线速分道和合道即实现高速交换的技术方案；加速带和减速速是在人体能够承受的加速度范围内实现线速分道和合道的技术需要；在车辆通过道岔时，只需要车辆路由软硬件控制左或右转线圈通电，即可完成分道的车辆路由，它是实现线速路由的最简单的技术方案；市区通常采用190-220V交流供电的直线直流电机，即板栅电枢可达到最低能耗；依据站距近远设置从低速到特别超高速的线路，并且相应采用不同悬浮高度的永磁磁浮，它是实现低建设成本和最低运维成本的基础；通过路由站和交换站及集线站的不同规模灵活建站连接不同速度线路，并且高等级车辆对低速线路向下兼容，从而实现市内公交、城际交通及长途运输、交换式电梯、微型延伸线路的无换乘，一体化的有机统一的大众化的理想化的客货混运。

2. 网络快车的车道宽度 不过一米，只有轻轨或公汽的三分之一，因此占地少。高架线路所需的承重轻，每米不过一吨，因此可以采用相对轻型的桩柱及高架梁，并且柱和高架梁可以采用钢筋水泥预制构件，U形磁轨和弧形供电轨面可以与高架梁一起制成预制构件，从而可以相对节约材料及施工成本，高架双道的轨道路基成本约为高架轻轨路基的10%（包含顶棚）。郊外地面路基成本与高架相差不多（本文中都不算征地费用）。网络快车地下磁浮的管道直径约3米，并且一管双道，当采用运行线路紧跟掘进机的模块化施工方案时，由于线路可供一进一出，因而相对节约大量隧道建设成本，为现有线性地铁隧道成本的20%。

3. 在时速100-1000千米范围内，磁轨厚度因速度而异,网络快车磁轨的单位成本比非电力型磁浮的常导或超导磁浮的单位磁轨成本要低。时速100千米以下的低速线路采用减小悬浮高度的低成本方案，其单位磁轨成本只有一般磁轨的10%-30%。

4. 线路的信号采集和控制设备成本与地铁相当，通信工程部分的成本与地铁相当。

5.网络快车的标准车辆一般由四块承重磁体、两台板栅电枢即动力电机、两台分道转向电机 （即小线圈）、电机控制电路及充电电路、高能蓄电池、车辆路由的微电脑、车辆与线路及车站之间的通信和检测设备、车厢、撞击缓冲设备、附件等组成。它比其它磁浮和轻轨车辆的结构都要简单，并且采用小型化和微型化的车辆，车辆的单位成本低廉。它与轻轨相比，在运载相同质量客货条件下，它的车辆成本不到轻轨的十分之一。标准客车可以卧一人或坐两人或坐站四人，满足客流在时间上和空间上不平衡特点。在低中速线路上运行半长单人客车的成本更低。小型化和微型化的车辆可以提高车辆的利用效率，以及减少中转交换和即时启运。车辆路由的微电脑接受并存储站台或服务器的指令，只需要完成一系列分道时的是否右拐的简单判断和控制。车辆在站外线路的车速依据车辆路由微电脑的速度与地址表决定。

关于车辆成本的比较。也是关于运能与车辆数的解释。在一次交谈中，以时速１００千米运能６万人为例。以高峰时４人一车算，他得出了需要１５０００辆车的结论。地铁达到最高运能６万人，实际上也只是在每千米上有一 列列车，每列２０００人，每小时３０班。同理按他的算法，就应该需要３０列地铁，以每列８车辆计算则为２４０辆。如此计算下来，ipbus与地铁在时速１００千米每小时达到最高运能６万人的同等条件下，ipbus的车辆数为地铁的６３倍。实际上，由于乘ipbus不用等车，相对提高了车辆的利用率，ipbus的车辆数可减为地铁的４０倍。再加上实际中高峰时段是短时的，在不同路段的运输需要量也是不同的，以及ipbus在系统范围内，可以根据实际需要自动地调节不同地段车辆的密度（地铁是班线，在高峰满负荷时无法调节车辆密度），还可以相对地减少车辆。实际上ipbus的车辆数相对为地铁的３０倍，即可达到同等运能。时速１００千米以下的低速ipbus的车体可以用塑钢制作，成本可以为１万元左右（中速车辆需要２万元，而高速的高等级的车辆成本与此相差很大）。而地铁车辆的单价是ipbus车辆单价的几百倍，远高于３０这个比值。 即在满足同等运能条件下比较,地铁车辆成本比ipbus要高十倍以上（同样，高铁的动车组与ipbus的高等级车辆成本相比也还是要高十倍以上）。

6. 网络快车可以运送劳动者本身即人、可以运送所有生活资料即劳动产品、可以运送大多数（80%）生产资料即生产工具，小型网络快车在运输中可以避免一切不合理或不必要的运输。当建成细网络线路则可以实现最理想化的客流和物流。

7.车辆中部底下的左右两台板栅电枢夹在前后承重磁体之间，通过板栅电枢外侧的电刷直接从磁轨内侧的弧形供电轨面受电，在两台电机之间设置电机控制电路及充电电路，相应电路的制造成本并不高。动力电机和转向电机都是通电导线直接在磁轨内运动，其结构简单，成本低廉。转向电机直接从高能蓄电池取电。

8.网络快车磁轨内侧的供电轨面采用市电及万伏高压在不同速度线路下直接给电机电刷供电。车内电能直接从电机控制电路窃取，并将电能存储到高能蓄电池内。

9. 车站分为集线站、简单交换站、大中小微型交换站、路由站。集线站直接利用线路上下车，集线站成本低微；简单交换站类似“空中的士”的车站，车站成本比相同长度的线路成本略高；大中小微型交换站和路由站的成本需要依据规模而定，交换站和路由站内的车道总长与相同长度的线路成本相当。站挨站的情况就相当于建设一条低速到中速线路的成本。货厢和货物交换（含汇集和分发）处理站因规模和处理速度差异而成本差别很大。

10. 每台站台路由服务器可以控制许多站台的路由（即区域路由）。城域和全国路由服务器的设置类似互联网的服务器。计费系统类似现有的刷卡和通信计费系统。通过其它应用服务器连通内网和互联网。

11. 路由软件可以看作一个三级（车辆、站台、服务器）动态数据库系统，路由软件和计费软件是全国通用的大型软件，采用自行开发或业务外包可以大大降低软件的成本。其它应用软件也一样。初期也可以采用简单版本节约软件开发费用。

12. 总之，在时速100-1000千米范围内，在平均站距500米左右，网络快车的单位建设成本不到地铁的一半（即每千米1亿元人民币以内）。当适当拉大长途的站距时,网络快车的单位成本不到目前正在大力建设的京沪高铁的三分之一（即5000万元），并且运能比高速轮轨系统还要大多倍。时速100千米以下的低速线路的最高运输能力可达每小时6万人，采用低成本车辆，采用低速的低悬浮高度的简单交换站，采用梯状单线是初期缓解交通压力的低成本方案，其单位成本不到中高速线路的20%（即每千米1000-2000万人民币）。

13.由于网络快车的运行速度和运输能力都比现有公交系统高，并且可以建设一段就开通运行一段，在与现有公交系统相当的运输量条件下比较，网络快车可以相对减少车辆的投放量。从而又可以相对节约大笔资金投入。

14.由于网络快车可以建设一站就开通运行一站，因此可以滚动式发展。

15.与其它陆地交通方式相比，网络快车的运维成本公认的最低。

16.建设网络快车连接市内交通枢纽之后，可以很好的实现现有交通枢纽之间的有效衔接，有效地分流部分客流，减轻沿线的交通压力。当网络快车线路覆盖市区的主次干线和连接卫星城镇之后，可以取代大量的短途巴士和部分公汽，初步解决道路拥挤状况。低成本的“交通局域网”可以取代其建成区域的现有公交。网络快车的电梯与线路连接可以达到公交到楼层。建设时速几百千米的省道和国道后，可以承担沿线的大多数客运和部分货运。市区支线建成网络化后，可以基本上取代市内公汽和部分的士。建成细网络化线路和新建大楼微型管道到户之后，可以实现日常物流到户。主次干线上增加建设低速线路后可以实现近距离上车。波浪式低速线路的落地集线站站台方便乘车。网络快车线路延伸到生产线后，可以实现大量货物的无中转物流，并且可以减少库存。网络快车的最终目标是在世界范围内实现一日直达的交通“地球村”，逐步取代现有公路、铁路、空运的大部分人流和多半物流。建设楼道敞坐专用线路可以解决（极少数）大楼内的长距楼道运输，一般采用网络快车的特殊车辆完成线路外的近距离临时延伸运输，线路外的远距离运输仍然采用联运方式，另外加上大件运输的需要，因而网络快车不可能彻底取代铁路和公路运输。网络快车的最终目的是实现接近理想化的最优化的最佳的人流和物流。最终物流达到从源头经生产和消费再循环回到源头的符合环保经济合理必要运输。

17.从低速到特别超高速的网络快车的运能特大，可以按照实际运输需要进行建设，实现提高社会效率和节约社会资源,最终达到合理运输和必要运输的理想运输目的。

8.结论

本文探讨采用高速交换的小型永磁磁浮系统，即小型化的智能化的高速路由的永磁磁浮的网络快车（ipbus），来解决交通难题。该新型公共交通工具融实用性、先进性、延伸性、景观性为一体。可以解决线路覆盖范围内的交通压力。最终达到接近理想化的最优化的最佳的人流和物流。本文阐述了采用网络快车的必然性和必要性（优点）。

本文对网络快车的近期尤其是初期进行了初步的规划和研究。通过成本和效益评估来论证，采用网络快车具有极高的可行性，并且会有很高的经济效益和社会效益。

补充说明：关于地下交通与高架的说明

目前，轨道交通基本上倾向地铁。原因为，高架轻轨影响城市景观；高架轻轨通常占用1到2车道路面；轻轨站占地需要拆迁及高昂的拆迁费；市民反对最强烈的就是轻轨的噪音污染。地铁就可以克服这些问题。

ipbus作为理想化的交通形式，在初期有必要采用低架，3到6米高的低架，理由是ipbus可以直接建在现有公汽站、花坛或人行道等的上方，方便与公汽实现有效衔接，它不占用车道，无拆迁费，无噪音污染。低架影响景观，只是初期的一个权宜之计，低架ipbus可以尽量美化和与街道浑然一体。ipbus初期采用低架的重要原因是低架相对地下造价低廉，需要用它迅速缓解交通问题。根本原因是初期的速度低，为时速100千米以内，ipbus至少要等到时速300千米的技术非常成熟之后，才能对城市进行ipbus的整体规划，再设计则以地下线路为主，对规划未建的新建道路侧可以考虑建在楼内，直接与ipbus电梯实现一体化。

 参考文献

1  本文相关信息来自于“未来之路网络快车（ipbus）”网站（说明：IP代表高速交换和线速路由的交通网络化特性，BUS代表大众化交通工具），网址http://ipbus.org/。

2  “空中的士”即个人快速公共交通工具（PRT，Personal Rapid Transit） 相关信息来自于http://www.skyloop.org/。

 返回首页