未来城市及城际交通—低碳绿色的地下磁悬浮交通(钱)

未来的城市及城际交通——低碳绿色的地下磁悬浮交通钱七虎院士讲座2010年11月报告提纲二十一世纪初城市及城际交通面临的最大困境12未来的城市交通和城际交通3未来交通系统的优越性4地下高速磁悬浮系统技术的设计试验研究5结论一、二十一世纪初城市及城际交通面临的最大困境引言：诺贝尔经济奖得主斯蒂格利茨预言：中国的城市化以及美国为首的信息化高技术是影响21世纪人类进程的两大关键性因素。城市化影响表现为多方面的，需要多视角分析，大小取决于可持续发展水平。一、二十一世纪初城市及城际交通面临的最大困境《世界城市化展望》联合国2009年修正版报告中国快速城市化突显“土地安全”困境中国城市化速度世界第一！1980年2010年2025年19%47%59%年份城市化率18亿亩耕地红线将被突破！（2007年耕地18.26亿亩）一、二十一世纪初城市及城际交通面临的最大困境中国快速城市化突显“土地安全”困境中国未来15年，1%城市化水平需增城市建设用地3459km2（520万亩）城市道路无地可建！一、二十一世纪初城市及城际交通面临的最大困境交通拥挤和交通事故——人员、财产安全的困境全世界交通事故每年造成120万人死亡中国交通事故每年造成10万人死亡（公安部）至2020年每年交通死亡人数还将上升92%（世界银行）世界交通事故和拥堵造成经济损失每年5000亿美元，美国每年800亿美元一、二十一世纪初城市及城际交通面临的最大困境交通拥挤和交通事故——人员、财产安全的困境中国79.3%的城市居民感觉每天上下班时交通拥堵，33.6%的人感觉“非常堵”（中国青年报社调查中心）上下班高峰时期，美国没有一个城市不存在道路堵塞情况一、二十一世纪初城市及城际交通面临的最大困境能源安全的困境现在石油价格已大幅上涨，20年后世界石油价格急剧上涨（美国能源部）交通是石油的消耗大户！世界石油需求不断上升，石油储量不断减少，几十年后石油难以支撑世界的运转一、二十一世纪初城市及城际交通面临的最大困境环境安全的困境交通是温室效应气体CO2及污染气体CO和NOX的主要排放源一、二十一世纪初城市及城际交通面临的最大困境环境安全的困境到2100年，地球气温上升7度，海平面上升1米，必须减少温室效应气体！联合国气候大会报告《哥本哈根诊断》全球气候变暖：上世纪，地球温度上升0.6℃，六十年代以来，全球雪域面积覆盖减小10%一、二十一世纪初城市及城际交通面临的最大困境环境安全的困境空气污染：交通每年排放碳粒子4.75亿吨，其中飞机高空排放后果更严重，它排放到同温层，使反射层更厚，且云层以上的污染气体保留更长地面和高架道路交通造成的噪声污染、视觉污染和振动污染飞机尾气形成的“云”一、二十一世纪初城市及城际交通面临的最大困境公共安全的困境除交通事故和飞机坠毁事故外，现代交通工具（满载汽油的飞机，挂上炸药的汽车）是恐怖分子的恐怖武器；一场风暴、一场暴雪或者火山灰使地区、国家和世界交通中断！冰岛火山灰911恐怖袭击大量的地面交通不透水路面造成城市暴雨洪灾（济南、广州……）及城市热岛效应！二、未来的城市交通和城际交通未来的城市交通将转入地下，以电力驱动，摒弃燃料驱动。未来的城市客运交通以地下轨道交通（地铁）为主未来发展为地下中低速磁悬浮系统：短站间距未来的交通是资源节约型：少占地、低能耗；环境友好型：绿色、低碳。科技创新引领未来交通将克服上述目前面临的困境。环绕大巴黎的地下快速系统1987——“LASER”计划1992——“MUSE”方案辅以城市地下快速路，高科技处理烟尘、CO以及NOX二、未来的城市交通和城际交通波士顿的地下快速路辅以城市地下快速路，高科技处理烟尘、CO以及NOX二、未来的城市交通和城际交通二、未来的城市交通和城际交通未来的城市货运交通依靠地下货物运输系统•PWT（气动垃圾和废物管道运输）•UTP（原料的管道运输）•ULS（地下物流系统）二、未来的城市交通和城际交通ULS是城外运输和城内运输的结合；城外货物通过城际运输到城市边缘的物流园区（CLP），在CLP经编组装运后通过ULS系统（以集装箱和货盘车为基本系统，以自动导向车（AGV）为运输工具）运送到城内的各个终端；反向运输，则由城内各个终端将产成品运到物流园区（CLP），再由城际货运系统运送到其他城市。地下物流系统是无人驾驶、程序操纵的自动化系统，该系统以高运送质量指标、高运送效率、规模效益、标准化和环境效益具有突出的竞争性。二、未来的城市交通和城际交通ULS的突出优点是其环境效应。完善的ULS建成后，城区内将没有运货的卡车，城市环境污染将大为降低。世界经济合作组织2003年报告《配送：21世纪城市货运的挑战》指出，发达国家城市货运交通占城市交通总量10~15%，而货运交通占交通队城市环境污染总量的40~60%。日本东京建设300公里地下物流系统的评估报告：东京城市CO及CO2将分别减少10%和18%，货运能耗减少18%，货运运输速度提高24%。未来的城际交通它把磁悬浮车体放到部分真空的管道中，以实现超高速、低耗能、无噪声、无污染的运输该系统全部建于地下，城市到城市之间直线联接，形成畅通无阻的部分真空的地下隧道网络。隧道采用钢筋混凝土复合衬砌，中间加一层聚丙烯或其它隔膜，例如钢隔膜，以实现气密和水密。二、未来的城市交通和城际交通未来城际客运和货运交通由地下高速磁悬浮交通系统实现实现高速；由阻塞比的空气动力效应决定，现代的轮轨交通无法在隧道中实现高速（400km/小时）未来的城际交通隧道内部铺设磁浮轨道，能把车体浮起，悬浮在几乎没有摩擦的磁垫上；隧道沿线布有许多真空泵，从密封的隧道中抽出大部分空气，空气压力相当或低于高空飞行时的空气压力，所以阻力极小，实现超高速；隧道和车辆协同工作，形成一个“直线电机”，平稳地把车辆加速到极高的速度，也可提供必要的刹车力，以确保安全、舒适和精确停车；二、未来的城市交通和城际交通未来的城际交通密封的气体保证人员的生命安全；内部有一套生命保障系统如同在潜水艇和宇宙飞船中，保证人的氧气供给，排除二氧化碳和人排出的水分；还有一套空气调节系统，吸收发热产生的热量。该系统在几乎真空中运行，几乎没有摩擦，完全不用石化燃料，这种“超高速地铁列车”，比今天任何飞机还快，也能够提供货运，引发一场彻底的运输革命，摆脱以上所述的当代交通面临的困境。二、未来的城市交通和城际交通未来的城际交通地下交通还可分二级：区域级和国家级，区域级内呈蜘蛛网状结构，把区域内的城、镇联系起来；每个区域有一个区域枢纽站，其间由直线隧道相连，构成国家级。二级埋设深度不同，均较地下城内交通级为深，各级线路之间不交叉，但通过枢纽处苜蓿叶状的立交管道结构垂直相连。二、未来的城市交通和城际交通城际交通连接枢纽终端垂井城市地铁级隧道国家级真空站区域级三、未来交通系统的优越性不占用（极少占用）地面土地，极大的可拓展空间，消除“土地安全”的威胁；电力驱动，不产生温室气体，不污染空气，未来可用风力、太阳能、第四代核能、深层干热岩等清洁可再生能源发电，消除“能源安全”和“环境安全”的威胁，真正实现绿色、低碳以至无碳交通；高速：直线距离无交叉；地下磁悬浮比飞机还快：微阻力、无摩擦、不需滑行、不需爬升；高频率连续发车，高可靠性（不晚点、无空中管制、不受气候影响）三、未来交通系统的优越性高安全——消除交通安全事故和恐怖事故的威胁；无火灾：没有燃料和润滑油，没有氧气，即使引火，火自然熄灭无碰撞、无追尾（无交叉管道，直线电机的电流、电子信号设施）,调整电流极性可产生制动力（反向励磁）；入口处安检可保证车体内不发生爆炸；车体质量很高，不会产生破裂，消除了减压的威胁；抗地震和抗洪灾和减少热岛效应。容易维护接近零维护（100lb/in2低荷载，无轮子、无轴承、无旋转电机、无刹车片等电力机械系统中常见发热、摩擦点）1.空气动力学效应和阻塞比：围绕真空理念的产生及其量值的确定展开研究。2.空气动力模型及其试验：目的是确定车体前、后部几何形状，确定隧道的几何形状、尺寸及减压管位置，确定隧道出入口组成，确定真空压力。如洛桑联邦科技大学的Histar（高速列车空气动力学测试平台）和SETUP（安全、设备与低压隧道研究平台）已开展了此方面的研究。3.土建设施的研究：研究保持整个系统真空的措施。四、地下高速磁悬浮系统技术的设计试验研究地下高速磁悬浮系统技术的设计试验研究在瑞士和美国等国家开展，主要集中在以下几个方面：4.系统机械电力设备的研究：包括机身（车体）、电机及其反应部件、磁悬浮及磁导、电力供应及传输系统。5.生命支持系统和环境保障系统的研究。6.建设成本、客运成本及货运成本估计。7.系统安全性研究：安全问题产生的原因及保障。四、地下高速磁悬浮系统技术的设计试验研究地下高速磁悬浮系统技术的设计试验研究在瑞士和美国等国家开展，主要集中在以下几个方面：四、地下高速磁悬浮系统技术的设计试验研究空气动力学效应和阻塞比真空理念的产生及其量值的确定（0.1~0.25Pa）1、减压；2、紧急的压力重建；3、返回正常压力；4、大气压力；5、过压外伤；6、缺氧；7、最小值：2分30秒中0.57Pa；8、严重不利情况；9、肠道；10、肺部；11、爆炸性减压所造成的严重眩晕；12、不可逆缺氧损伤。偶然泄压下的人体生理极限值四、地下高速磁悬浮系统技术的设计试验研究确定车体前、后部几何形状；确定隧道的几何形状、尺寸及减压管位置；确定隧道出入口组成；确定真空压力。空气动力模型及其试验：洛桑联邦技术大学的Histar（高速列车空气动力学测试平台）和SETUP（安全、设备与低压隧道研究平台）在100米/秒时围绕二维车厢及其后面气流的模拟，以及马赫数的分布Histar多目标空气动力试验台四、地下高速磁悬浮系统技术的设计试验研究土建设施研究：保持真空的措施隧道和车体断面1、导向；2、悬浮;3、线式马达（电机）；4、能量转递；5、空气密闭板四、地下高速磁悬浮系统技术的设计试验研究系统机械电力设备的研究机身（车体）、电机及其反应部件、磁悬浮及磁导、电力供应及传输系统线式马达（电机）：1、长电机；2、短电机同级同步电机四、地下高速磁悬浮系统技术的设计试验研究系统机械电力设备的研究机身（车体）、电机及其反应部件、磁悬浮及磁导、电力供应及传输系统磁悬浮1.隧道2.客厢3.轨道4.轭铁5.线圈绕组四、地下高速磁悬浮系统技术的设计试验研究系统机械电力设备的研究机身（车体）、电机及其反应部件、磁悬浮及磁导、电力供应及传输系统感应传输1.安装于隧道的一次绕组2.安装于车体上的二次绕组3.里兹电缆有效级有效Litz变压器独立输出四、地下高速磁悬浮系统技术的设计试验研究生命支持系统、环境保障系统研究隧道46轨道4车辆3车站、真空设备等2每英里总成本（1.6km）55美国地铁每英里的建设成本（百万美元）建设成本、客运成本及货运成本估计瑞士地铁投资成本的比较四、地下高速磁悬浮系统技术的设计试验研究建设成本、客运成本及货运成本估计每英里客运成本（美分）航空14城际铁路（Amtrak）18.4长途汽车12.8通勤铁路15“美国地铁”8每吨公里集装箱货运成本卡车S4.81铁路S0.38邮政包裹S48.50“美国地铁”S0.04系统安全性研究：安全问题产生的原因及保障五、结论地下高速和低中速磁悬浮交通是一个节地、节能、低碳、低污染、抗灾安全的资源节约型和环境友好型的未来交通运输方式，是建设投资很大，运行成本较低的客、货两用的交通方式，将会引起全球的交通运输的革命。它的实行将为促进温室效应的解决，全球气候的改善和保障城市的广义安全作出重要贡献。