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    □ 本文發布于
    2012-08-13 18:59:15

    □ 閱讀次數:62390

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    流動城市:超低成本替代地鐵
    眼界科技
    城市交通已經是“大城市病”中最嚴重的問題,深刻影響著城市的正常運轉和持續發展。而在多種措施綜合治理城市交通的過程中,始終缺乏一種高效率低成本的核心方案。本文從現有的創造性方案入手,以傳送帶技術為基礎,提出了一套在空間、時間、能耗、資金、安全等五方面都具有創新優勢的公共交通系統,適宜于地鐵尚未覆蓋到的大面積城市市區。

    城市交通問題是一個海量數據的復雜系統問題,通過任何單一措施都無法解決。在飽受困擾的全球各大城市,紛紛綜合采取了限制汽車、強化法規、完善路網、立體交通、軌道系統、組團規劃、BRT、APM、慢行系統、智能導航等多方面的結合治理,仍然難以招架日益膨脹的城市規劃所帶來的越來越嚴重的交通阻塞。這里面的根本原因,就是沒有找出一種核心措施,能夠兼顧效率與成本,同時滿足多數人的出行要求。

    一、尋找地鐵替代品

    地鐵作為軌道交通的主力,是當前我國各大城市用以改善城市交通所主要投入的方向。地鐵具有運量大、效率高、不干擾地面交通的優點,是世界各大城市現有的主流骨干公共交通方式。但同時,地鐵具有顯著的高投資(每公里超過5億元)、長工期(每條線路建設周期長達3-6年)的特點,建設期間對地面交通影響相當大,建成后也存在有被毒氣攻擊和撞車的不安全先例。此外,地鐵的通勤密度不可能太大,往往不能通達小區街巷深處,適宜于骨干交通網絡的構建。

    在我國還另外特別重要的是:正因為地鐵投資巨大、工期超長的緣故,對城市財政造成相當大的壓力,導致在我國每條地鐵新線都需要國家發改委逐一審批。其結果是很多城市的地鐵成網時間被再次大大拖后,城市交通問題在十年甚至二十幾年內都難以緩解,甚至很多年都難以扭轉持續惡化的局面。

    因此,我們迫切希望選擇一種可以低成本來替代或補充地鐵的公共交通系統。這種系統必須使用成熟的工程技術,建造成本大大低于地鐵,建造周期大大短于地鐵,無須國家發改委審批;具有更好的通達性,更加節能,更加安全,能夠與其他交通方式方便的換乘……

    國內外目前研究和運營中的地鐵替代及補充系統,主要包括以下幾類:

    1、輕軌

    輕軌是目前最成熟的地鐵替代及補充系統。輕軌的造價比地鐵為低,主要因為它們需要的基礎建設程度有差別;加上輕軌的靈活性較高,故施工規模亦較小。而在單位運量所耗費的車輛、能量、維修費用三方面,輕軌其實都比地鐵更高。

    總體來說,輕軌與地鐵其實只有運量的區別,地鐵的優點和缺點輕軌基本都有。而成本方面除了土建都比地鐵還高,因此只適合于充當地鐵的補充方式,以及在中小城市暫時無法批準建設地鐵的地方建造使用。無法達到我們的目標。

    2、空軌

    空軌列車即懸掛式單軌交通系統。軌道在列車上方,由鋼鐵或水泥立柱支撐在空中。由于將地面交通移至空中,在無需擴展城市現有公路設施的基礎上可緩解城市交通難題。又由于它只將軌道移至空中,而不是像高架輕軌或騎坐式單軌那樣將整個路面抬入空中,因此在建造和運營方面具有快捷、節省、可拆卸重復利用的優點。

    嚴格的說,空軌是輕軌的一個分支。由于今年傳出溫州市將引進該技術而名噪一時。空軌的主要劣勢是承載量有限、突發狀況無法快速處理、維修維護成本相對較高。主要適合中小城市運營。

    3、BRT

    BRT本意“快速公交”,即Bus Rapid Transit。源于巴西南方城市庫里蒂巴,是一種利用改良型大容量公交車輛和現代智能交通技術,運行在公交專用道上,保持軌道交通運行特性,具備普通公交靈活性、經濟性的一種便捷、安全、舒適、準點的公共交通運營服務方式。自上世紀末經ABBS推薦到中國以來,已經在國內各大城市廣受歡迎。因為太多不被批準建設地鐵的城市迫切需要解決燃眉之急。

    BRT提高了城市道路的綜合利用率,相對地鐵是一種低成本的快速解決方案。但由于與其他地面汽車的交叉點頻繁,單體空間偏小,無法根本性的提高速度與運量,因此只能看作傳統公交的改良升級版本,也不是我們要尋找的終極方案。

    4、APM

    APM即Automated people mover是一種無人自動駕駛、立體交叉的大眾運輸系統。通常由無人駕駛的車廂不斷環或折返行駛。當前,APM在歐洲和部分亞洲國家中已十分普遍。從經濟考量上,APM趨向把系統的設施縮少到能夠依附到大型運輸系統當中,從而令相對較小型的安裝設施乎合經濟效益。結果令以前被認為規模太小而不足以興建地鐵的城市也可以架設軌道系統。

    2010年,APM因為在廣州的實踐而被引入中國。投入成本和建設周期都比地鐵為低。但主要問題是運量偏小,綜合旅行速度較慢,也不適宜于長距離運輸。

    5、立體快巴

    “立體快巴”是2010年前后由宋有洲先生發明的一種在城市道路上行駛的巨型公交車,依靠兩側支架懸空公交車身于地面之上2米-4.5米的空間,讓小汽車從其下方正常穿過(圖1)。這樣就充分利用了小汽車高度之上到天橋之下的2.5米左右足以站立乘客的空間。如果充分利用的話,道路資源的利用率幾乎提高了20-50%。這個想法是非常值得贊賞的,難怪外國人也驚呼中國人的創造力并不落伍!并且被《時代周刊》評為2010年全球50佳發明。

    圖1 立體快巴示意圖

    不過,“立體快巴”也有致命缺陷,那就是安全性能。發明人似乎只考慮了“立體快巴”自身轉彎時,如何讓其他車輛避讓“立體快巴”,而忽略了下面的小車,自身存在換道和轉彎的需求。小車并不會永遠向前方行駛,只穿越“立體快巴”所造成的移動隧道,而是經常需要換道以備左右轉彎,更會頻繁的拐向街道兩側的小區、企業、單位的出入口。而這些換道行為都不可能在“立體快巴”的下方進行。考慮到安全因素,也不可能在接近“立體快巴”的地方進行。這就給“立體快巴”的應用帶來了非常大的局限性。而且車流一大,要么造成小車剎車等待“立體快巴”通過之后再換道而阻塞交通,要么造成小車強行加速超越“立體快巴”后再快速轉彎變道而帶來很大的安全隱患——要知道小車在穿越這個移動隧道之前,基本看不見外面車道的路況,無法提前準備。

    立體快巴是一種尚未投入建設的全新解決方案,其發明思路值得學習借鑒。但由于安全上的瑕疵,立體快巴也不是我們要尋找的方向。

    6、自動傳送帶

    自動傳送帶已經發明100多年,幾乎與汽車同時誕生,不少前輩也嘗試將其應用到城市公共交通中去(上世紀顛覆性的交通創意:傳送帶人行道)。而且關于遠程傳送帶、高速傳送帶、變速傳送帶所使用的工程技術,經過100年的發展,已經非常成熟。那么為什么多年來自動傳送帶一直未能以系統的形式被應用于各國的城市交通呢?

    我們分析,主要是經濟性和安全性的問題。本文后半部分將回答是否能解決這兩個關鍵問題。

    二、尋找不停頓公交

    為什么城市里面,總有很多人寧愿堵車到路上幾個小時,也不愿意乘坐公交系統呢?
    人們不選擇公交系統的理由很多,但最重要的原因只有一個:所有公交工具,無論公共汽車、電車,還是地鐵、輕軌、BRT、APM等等,都無法完成點到點的交通,并且需要不斷的停下來,即使不堵車。

    也就是說,當今所有的公交工具,都是“停頓公交”,都必須在每個車站、每個換乘點,或者每個紅燈面前把速度降到零,然后經過上下客或換乘之后,才能繼續乘客的旅程。而如果換乘次數達到3次以上,那就絕對不是一次愉快的移動了。

    有沒有辦法設計一種“不停頓公交”呢?從登上它的那一刻起,直到目的地,都不需要停下來再次啟動?

    答案就藏在“流動城市”。

    三、何謂“流動城市”?

    “立體快巴”的核心創新是充分利用了城市道路中小汽車道上方2米-4.5米這個多數時候的閑置空間。而我們醞釀已久的“流動城市”,也在這方面有著自己的創新。



    所謂“流動城市”,是由“流動街道”組成。目前,所有城市的街道都是固定不動的,運動的是人和車輛。當人車不動,而街道運動,就形成了“流動街道”。數十上百條“流動街道”組合起來,便是我們的“流動城市”——街道象河流一樣流動,而城市成為人流的水系。
    “流動城市”正是使用高速傳送帶作為骨干線路的全新公交系統。就是用一種早已成熟的技術——大家在機場里經常看到的傳送帶(自動人行道)——作為基礎來構架整個城市的交通網絡。這個網絡有著地鐵的運輸效率,卻只需要地鐵1/15的成本和1/5的建造周期。目前該系統方案已經獲得國家專利授權,屬于我國的自有知識產權技術。

    圖2 流動城市規劃布局示意

    作為完整的運輸網絡系統,“流動城市”主要分為運輸網絡、運輸對象、控制系統、引導系統等四部分組成。

    1、運輸網絡
    包含主線路、出入線路、換乘線路等三部分(圖2)。各線路均架設在基礎結構(橋、隧)上,由每段5-20米長、1-2米寬的電動傳送帶拼接組合構造而成。其中主線路、換乘線路設置為固定勻速運動傳送帶線路,而出入線路為逐級增或減的變速傳送帶線路。全部線路均在基礎結構外圍采取玻璃幕墻等透光材料設置外墻及頂面,以避免風吹雨淋。

    1) 主線路
    主線路為整個運輸網絡中運行速度最高、流量最大的骨干部分。按照本系統的運輸能力和可達性,在城市市區的主線路規劃布置可以達到每兩條平行主線路間距600米左右。即市區行人從任意點步行到達本系統主線路,距離不超過300米,時間不超過5分鐘。
    主線路基礎結構分高架和地埋兩種。分別類似微型的高架軌道系統和地鐵系統,運量與軌道系統近似,而工程量要小很多。

    2) 出入線路(圖3)
    出入線路為本系統從地面靜止處連接主線路的連接線路段。本運輸網絡無須考慮運輸的加減速而象地鐵那樣在每500米以上間距才能設置站點,而是在任何能夠滿足站臺段出入長度的地方均可設置出入線路。

    圖3 出入線路示意

    運輸對象(人與小車)需要從市區地面進入本系統主線路時,從入口段通過數節不同速度的傳送帶逐級加速到與主線路相等的速度,即達到站臺段后,可以方便的橫向移動進出主線路。因為站臺段相對于主線路是靜止狀態,運輸對象此時作橫向移動不會有任何不適,也不會有安全問題。運輸對象需要離開本系統主線路時,則從主線路上與站臺段相接的部分橫向移出,在相同速度狀態下達到站臺段,然后在出口段逐級減速達到地面出口。

    3) 換乘線路
    換乘線路為兩條主線路間的連接線路。包括入口站臺段A、換乘段、出口站臺段B共三部分組成。其中站臺段A、站臺段B分別與兩條主線路的相接部分水平等高平齊,側面平行相接。三部分的傳送帶運行速度均與主線路相等。其中站臺段可與出入線路的站臺段共用。
    實際修建的時候,在兩條主線路立體交叉的附近,以一條弧形線路連接在主線路的外側的兩個站臺段A和B。這樣運輸對象(人與小車)無須減速就能直接切換線路:運輸對象從主線路A與站臺段相接的地方橫向移動到達入口站臺段A,然后隨傳送帶進入弧形的換乘段,再進入出口站臺段B,再次橫向移動即可進入主線路B。

    2、運輸對象
    運輸對象包括行人與定制小車,即乘客可選擇兩種方式搭乘本系統,一是直接步行搭乘,二是乘坐定制小車隨小車自動運行。

    3、控制系統
    與一般軌道交通的控制系統有所不同的是:除了票卡檢測處的乘客人數統計外,重點在各線路的線臺段設置攝像頭及重量傳感器,將數據傳送到控制中心。控制中心服務器則根據匯總各站臺段的流量數據,系統自動確定是否暫時關閉某個出入線路的入口,從而控制主線路各段的流量正常,保證系統的安全運轉。

    4、引導系統
    包含指示牌、指示燈、指示屏幕等指示設備,安裝于每個需要提示運輸對象的地方:比如出入線路的入口外和出口前、主線路將到達某出入線路站臺段之前、主線路將主線路將到達某換乘線路站臺段之前、定制小車的指示屏幕和提示喇叭等。引導系統主要針對傳送帶運輸方式與傳統車輛運輸方式的不同,作出不同的細節設計,從而引導乘客能安全快速的使用本系統快速達到目的地。

    四、“流動城市”的創新

    具體而言,“流動城市”有下面五大方面的創新:

    1、空間:充分利用道路的閑置空間
    與“立體快巴”利用車道上方空間不同,高架“流動城市”使用的是人行道或綠化隔離帶上方的空間。既可以為地面行人遮風避雨、隔離日曬,還能方便快速的施工建造,幾乎不影響道路交通的正常運轉。地下“流動城市”則如同挖下水道一樣方便,成本低廉、施工簡便,根本無須使用盾構機那樣昂貴的大型設備,施工過程也沒有安全隱患。

    2、時間:減少不必要的時間消耗
    傳統車輛,包括軌道交通,都不停的處于啟動——運行——減速——停車——再啟動的反復過程,拖慢了旅行速度。而乘客在換乘站點的下車——換站——等待——再上車,也浪費了不少的時間。地鐵站距離乘客的目的地,往往不是幾步路就能到達的,很難形成點到點的方便感受,這是另一段比較長的步行時間。
    “流動城市”通過勻速運行、不減速換乘,完全避免了前兩種時間浪費;通過相對廉價的業主申請修建,又大大減少了乘客從站點步行到目的地的時間,甚至能夠直接抵達商場或寫字樓/住宅小區的內部。這是其他公交工具所不能想象的。正是我們所推崇的“不停頓”公交系統。

    3、能耗:只運輸該運的重量
    無論汽車還是地鐵,在運輸乘客的同時,主要運輸的其實是車的自重,相差達10倍之多(每輛轎車均重1.5噸,乘客為2時僅150公斤)。“流動城市”則只運輸了真正該運輸的對象——乘客自身。除此之外最多再包括地板和扶手,而底盤、外殼、發動機、能源,都不在被運輸之列。被做功的重量只相當于車輛系統的1/5。
    由于全程封閉運行(圖4),同時系統空間不包括大面積的等候空間,減少了開啟空調時的所有能量流失。而在春秋或早晚宜人季節,又能全面開啟側面玻璃而享受自然風的吹拂,不象地鐵那樣空氣渾濁。
    “流動城市”的主干線勻速運動避免了頻繁啟動停止和加減速,只需要很低的電力就能夠保持速度運行,再次大大降低了能量消耗。
    節能意味著減排,意味著田園生態,還意味著生活質量和大筆金錢。


    圖4 全封閉線路示意

    4、資金:唯一能賺錢的“地鐵”
    從建造方面,由于成本只是地鐵的1/15(圖5),大大減少了項目的開支。而且在建造的同時還修建了人行天橋,節省了大筆費用。
    從運行方面,由于收費類似地鐵,保持了相當數量級的收入。
    從帶動地段方面,由于站點更密、造價更低,“流動城市”帶動的不再僅僅是十幾個站點的周邊,而是整條路線、整個城市。
    從施工影響方面,由于施工時間短、影響面小,施工對整個城市造成的經濟損失也相應大大減少。

    圖5 由于結構簡單重量輕 建造非常容易

    5、安全:最嚴重的事故僅僅是摔倒
    由于全系統的最高運行速度也才二十多公里,相當于比較快的自行車速度。因此無論發生任何故障,所能造成的人員傷害都極其有限,遠遠低于以60公里以上速度運行并且由千萬個司機駕駛的汽車,也遠遠低于以80公里速度運行并在地下十幾米深度可能面臨氧氣缺乏的地鐵(圖6)。
    同時由于整個系統完全高架或下地,完全獨立于地面交通,同時使得幾乎所有路口具有自動人行天橋或地道,使得行人永遠不再面臨過街時面對呼嘯而過的汽車的生命危險。

    圖6 輕盈而通風的安全公交系統

    五、歷史上為何傳送帶未能成功應用于城市交通?

    “流動城市”所使用的工程技術,大多數已經是全世界所普及的成熟技術。那么為什么高速傳送帶一直未能以系統的形式被應用于各國的城市交通呢?
    我們分析,主要是經濟性和安全性的問題。

    1、經濟性方面
    1)由于未曾使用“流動城市”所發明的不減速換乘方式和不減速進出站方式。長距離高速傳送帶只能被寄望使用于點對點交通,而無法每站出入,也不能形成交通網絡。由于與車輛相比速度不高,也不能用于城市之間的長距離交通。而僅僅兩點之間的固定交通量,顯然不足以支撐這樣一條傳送帶。
    2)由于傳統傳送帶無法收費,因此完全以公益性質來運營這樣的線路,必然導致巨額的虧損。
    3)過去僅僅與公交車系統比較價格,使得傳送帶系統被感覺得價格昂貴。而一旦把比較對象換為地鐵,“流動城市”瞬間從昂貴變為廉價。

    2、安全性方面
    1)歷史上的傳送帶基本鋪設于地面,在與城市道路平交的過程有不可避免的安全問題。“流動城市”所發明的高架與地下傳送帶,徹底解決了這個問題。
    2)歷史上所有的出入站技術,都面臨乘客不及時走上正確方向而碰上兩條傳送帶分離處欄桿的安全隱患。“流動城市”的移動屏蔽門防患于未然,從源頭上解決了這個難題。
    3)歷史上的傳送帶,發生故障后,損壞部分不能象地鐵那樣簡單的從軌道上移出即可,會造成全線癱瘓。而“流動城市”采用分段傳送帶與輪帶分離兩個方案,都能有效的進行在線檢修和檢修時期的輪換工作,從而解決了這個100多年來懸而未決的難題。

    六、理論基礎:從分形城市到流動城市

    分形城市是由筆者等在2000年前后提出的城市規劃與運營概念模式。十年來,國內外不斷涌現各種應用分形城市理論來規劃城市、設計建筑的方案和項目。在我們所關注的交通方面的應用上,于Google搜索“分形城市+交通”,已能搜索到81萬條相關內容。

    1、分形與東西方城市差異
    分形(Fractal)被稱為非線性科學中最重要的三個概念(分形、混沌、孤子)之一,被譽為大自然的幾何學。其本質是一種新的世界觀和方法論,與動力系統的混沌理論交叉結合,相輔相成。普通人對于分形,最直觀的理解是“自相似”及“迭代”。不同層次間的部分在形狀上相似,并通過一個方式迭代成一個更大的整體,是分形體最基本的特征之一。

    包括筆者在內國內研究者,從2000年前后開始,把分形理論引入城市規劃研究與應用。從分形的角度看,現代城市出現以交通問題為核心的所謂“大城市病”,其根源來自現代城市由西方城市分形模式簡單累加垂直拔高所產生的不匹配性。

    那么,傳統東西方城市差異的本質是什么呢?以分形的觀點,主要包括三點:
    1)分形的層次。中國城市遵循3-4級的逐級迭代,而西方城市僅有從城市到建筑單體的兩層。
    2)分形的主體。中國城市分形的主體是墻,西方城市分形的主體是道路。
    3)分形的相似度。中國的家庭院落與城市平面的分形自相似度遠高于西方城市。

    所以,中國城市是一個多迭代層次、均質化和整體性的分形體,西方城市則基本可以簡化為一個建筑單體的集合。而現代城市正是按照西方的傳統城市結構建立起來的,所不同的只是每個建筑單體擴大了規模,增加了面積和高度,是一種簡單的垂直拉伸或者說累加。

    2、分形城市與城市交通
    正因為是在舊結構的模式上擴展城市,大量的建設高層建筑,而城市的道路系統仍然總體局限在地平面上,使得現代大城市越來越暴露出它的弊端,如交通阻塞、高樓病、熱島效應、能源危機、人際隔離、貧富差距、市中心空殼化等等。為解決其中最迫切的交通阻塞問題,大城市修建了立交橋、人行天橋和地鐵系統,在相當程度上緩解了這一矛盾。但從根本上來講,這一切其實只是在不斷的完善西方城市結構中兩個要素(道路、單體建筑)中的一個——道路系統,最終使得道路面積占城市面積的比例越來越大,街道的傳統特性越來越降低,而仍然跟不上汽車的飛速增長。

    基于東方(中國)的傳統分形城市模式,規劃和運營立體分形城市,才是解決一系列城市病的根本出路。為此,我們先后提出過建設現代立體分形城市的三個重要思路:
    1)首先是道路系統。地鐵、輕軌及高架路是立體分形城市的雛形,通過它們可以相當大程度的解決城市里日益嚴重的交通問題。在未來的立體分形城市,擴展上述體系的自我封閉,解決其接口轉換的效率是一個關鍵。
    2)其次是建筑與街道的關系。未來的城市建筑將變封閉的“樓層”為開放的“空中土地”,城市(建筑)的支撐結構體系將與城市的使用空間及建筑的表皮完全分離,而建筑的表皮(及空中土地的開放部分)將與道路、廣場一樣,成為城市的公共空間。
    3)最后是建筑自身。建筑,連同它的外表皮、甚至穿越的走道,都已經成為整個流動著的立體分形城市的不可分割的一部分。而每一幢單體的建筑里面,仍然有無限的個性空間可以發揮。

    3、流動城市是分形城市的最新應用
    在道路系統和交通方面,除了傳統的立交橋、人行天橋和地鐵系統之外,近年來,一些新的遵循立體分形城市概念的交通形式逐漸被引進國內,或者被國人發明出來。其中最有特點的就是前面提到的空軌與立體快巴。

    而流動城市再次強化了分形城市在交通層面的應用意義。城市的交通再次成為室內交通的自相似迭代,并且完全模糊了建筑內外交通空間的界限,讓建筑而不是車輛運動起來,最終以低成本、低能耗、低等待的方式完成了行人的時空轉移。

    七、多方面的現實意義

    1、解決交通難題
    交通問題是當前世界城市的第一難題。流動城市作為綜合方案的核心,在配合其他建設與治理方式的基礎上,有望徹底解決一百多年來困擾全球所有大中城市市區的出行交通問題,從而大大提高城市的運轉效率。

    2、環境與能源
    此前幾乎所有交通方式大部分能源都消耗在對車輛的運輸上,而乘客僅占車重的幾分之一到幾十分之一。流動城市將只對乘客做功,從而大大降低了人類用于城市交通的能耗,既節省了能源,又從根本上保護了環境。要知道汽車尾氣污染已經是環境污染中最突出量最大的一部分。

    3、新興產業
    作為新興的交通及交通設備產業,流動城市將同高鐵一樣,帶給國家新的產業機遇,有望形成和帶動一大批設計、生產、安裝和運營的相關企業,為國民經濟的發展提供新的后勁,成為中國產業發展新的藍海。


    結束語:發明百年之久的傳送帶,已經是非常成熟可靠的常規技術。而把這樣的常規技術稍作改進,就能對我們的城市交通起到顛覆性的逆轉疏通。無論從哪個方面來看,“流動城市”都能夠取代或補充地鐵(見表1),從而許給了每個城市一個光明的未來。

    指標

    地鐵流動城市
    線上旅行速度(公里/小時)3520-30
    旅行10公里、換乘1次所需時間(分)2524
    每小時運輸乘客量(萬人)3-65
    站點間最小間距(米)500100
    建造成本(億元/公里)60.4
    每條線路建設周期(年)40.5
    建設期是否影響道路交通嚴重影響基本不影響
    地面運行是否有噪音
    提升商業價值站點附近全線
    能源消耗
    500萬人口市區預計成網時間(年)253
    成網后市區每點步行距站(分)15<5

    表1 流動城市與傳統地鐵系統的12項指標對比

    附:截止本文成稿時,本方案已經過再次修改并基本解決了文中未提及的剩余技術細節問題,并成功申請到3項國家專利。對本方案感興趣的企業和政府請聯系 leifeng@wen8.com 或致電眼界科技(18602854811)。

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