[科普中国]-地铁里的学问

地铁里的学问是贯穿始终的，自它设计线路之时就有着许多讲究。首先是对地铁线路本身的设计：起点终点、走向换乘、途径站点等等，这些都是系统性的问题。我们可能最先想到的因素就是人流量，然而还有更多社会、经济、工程限制、地理环境等因素有待考量。比方说：兰州市狭长的地形就使得其地铁大都沿东西向延伸；西安市钟楼站在修建前也要考虑长期巨大的振动对古建筑的影响；当年北京市一号线将长安街“开膛破肚”，不得不拆除了不少沿线的古城墙。除此之外，还不得不提地铁每公里6~7亿元的高昂的建设费用，这也是制约它不能随意铺设的关键所在。

其次是地铁线路图的设计，这也可以称得上是一门艺术了。下图是1931年由Harry Beck设计的伦敦市地铁图，现在世界各地的地铁图大多由该地铁图衍生而来，它那90°/45°抽象化的折线成为了地铁线路图的标准范式。2006年，BBC发起“英国最伟大的设计”评选活动，超过20万名观众对一些著名设计进行投票。Beck设计的线路图名列第二，仅次于世界上最美飞机——协和客机。

这种线路图为了方便乘客安排出行的计划，达到信息在最大程度的可视化，需要给乘客一种一目了然的感觉。如果采用实际比例、实际走向绘制，不仅排版标识困难，看起来也十分的扭曲，密集中心地区可能连站名都没地方放，因此需要在方向、长度、比例、站间距等方面进行一定的优化：方向横平竖直或是45°倾角；绘图比例根据站台密集程度加以微调；同一条线的站间距也绘制的基本一致。只要不是说把一个河南岸的站画到了北岸，那么还都是以简明为根本原则的。

长安街开膛破肚，现在很显然不可能这样施工，一种被称作“钢铁蚯蚓”的大家伙应运而生了，它就是盾构机。在中国，盾构（shield machine），是一种用于软土隧道暗挖施工的机械，而以岩石地层为掘进对象的机械一般叫TBM（tunnel boring machine）。

这张图简明地说明了盾构机的工作原理，事实上，盾构机正是由于它这种被称为“盾构法”的施工方法而得名的。

盾构施工方法由以下几个步骤组成：

第一，在置放盾构机的地方打一个垂直井，再用混凝土墙进行加固[2] ；

第二，将盾构机安装到井底，并装配相应的千斤顶；

第三，用千斤顶之力驱动井底部的盾构机往水平方向前进，形成隧道；

第四，将开挖好的隧道边墙用事先制作好的混凝土衬砌加固，压力较高时可以采用浇铸的钢制衬砌加固来代替混凝土衬砌。

盾构法听起来生僻，但其实极为形象，因为它与一般挖掘方法最大的不同就是在挖掘的同时对刚刚挖掘出但还未衬砌的隧道有着临时支撑的功能。盾构机要承受周围土层的压力，有时还承受地下水压的压力，同时它还要掩护其内部挖掘、排土、衬砌等作业的进行，真可谓是多功能一体机。有着这么多的功能，其优点自然是大大的：自动化程度高、施工速度快、不受气候影响、地面不易沉降、不影响地面交通等都是它远超明挖法施工的优点，

盾构机问世至今已有近180年的历史，其始于英国，发展于日本、德国。不过，大型盾构机技术附加值高、制造工艺复杂，国际上只有欧美和日本的几家企业能够研制生产。长期以来，中国盾构机企业在设计、研发、制造上都与国外同类企业有着不小的差距，产品也大多依赖进口，一些大型、超大型盾构机的自主研发与制造，更是被国外企业长期垄断。直到2015年11月，第一台国产盾构机正式下线，代表我国正式将这一代表着制造业和工程施工的尖端技术的“国之重器”收入囊中。

乘坐地铁免不了要换乘，作为乘客，大家当然都希望冲到对面就能坐上下一趟列车，然而地铁站台的设计者也有其苦衷，有时候确实不得已需要让乘客走上一大段路。

地铁站台（月台）分为岛式，侧式和西班牙式。两轨夹一台为岛式，一轨对一台为侧式，三台夹两轨为西班牙式（即一个岛式两个侧式）。西班牙式不做详述，只要有钱，地方够大，当然能够综合两种站台的优点，现只就岛式与侧式的优缺点加以讨论。

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X光机，又叫安检机或行李安检机。大家对它再熟悉不过了，它是地铁、机场主要的行李安检设备。其原理很简单，就是利用X射线能穿透物质的能力。密度不同，厚度不同，组成成分不同，x光的穿透能力也不同。X光机就是根据对各种物质不同的穿透能力，从而识别行李中的物体的。X光机不仅能识别物体形状，还能显示出颜色，各种物质的颜色都是不一样的。像有机材料，如纸、衣服、以及各种食物，通常显示橙色。而混合材料和轻金属，比如含有钠、硅、铝材料的通常以绿色来显示。而铁、铜、银等显示为黑色和蓝色。以上各种颜色，其明暗程度取决于材料的密度和厚度。

不少人担心，自己包里面的食物，从行李安检机这么一过，被X光这么一扫，食物就受到污染了。这方面不必太担心，行李安检机发出的X光，功率很小，被检测一次，接受到的辐射剂量小于5微希沃特，这远远低于那些用于对食物进行辐照杀菌保鲜的剂量。我们吃的不少食物，其实是经过辐照的，其他国家也是，比如美国食品药品监督管理局（FDA）和美国农业部就批准下列食物可以进行辐射杀菌和保鲜，如包装冷藏或冷冻的红肉、家禽、新鲜的水果和蔬菜以及谷物等。

除此之外，随身携带水杯的朋友应该知道，在经过安检的同时水也需要试喝。如今，出现了一种高科技的仪器，它可以在不接触的条件下，仅需几秒钟就能对液体的安全性做出判断。这种液体检测仪采用准静态计算机断层扫描技术，通过测定待测液体的介电常数和电导率，从而判断其易燃易爆性，将液体炸药、汽油、丙酮、乙醇等易燃易爆液体与水、可乐、牛奶、果汁等安全液体区分开。

你或许见到过工作人员打开自助售票机修理或取放钱币的过程，但你是否想过它是如何完成吞入、检测、计算、找零、发票等一系列工作的呢？一般自助售票机的钱币装置由投币口、选别装置、确认钱币真伪的检查装置、计算金额的计算装置和找钱装置组成，其中最为复杂的是检查装置。

对于硬币，我国目前发行的 1 元、5 角和 1 角硬币的金属原材料是为造币而专门使用的特殊合金，因此在它通过投币入口进入由电感和电容组成的特定高频振荡线路所产生的磁场时，金属材质和体积的差异对电感量的影响大小也出现微弱差异，电感量的变化引起振荡频率的变化，再通过检测频率的变化，与设定值进行比较，确定某种硬币种类后，经窄带选频电路将频率信号变成电压信号输出，完成对金属硬币的识别。

对于纸币，随着科技的发展，防伪技术大幅提升，检测手段也趋向多元，比较常用的有荧光检测和激光检测。

荧光检测的工作原理是针对人民币的纸质进行检测。人民币采用专用纸张制造（含 85％以上的优质棉花），假钞通常采用经漂白处理后的普通纸进行制造，经漂白处理后的纸张在紫外线（波长为 365nm 的蓝光）的照射下会出现荧光反应（在紫外线的激发下衍射出波长为 420－ 460nm 的蓝光），人民币则没有荧光反应。

激光检测是用一定波长的红外激光照射第五版人民币上的荧光字，会使荧光字产生一定波长的激光，通过对此激光的检测可辨别钞票的真假。由于仿制困难，故用于辨伪很准确。

即使你是第一次来北京坐地铁，相信你也不会在地铁站里迷路，似乎有只无形的手推着你走向终点。这只手，就是科学的导向系统。导向系统，又名标识系统，作用是以直观、明确、快捷的视觉信息，对人流、物流进行引导。地铁的标识系统设计是完善地铁建设的重要组成部分，有效规范的公共交通导向标识系统是现代交通疏导的灵魂，因此，地铁站内交通标识导向系统的设计与安装也不能轻视，它能够最大限度的减少乘客无效停留时间，对轨道交通功能的发挥具有非常重要的作用，同时它也是城市文化的重要组成部分。地铁标识系统主要由图形、文字、色彩以及空间环境构成。它通过提供统一的视觉形象和视觉符号，方便乘客出行。

色彩是地铁标识系统的重要组成部分，鲜艳的色彩能增强车站站台的识别性，方便快速阅读和识别。目前，国际上面对有些城市地铁线路较多带来的识别混乱，通常的解决办法是采用色彩识别系统（颜色区别法），即用不同的色彩代表不同的线路来加以区分，使每一条地铁线乘客都能一眼辨认出来，通过线路的颜色信息，乘客可以清楚地知道自己身在哪条线上。在地下空间布局中采用鲜艳的色彩既满足视觉导向和信息传达的要求，又调节了室内气氛。从目前中国地铁线路的色彩规律来看，普遍采用了红、橙、黄、绿、青、兰、紫等易识别的色彩。并且采用暖色——冷色——暖色或者冷色——暖色——冷色交替的色彩搭配的方式进行，这种方式的优点是视觉对比强烈、醒目。

从地铁站外门匾到站内售票、票价、进站、乘车方向、地铁线路图、列车都有明确而清楚的指示牌。标识牌信息内容简捷、清楚，每个乘客在使用过程中只要留意头顶前方悬挂的导向标识牌就能顺利完成出行，满足了乘客疏散的主要功能需求。地铁交通导向标识牌采用中英文两种文字，这也是一座城市的文明程度、开放性和国际化的具体体现。

十几年来，北京地铁指示系统经过了数轮改进才形成了现在的样子。在 2005 年地铁 5 号线开通时，北京地铁借鉴了港铁 MTR 的指示系统，并再此基础上改进及革新，形成了北京地铁现有的指示系统。

而到了早晚高峰时，需要的就不仅是导引，更是分流了。让我们来看看地铁站内是如何应对大流量乘客的吧。首当其冲的，多开客车，压缩发车间隔：地铁的发车间隔在早晚高峰时会明显缩短，北京地铁的宣传片里就提到了最短发车间隔的逐渐缩短，现在已经能够做到两分钟一班。其次，高峰期开行短线车。为了解决客流不均衡的情况，地铁都会在高峰期利用中间折返站开行短线车，以此来压缩中间区段的行车间隔，提高运能，缓解高峰客流。再次，“铁马”，即可移动式不锈钢栏杆。S形铁马多设于安检口，用来减缓人流流速，并防止人们排成“一字长蛇阵”。直行铁马多设于换乘站，用来分隔双向客流，使队伍更为有序。最后，甚至可以改变扶梯的运行方向，让它顺应暂时的人流流向，使乘客快速换乘或离开车站。

以上都是我们作为乘客能够看到的细节，而真正保障地铁安全、高效运行的，则是一个“大脑”——列车自动控制系统（Automatic Train Control-ATC）。它主要包括列车自动防护（Automatic Train Protection－ ATP）、列车自动驾驶（Automatic Train Operation－ATO）、列车自动监控（Automatic Train Supervision —ATS）三个子系统，是一套完整的管理、控制、监督系统。

ATP,顾名思义，它是用来防止列车运行中可能出现的各种危险。具体的功能则是根据先行列车位置以及进路情况确定后续列车的限制速度，向列车传递限速信息，列车超过规定速度时自动制动。有了ATP,ATO的发展也就顺理成章了。列车每天的自动运行、精确停车、自动开关门、自动发车等等，这些列车日常运营的场景均在列车自动驾驶系统的控制下自动完成，上海地铁10号线已率先开启了无人驾驶模式，北京地铁燕房线也即将采用这种模式。我们所经常称奇的地铁进站开门时的精准，也是由ATO所控制实现的。它通过轨道上的多个传感器，多次确定列车的车速与距停车线的距离，不断调整车速，最终和站台上的屏蔽门无缝对接。而对于第三个系统——列车自动监控系统，它则具有监督与控制两方面任务。一方面将列车运行时的各种信息状态实时反应到车站的监控终端上；另一方面它又能自动排列进路，控制列车沿规定线路行驶。

看完了这篇文章，你是否感觉自己以前地铁都白坐了？虽然如今科技黑箱越来越普遍，但只要去观察、去求索，科技，就在你我身边。