投稿到民航资源网

从“空铁联运”到“空铁系”

 2023-05-30 10:59:59 来源:民航资源网 作者:陈冀湘  [投稿排行榜]

      摘要:从系统论[1]分析,“空铁联运”只是系统连接,“空铁系”则是系统同构[2]。“空铁联运”是通过规划设计、管理和营销的手段构建空铁系统连接,受制于时序,国别,科技等因素,其本质上是空铁之间相互妥协的一种商业方案;“空铁系”的目标则是两个系统之间实现数理同构的空铁协同综合交通运输体系,是快速网构建的方法论。相比于30年前欧洲的“空铁之争”,今日之中国国情则完全不同,在规模、体量、速度、密度、人口、地缘等方面,其烈度呈现几何级提升,从唯物辩证法分析,由量变积累到质变临界点成为是一种可预判的必然,这就为“空铁联运”进化到“空铁系”,奠定了现实基础。

      关键词:系统同构 空铁系 突变论

      基于系统同构的航空与高铁综合运输交通体系,简称“空铁系”(下同)。包含了系统同构(system isomorphism),工程控制与信息导引三个系统的支撑。

      空铁系以系统论为理论支撑,以快速网[3]构建为目标。问题导向从欧洲“空铁联运”的聚焦规划设计、管理和营销,转变为实现空铁客与货的“共时流转”和原理构成分析,以“艺术与科学”创新设计为指导,将城市航站楼功能移植到沿线高铁站来,通过智能互联工业成套技术装备和智能站台升级来实现“共时流转”。比对而言:空铁关系实现“系统连接”到“系统同构”,空港辐射城市数量将呈现几何级提升;相对关系由刚性竞争、各行其道走向泛在互联、柔性协同关系;从功能上,高铁客运网转变为快速网;票务信息导引系统由民航公司主导的“订单式”,走向市场消费主导的“菜单式”;战略意义上,高铁网由内循环走向内外双循环,由有界到无界的综合型新基建模式。空铁系统同构的目标是将未来高铁网中近千座50万以上的站点城市纳入系统中,为开辟新发展格局提供“中国方案”。

      一熵减与进化

      系统论中的熵减,是指热力学体系中的状态熵的减少,也指社会科学领域状态由混乱向有序的转变;进化(evolution)指生物学中种群基因频率的改变,也指社会科学生态由低等向高级的升级。熵减与进化是系统论最具价值的思想贡献,它揭示了自然科学与社会科学发展演变的内生原理和基本规律,为人与自然和谐发展,社会生态文明进步指明了目标和方向。

      开放系统是系统论中最重要的基本概念,它的特点是系统与外界环境之间有物质、能量或信息的交换,用系统思想来观察现实世界,地球上的一切自然和人工系统几乎都是开放系统。开放系统的边界具有可渗透性,与环境之间有物质、能量或信息的交流,所以开放系统的运动在一定条件下可以是一个减熵的过程,能使系统趋向组织化和有序化,地球上生物进化的历程就是开放系统演化的一种重要模式。航空与高铁都是开放的人工巨系统,代表了当下人类社会工业文明最高形态,二者好像是天差地别“一个天上飞,一个地上跑”,但实际上早就存在交集,即地面集疏交通运载部分。航空机场一般都远离城市,通勤时间一小时左右,通勤方式有高速公路、城市轨道交通、地铁、磁浮线等,这些都是二者交集的部分,空铁之间也没有矛盾对立,直到高铁的出现,开始打破了这种平衡。30年前欧洲高铁网初步形成规模,高铁对航空市场形成空前的挤压,120分钟之内的支线航班几乎全军覆没,180分钟支线航班与高铁运营线形成各占一半的均衡状态,由此才有了“空铁联运”模式的出现。随着1987年法国戴高乐机场、1995年德国法兰克福机场将高铁引入机场通勤,由此开启了空铁系统之间由协同到进化的序幕。简单地理解:高铁可以作为机场通勤的方式,高铁网也可以是通勤的构成部分。

      系统同构是系统论的重要理论依据和方法论的基础,系统同构一般是指不同系统的数学模型之间存在着数学同构,比如:代数系统同构、图同构等。数学同构有两个特征:一是两个数学系统的元素之间能建立一一对应关系、二是两个数学系统各元素之间的关系,经过这种对应之后仍能在各自的系统中保持不变。即:元素就是“人”,身份是旅客,航空旅客对应高铁旅客,可以相互转换,转换之后在各自系统中没有变化,依然是“人”。

      在抽象代数(abstract algebra)中,同构(isomorphism)指的是一个保持结构的双射(bijection)。通俗来讲即是一个态射且存在另一个态射,两者复合形成一个恒等态射。态射(morphism)是两个数学结构之间保持结构的一种过程抽象。对于许多复杂系统,不能用数学形式进行定量的研究,因此就有必要将数学同构的概念拓广为系统同构。人们常常把具有相同的输入和输出且对外部激励具有相同的响应的系统称为同构系统,

      以航空母舰为例:航母是人类二十世纪创造的具有革命性的海空系统同构工业产物,深刻地影响并改变了今日世界的海权归属和地缘格局。船舶系统与航空系统都是开放的人工系统,通过实现船舶与机场功能系统同构,航母整体既有船舶的态射又存在机场态射,两者复合形成航母的恒等态射;恒等态射是一个系统整体,依靠核能或者石化能源装换为电能来协同运行,具有相同的输入和输出,与现实社会有物质、能量和信息的交换,对外部激励具有相同的响应;飞行器是等价的,陆地上与航母上的飞行器性质并没有改变。

      不同系统间的数学同构关系是等价关系(即:集合上的一种特殊的二元关系)。等价关系具有自返性、对称性和传递性,根据等价关系可将现实系统划分为若干等价类。同一等价类内,系统彼此等价。即:航空旅客与高铁旅客是等价的,都是旅客;自返性可以理解为乘客可以是高铁旅客,也可以是民航旅客;对称性既高铁乘客可以转变为民航乘客,民航乘客也可以转变为高铁乘客;传递性则是指民航乘客可以转变公路客运乘客,高铁乘客也可以转变为公路客运乘客等。因此借助于数学同构的研究,可在空铁系统运动中找出共同规律。

      二国情与道路

      系统论的思想源泉是唯物辩证法,交通基础设施建设是迈向中国式现代化的开路先锋,空铁系的思想核心就是实事求是从国情出发探寻面向未来的道路模式。2022年2月国务院印发了《国家综合立体交通网规划纲要》(以下简称《纲要》),同年3月发布了《“十四五”现代综合交通运输体系发展规划》(以下简称《规划》)。明确提出了以“柔性协同[4],泛在互联”的方式构建以高速铁路、国家高速公路、民用航空等为主体的快速网。它处于整个综合立体交通网中的金字塔顶层,是由地面迈向天空,二维迈向三维的跨界综合交通运输快速网,科技密集且外延效益强,其开创性模式对“一带一路”发展战略,构建人类命运共同体意义重大。

      目前已经形成规模效益的高铁网只有两个,欧洲高铁网和中国高铁网,分布于在欧亚大陆的两端。2020年欧洲高铁网运营里程达一万公里左右,中国高铁网运营里程突破4万公里。根据2016年版《中长期铁路规划网》到2035年高铁网达到7万公里,50万人口以上城市高铁通达。结合中国的国情来看:未来高铁网主要集中在“胡焕庸”线以东,包含了近千座50万人口以上的站点城市,涵盖面积达5百万平方公里左右,是法国面积的9倍,德国面积的14倍;辐射人口14亿左右,是法国人口的20倍,德国人口的17倍,人口密度是德法均值的1.6倍。未来高铁网的规模和体量,对于民航企业的冲击,也将远远大于上个世纪八十年代欧洲出现的“空铁之争”。

      这就需要从唯物辩证法的理论高度看待中国现实问题,实事求是地分析:30年前欧洲出现“空铁之争”,德法英为何没有选择空铁系统同构?从突变论角度分析,包含了时序,国别,科技三个方面的变量因素:时序就是先有空港后有高铁网,通过规划连线可以实现二者的妥协;国别就是国土范围有限(特别像英国、日本这样的岛国),高铁网动能量变累积有限;科技就是智能工业互联网技术支撑。但中国的国情则完全不同,不均衡不充分依然是社会主要矛盾,人口和体量是德、法单一国家的数十多倍,且处于城市化工业化高速增长进程中,变量积累没有障碍,由量变到质变临界点[5]成为是一种可预判的必然。

      中国问题需要中国方案,目前的大兴机场和天府机场建设思路上就是照搬欧洲空铁联运的模式,缺乏基于中国国情变化需求的宏观思考,以及整体性和前瞻性,系统同构思想为快速网的构建提供了理论支撑。

      三问题导向与设计逻辑

      包括:事理分析,问题导向,工业设计,科技赋能,原理拓展,创新引领六个方面。

      事理分析:快速网由三种完全不同的交通体系构成。简单理解包含“三个层级,两个维度,两公一私”,即:“三个层级”按速度可分为三个层级,第一为高速公路,第二为高铁,第三为航空,高速公路普遍的运行速度100公里/时速,高铁普遍达到300公里/时速,是目前地面轨道公共交通的最高速度,航空普遍在1000公里/时速。“两个维度”则是指二维地面交通与三维空中交通,高速公路和高铁是二维地面交通系统,航空是三维交通系统。“两公一私”是指高铁和航空属于公共交通,线路固定,高速公路的运转主要以私家车为单元体,线路自主运行自由,速度相比高铁和航空存在无法逾越的代差,道路规划主要是以城市,机场,港口等枢纽之间连接为主。

      快速网的构建包含“快速”和“网”二个要素,同时也是《纲要》中实现“立体”目标的层级,干线网、基础网没有航空要素,只是二维交通网。目前的高铁网没有立体交通路径。要实现立体的目标,就必须打通航空与高铁之间阻碍通畅的环节。因此,高铁网与航空两者之间的对接通畅,成为构建快速网的问题导向。

      问题导向:航班机舱与高铁车厢有着惊人的相似,都是高速公共交通运载工具,最大的区别在于民航有航空物流,航空旅客可以实现客运与大件行李同步流转,实现了客货分离,而高铁只有客运,没有高铁物流,也没有大件行李同步流转。造成了二者之间交互对接的错位,这也是天地之间两套交通模式物理对接存在的系统性落差。一旦打通环节,理论上讲在任何一个高铁网中任何站点城市都可以与航空港无缝对接,高铁网就成为立体交通快速网。这需要从系统构成的角度建立对接渠道,即客流和物流。客流相对简单,靠人的主观能动性完成转化,物流没有主观能动性,就需要通过工业设计来解决。

      工业设计:事理分析[6]决定设计逻辑,逻辑决定如何工业设计。具体包括软硬件两个方面的支撑。即:智能信息导引站台,箱体传送带,高铁货运专用车厢,后台信息大数据导引等系统来支撑。从设计学学科来看:就是基于智能工业互联网技术的工业设计,包含路径信息导引系统和智能机器人路径成套装备系统两个方面。

      科技赋能:通过科学技术赋予智能机器人一定的主观能动性,替代人工运载货物,做到功效最大化。即:智能机器人有完成简单动作的能动性,通过智能机器人箱体模块,运载货物自动出入高铁车厢完成装填。这样可以使高铁物流能效得以最大化释放,做到精准、高效、快速,标准化、无人化和零误差,同时与高铁客运并行不悖。

      原理拓展:原理是最具普遍意义的基本规律。通过科技赋能解决了问题导向,通过工业设计打通障碍,就可以回归原理,从艺术构成和科学功效两个方面,对快速网的构建模式进行量化分析。而智能技术的介入破解了高铁与航空票务分账的矛盾,每一步的流程都有数据链记录,机票费用,高铁票费用,托运费用都可以独立结算,同时也避免了天空垄断。

      创新引领:将城市航站楼搬到高铁站来。城市航站楼是机场功能的延伸,点对点地实现机场与城市的对接,这是航空系统与外界有效的连接方式,对接城市但不是对接高铁网。这就需要实现城市航站楼的功能系统装换以及空铁系统构成新模式原理的分析。

      四将城市航站楼搬到高铁站来

      实现系统同构的创新点是:将城市航站楼搬到高铁站来。这就需要实现城市航站楼的功能系统装换以及空铁系统构成新模式原理的分析。

      创新思维来自“艺术与科学”的指导。工业革命的本质是功效,时间不变但效率提升,功效提升来自科技进步。诺贝尔奖获得者李政道教授提出:“艺术与科学”[7]的共同基础是人类的创造力,它们追求的目标都是真理的普遍性,“艺术与科学”揭示了工业文明发展的本质和规律,即可以解释近代历史的流变,又可以昭示未来。

      将城市航站楼的功能搬到高铁站来。“空铁联运”模式本质是值机柜台功能延移到城市航站楼,即将机场的值机柜台搬到了空港与城市连接的轨道交通的起点站,值机行李托运手续完成后,旅客一站式抵达机场站点,直接到候机厅。但是,用高铁运载旅客则不同,高铁线路是多个城市串联,不能一站式抵达,这就需要将城市航站楼的功能搬到高铁站来,如此,就形成串联式城市航站楼,如果以此为圆心,多轴延展,就可以集疏区域范围内上百个站点城市乘客,运量将呈几何级的提升。如果以符号A代表城市,O代表机场,这是典型的“A--O”点对点往返路径模式,属于系统连。高铁线路沿途串联了多个城市,即“N--M--H--G--F---O----A--B--C--D--E”往返模式,如果将沿途城市的高铁站增加城市航站楼的功能,集疏沿途多个城市旅客,运量就会复数级的提升;如果“O”点的位置处于高铁网交叉枢纽,以“O”点为圆心有多条线路交叉通过,就可以集疏区域范围内沿途城市旅客,运量就会几何级的提升。(图1)

      图1:空铁系统同构单一数学理论模式演化图

      这是一种新的门户型机场模式,蕴含的动能远远大于原有机场模式,是区域板块崛起的动力源,综合而言,最大的进化在于“时间换空间”和“多城共享,节点圆心,多轴延展”两方面。同时,“牵一发而动全身”,未来城市高铁站有近千座,完成如此规模的升级,意味着需要用新的理念的进行整体规划设计,需要基于智能工业互联网的成套装备设计。

      五基于智能工业互联网的成套装备设计

      严格意义来讲:旅客包含了“人和物”,航空实现了旅客与大件行李同步,但高铁只是客运,这是实现空铁系统同构的核心的问题导向,即:高铁系统实现乘客与大件行李“客货分流”与“共时流转”。相比于30年前的欧洲空铁联运,期间发生的最大的积极变量就是第四次工业革命,特别是智能工业互联网技术的成熟与运用,为空与铁之间系统连接到系统同构(简称空铁系),构建有中国特色的综合运输立体交通快速网,奠定了坚实的技术基础。

      技术路径:即基于智能工业互联网技术的成套装备系统设计制造:

      1同步系统和非同步系统,以及相对应的信息导引控制软件。1-1同步系统:背向无人轨道智能模块行李装卸系统,实现高铁运输航空旅客行李同步。1-2非同步系统:独立智能站台,以智能模块实现物流装卸系统,实现高铁物流,高铁对接航空物流。

      2成套装备以及相对应的信息导引软件系统:2-1智能站台,智能机器人模块,智能高铁物流车厢(与智能机器人模块配套)。2-2传送带:智能机器人模块离开与送达平台的运输带。(图2)

      图2:背向轨道智能机器人运输模块图示

      同时,如何控制这样的运转,还需要构建相对应的工程控制系统和信息导引系统,即:成套装备制造与软件控制,票务导引系统等。

      技术描述:旅客在高铁站通过安检先到航空值机区;自助完成值机、大件行李信息录入;传送带传到托运工作区,检索后人工填装入机器人模块;模块通过传送带抵达背向智能站台靠近尾箱区域;背向智能站台含有液压装置,列车停驻站台后,通过激光测距细微抬升降低,在数秒之内,使站台平面与尾箱平面完成精准对接;这两个平面都均匀布置信息感应钉,受后台软件控制,在数分钟之内,模块自动运行完成上下车厢,与正向站台旅客上下车同步;抵达空港,以同样的方式完成装卸流程;大件行李进入空港行李分拣系统;人工装运至对应航班飞机行李舱。以:一个机器人模块装运5个大件行李计算,一节行李尾箱可以优化到装50个模块,两节行李尾箱可以装100个模块,三节可以装150个模块,对应的是800名乘客,可以运行空铁专列,尾箱数量和班车密度可以根据旺季淡季流量变化调整。(图3)

      图3大件行李同步系统“共时流转”流程图示

      能实现大件行李同步系统,实现非同步系统就变得简单,非同步系统就是高铁物流系统,机器人模块更大,独立智能站台。如果航空港也是高铁物流智能站台之一,则航空物流与高铁物流实现无缝对接。如果实现了将城市航站楼功能到高铁站的转移,理论上讲,高铁网中所有的城市站点都可以实现同构,高铁网变为空铁“叠加”态。而且,同构的体量越大,释放的动能越大,进化的程度越高。(图4)

      图4高铁网到空铁系功能“叠加”态示图

      图解:A高铁网B智能工业互联网技术成套装备系统(包括B1同步系统和B2非同步系统)O航空港(嵌入高铁网交叉节点)M快速网

      A--------高铁客运系统A+B2-----高铁物流系统A+B2+O---航空物流系统

      A+O------航空客流系统A+B1+O---空铁大件行李同步系统

      六典型案例与顶层设计

      宜昌三峡机场是在国土范围内,符合“时间换空间”、“多城共享,节点圆心,多轴延展”属性,最完美,最典型性空铁同构的单一模型案例。宜昌的战略价值在于:处于地球上最长的两条高铁线交叉点,呼南线和沪汉蓉线,南北东西跨度2000多公里,“180分钟”分界点范围内涵盖了十余座省会,上百座二三四线城市,辐射3亿多人口。而且只需要:对沿途高铁站点进行智能站台升级;在规划时将交叉点与三峡机场无缝对接;现有三峡机场升级为航空门户港。以此作为中部崛起标志性项目,可以极大节约建设成本,对于缓解目前发展不均衡不充分的矛盾,推进海陆再平衡,具有战略意义。

      这就需要顶层设计,它包含了系统工程和政治意志两方面跨学科的集体智库思维。系统工程通过信息和反馈建立了工程技术,生命科学和社会科学三者之间的联系,继承延续成熟的概念和方法,直接用于另一个科学领域,避免重复研究,通过类比催生新的设计创新和控制方法。政治意志具有战略前瞻性,以唯物辩证法的对立统一规律为导向,以发展的眼光全面的观点看待空铁之争,预判二者之间渐变到突变或飞跃的可能,并寻求统一的科学新秩序来实现重构与升华,避免重复建设和浪费。

      大国崛起的工业化道路模式各不相同。200年前,大英帝国开辟海洋交通运输航道,控制海权与殖民地港口贸易得以崛起;法西葡意等欧洲国家也是同样的方式;1891年至1916年,沙皇俄国通过建设西伯利亚大铁路,奠定苏联的大国基础;德国和日本作为两次大战的战败国,则是依附于海洋贸易,靠工业产品贸易成为强国;美国崛起于100年前开始的横跨两洋的高速公路网建设,“汽车上的美国”为二战获胜取代英国成为全球霸主,奠定了雄厚的工业基础。

      这揭示了工业社会发展的本质和规律,工业革命是科学,工业文明是人文,每一次工业革命都会催生新的工业文明。交通总是不同的工业革命阶段科技的集大成者,是先进工业文明的开路先锋,这就是交通战略价值的内涵。从唯物辩证法的角度分析:“交通”不是“道路”,“交通”是物质性的行而下的经济基础,“道路”则是意识性的形而上的上层建筑,但“交通”一旦具备了工业文明的先进性,就可以上升为“道路”,即:“大道之行也,天下为公”,交通就具有了文明的内涵。

      那么今日之中国呢?就是空铁系。

      [注释]

      [1]冯·贝塔朗菲L.Von.Bertalanffy《一般系统理论;基础,发展,运用》翻译:林康义魏宏森《GeneralSystemTheory;Foundations,Development,Applications》[M]清华大学出版社第11-13页1987

      [2]《自动化名词》第一版system isomorphism[M]全国自动化名词审定委员会编科学出版社第44-45页1990/07

      [3]国务院国发〔2021〕27号《“十四五”现代综合交通运输体系发展规划》第三章构建高质量综合立体交通网〔J/OL〕2021

      [4]哈肯Haken,H《高等协同学》[M]翻译:郭治安北京科学出版社1989/03

      [5]雷内·托姆Rene Thom《结构稳定性与形态发生学》[M]四川教育出版社第15-16页1992/09

      [6]柳冠中《中国工业设计断想》[M]江苏凤凰美术出版社2018/02第31-35页

      [7]李政道《李政道文选---科学与人文》[M]上海科学技术出版社第26-29页2008/5

    0荐闻榜

    延伸阅读: