第一節　載運工具

載運工具是為人的出行、貨物的運送和信息的傳遞提供便利的載體，是對人類行走、運物和信息傳送能力的一種補充、拓展和延伸。載運工具是載運體系的執行部件。

載運工具通常劃分為運輸類載運工具和通信類載運工具。

一、運輸類載運工具

運輸類載運工具為人的出行、貨物的運送提供便利。按其發揮作用的領域又可以劃分為三大類：水上載運工具、陸地載運工具和空中載運工具（圖2-1）。

（一）水上載運工具

水上載運工具是利用水的流動或通過螺旋槳、噴射水流在水中的推力而在水面或水中行駛的載運工具，包括：船舶、水上飛機、潛水器和水上移動平臺。

1.船舶

船舶按其用途或大小有多種稱謂：民用船一般稱為船，軍用船稱為艦，小型船稱為艇或舟。船舶內部主要包括容納空間、支撐結構和排水結構，利用外在或自帶能源的推進系統；外形一般采用利于克服流體阻力的流線性包絡；船體材料隨著科技進步不斷更新，早期為木、竹、麻等自然材料，現代多是鋼材以及鋁、玻璃纖維和各種復合材料。

按航行狀態通常可分為：排水型船舶、非排水型船舶。

（1）排水型船舶

排水型船舶按用途分為：客輪、貨船（用于貨物輸送，如油船、散貨船、集裝箱船等）、客貨船（兼貨物輸送與旅客輸送）、救助作業船（用于海上救護）、工程船（包括打撈船、科考船、維護工程船等）、指航船（用于指明航道）、漁船。

（2）非排水型船舶

非排水型船舶包括：滑行艇、水翼船和氣墊船。

①滑行艇：在水面上高速運動時處于滑行狀態的小艇。滑行時只有部分艇底與水接觸，阻力降低顯著。在民用方面，有游艇、客艇、賽艇等類型。

②水翼船：船身底部設有支架，裝上水翼。當船的速度逐漸增加時，水翼提供的浮力會把船身抬離水面，從而大幅減少水的阻力來增加航行速度，可以高速航行。

拓展：水上載運工具的發展

水上載運工具的演進大致可劃分為五個時期：

①人力作為航行動力時期。遠古人類利用樹枝、葫蘆等物作為浮具，成為人類最早使用的水上載運工具。

②石器時代起，人類逐漸以舟筏作為運輸、狩獵和捕魚的工具。

③風力作為航行動力時期。進入青銅器時代后，各類木船和帆船不斷出現。帆船時代幾乎延續了近五千年。

④機械力作為航行動力時期。1807年，美國人首次在“克萊蒙特”號船上用蒸汽機驅動裝在兩邊的明輪，在哈德遜河上航行成功。從此，機械力開始替代自然力，船舶的發展進入新的發展階段，船殼也逐步由木制變為鐵制和鋼制。

⑤進入20世紀，開始進入現代水上載運工具時代——載重量、速度和自動化程度逐步提升，分化出許多專業的船舶，一些新的船式如水上飛機、氣墊船、水翼船出現。圖2-2所示為竹筏和水上飛機。

③氣墊船：利用高于大氣壓的氣體在船底與支承表面間形成氣墊，使全部或部分船體脫離支承表面而高速航行。

2.水上飛機

水上飛機是指能在水面上起飛、降落和停泊的飛機，主要用于海上巡邏、反潛、救援和體育運動、旅游、通勤、航拍等。

3.潛水器

潛水器是具有水下觀察和作業能力的活動深潛水裝置，具有海底采樣、水中觀察測量，以及拍攝錄像、照相、打撈等功用。

4.水上移動平臺

水上移動平臺利用充氣產品或其他易于在水上漂浮的物料制成的構筑物。通常用于構造水上樂園。目前，已有設計師開始探討利用水上移動平臺的原理設計水上漂浮房屋。

拓展：荷蘭建筑師提出水上漂浮房屋方案

Koen Olthuis設計的水上漂浮房屋見圖2-3，他采用樂高積木的概念，讓每一棟漂浮房屋都可跟任何其他的漂浮房屋連接扣合，創造能夠漂浮的社區。當洪水來臨時，整個社區就能一起安全地漂浮在水面上。這種多元的建筑形式為都市的組成創造了自由性。其可移動性更打破了建筑既往駐在固定地的概念。

漂浮房屋考慮采用水層溫差發電、水層儲能與潮汐發電作為能量的來源。

（二）陸地載運工具

陸地載運工具分為兩大類：水平向載運工具和垂直向載運工具。

1.水平向載運工具

水平向載運工具包括三大類：道路載運工具、鐵路載運工具和其他水平向載運工具。

（1）道路載運工具

道路載運工具包括：人及據以騎乘的各種動物；由動物牽引的各種車、撬和由人力驅動的滑板、獨輪車、攆和腳踏車（自行車）；利用燃料、電或其他能源作動力，通過輪胎在道路上行駛的各種車輛，如汽車、無軌電車、摩托車等。

①人：人類的雙腳是最古老的載運工具。人們在學會運用任何一種載運工具之前靠雙腳行走。步行方式上的改進通常都來自足履（鞋子）的進步。鞋子使人們能夠走得更遠，在更冷的氣候下出行以及穿越更崎嶇的地形。

②動物：牛、馬、驢、騾子、駱駝、大象等都是可以供人騎行，或馱運貨物的載運工具。

拓展：鞋子是最古老也是永恒使用的載運工具

木屐[圖2-4（a）]可以算是最古老的鞋子之一，自發明至今不少于三千年，在隋唐兩代就已在城鄉普及。唐代由我國傳入日本的木屐，至今仍與和服配套，成為婚禮、慶典等重大禮儀活動必不可少的服飾。但目前在中國，幾乎已無人穿木屐。

國外已經有人發明了可以自動行走的鞋子[圖2-4（b）]，也可以視作一種自行車——只需給出口令，鞋子就可自行，而且可以自我平衡且無須用手操控。這特別適宜于截肢者或站立有困難者。

③畜力車：依靠畜力（主要指牛、馬、驢、騾子、狗等）牽引的人造車輛。

④滑板：主要由板面、砂紙、橋（支架）、輪子、橋端螺母、橋釘、緩沖墊、軸承等組成。

滑板運動是沖浪運動在陸地上的延伸。

⑤自行車：自行車（Bicycle，意為兩輪車）又稱腳踏車或單車，是一種以人的腳踩踏板為動力的小型兩輪車輛，在中國、新加坡通常稱其為“自行車”或“腳踏車”；而在日本稱為“自転（轉）車”。自行車種類很多，有單人自行車、雙人自行車和多人自行車。

⑥汽車：汽車（Automobile，意為“自動車”）是指不依靠軌道或架線，使用自身動力裝置驅動，能夠快速而機動運用的輪式車輛，一般有4個或4個以上車輪。主要用于：載運人員和貨物、牽引載運人員和貨物及某些特殊用途。

按照《汽車和掛車類型的術語和定義》（GB/T 3730.1—2001），汽車分為兩大類：乘用車和商用車。

其中，乘用車是指主要用于載運乘客及其隨身行李和臨時物品的汽車，包括駕駛人在內最多不超過9個座位，也可牽引一輛掛車。轎車、旅行車屬于乘用車。商用車用于載運人員和貨物（乘用車不包括在內），并且可以牽引掛車。客車、貨車等屬于商用車。

通常將汽車按用途劃分為如下幾種類型：轎車、客車、貨車、專用（特種）汽車（如賽車、消防車、挖掘和裝載機、危險貨物車輛）、越野汽車、工礦自卸汽車、農用汽車和牽引汽車等。

拓展：最早的自行車和會飛的自行車

1.最早的自行車

最早的自行車[圖2-5（a）]據說是法國人西夫拉克發明的。他于1790年在玩具木馬腿上安裝了兩個輪子，人騎在木馬上用腳交替蹬地向前滑行。沒有車把，也沒有車閘，兩個輪子一前一后裝在托架上，靠騎車人兩腳蹬地所產生的推力前進。

2.會飛的自行車

2013年，英國發明家發明了一款飛行自行車[圖2-5（b）]。使用生物燃料，最高可飛至1219m，速度最快可達40.23km/h；車把是閃光燈，含氙氣，黑暗中3km外的人也可看見。

按動力來源，汽車可分為燃料汽車、電動汽車、太陽能汽車和油電混合動力汽車。

拓展：汽車發展簡史

18世紀中葉，瓦特改良了蒸汽機。1769年，法國人古諾制造出世界上第一輛蒸汽驅動的三輪汽車（吉諾掛車）。1804年，托威迪克設計并制造出一輛蒸汽汽車。為改進蒸汽發動機，雷諾在1800年制造出一輛與燃料在外部燃燒的蒸汽機所不同的發動機，讓燃料在發動機內部燃燒。1855年，戴姆勒制造出世界上第一輛以汽油發動機為動力的四輪汽車。進入20世紀，特別是當福特在1908年開始以流水裝配線制造和銷售T型車后，汽車便不再是一種奢侈品。1907年僅有25000輛汽車，1914年達到50萬輛，1975年突破3億輛，至今已經超過7億輛。預計到2020年，達到12億輛。

發展到今天，汽車的性能、形制和規模都有了根本的改變。速度不斷提升，藝術氣息不斷增加，安全性能不斷提升、自動化程度不斷提高。

過去一個世紀，汽油為汽車提供動力，但產生環境污染問題。將來，將出現更多元化動力的汽車，如使用清潔燃料（壓縮天然氣、生物柴油和乙醇等）、無污染燃料（氫氣）的汽車，電動汽車，太陽能汽車，油電混合動力汽車等；隨著智能技術的普及應用，無人駕駛汽車也即將普及。正在研制中的特斯拉無人駕駛汽車，用戶可以從任何地方召喚，上車后可以自由閱讀、睡覺或做其他事情。也許，未來汽車完全成為一個多媒體交往平臺。

⑦無軌電車：無軌電車（Trolleybus）是一種通常由架空接觸網供電、電動機驅動，不依賴固定軌道行駛的車輛。有些國家和地區（如日本），無軌電車屬于軌道交通的范疇。

無軌電車的車身和底盤一般與普通客車相同，但車頂需要安裝一對受電桿，用于從接觸網的一對觸線受電并形成電流通路。一般來說，無軌電車的受電桿脫線則會失去動力；而裝備有動力蓄電池、超級電容器或柴油發電動機的雙動源無軌電車，則可在沒有架空接觸網的路段實現離線行駛。

一般情況下，無軌電車無須進行軌道鋪設及對道路路面進行改造，也不需要建設信號系統。

⑧摩托車：是由汽油機驅動，靠手把操縱前輪轉向的兩輪或三輪車，廣泛用于巡邏、客貨運輸等，也用作體育運動器械。分為：街車、公路賽摩托車、越野摩托車、巡航車、旅行車等。

現代摩托車產業運用了大量先進技術，如光通信電子控制、雷達測距自動控制、電子地圖導向、聲波電子消聲等，使摩托車變得更加完美。

（2）鐵路載運工具

鐵路載運工具是一種依靠車輛外部的軌道進行導向，以鋼輪和鋼軌為行走系統，通過自身裝備的動力裝置驅動（通常使用電力驅動）沿軌道行駛的車輛。其構成包括：車體、轉向架、驅動裝置、牽引緩沖裝置、制動裝置、交流裝置、車輛內部設備、車輛電氣系統。通常由若干車輛編組形成列車。

鐵路載運工具廣泛地應用于城市間的客貨運輸、城市內和市郊的公共交通。前者通常稱為鐵路客貨列車，后者統稱為城市軌道車輛。

①鐵路客貨列車：鐵路客貨列車分為兩種類型——輪軌列車和磁浮列車。

a.輪軌列車：分為普通客貨列車、高速列車和重載列車三種。

?　普通客貨列車：是由機車牽引若干輛掛車組成的旅客或貨物列車。我國旅客列車分為軟臥車、硬臥車、軟座車、硬座車、餐車、行李車和郵政車，每輛車的定員由32人到120人。貨物列車由棚車、敞車、平車、罐車、冷藏車等車輛組成。

?　高速列車：是指能以高速度持續運行的列車，最高行駛速度一般要達到200km/h以上。

中國鐵路概念體系里，先有廣義快速列車系列（最高時速160km的非動車組列車），2007年4月中國鐵路第六次大提速把時速高于最高速度的直達特快列車稱為動車組列車，因此中國高速列車的時速起點不低于160km。CRH（China Railway High-speed）系列是中國鐵路高速列車系列，是時速不低于200km的動車組列車。

?　重載列車：一般是指在貨運量到達集中的運輸線路上采用大型專用貨車編組，采用雙機車或多機車牽引開行的一種超長、超重的貨物列車。重載列車車輛載重力大，編掛輛數多。

2014年4月，由中國鐵路總公司在大秦鐵路組織實施的3萬噸重載列車運行試驗取得成功。

拓展：超級高鐵

2013年，美國的埃隆·馬斯克（Elon Musk）提出超級高鐵（Hyperloop）計劃：超級高鐵可以1200km的超高時速遠距離運送乘客。

超級高鐵（圖2-6）以“真空鋼管運輸”為原理進行設計：以鋁制的膠囊為輸運艙（尾部有渦輪提供動力），用磁懸浮技術懸浮在真空鋼管中，然后像發射炮彈一樣將它發射到目的地；該系統能利用太陽能發電。由于避免了輪子與軌道之間的摩擦力，輸運艙時速可達1200km，乘坐超級高鐵從洛杉磯到舊金山，只要30min，而從北京到紐約，只需要2h，僅為直達航班時間的1/6。

早在1904年，美國就已有學者提出“真空管道運輸”的設想。

目前有學者對此計劃提出質疑。學者周順華認為：鐵路的運行目的是承載旅客，其最高運行加速度有一定限制，一般高鐵的縱向加速度不能超過1m/s2；高鐵加速太快會出問題。還有學者指出，如果在幾千公里的運行中，萬一某一個地方失去真空怎么辦？或者如何在幾千公里中完全實現真空？

b.磁浮列車：是“用磁力懸浮的車輛”（Magnetically Levitated Trains）的簡稱。其原理是：利用常導磁鐵或超導磁鐵產生的吸力或斥力使車輛浮起，并通過電磁力實現列車與軌道之間的無接觸懸浮和導向，再利用直線電動機產生的電磁力牽引列車運行。

磁浮列車按懸浮方式分為三種：電磁吸引式懸浮（EMS）、永磁力懸浮（PRS）和感應斥力懸浮（EDS）。其中，EMS式利用導磁材料與電磁鐵之間的吸引力（絕大部分懸浮采用此方式）；PRS式利用永久磁鐵同極間的斥力（一般產生斥力為0.1MPa，其缺點為橫向位移存在不穩定因素）；EDS式依靠勵磁線圈和短路線圈的相對運動得到斥力（列車要有足夠的速度才能懸浮起來，大約為100km/h，所以它不適用于低速）。

②城市軌道車輛：是城市軌道交通最大、最復雜的單體設備。

拓展：磁浮列車發展簡史

1922年，德國工程師赫爾曼·肯佩爾（Hermann Kemper）提出了電磁懸浮原理，繼而申請了專利。20世紀70年代以后，隨著工業化國家經濟實力不斷增強，為提高運輸能力以適應其經濟發展和民生的需要，德國、日本、美國等國家相繼開展了磁浮運輸系統的研發。其中，德國和日本取得了世人矚目的成就。

我國第一列磁浮列車（采用德國的磁浮技術）2003年1月開始在上海運行（圖2-7）。2016年5月6日，中國首條具有完全自主知識產權的中低速磁浮商業運營示范線——長沙磁浮快線開通試運營。該線路也是世界上最長的中低速磁浮運營線。

2004年，中國西南交通大學開始真空管道高速交通系統的研究。2011年，研發出世界第一套“真空管道磁浮車實驗系統”——全球第一個同時結合真空管道、磁浮及線性驅動的完整真空管道試驗設備；2013年3月，研制出最初的高溫超導磁懸浮（HTS）測試環線，后來再加入真空管道，成為世界上首個真空管道運輸（ETT）系統；2014年，建成真空管道超高速磁浮列車原型測試平臺（不過礙于實驗環線的半徑僅有6m，當時測試車輛的最高速度只達到50km/h）。

城市軌道車輛種類較多：標準輪軌車輛（也稱傳統輪軌車輛）、單軌車輛、自動導軌車輛、直線電動機車輛、膠輪車輛（在傳統輪軌車輛的基礎上增設膠輪走行系統或采用兩側導向同時保留鋼輪軌走行系統而構成）、磁浮車輛（中低速）。

a.標準輪軌車輛：主要包括地鐵車輛和輕軌車輛兩種，軌距均為1435mm。車輛可以劃分為A、B、C三種型號，分別對應3m、2.8m、2.6m的列車寬度。相應地，A型或B型車通常稱為地鐵車輛，采用5～8節編組列車；C型車通常稱為輕軌車輛，采用2～4節編組列車。列車的車型和編組決定了車軸重量和站臺長度。

輕軌車輛與傳統的有軌電車（Tram）相比，兩者所需電壓、車體類型、編組都有很大不同。而且，前者通常擁有專有路權（信號、月臺等），必要時也可以混行；后者多數與其他載運方式在城市道路混行。

b.單軌（Monorail）車輛：包括懸掛式和跨座式兩種（圖2-8）。與傳統輪軌車輛相比，除車廂內部設置相似外，車輛的體型、走行機構都有很大的不同。

懸掛式車輛懸掛于軌道梁下方行駛。軌道梁為下部開口的箱型鋼梁，車輛走形輪與導向輪均置于箱型梁內，沿梁內設置的軌道行駛。

跨座式車輛騎行于軌道梁的上方，車輛除底部的走形輪外，在車體的兩側下垂部分尚有導向輪和穩定輪，夾行于軌道輪的兩側，保障車輛沿軌道安全行駛。

拓展：單軌交通的起源

據歷史記載，英國人亨利·帕默爾（Henry Palmer）在1821年首先發明了可以用馬牽拉騎行于木制軌道上的跨座式單軌車輛。依據這項發明，1824年英國在倫敦碼頭，曾建造過一條供運貨的單軌交通系統。

蒸汽機問世后，1888年法國人查爾·拉里格（Charle Larligne）設計建造了一條長約15km客貨兩用，以蒸汽機作為牽引動力，采用多節車輛編組的跨座式單軌交通系統。這條線路持續運營36年。

1898年，布魯塞爾博覽會推出采用電力牽引的單軌車輛；同年，法國人奧根·蘭根（Eugen Langen）為德國魯爾地區的伍鉑塔爾（Wuppertaler）市設計建造了可懸掛車輛于拱形剛構架的縱梁底部，采用電力牽引和鋼軌鋼輪走行系統的單軌交通系統。該系統于1903年建成，在第二次世界大戰中遭受破壞，于1946年修復后使用至今，100多年來運送乘客超過17億人次。

c.自動導軌（Automated Guideway Transit，AGT）車輛：車輛體型小于一般軌道車輛，車體支承在兩個單軸轉向架上，由轉向架上的電動機驅動走行輪，并以獨設的水平導向輪導向，使車輛按確定的線路并控制在板條形軌道上安全行駛。走行輪和導向輪均為橡膠車輪，車輛的運行由計算機系統全自動控制。

這種車輛主要在美國、日本和法國等國家使用。多數應用于解決機場登機廳與機場主樓之間、游樂場所、博覽會及一些新開發社區內部，以及城市中運量走廊的出行需求。

d.索軌（Cable Transit，CT）車輛：有點類似普通索道上的纜車。與索道纜車相比，索軌車輛最大的區別在于車輛自身帶有動力系統，索軌是固定不動的，車輛由人工或自動控制系統駕駛自主行駛，而且可以編組成列運行。與一般軌道車輛相比，它的轉向架等走行系統設置在車體頂部，車輛懸掛在索軌下行駛，可以比較容易越過地面的多種障礙。

e.直線電動機車輛（Linear Motor Car）：由直線電動機牽引、輪軌導向、車輛編組運行在小斷面隧道及地面和高架專用線路上。

直線電動機車輛具有車身矮、重量輕、通過小半徑曲線和爬坡能力強等優點，可以輕便地鉆入地下，爬上高架。

直線電動機車輛目前已在廣州和北京城市軌道交通中得到應用。

拓展：直線電動機

直線電動機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能，而不需要任何中間轉換機構的傳動裝置。它可以看作是一臺旋轉電動機沿其徑向剖開，并展成平面而成。

直線電動機有如下特點：一是直線電動機不需要把旋轉運動變成直線運動的附加裝置，因而使得系統本身的結構大為簡化，重量和體積大幅下降；二是直線電動機可以實現直接傳動，因而可以消除中間環節所帶來的各種定位誤差，大幅提高整個系統的定位精度；三是容易做到動子用磁浮支撐，使得動子和定子之間始終保持一定的空隙而不接觸，這就消除了定子、動子間的接觸摩擦阻力，因而大大提高了系統的靈敏度、快速性和隨動性；四是直線電動機可以實現無接觸傳遞力，機械摩擦損耗幾乎為零，所以故障少，使用壽命長。

20世紀80年代，加拿大成功開發了直線電動機驅動的新型軌道車輛（圖2-9），成為世界上最早采用直線電動機驅動軌道車輛的國家。

直線電動機軌道車輛具有爬坡能力強、轉彎半徑小、維修少、運行平穩等優點。缺點是能耗高。國外直線電動機軌道車輛載客量和尺寸都不大；廣州地鐵4號線是世界上第一條采用中大運量的直線電動機軌道車輛的線路。

（3）其他水平向載運工具

其他水平向載運工具包括各種自動人行道、物料傳送帶等。

①自動人行道：是帶有循環運行（板式或帶式）走道，用于水平或傾斜角不大于12°輸送乘客的固定電力驅動設備。按結構形式可分為踏步式自動人行道、帶式自動人行道和雙線式自動人行道。

自動人行道通常用于車站、碼頭、商場、機場、展覽館和體育館等人流集中的地方。

自動人行道的結構與自動扶梯相似，主要由活動路面和扶手兩部分組成，其傾角為0°～12°，輸送長度在水平或微斜時可至500m，輸送速度一般為0.5m/s，最高不超過0.75m/s。

②物料傳送帶：主要用于企業內部、企業之間甚至城市之間的物料搬運。傳送帶按有無牽引件分為兩大類：有牽引件傳送帶和無牽引件傳送帶。

有牽引件傳送帶種類繁多，主要有：帶式輸送機、板式輸送機、小車式輸送機、刮板輸送機、埋刮板輸送機、斗式輸送機、斗式提升機、懸掛輸送機和架空索道等。

無牽引件傳送帶常見的有輥子做旋轉運動輸送機、螺旋輸送機。

③管道：主要用于輸送流體物資。其工作原理是：通過壓力差使管道內的流體從高壓處向低壓處流動。

管道通常用于由生產地向市場輸送石油天然氣、化學產品和煤漿等，以及城市內部的企業或建筑物之間輸送各種流體物質、能源和信息。

城市內部的各種管道，按其用途可分為三大類：輸送流體物資管道、輸送電力管道、輸送信息管道。其中，用于輸送流體物資的管道有各種熱力管道（輸送：蒸汽、熱水、凝結水、廢氣）、燃氣管道（輸送：煤氣、天然氣、液化石油氣）、氣體管道（輸送：壓縮空氣、氧氣、氮氣、乙炔氣、氫氣、二氧化碳氣、高純氣體等）、供水管、排水管（雨水、污水）；用于輸送電力的管道有電纜溝（架空電線屬于一種特殊的電力管道）；用于輸送信息的管道有電信管溝（含廣播電視管溝）。

目前，還在研究和開發的管道包括水力管道、風動管道、集裝膠囊管道、管道旅客運輸系統等。

拓展：世界上最早的公共供水系統是古羅馬引水渠

第一條古羅馬建的引水渠是暗渠，全長16km，建造時間是公元前310年。公元前144年建設了第一條引水明渠（圖2-10），全長90km，其中空架橋部分長度為16km。古羅馬建設了超過10條引水渠，每天可供應14萬t水。目前部分渠道仍在發揮作用。

2.垂直向載運工具

垂直向載運工具主要包括：電梯、起重機。

（1）電梯

電梯是一種以電動機為動力，設有箱狀吊艙，用于多層建筑乘人或載運貨物的升降機，分為垂直式和臺階式兩類。

垂直式電梯具有一個轎廂（其尺寸與結構形式便于乘客出入或裝卸貨物），運行在至少兩列垂直的或傾斜角小于15°的剛性導軌之間。按速度可分為低速電梯（1m/s以下）、快速電梯（1～2m/s）和高速電梯（2m/s以上）。

臺階式電梯的踏步板裝在履帶上連續運行，俗稱自動扶梯。

（2）起重機

起重機（又稱吊車）是指在一定范圍內垂直提升和水平搬運重物的多動作起重機械。有輪胎起重機和履帶起重機兩種類型。其中，輪胎起重機的行駛駕駛室與起重操縱室合二為一、是由履帶起重機演變而成，將行走機構的履帶和行走支架部分變成有輪胎的底盤，克服了履帶起重機履帶板對路面造成破壞的缺點。

拓展：電梯、起重機的出現

1.電梯

19世紀中期開始出現液壓電梯，至今仍在低層建筑物上應用。1852年，美國的E.G.奧蒂斯研制出用鋼絲繩提升的安全升降機；19世紀80年代，驅動裝置進一步改進，如電動機通過蝸桿傳動帶動纏繞卷筒、采用平衡重等；19世紀末，采用了摩擦輪傳動，大大增加了電梯的提升高度。

20世紀末，電梯采用永磁同步曳引機作為動力，大大縮小了機房占地，具有能耗低、提升速度快等優點，極大地助推了城市向超高層方向發展。

目前，蒂森克虜伯電梯公司已研制出新型“多重電梯”，可水平垂直運轉。

2.起重機

公元前10年，古羅馬建筑師維特魯維斯曾在其建筑手冊里描述了一種起重機械。這種機械有一根桅桿，桿頂裝有滑輪，由牽索固定桅桿的位置，用絞盤拉動通過滑輪的纜索，以吊起重物。有些超重機械可用兩根桅桿，構成人字形，把吊起物橫向移動，但幅度很小，操作也十分吃力。到15世紀，意大利發明了轉臂式起重機，才解決這個問題。這種起重機有根傾斜的懸臂，臂頂裝有滑輪，既可升降又可旋轉。直到18世紀，人類所使用的各種起重機械還都是以人力、畜力為動力的，在起重量、使用范圍和工作效率上很有限。

18世紀中后期，英國瓦特改進和發明蒸汽機之后，為起重機械提供了新的動力條件。1805年，格蘭工程師倫尼為倫敦船塢建造了第一批蒸汽起重機。1846年，英國的阿姆斯特朗把新堡船塢的一臺蒸汽起重機改為水力起重機。

（三）空中載運工具

空中載運工具分為飛行式和固定式兩大類。前者指在地球表面30km高度以下的稠密大氣層內飛行的各種飛行器；后者指索道纜車、摩天輪等。

1.飛行式空中載運工具

飛行器可按輕于空氣和重于空氣進行分類。前者包括氣球、飛艇；后者包括飛機、滑翔機、直升機等。

（1）氣球

氣球是充滿空氣或某種氣體的一種密封袋。如果氣球足夠大，里面氣體又輕于同體積的空氣，產生的浮力超過氣囊和附帶物體（如吊籃，熱氣球等）的重量時，氣球就可上升，因此它可用來運載觀測儀器和乘客。只裝載設備的無人氣球經常用于對高空大氣環境的科學研究，有時也用于測定宇宙射線。

拓展：氣球的發明

公元二世紀或三世紀，最早的熱氣球天燈在中國發明，被用來傳遞軍事信號。學者李約瑟指出，公元1241年蒙古人曾經在李格尼茲（Liegnitz）戰役中使用過龍形天燈傳遞信號；法國的蒙哥菲樂兄弟于1783年向空中釋放歐洲第一個內充熱空氣的氣球；法國的羅伯特兄弟是最先乘充滿氫氣的氣球飛上天空的。

1772年的冬天，法國里昂的蒙哥菲爾兄弟坐在壁爐前烤火，一股濃煙向爐頂沖上去。哥哥看著，突然產生一個念頭：要是做個口袋，把煙裝進去，不就可以讓口袋飛起來嗎？于是兄弟倆找來綢子，縫成一個口袋，再把口袋裝上煙，口袋真的升起來了——這便是人類最早出現的氣球。

后來，蒙哥菲爾兄弟經過10年的努力，終于在1783年把一個巨大的熱氣球送上了天空（圖2-11）。

（2）飛艇

飛艇由流線型艇體、位于艇體下面的吊艙、起穩定控制作用的尾面和推進裝置組成。艇體的氣囊內充以密度比空氣小的浮升氣體（氫氣或氦氣）以產生浮力使飛艇升空。吊艙供人員乘坐和裝載貨物。尾面用來控制和保持航向、俯仰的穩定。大型飛艇可以用于運輸、娛樂、賑災、影視拍攝、科學實驗等。

現代飛艇一般都是軟式飛艇，通過氣囊中氦氣壓力來保持外形。其主要組成部分有：①氣囊，由滌綸、聚酯纖維等人造材料織成，里面充滿了氦氣以提供升力；②輔助氣囊，位于飛艇內部，可通過在飛行中的充氣和放氣來控制和保持飛艇的形狀和浮力；③吊艙，位于飛艇下方的艙室，包括駕駛艙、發動機和人員艙（當有人駕駛飛艇時）；④推進裝置，為飛艇起飛、降落和空中懸停提供動力；⑤尾翼、方向舵和升降舵，為飛艇提供機動能力。

（3）飛機

飛機是由一具或多具發動機的動力裝置產生前進的推力或拉力，由機身的固定機翼產生升力，在大氣層內飛行的重于空氣的固定翼航空器。按照其使用的發動機類型可分為噴氣飛機和螺旋槳飛機，按照用途分為民用飛機和軍用飛機。

民用飛機除客機和運輸機以外還有農業機、森林防護機、航測機、醫療救護機、游覽機、公務機、體育機、試驗研究機、氣象機、特技表演機、執法機等。

（4）滑翔機

滑翔機大多是沒有動力裝置，重于空氣的固定翼航空器，可由飛機拖曳起飛，或用絞盤車或汽車牽引起飛，也可從高坡下滑到空中。在無風情況下，滑翔機在下滑飛行中依靠自身重力獲得前進動力，這種損失高度的無動力下滑飛行稱為滑翔。在上升氣流中，滑翔機可像老鷹展翅那樣平飛或升高，通常稱為翱翔。

滑翔機主要用于體育運動，分初級滑翔機和高級滑翔機。前者主要用于訓練飛行，后者主要用于競賽和表演，有的還可以完成各種高級空中特技，如翻跟斗和螺旋等。

拓展：人會飛、汽車會飛將不再是夢

1998年，新西蘭人格倫·馬丁（Glenn Martin）想到了個人飛行背包[圖2-12（a）]的主意，并于2008年在美國一次航空展上小試身手。2011年5月21日在新西蘭測試飛行背包性能：一名模擬飛行員背上飛行背包，以243.8m/min的速度攀升至1500m高處，持續飛行9.75min，飛行速度達101.4km/h，最后成功實施緊急降落。可以設想：城市中使用飛行背包的第一類人群是從事急救的醫療人員；把攝影器材放在它們上面拍攝交通狀況；人們用它去娛樂或上班。

2009年3月，美國一家名叫“脫離地球”的公司生產出的“會飛汽車”[圖2-12（b）]圓滿地完成了首次試航。這款車的車身和一般汽車相似，但是車門多了兩個可折疊的翅膀。在陸地行駛的時候，翅膀折疊；飛行的時候，翅膀就會張開，如同變形金剛一樣，在很短的時間內變成一架小型飛機。據報道，當“會飛汽車”在陸地行駛的時候，最高時速能達到150km左右，飛行時速接近200km。

（5）直升機

直升機由機體和升力（含旋翼和尾槳）、動力、傳動三大系統以及機載飛行設備等組成。旋翼一般由渦輪軸發動機或活塞式發動機通過由傳動軸及減速器等組成的機械傳動系統來驅動，也可由槳尖噴氣產生的反作用力來驅動。當前實際應用的是機械驅動式的單旋翼直升機及雙旋翼直升機，其中又以單旋翼直升機數量最多。

直升機的最大時速可達300km以上，俯沖極限速度近400km/h；實用升限可達6000m（世界紀錄為12450m）；一般航程可達600～800km（攜帶機內、外副油箱轉場航程可達2000km以上）。

直升機主要用于觀光旅游、火災救援、海上急救、緝私緝毒、消防、商務運輸、醫療救助、通信以及噴灑農藥殺蟲劑消滅害蟲、探測資源等。

拓展：直升機的發明

中國的竹蜻蜓和意大利人達芬奇的直升機草圖，為現代直升機的發明提供了啟示。它們被公認為直升機發展史的起點。

竹蜻蜓[圖2-13（a）]又稱飛螺旋和“中國陀螺”。有人認為，中國在公元前400年就有了竹蜻蜓，其實公元1500年前的奇肱飛車就是一架無動力的放大了的竹蜻蜓。竹蜻蜓還有一個特性就是當它插在竹筒中被側風吹動旋轉時，它也能上升。

現代直升機[圖2-13（b）]的飛行原理與竹蜻蜓有相似之處。現代直升機的旋翼就好像竹蜻蜓的葉片，旋翼軸就像竹蜻蜓的那根細竹棍兒，帶動旋翼的發動機就好像人們用力搓竹棍兒的雙手。竹蜻蜓的葉片前面圓鈍，后面尖銳，上表面比較圓拱，下表面比較平直。當氣流經過圓拱的上表面時，其流速快而壓力小；當氣流經過平直的下表面時，其流速慢而壓力大。于是上下表面之間形成了一個壓力差，便產生了向上的升力。當升力大于它本身的重量時，竹蜻蜓就會騰空而起。

2.固定式空中載運工具

固定式空中載運工具包括纜車和摩天輪兩種類型。

（1）纜車

纜車是由驅動機帶動鋼絲繩，牽引車廂沿著鋪設在地表并有一定坡度的軌道上運行，用以提升或下放人員和貨物的運輸機械。它多用作工礦區、城市或風景游覽區的載運工具。

根據本領域專業命名規則，車輛和鋼繩架空運行的纜車設備，定義為架空索道。而車輛和鋼繩在地面沿軌道行走的纜車設備定義為地面纜車。

拓展：世界上第一個城市纜車公共交通系統

哥倫比亞第二大城市麥德林市，于2004年頒布了一項通過城市更新把纜車系統整合到城市機體中去的政策，并安裝了世界上第一個城市纜車公共交通系統（圖2-14）。

在這座300萬人口的城市中添加城市纜車為公共交通設施是一種非常創新的思維。第一條城市纜車線，聯通了市中心與貧困、交通不便的東北方區域。東北方區域在20世紀末是整個城市最密集的人口聚居區，平均每公頃有400戶住戶。盡管這個區域有常見的公交車和一定數量的出租車，但是極窄的道路使得外部車輛很難進入。第一條纜車線起因于貧困地區民眾對于社會發展的愿望和不斷上升的出行需求。現在該城市有三條投入使用的纜車線，另有三條在規劃中（其中，兩條用于城市公共交通系統，另一條作為旅游線連接到城市邊緣的自然保護區）。

（2）摩天輪

摩天輪是一種大型轉輪狀機械，掛在輪邊緣的是供乘客乘搭的座艙。最常見的摩天輪存在的場合是游樂園（或主題公園），在其他場合則通常作為活動的觀景臺使用。

（四）通信類載運工具

通信類載運工具可以劃分為三大類：電信類載運工具、郵政類載運工具和媒介化空間。

1.電信類載運工具

從電磁技術引入通信開始，人們嘗試使用電話、電報傳真，到成規模地建造各種電信網絡，并創造了各種數字通信、光纖通信、移動通信、網絡通信技術。

拓展：古代的通信類載運工具

具有代表性的古代通信類載運工具有如下幾種：

①喇叭：最簡單、最原始的喇叭筒就是雙手圍成喇叭形放在嘴前。

②鼓：將獸皮蒙在框架或容器上制成，可以通過擊鼓將聲音傳遞出去。

③烽火臺：利用火與煙傳遞信息。古代有“幽王烽火戲諸侯”的典故。

④長跑：將人作為信息的載體，傳遞信息。馬拉松長跑項目原是為了紀念一位希臘軍隊傳令兵跑完42195km報捷而犧牲的英雄。

⑤驛站：通過騎馬將文書一個驛站接一個驛站地傳遞下去，通常以騎馬每小時奔跑15km左右的速度傳遞信息。

⑥風箏：在古代是傳遞信息和偵察的用具。

⑦信鴿：將文書綁在信鴿腿上，甚至作為軍隊的一種通信兵種（如瑞士軍隊訓練了一種能雙向投書的信鴿），其優勢在于即使電磁輻射導致各種電子通信工具癱瘓，信鴿仍可傳遞信息。

⑧信猴：將母猴和子猴分別關于兩地，并通過帶母猴尋找子猴讓母猴熟悉路線，有需要時通過母猴尋找子猴的方式將信息傳遞到子猴所在地。

⑨燈塔：在燈塔里燃燒木材，利用它的火光指引航向。最早的燈塔建于公元前7世紀，現存的燈塔建于1611年。在所有的古老燈塔中，建于1304年的意大利萊戈恩燈塔仍在使用。

⑩通信塔：由18世紀一位法國工程師研制出，由建立在巴黎和里爾230km之間的若干個通信塔組成。在這些塔頂上豎起一根木樁，木樁上安裝一根水平橫桿，木樁可以轉動，并能在繩索的操作下擺動形成各種角度。

（1）電報傳真

①電報：是利用電流（有線）或電磁波（無線）作載體，通過編碼和相應的電處理技術實現遠距離傳輸與信息交換的通信方式。

電報發明于1837年，2006年美國停止使用電報。

②傳真：是將文字、圖表、相片等記錄成紙面上的靜止圖像，通過掃描和光電變換，變成電信號，經各類信道傳送到目的地，在接收端經過一系列逆變換過程，獲得與發送原稿相似記錄到副本的通信方式。

由于電子科技的迅速發展，電子網絡傳真逐漸取代傳真機。

（2）電話

電話是通過電能和聲能相互轉換，并利用“電”作為媒介來傳輸語言的一種通信技術。具有代表性的電話是：固定電話、移動電話、可視電話。

①固定電話：通常固定在某個位置，通過聲音的振動利用話機內的話筒調制電話線路上的電流電壓，也就是將聲音轉換為電壓信號通過電話線傳送到另外一端，再利用送話器將電壓信號轉換為聲音信號。

固定電話有好幾種，如傳真電話、母子電話等。

②移動電話：是一種便攜式終端（所以手機的學名叫“個人手持移動終端”），由美國貝爾實驗室在1940年制造的戰地移動電話機發展而來。

目前，移動電話不僅可以通話，拍照、聽音樂、玩游戲，還可以實現包括定位、信息處理、指紋掃描、身份證掃描、條碼掃描、RFID掃描、IC卡掃描以及酒精含量檢測等豐富的功能。

移動電話既可以一對一通話，也可以一對多通話（主要在政府、企業內部使用，如保安、工廠調度、出租車調度等）。

③可視電話：是用可見的方式進行遠程通話，其構成包括網線、屏幕、攝像頭等。通常用于會議、娛樂、監控、遠程教學、遠程醫療等。

（3）網絡通信

網絡通信是通過網絡將各個孤立的設備進行連接，通過信息交換實現人與人、人與計算機、計算機與計算機之間的通信。其常用工具包括：計算機、電子郵件、即時通信。

拓展：可視電話發展及關鍵技術

早在20世紀五六十年代就有人提出可視電話的概念：利用電話線傳輸語音的同時傳輸圖像。1964年，美國貝爾實驗室正式提出可視電話的相關方案。但是，由于傳統網絡和通信技術條件的限制，可視電話一直沒有取得實質性進展。直到20世紀80年代后期，隨著芯片技術、傳輸技術、數字通信、視頻編解碼技術和集成電路技術不斷發展并日趨成熟，適合商用和民用的可視電話才得以走向人們的視野。1990年9月15日，我國第一次可視業務在北京市電信局與上海市電信局間開通。

編解碼芯片技術是可視電話發展的關鍵。語音和圖像在傳輸時，必須經過壓縮編碼—解碼的過程，而芯片承擔著編碼解碼的重任，只有芯片在輸出端將語音和圖像壓縮并編譯成適合通信線路傳輸的特殊代碼，同時在接收端將特殊代碼轉化成人們能理解的聲音和圖像，才能構成完整的傳輸過程，讓通話雙方實現聲情并茂的交流。

長期以來，由于沒有統一的行業標準，各個廠家的可視電話不能互通，影響了可視電話市場的拓展。在協議標準不統一的情況下，只有用戶購買了同一型號的可視電話才能達到“可視”效果。圖2-15所示為某種型號的可視電話。

①計算機：在通信網絡中用于接入互聯網，涉及多種通信方式：電子郵件、網絡傳真、即時通信、網絡電話、辦公自動化、呼叫中心、電子商務等。

②電子郵件：是企業辦公自動化的基礎，也是個人用戶最青睞的互聯網應用之一。可以單發也可以群發，幾乎沒有傳遞成本（除了寬帶費用以外不需要郵筒和郵差），是廣告推銷、信息發布的首選平臺。

③即時通信：是一種通信軟件，包括QQ、微信、Skype、淘寶旺旺等。這些軟件通常還帶有其他信息頻道，如游戲、購物、廣告等。

（4）家電中的通信工具

目前，電視機是最普及的家電中的通信工具。未來通過芯片或模塊植入，通過有線、無線或者電源線與通信網絡連接，都可以實現遠程控制、監控家電的目的，使得冰箱、空調、微波爐、汽車、音響、煤氣灶都可以成為通信工具。

（5）可穿戴設備

可穿戴設備是能夠直接穿在身上，或整合到用戶的衣服或配件的一種便攜式設備，通過軟件支持以及數據交互、云端交互來實現強大的功能。

可穿戴設備將會對人們的生活、感知帶來很大的轉變。例如，可以通過測試心率、血壓，隨時了解自身的健康狀況——與自身進行交流溝通。

隨著智能家居等一系列借助網絡連接的智能生態系統的成型，智能可穿戴設備作為離人最近的通信工具，在擔負起用戶數據收集的同時，更多地扮演一個控制終端的角色，是將“人物聯網化”的重要一環。

拓展：可穿戴設備

可穿戴設備幾乎可以完全依靠人體的自然動作實現操作，比如Google Glass的眨眼拍照。隨著云計算的快速發展，可穿戴設備將給用戶帶來極其強大的數據統計能力。可以想象，不用點擊任何按鍵，眨眨眼就可以看到想看的內容；站在商場里就可以知道哪家商店進行打折等，仿佛自己真有了超能力一般。

一塊微小的芯片就能讓人們掌控其房子、車子、手機等各種設備，并且感覺不到任何重量的負擔，而控制這些僅需要揮揮手。可穿戴設備是幫助人們延伸感官功能，發展身體的第六感、第七感的重要手段（圖2-16），能夠幫助人們更好地認知世界，體驗更舒適的生活。

2.郵政類載運工具

郵政類載運工具主要是郵政車。

郵政車是經營寄遞各類郵件（信件或物品）的通信部門將郵件及時安全地送達用戶手中的一種專用車。

有些國家的大城市在道路堵塞，郵車不能保證運輸時，也利用埋在地下的氣壓管道輸送郵件。

3.媒介化空間

城市的各種構成要素如場所、通道、載運工具等，以其特定的形態特征、內容賦予和場景展現，成為傳遞特定信息的媒介——承載城市文化、政治、經驗等信息的“文本”。人們可以依其對空間進行編織，對城市進行全景式掃描，或立足于某一地點解析空間的城市性特征。

媒介化空間包括兩大類：固定式媒介化空間和移動式媒介化空間。

其中，固定式媒介化空間通常指道路及建（構）筑物的屋頂、墻面、內部設施。例如，道路的牌匾、戶外廣告牌、櫥窗廣告，路面鋪裝（具有廣告元素特征的鋪裝）、夜間照明（具有廣告元素特征）、站場內部廣告屏幕。移動式媒介化空間通常指車輛、氣球等載運工具的外表。

拓展：智能路牌Points——一種全新傳遞特定信息的空間化媒介

紐約布魯克林的一家設計公司，在當地樹立了一種新型的智能路牌Points（圖2-17）。它的三支指向臂不僅可以360°旋轉，上面的LED顯示屏還可以根據路人的需要而顯示不同的內容，包括公交信息、餐館、演唱會等附近的地點/活動及相應的距離，或者推特、滾動新聞、天氣等生活資訊。

這個高9英尺（1英尺≈0.3048m）、旋轉半徑3英尺的智能路牌，控制面板部分用五個按鈕代替。按鈕旁邊的類別還可以在不同的時間內對應不同的內容：例如，早上可指示附近的早餐店、校車接送的地點；中午可以指示觀光景點和購物點；晚上則可查詢演出活動、特價賣場的信息。當然，像交通、用餐、天氣等與游客、市民息息相關的內容，自然是少不了的。

Points所顯示的信息并不是讀取存儲裝置中預先錄取的信息，而是通過目前各種熱門應用和服務的API獲取信息，例如，Foursquare上的簽到、商家資料，RSS訂閱信息，谷歌的地點、交通信息。只要觸發查詢，它就能立刻反應，即時返回需要的信息。