创新城市特编︱篇三：自行车、大容量公共交通与蒸汽机则一介绍了自行车的起源，以及自行车如何改变城市规划、影响人们的生活方式。安全自行车大幅提升了早期自行车的安全性能、舒适度和便捷度。此后，虽然汽车取代自行车成为了主导地位，但骑行运动对于城市设施改善、自行车友好型城市规划都有重要影响。如今自行车仍将是可持续交通、智慧城市、缓解交通拥堵等新兴领域的重要关注点。则二介绍的是以大功率新型有轨电车和地铁系统的出现，Frank Sprague的电动机彻底改变了通勤方式和城市发展模式。无论是地铁的大规模建设，还是高铁网络的形成和普及，都离不开Frank Sprague提出的动力分散控制的概念。则三介绍的是蒸汽机的出现不仅是工业的象征，更是人类命运的重要转折点。蒸汽机让人们摆脱了对自然资源的直接依赖，城市因此而规模化发展和崛起。蒸汽机与使用蒸汽能源的思想却愈发令人印象深刻，因为现代工业也离不开它们，没有它们就没有现代世界的一切。

　　19世纪80年代，英国发明家J.K.Starley将安全自行车推广到市场上，使得更多人能够使用自行车。承受能力——更重要的是，便于骑行——新设计为出行提供超出想象的自由。

　　图一、19世纪80年代，英国发明家J.K. Starley将更安全的自行车推广给大众和市场，他使得骑车这项出行更容易为所有人采纳（图为斯塔利罗孚自行车品牌广告）。

　　安全自行车，具有大小相同的车轮和齿轮传动装置，让自行车成为大众可用的工具，尤其是享受从爱好中获得自由与自立感的贵妇也可以使用。在1890年代，在亚特兰大街头流行起自行车热潮，骑行协会也大大增加，他们倡导推动建立为自行车服务的城市设施。自行车技术也促进产生了新的城市生活——包括自行车最大的竞争对手，汽车。从那以后，踏板驱动的发展起起伏伏，但安全自行车带来的影响力一直持续至今。

　　已被证实的最早的人力驱动双轮车源自德国，在1817年，Karl Drais推出了他所谓的“跑步机”，随后被称为Draisienne，它是双脚蹬地前行，而不是踏板驱动。踏板直到1860年代才出现， “自行车”一词从那时开始出现。

　　早期的自行车骑起来很不容易。它由铁质骨架和木质车轮组成，当时被叫做“boneshakers”，随后是不那么好听的“ordinary”。“ordinary”有一个放在巨大前轮上不太稳固的座位，因为容易摔很惨而闻名。（“来骑自行车吧，”Mark Twain的著名广告这样说，“如果安然无恙，你肯定不会后悔的！”）因此很多人反而冒险选择骑三轮车。

　　直到19世纪80年代末期，英国发明家J.K.Starley将一种更加实用的双轮车投放市场。它采用了安全自行车的外形，是现代自行车的雏形，比上一代的自行车更加容易骑行，物美价廉。

　　Starley称为“the Rover”的设计，标志着从几个方面脱离原有“普通自行车”的模式。骑行姿势更低，它有结实的菱形的骨架；踏板带动后轮而不是前轮；链条驱动轮轴系统，使人们无需费力就能骑得更快更远。

　　轮子变小后骑行变得更加颠簸，但这一问题因为充气轮胎的出现很快就解决了。在1888年，苏格兰人John Dunlop率先采用填充压缩空气的橡胶内胎。三年后，法国人Edouard Michelin引入了可拆卸的轮胎，使得修补破损轮胎变得更快更方便。以上发明以及很多其他的创新，共同帮助人们实现了追寻已久的梦想：发明能代替马车的便捷的机械交通工具。

　　此后，自行车的设计一直在改进。但正如David Herlihy在《自行车发展史》（Bicycles：The History）一书中所记录的： “1890年代自行车设计框架形成，当之无愧地成为维多利亚时代最伟大的贡献之一。”

　　Susan B. Anthony曾发现，“自行车比世界上其他任何事物都更大程度地解放了女性。”事实上，自行车为出行提供更大自由，同时也让人们从维多利亚时代一本正经的时尚潮流中解脱出来，毕竟自行车与紧身衣是不协调的。骑行俱乐部开始兴起，吸引了不同阶层的人群，为周末娱乐活动提供了新的选择。纽约商业杂志（New York Journal of Commerce）在1896年刊登的一篇文章中指出，骑行运动每年从餐厅、剧院及其他休闲场所分走的利润多达1亿美元。

　　在具备一定经济影响力后，自行车使用者将重点放到提升影响力上，他们致力于自行车友好设施项目的推广。美国第一条连接科尼岛和布鲁克林展望公园的自行车道于1894年面向公众开放。更重要的是，同一时期，自行车使用者为日后美化道路运动（Good Roads Movement）的开展奠定了基础。骑行协会美国轮人军团（the Legion of the American Wheelmen）进一步扩大了这种影响力，他们亟需改善道路条件的呼声席卷全国，反响强烈。

　　很快，汽车业取代自行车成为主导，这也算是对自行车行业的亏欠。在早些时候，充气轮胎、滚珠轴承、链条驱动，以及其他应用于自行车的技术发明，成为从生产线上下来的每一辆车的核心要素。考虑到今天在城市街道上的司机与骑车人之间的竞争，这是一个颇具讽刺意味的起源故事。

　　最近几十年里，自行车经历了正愈演愈烈的城市更新。相关预测表示全球自行车市场在未来八年，将从450亿美元增长到620亿美元。大部分增长份额来自亚洲半岛，美国也会有大幅快速增长。在2016年的一份调查中，七成美国市长都表示会支持拓宽道路或利用街边停车场地修建自行车道。这不是说说而已。在洛杉矶，规划提出在未来30年内增加1600英里的自行车道——自行车友好型城市规划趋势在全球城市规划中都已初见端倪。

　　自行车市场回暖也与城市共享单车项目的增长有关。2016年仅美国共享单车出行就到达2800万人次，比前一年增加25%。原先仅仅是通过在高需求地区设立停车桩提供单车，现在无桩共享单车，如源自中国的Ofo和摩拜也已加入市场。无桩共享单车通过扫描与定位技术追踪单车。无桩共享单车在美国的出现，引发了人们对于城市如何在不扰乱步行系统的情况下鼓励共享单车发展的讨论。

　　作为环保运动的引擎，自行车注定要在智慧城市的革新中发挥重要作用。我们正见证了人们对于电动自行车的期望，这是一种低成本、低碳和低能耗，不需要额外设施及许可证件即可投入运作的出行方式。即使是在缺少骑行设施的城市，电动自行车能让更多人也加入到骑行中去。预计到2025年，电动自行车的销售额将从157亿美元跃升至240亿美元。

　　图二、1890年在弗吉尼亚州里士满成功示范的有轨有轨电车项目，很快引领了美国城市建设有轨有轨电车系统的潮流。

　　通过强大的新型有轨有轨电车和地铁系统，Frank Sprague的大功率电机永远地改变了城市交通通勤和城市发展。

　　在19世纪末期，马匹们作为公共交通干着又苦又累的活——也是个脏活，因为拉着车的马儿们在城市街道上随地大小便。电力牵引电机的发明不仅让马拉车退出了历史舞台，而且最终改变了城市交通的走向。

　　Thomas Edison 门下的学生Frank Sprague (后来也成为Thomas的对手)作为领路人，利用电动牵引机为有轨电车，电梯和铁路交通提供动力，并使地铁的建设成为可能。许多城市因此迅速扩张。正如历史学家Frank Rowsome在《电动牵引机的诞生》一书写到，Sprague “几乎一手将电力作为交通供能的基本来源，这几乎与第二次工业成就比肩”。

　　世界第一条地铁线年在伦敦运行，减缓了伦敦城市道路的交通拥堵，然而这个地铁线的缺点是不环保。以烧煤作为动力的蒸汽机里会冒出黑色烟灰——这不仅污染空气，还对成千上万日常出行的乘客们的肺部健康造成威胁。虽然高效的列车时刻安排使得地铁迅速被接纳——第一年的年均载客量就有950万——然而最大的缺点是“被烟雾笼罩的车站和车厢”迫使城市官员在沿线街道开通风口，并且移走车站顶上的玻璃窗。

　　1882年，Franklin Sprague 年仅25岁，是个正在伦敦休假的海军官员。他乘坐了伦敦的地下铁路，分析了其中的缺陷所在，并设想将电动机用在地铁上，这样地铁就可以提供更干净和更平稳的服务。作为从小就是资深工匠的Sprague，他正巧也设计了一个这样的发动机。两年的海上经历直到他从海军学校毕业，他的笔记本上都画满了他心目中完美发动机的细节设计。

　　Sprague 在Thomas Edison门下度过了一段短暂而不开心的时光，工作上也受到种种限制。Thomas Edision坚持认为Sprague应该研究白炽灯，但Sprague对此并不感兴趣，而且觉得没有挑战。于是Sprague自立门户并组装了他的第一个电动机，并在1884年费城展览会展示了他的成果。他的电动机造成了轰动，因为他的电动机不会发出火花，而且无论拉40磅还是400磅重的东西，他的电动机都能拉动他们匀速运行。连Edision都对他前下属的发明赞叹不已，宣布说 “他的电动机才是真正的发动机” 。

　　Sprague的发动机给许多有影响力的工程师和投资者留下了深刻印象，这为Sprague刚起步的公司也赢得了许多订单。但Sprague知道他的牵引发动机有更大的发展前景。他就是需要有个能说服家和有钱的顾客的机会，让他们相信电动牵引机可以在更大的范围内给公共交通提供动力。这个机会在1887年他在弗吉尼亚州的里士满的时候到来了。

　　由于一群纽约投资者的支持，里士满政府聘请了Sprague在短短的90天内建设里士满联合乘客铁路。这个12英里的电动有轨电车系统建设在在丘陵起伏的地区上。Sprague面临的挑战不仅仅是10度的陡坡，而且在建设过程中，他还在跟伤寒热作斗争。但Sprague最终成功了。他将他的牵引电机安装在有轨电车轴上。架空电缆提供电源。车里面的一个开关根据发动机磁场绕组的阻力来控制速度。

　　Sprague在里士满最重要的一次考验是给波士顿实业家Henry Whitney展示他的成果。在1888年七月的一个凌晨，Sprague拉上了22辆有轨电车，伴随着灯笼摇曳的灯光，让有轨电车缓慢的爬上了山，直到他们消失在视野中。Whitney心服口服，随即支持Sprague将整个波士顿的有轨电车系统电力化。

　　许多城市随即争先恐后的将有轨电车电动化，并设立有轨电车赖以生存的架空电缆。仅在里士满铁路开通的18个月后，就有110个城市开始为有轨电车供电。多亏了Sprague的动力分散式控制的发明，芝加哥El铁路（于1895年运行），波士顿（于1897年运行）和纽约（于1904年运行）的地铁系统才得以建立。相比于巨大而笨重的机车拉动无比沉重的火车车厢，动力分散式机车为每个车厢提供了自己的发动机，火车才能以更快的速度和更高的加速度运行。

　　牵引电机引进了电动公共交通后，加速了城市向城郊的扩张。马车的运行速度是5英里每小时，相比之下机动化的有轨电车的运行速度是其三倍，达到了15英里每小时。人们由此第一次可以到达城市范围之外更远的地方。城市的形态从最初高密度的市中心开始变成星型放射状的空间形态。城郊街道从新的公共交通廊道放射出去。对于一些因为不富裕而住在工厂周边拥挤的居所的工人们，有轨电车带动形成了“带状社区”——这种社区通常距离城市12到15英里——并形成了新的通勤阶层。

　　正如Rowsome曾写到的那样，“有轨电车比蒸汽铁路和马车产生了更深远的影响——它促进了城郊区的快速发展。”

　　Sprague的发明所带来的强大影响力持续了超过一个世纪。高铁（或列车）——如1964年开始运营的日本新干线——依旧基于动力分散系统运行。他们使用电动动力分散系统，跟动力分散控制很像，但结合了再生制动和动力转换器以达到更高的速度。许多欧洲和亚洲国家将主要城市通过高铁连接起来——这些高铁能达到每小时250英里或以上。中国已建设1.4万英里的高铁线路，占全球高铁线。

　　说到未来公共性的轨道交通，许多人寄托于磁悬浮的变革上。无摩擦的磁悬浮列车已经在全球创造了速度奇迹。在2017年，日本的一辆磁悬浮列车达到了374公里每小时。然而磁悬浮基础设施成本极高，因此全球现只有三个磁悬浮系统在运行：分别在日本，中国和南韩。特斯拉的创始人Elon Musk设想了一个未来轨道交通的概念：超高速管道列车。它结合了磁悬浮技术和低压交通管道。Elon坚信这种列车即使要在长距离的城市交通枢纽中高速运行，也有潜力达到每小时746英里。

　　即使那个目标实现了，要在密集的城市区给这么一个庞大的系统寻找安置空间是个很大的挑战。这也能解释为什么Musk最近的研究方向转向了地下隧道。

　　图三、杰姆斯瓦特的蒸汽机成为工业的主要动力来源（这里，瓦特的研究改进了Newcomen发动机）

　　当今城市将其规模和成功归因于一个基础性的自然工序：蒸汽机。在蒸汽能源到来之前，工业是离不开河岸的，因为水流的动能可以被用来运转小工厂和磨坊里的机械装置。而蒸汽驱动的工厂则突破了这样的限制，这些工厂可以聚集在城市中心，从而利用更多的劳动力、更好的道路以及其他位于市区的服务设施。作为回报，蒸汽工业带来的巨大产能加速了城镇化进程（通过给工人们更高的薪水实现），这吸引了更多的工人和基础设施投资等等。

　　《零边缘消费的社会》一书的作者Jeremy Rifkin解释道，在塑造城市和经济的过程中，蒸汽的重要性怎么说都不为过：“人类在生活的工业化方式上首次迈出了试探性的一步，在接下来的两个世纪中，这种方式彻底改变了世界。”

　　第一台安全高效的蒸汽机是被设计用来从英格兰康沃尔郡的煤矿中泵水的。这个在1712年左右被Thomas Newcomen制造的“空气机器”，利用蒸汽压力驱使活塞往返活动，再驱动横梁机（主要为一大条木制横梁围绕中部的支点上下摇动），从而让在深矿中的水泵工作。

　　Newcomen的发明十分耗费燃料，因此需要大量的煤来供应。直到几十年之后Scotsman James Watt设计加入了单独的冷凝器，使得活塞管在蒸汽冷却凝结时仍然能保持热度，这让机器的能源效率提高了数倍。Watt同时设计了将往复运动转变为旋转运动的行星齿轮，使得蒸汽机能够驱动任何类型的机器。Watt自创单位“马力”来衡量他的机器的工作效率；今天我们用同名的“瓦特”来衡量电厂的电力输出。

　　蒸汽动力的应用越来越广泛——主要在交通运输、能源和制造业领域，而作为工业的主要动力来源，水的排量也在增加。1838年，美国的蒸汽发电仅占总发电量的5％。到1860年，蒸汽发电量已超过80％并且推动了城市和郊区的扩张，因为城市逐渐摆脱了长久以来对水的直接依赖。

　　之后蒸汽又带来了另一个突破：城镇的电气化。起初的时候，蒸汽能源和电力能源似乎有着不同类型的技术优势，但是在历史学家Maury Klein的一本名为《能源缔造者：蒸汽，电力以及创造美国的人》的书中他指出，Watt的蒸汽机和Edison的白炽灯泡有着线年火力发电厂的问世，工业进入了第二阶段。在此之前，蒸汽已经被用来为往复运动的机器供能以使机器运转。从那以后蒸汽也能被用来给涡轮机功能，从而实现发电。

　　蒸汽机让世界更加城镇化，因为工厂的工作吸引了更多的偏远劳动力进入城市。在1801年，当蒸汽刚刚开始占据英国工业的时候，仅有1/3的英格兰人和威尔士人居住在城市里。到了1910年，这一数字几乎达到了80%（大约360万人）。同一时期内，伦敦的人口增长了五倍，但是城市的空气开始遭受污染，这不仅是工业造成的，越来越多的家庭使用煤炭供暖也是原因之一。城市里雾气弥漫——夹杂着煤烟的雾从百万个壁炉和烟囱中冒出。

　　化石燃料时代伴随着蒸汽能源而到来，我们现在称之为碳经济。在蒸汽机出现之前，社会生活中占主导的是可再生能源，例如水能、风能、生物能等。在蒸汽机到来之后，煤炭、石油、天然气成为主要被利用的能源。随着地球上吸热的温室气体含量增加，蒸汽机带来的改变所造成的后果才被世界所关注，这些后果包括冰川融化、海平面上升以及全球范围内被热浪侵袭的城市。气候学家警告，如果要避免最严重的后果，人类几乎必须在不久的将来彻底摆脱化石燃料。

　　由于地热能、核能和太阳能热这样的低碳密集技术不断获得使用，蒸汽能源可能在人们向清洁能源的过渡中发挥作用。世界上最大的太阳能发电工厂是位于莫哈韦沙漠的具备3.92亿瓦特的发电能力的Ivanpah太阳能发电厂，它通过产生蒸汽使涡轮机旋转而发电。

　　蒸汽机也可以被用来供暖，当今世界上的一些城市通过地下的蒸汽管道既能提供制热也能提供制冷（通过设置制冷器），还有一些城市利用这些管道来服务于清洁、烹饪和消毒行业。世界上的许多城市采用了这种“区域能源”，因为新发明的优势可以使得这些系统更容易地利用当地的再生能源，并且显著降低对化石燃料的依赖。

　　区域能源的益处随着热电联产的出现而更显著。这种“结合式发电器”常包含一个能产生可再生电能的蒸汽涡轮机；它剩余的能量可以在之后为城区大楼供暖，也可以循环水资源从而重新开始蒸汽进程。在美国最大的区域能源运用中，圣保罗的热电联产满足80％的市区供热需求。通过将古老技术与现代设计相结合的方式，这种类型的系统可以帮助城市在社区层面应对气候变化。