李宗儀 鮑廷義

摘 ?要：隨著世界全球化的快速發(fā)展，人類對(duì)能源的依賴越來(lái)越重，隨著化石能源的減少，風(fēng)能、太陽(yáng)能等利用率低，核電將是未來(lái)能源的重要形式。核電池具有使用更安全、壽命更長(zhǎng)、清潔的特點(diǎn)，其在醫(yī)學(xué)、空間等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用潛力，并在很多領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用。無(wú)人駕駛列車將采用全自動(dòng)控制系統(tǒng)，無(wú)需司機(jī)操作，即可實(shí)現(xiàn)列車的自動(dòng)喚醒、自動(dòng)發(fā)車離站、到站精準(zhǔn)制動(dòng)、自檢等一系列指令。文章將對(duì)無(wú)人駕駛核動(dòng)力列車的理論作出探討。

關(guān)鍵詞：核電池;無(wú)人駕駛列車;方案

中圖分類號(hào)：TM918 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2019）13-0148-03

Abstract： With the rapid development of globalization in the world， human beings rely more and more on energy， as well as the reduction of fossil energy， wind energy， solar energy and other low utilization rate， nuclear power will be an important form of energy in the future. Nuclear battery has the characteristics of safer use， longer life and clean. It has a wide range of application potential in medicine， space and other fields， and has been successfully applied in many fields. The driverless train will adopt a fully automatic control system， which can realize a series of instructions， such as automatic awakening， automatic departure and departure， accurate braking， self-inspection and so on， without the operation of the driver. In this paper， the theory of unmanned nuclear power train is discussed.

Keywords： nuclear battery; driverless train; feasible scheme

隨著無(wú)人駕駛技術(shù)應(yīng)用到城軌地鐵、高鐵上，核電池及核聚變技術(shù)的快速發(fā)展，本論文針對(duì)無(wú)人駕駛核動(dòng)力列車的相關(guān)技術(shù)做一定的基礎(chǔ)研究，制定高壓型核電池（幾百至幾千V左右）發(fā)電系統(tǒng)代替柴油發(fā)電機(jī)的可行性技術(shù)方案，為商業(yè)化應(yīng)用奠定一定的技術(shù)基礎(chǔ)，助力“一帶一路”的發(fā)展，開啟人類文明新征程。

1 研究背景及意義

2013年，習(xí)近平總書記從實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國(guó)夢(mèng)出發(fā)，著眼人類前途命運(yùn)和建設(shè)更加美好的世界，提出了“一帶一路”倡議。2018年3月29日，第一列中歐班列（波蘭-成都）的成功發(fā)出，標(biāo)志著2018年累計(jì)開行中歐班列數(shù)量達(dá)到1000列，同比增長(zhǎng)75%，顯示出中國(guó)鐵路部門服務(wù)、建設(shè)“一帶一路”取得了豐碩成果，標(biāo)志著中國(guó)政府對(duì)服務(wù)、建設(shè)“一帶一路”的高度重視。2018年僅用88天時(shí)間就完成了中歐班列1000列的發(fā)行量，相對(duì)比較而言2016年用時(shí)256天發(fā)行中歐班列1000列，縮短了168天，相比2017年用時(shí)133天縮短了45天，又一次創(chuàng)下了新的歷史紀(jì)錄。短短五年來(lái)，中歐班列不僅在運(yùn)行數(shù)量上日益增加，而且運(yùn)行線路也日益密集。目前在中國(guó)境內(nèi)穩(wěn)定開行中歐班列的城市達(dá)16個(gè)，可以抵達(dá)歐洲8個(gè)國(guó)家12個(gè)以上大中小城市。隨著中歐班列物流組織日趨成熟，工作在中歐班列上的司機(jī)，每周要開8-10趟車，時(shí)時(shí)要對(duì)列車信號(hào)監(jiān)視、速度控制、運(yùn)行狀態(tài)追蹤等。

機(jī)車上高輻射、高噪音，機(jī)車司機(jī)工作時(shí)間長(zhǎng)、任務(wù)多、強(qiáng)度大。工作在中歐班列上的司機(jī)更為辛苦，日積月累將影響到身體健康。隨著“一帶一路”沿線國(guó)家和地區(qū)的局部不穩(wěn)定因素增加，工作在中歐班列上的機(jī)車司機(jī)安全得不到保障。從能源角度看，隨著石油等不可再生能源日益減少，內(nèi)燃機(jī)車的運(yùn)輸成本也會(huì)逐漸提高，而電氣化線路改造服務(wù)“一帶一路”沿線成本高、維修不便、各國(guó)使用的交流工頻不同，加之鐵路運(yùn)輸?shù)牟痪庑?，電氣化鐵路負(fù)荷波動(dòng)頻繁、變化大等因素均不利中歐班列的大發(fā)展。

近年來(lái)國(guó)際社會(huì)上對(duì)可再生能源的關(guān)注密切，國(guó)際能源組織在能源領(lǐng)域積極展開合作研究，核電池未來(lái)將朝著更安全、可靠、清潔、壽命長(zhǎng)、質(zhì)量輕、能量轉(zhuǎn)換效率高和使用功率范圍大的方向發(fā)展。

隨著全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)技術(shù)的日益成熟，較多的應(yīng)用于汽車、城市軌道上，全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)列車休眠、喚醒、準(zhǔn)備、自檢、自動(dòng)運(yùn)行和停車，以及在故障情況下實(shí)現(xiàn)自報(bào)警等功能，使得列車按照設(shè)定的運(yùn)行曲線進(jìn)行運(yùn)營(yíng)，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。與此同時(shí)，列車不設(shè)駕駛員，也節(jié)省人力成本，全自動(dòng)化運(yùn)營(yíng)也避免了人為操作失誤導(dǎo)致的運(yùn)營(yíng)故障。此外，整車控制系統(tǒng)備有3套系統(tǒng)設(shè)備，分別是主系統(tǒng)、次系統(tǒng)及后備系統(tǒng)。

隨著中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的不斷完善，精度不斷提升，激光傳感技術(shù)、激光攝像機(jī)、全球定位儀、超級(jí)智能計(jì)算機(jī)的問世，以及對(duì)可控核聚變的應(yīng)用日益廣闊，均為本研究提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持和可行性。

綜上所述，無(wú)人駕駛核動(dòng)力電池列車的研究具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義及經(jīng)濟(jì)效益。

2 研究目的

本論文在無(wú)人駕駛技術(shù)基礎(chǔ)上，將一種智能控制，并且長(zhǎng)時(shí)間工作不需要維修、安全可靠、高性能大功率、體積小、成本低廉、清潔、綠色的核電池應(yīng)用到列車上，探討大功率高壓型核電池（幾百至幾千V左右）發(fā)電系統(tǒng)代替柴油發(fā)電機(jī)的可行性方案。本文將在理論上建立了無(wú)人駕駛核動(dòng)力電池列車的總體設(shè)計(jì)。無(wú)人駕駛核動(dòng)力電池列車將采用全新智能控制系統(tǒng)，火車上安裝有新型超級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、超聲波、雷達(dá)、北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)、感測(cè)系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)、激光傳感器等設(shè)備，在運(yùn)行過程中，人工智能替代人力，負(fù)責(zé)火車的一切操作。其整體示意圖如圖1所示，其車內(nèi)部分設(shè)備示意圖如圖2所示。

3 當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2017年8月，澳大利亞礦業(yè)巨頭力拓對(duì)外透露，所有“礦坑到港”的火車運(yùn)輸里程，有50%都是以自動(dòng)的方式完成的，所產(chǎn)出的鐵礦石80%由自動(dòng)火車系統(tǒng)運(yùn)輸完成，不過，以防意外，列車上保留了司機(jī)。

2017年10月，力拓在澳大利亞西部皮爾巴拉地區(qū)測(cè)試了一輛全自動(dòng)無(wú)人駕駛核動(dòng)力列車（無(wú)司機(jī)），成功完成了世界上首個(gè)火車無(wú)人駕駛?cè)蝿?wù)，順利測(cè)試了100公里。

隨著中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的不斷完善，定位精度不斷提升，激光傳感技術(shù)、激光攝像機(jī)、全球定位儀、超級(jí)智能計(jì)算機(jī)的問世，無(wú)人駕駛技術(shù)應(yīng)用到城軌地鐵、高鐵上，核電池及核聚變技術(shù)的快速發(fā)展，以及對(duì)可控核聚變的應(yīng)用日益廣闊。同時(shí)，隨著5G建設(shè)的推廣，“萬(wàn)物互聯(lián)”將成為可能，從而為智能駕駛列車的迅速發(fā)展奠定網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)條件。

核電池的應(yīng)用如下：

（1）航天領(lǐng)域的應(yīng)用：二十世紀(jì)七十年代初期，美國(guó)發(fā)射的木星探測(cè)器、登月飛船、空間探測(cè)器均使用核電池裝置。（2）航海、航空導(dǎo)航等領(lǐng)域的應(yīng)用。（3）醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。（4）微型電動(dòng)機(jī)械中的應(yīng)用。（5）電動(dòng)汽車上的應(yīng)用。

隨著1959年1月16日美國(guó)人研制出第一個(gè)放射性同位素電池到今天，核電池使用技術(shù)已經(jīng)在航天、航空、深海等領(lǐng)域相當(dāng)成熟。對(duì)能源需求量比較大，工作環(huán)境惡劣的中歐班列來(lái)說，一種高功率、高性能、安全可靠的核電池必將亟需。據(jù)歐陽(yáng)自遠(yuǎn)院士透露，近幾年，中國(guó)在自主研發(fā)核電池方面取得了前所未有的成就?？梢灶A(yù)計(jì)在二十一世紀(jì)科學(xué)人員將會(huì)研制出一種高功率、高性能、安全可靠的核電池，可在國(guó)際班列上應(yīng)用，并且可以長(zhǎng)期智能檢測(cè)工作不需要維修、體積小、清潔的核電池。

核電池在未來(lái)不久解決了安全可靠、功率以及成本等問題后，核電池的使用價(jià)值、存在意義非同凡響。

4 技術(shù)方案

為克服現(xiàn)有技術(shù)不足，本論文目的是提供一種無(wú)人駕駛核電池列車，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)約能源，減少人力，實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化列車。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本論文通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

無(wú)人駕駛核電池列車，其列車包括：

（1）車體，車體包括車內(nèi)設(shè)備、車殼、底架、轉(zhuǎn)向架。

（2）中央控制裝置，中央控制裝置包括全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)、超級(jí)智能計(jì)算機(jī)、激光傳感器、雷達(dá)、感測(cè)器件、激光攝像機(jī)。

（3）核電池供電裝置，核電池供電裝置包括核電池、高壓控制箱等。

中央控制裝置受遠(yuǎn)程控制，遠(yuǎn)程控制為列車運(yùn)行控制中心;全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)列車休眠、喚醒、準(zhǔn)備、自檢、自動(dòng)運(yùn)行和準(zhǔn)確停車，以及在故障情況下實(shí)現(xiàn)自報(bào)警;北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)提供高精度、高可靠定位;雷達(dá)通過電磁波提供前進(jìn)軌道上異物或雜物的位置、距離變化、方位及高度信息;感測(cè)器件為超聲波感測(cè)器件，超聲波感測(cè)器件包括超聲波感測(cè)頭，超聲波感測(cè)頭用于通過超聲波感測(cè)車體外的物體的位置及其移動(dòng)狀態(tài);核電池供電裝置安裝在底架上由核電池、高壓控制箱等組成;故障報(bào)警系統(tǒng)由超級(jí)智能計(jì)算機(jī)控制，超級(jí)智能計(jì)算機(jī)是收集、分析、預(yù)測(cè)、處理各種數(shù)據(jù)的中心;激光攝像機(jī)可在惡劣天氣環(huán)境中正常工作，拍攝記錄運(yùn)行全程，其控制系統(tǒng)示意框圖如圖3所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)不斷完善，定位精良度不斷提升，隨著智能控制技術(shù)與移動(dòng)互聯(lián)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的日益成熟，為遠(yuǎn)程控制列車運(yùn)營(yíng)、管理和檢修，為無(wú)人駕駛核動(dòng)力電池列車的發(fā)展以及更好的服務(wù)、建設(shè)“一帶一路”鋪平了道路。隨著航天、航空、深海等領(lǐng)域應(yīng)用核電池技術(shù)的成熟，為核電池在耗能巨大的國(guó)際班列上得以應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

本論文通過調(diào)研，應(yīng)用現(xiàn)有無(wú)人駕駛技術(shù)將核動(dòng)力電池應(yīng)用到中歐列車上，制造出具有時(shí)代特色的、綠色的、環(huán)保的國(guó)際列車，推動(dòng)“一帶一路”的建設(shè)，進(jìn)一步提高中國(guó)與“一帶一路”沿線國(guó)家貿(mào)易額，立足周邊，輻射“一帶一路”，加快面向全球的自貿(mào)區(qū)網(wǎng)絡(luò)早日形成，減輕中歐班列車司機(jī)的負(fù)擔(dān)和工作量，同心創(chuàng)新路，掌握新機(jī)遇。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì).核科學(xué)技術(shù)學(xué)科發(fā)展報(bào)告[R].中國(guó)核學(xué)會(huì)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2016.

[2]北京市科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì).聚焦超級(jí)核能[M].北京核學(xué)會(huì)，北京出版社，2015.

[3]吳明紅，王傳珊.核科學(xué)技術(shù)的歷史、發(fā)展與未來(lái)[M].北京：科學(xué)出版社，2015.

[4]劉少山，唐潔，吳雙，等.第一本無(wú)人駕駛技術(shù)書[M].電子工業(yè)出版社，2017.

[5]胡迪·利普森，梅爾芭·庫(kù)曼.無(wú)人駕駛[M].林露茵，金陽(yáng)，譯.文匯出版社，2017.

[6]劉義鶴，江洪.全球核電池技術(shù)進(jìn)展初探[Z].中國(guó)科學(xué)院武漢文獻(xiàn)情報(bào)中心，2018.