無人駕駛核動力電池列車可行性方案

李宗儀 鮑廷義

摘 ?要：隨著世界全球化的快速發展，人類對能源的依賴越來越重，隨著化石能源的減少，風能、太陽能等利用率低，核電將是未來能源的重要形式。核電池具有使用更安全、壽命更長、清潔的特點，其在醫學、空間等領域有廣泛的應用潛力，并在很多領域得到了成功應用。無人駕駛列車將采用全自動控制系統，無需司機操作，即可實現列車的自動喚醒、自動發車離站、到站精準制動、自檢等一系列指令。文章將對無人駕駛核動力列車的理論作出探討。

關鍵詞：核電池;無人駕駛列車;方案

中圖分類號：TM918 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：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

隨著無人駕駛技術應用到城軌地鐵、高鐵上，核電池及核聚變技術的快速發展，本論文針對無人駕駛核動力列車的相關技術做一定的基礎研究，制定高壓型核電池（幾百至幾千V左右）發電系統代替柴油發電機的可行性技術方案，為商業化應用奠定一定的技術基礎，助力“一帶一路”的發展，開啟人類文明新征程。

1 研究背景及意義

2013年，習近平總書記從實現中華民族偉大復興的中國夢出發，著眼人類前途命運和建設更加美好的世界，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）的成功發出，標志著2018年累計開行中歐班列數量達到1000列，同比增長75%，顯示出中國鐵路部門服務、建設“一帶一路”取得了豐碩成果，標志著中國政府對服務、建設“一帶一路”的高度重視。2018年僅用88天時間就完成了中歐班列1000列的發行量，相對比較而言2016年用時256天發行中歐班列1000列，縮短了168天，相比2017年用時133天縮短了45天，又一次創下了新的歷史紀錄。短短五年來，中歐班列不僅在運行數量上日益增加，而且運行線路也日益密集。目前在中國境內穩定開行中歐班列的城市達16個，可以抵達歐洲8個國家12個以上大中小城市。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，每周要開8-10趟車，時時要對列車信號監視、速度控制、運行狀態追蹤等。

機車上高輻射、高噪音，機車司機工作時間長、任務多、強度大。工作在中歐班列上的司機更為辛苦，日積月累將影響到身體健康。隨著“一帶一路”沿線國家和地區的局部不穩定因素增加，工作在中歐班列上的機車司機安全得不到保障。從能源角度看，隨著石油等不可再生能源日益減少，內燃機車的運輸成本也會逐漸提高，而電氣化線路改造服務“一帶一路”沿線成本高、維修不便、各國使用的交流工頻不同，加之鐵路運輸的不均衡性，電氣化鐵路負荷波動頻繁、變化大等因素均不利中歐班列的大發展。

近年來國際社會上對可再生能源的關注密切，國際能源組織在能源領域積極展開合作研究，核電池未來將朝著更安全、可靠、清潔、壽命長、質量輕、能量轉換效率高和使用功率范圍大的方向發展。

隨著全自動無人駕駛系統技術的日益成熟，較多的應用于汽車、城市軌道上，全自動無人駕駛系統可以自動實現列車休眠、喚醒、準備、自檢、自動運行和停車，以及在故障情況下實現自報警等功能，使得列車按照設定的運行曲線進行運營，達到節能環保的目的。與此同時，列車不設駕駛員，也節省人力成本，全自動化運營也避免了人為操作失誤導致的運營故障。此外，整車控制系統備有3套系統設備，分別是主系統、次系統及后備系統。

隨著中國北斗衛星導航定位系統的不斷完善，精度不斷提升，激光傳感技術、激光攝像機、全球定位儀、超級智能計算機的問世，以及對可控核聚變的應用日益廣闊，均為本研究提供了強有力的技術支持和可行性。

綜上所述，無人駕駛核動力電池列車的研究具有較強的現實意義及經濟效益。

2 研究目的

本論文在無人駕駛技術基礎上，將一種智能控制，并且長時間工作不需要維修、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）發電系統代替柴油發電機的可行性方案。本文將在理論上建立了無人駕駛核動力電池列車的總體設計。無人駕駛核動力電池列車將采用全新智能控制系統，火車上安裝有新型超級計算機控制系統、遠程控制系統、超聲波、雷達、北斗衛星定位系統、感測系統、故障診斷系統、激光傳感器等設備，在運行過程中，人工智能替代人力，負責火車的一切操作。其整體示意圖如圖1所示，其車內部分設備示意圖如圖2所示。

3 當前國內外研究現狀

2017年8月，澳大利亞礦業巨頭力拓對外透露，所有“礦坑到港”的火車運輸里程，有50%都是以自動的方式完成的，所產出的鐵礦石80%由自動火車系統運輸完成，不過，以防意外，列車上保留了司機。

2017年10月，力拓在澳大利亞西部皮爾巴拉地區測試了一輛全自動無人駕駛核動力列車（無司機），成功完成了世界上首個火車無人駕駛任務，順利測試了100公里。

隨著中國北斗衛星導航定位系統的不斷完善，定位精度不斷提升，激光傳感技術、激光攝像機、全球定位儀、超級智能計算機的問世，無人駕駛技術應用到城軌地鐵、高鐵上，核電池及核聚變技術的快速發展，以及對可控核聚變的應用日益廣闊。同時，隨著5G建設的推廣，“萬物互聯”將成為可能，從而為智能駕駛列車的迅速發展奠定網絡基礎條件。

核電池的應用如下：

（1）航天領域的應用：二十世紀七十年代初期，美國發射的木星探測器、登月飛船、空間探測器均使用核電池裝置。（2）航海、航空導航等領域的應用。（3）醫學領域的應用。（4）微型電動機械中的應用。（5）電動汽車上的應用。

隨著1959年1月16日美國人研制出第一個放射性同位素電池到今天，核電池使用技術已經在航天、航空、深海等領域相當成熟。對能源需求量比較大，工作環境惡劣的中歐班列來說，一種高功率、高性能、安全可靠的核電池必將亟需。據歐陽自遠院士透露，近幾年，中國在自主研發核電池方面取得了前所未有的成就。可以預計在二十一世紀科學人員將會研制出一種高功率、高性能、安全可靠的核電池，可在國際班列上應用，并且可以長期智能檢測工作不需要維修、體積小、清潔的核電池。

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

4 技術方案

為克服現有技術不足，本論文目的是提供一種無人駕駛核電池列車，結構簡單，節約能源，減少人力，實現高度自動化列車。為實現上述目的，本論文通過以下技術方案實現：

無人駕駛核電池列車，其列車包括：

（1）車體，車體包括車內設備、車殼、底架、轉向架。

（2）中央控制裝置，中央控制裝置包括全自動無人駕駛系統、北斗衛星導航定位系統、超級智能計算機、激光傳感器、雷達、感測器件、激光攝像機。

（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。

中央控制裝置受遠程控制，遠程控制為列車運行控制中心;全自動無人駕駛系統可以自動實現列車休眠、喚醒、準備、自檢、自動運行和準確停車，以及在故障情況下實現自報警;北斗衛星導航定位系統提供高精度、高可靠定位;雷達通過電磁波提供前進軌道上異物或雜物的位置、距離變化、方位及高度信息;感測器件為超聲波感測器件，超聲波感測器件包括超聲波感測頭，超聲波感測頭用于通過超聲波感測車體外的物體的位置及其移動狀態;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;故障報警系統由超級智能計算機控制，超級智能計算機是收集、分析、預測、處理各種數據的中心;激光攝像機可在惡劣天氣環境中正常工作，拍攝記錄運行全程，其控制系統示意框圖如圖3所示。

5 結束語

中國北斗衛星導航定位系統不斷完善，定位精良度不斷提升，隨著智能控制技術與移動互聯、大數據等技術的日益成熟，為遠程控制列車運營、管理和檢修，為無人駕駛核動力電池列車的發展以及更好的服務、建設“一帶一路”鋪平了道路。隨著航天、航空、深海等領域應用核電池技術的成熟，為核電池在耗能巨大的國際班列上得以應用奠定了基礎。

本論文通過調研，應用現有無人駕駛技術將核動力電池應用到中歐列車上，制造出具有時代特色的、綠色的、環保的國際列車，推動“一帶一路”的建設，進一步提高中國與“一帶一路”沿線國家貿易額，立足周邊，輻射“一帶一路”，加快面向全球的自貿區網絡早日形成，減輕中歐班列車司機的負擔和工作量，同心創新路，掌握新機遇。

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