无人驾驶核动力电池列车可行性方案

李宗仪 鲍廷义

摘  要：随着世界全球化的快速发展，人类对能源的依赖越来越重，随着化石能源的减少，风能、太阳能等利用率低，核电将是未来能源的重要形式。核电池具有使用更安全、寿命更长、清洁的特点，其在医学、空间等领域有广泛的应用潜力，并在很多领域得到了成功应用。无人驾驶列车将采用全自动控制系统，无需司机操作，即可实现列车的自动唤醒、自动发车离站、到站精准制动、自检等一系列指令。文章将对无人驾驶核动力列车的理论作出探讨。

关键词：核电池;无人驾驶列车;方案

中图分类号：TM918 文献标志码：A         文章编号：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

随着无人驾驶技术应用到城轨地铁、高铁上，核电池及核聚变技术的快速发展，本论文针对无人驾驶核动力列车的相关技术做一定的基础研究，制定高压型核电池（几百至几千V左右）发电系统代替柴油发电机的可行性技术方案，为商业化应用奠定一定的技术基础，助力“一带一路”的发展，开启人类文明新征程。

1 研究背景及意义

2013年，习近平总书记从实现中华民族伟大复兴的中国梦出发，着眼人类前途命运和建设更加美好的世界，提出了“一带一路”倡议。2018年3月29日，第一列中歐班列（波兰-成都）的成功发出，标志着2018年累计开行中欧班列数量达到1000列，同比增长75%，显示出中国铁路部门服务、建设“一带一路”取得了丰硕成果，标志着中国政府对服务、建设“一带一路”的高度重视。2018年仅用88天时间就完成了中欧班列1000列的发行量，相对比较而言2016年用时256天发行中欧班列1000列，缩短了168天，相比2017年用时133天缩短了45天，又一次创下了新的历史纪录。短短五年来，中欧班列不仅在运行数量上日益增加，而且运行线路也日益密集。目前在中国境内稳定开行中欧班列的城市达16个，可以抵达欧洲8个国家12个以上大中小城市。随着中欧班列物流组织日趋成熟，工作在中欧班列上的司机，每周要开8-10趟车，时时要对列车信号监视、速度控制、运行状态追踪等。

机车上高辐射、高噪音，机车司机工作时间长、任务多、强度大。工作在中欧班列上的司机更为辛苦，日积月累将影响到身体健康。随着“一带一路”沿线国家和地区的局部不稳定因素增加，工作在中欧班列上的机车司机安全得不到保障。从能源角度看，随着石油等不可再生能源日益减少，内燃机车的运输成本也会逐渐提高，而电气化线路改造服务“一带一路”沿线成本高、维修不便、各国使用的交流工频不同，加之铁路运输的不均衡性，电气化铁路负荷波动频繁、变化大等因素均不利中欧班列的大发展。

近年来国际社会上对可再生能源的关注密切，国际能源组织在能源领域积极展开合作研究，核电池未来将朝着更安全、可靠、清洁、寿命长、质量轻、能量转换效率高和使用功率范围大的方向发展。

随着全自动无人驾驶系统技术的日益成熟，较多的应用于汽车、城市轨道上，全自动无人驾驶系统可以自动实现列车休眠、唤醒、准备、自检、自动运行和停车，以及在故障情况下实现自报警等功能，使得列车按照设定的运行曲线进行运营，达到节能环保的目的。与此同时，列车不设驾驶员，也节省人力成本，全自动化运营也避免了人为操作失误导致的运营故障。此外，整车控制系统备有3套系统设备，分别是主系统、次系统及后备系统。

随着中国北斗卫星导航定位系统的不断完善，精度不断提升，激光传感技术、激光摄像机、全球定位仪、超级智能计算机的问世，以及对可控核聚变的应用日益广阔，均为本研究提供了强有力的技术支持和可行性。

综上所述，无人驾驶核动力电池列车的研究具有较强的现实意义及经济效益。

2 研究目的

本论文在无人驾驶技术基础上，将一种智能控制，并且长时间工作不需要维修、安全可靠、高性能大功率、体积小、成本低廉、清洁、绿色的核电池应用到列车上，探讨大功率高压型核电池（几百至几千V左右）发电系统代替柴油发电机的可行性方案。本文将在理论上建立了无人驾驶核动力电池列车的总体设计。无人驾驶核动力电池列车将采用全新智能控制系统，火车上安装有新型超级计算机控制系统、远程控制系统、超声波、雷达、北斗卫星定位系统、感测系统、故障诊断系统、激光传感器等设备，在运行过程中，人工智能替代人力，负责火车的一切操作。其整体示意图如图1所示，其车内部分设备示意图如图2所示。

3 当前国内外研究现状

2017年8月，澳大利亚矿业巨头力拓对外透露，所有“矿坑到港”的火车运输里程，有50%都是以自动的方式完成的，所产出的铁矿石80%由自动火车系统运输完成，不过，以防意外，列车上保留了司机。

2017年10月，力拓在澳大利亚西部皮尔巴拉地区测试了一辆全自动无人驾驶核动力列车（无司机），成功完成了世界上首个火车无人驾驶任务，顺利测试了100公里。

随着中国北斗卫星导航定位系统的不断完善，定位精度不断提升，激光传感技术、激光摄像机、全球定位仪、超级智能计算机的问世，无人驾驶技术应用到城轨地铁、高铁上，核电池及核聚变技术的快速发展，以及对可控核聚变的应用日益广阔。同时，随着5G建设的推广，“万物互联”将成为可能，从而为智能驾驶列车的迅速发展奠定网络基础条件。

核电池的应用如下：

（1）航天领域的应用：二十世纪七十年代初期，美国发射的木星探测器、登月飞船、空间探测器均使用核电池装置。（2）航海、航空导航等领域的应用。（3）医学领域的应用。（4）微型电动机械中的应用。（5）电动汽车上的应用。

随着1959年1月16日美国人研制出第一个放射性同位素电池到今天，核电池使用技术已经在航天、航空、深海等领域相当成熟。对能源需求量比较大，工作环境恶劣的中欧班列来说，一种高功率、高性能、安全可靠的核电池必将亟需。据欧阳自远院士透露，近几年，中国在自主研发核电池方面取得了前所未有的成就。可以预计在二十一世纪科学人员将会研制出一种高功率、高性能、安全可靠的核电池，可在国际班列上应用，并且可以长期智能检测工作不需要维修、体积小、清洁的核电池。

核电池在未来不久解决了安全可靠、功率以及成本等问题后，核电池的使用价值、存在意义非同凡响。

4 技术方案

为克服现有技术不足，本论文目的是提供一种无人驾驶核电池列车，结构简单，节约能源，减少人力，实现高度自动化列车。为实现上述目的，本论文通过以下技术方案实现：

无人驾驶核电池列车，其列车包括：

（1）车体，车体包括车内设备、车壳、底架、转向架。

（2）中央控制装置，中央控制装置包括全自动无人驾驶系统、北斗卫星导航定位系统、超级智能计算机、激光传感器、雷达、感测器件、激光摄像机。

（3）核电池供电装置，核电池供电装置包括核电池、高压控制箱等。

中央控制裝置受远程控制，远程控制为列车运行控制中心;全自动无人驾驶系统可以自动实现列车休眠、唤醒、准备、自检、自动运行和准确停车，以及在故障情况下实现自报警;北斗卫星导航定位系统提供高精度、高可靠定位;雷达通过电磁波提供前进轨道上异物或杂物的位置、距离变化、方位及高度信息;感测器件为超声波感测器件，超声波感测器件包括超声波感测头，超声波感测头用于通过超声波感测车体外的物体的位置及其移动状态;核电池供电装置安装在底架上由核电池、高压控制箱等组成;故障报警系统由超级智能计算机控制，超级智能计算机是收集、分析、预测、处理各种数据的中心;激光摄像机可在恶劣天气环境中正常工作，拍摄记录运行全程，其控制系统示意框图如图3所示。

5 结束语

中国北斗卫星导航定位系统不断完善，定位精良度不断提升，随着智能控制技术与移动互联、大数据等技术的日益成熟，为远程控制列车运营、管理和检修，为无人驾驶核动力电池列车的发展以及更好的服务、建设“一带一路”铺平了道路。随着航天、航空、深海等领域应用核电池技术的成熟，为核电池在耗能巨大的国际班列上得以应用奠定了基础。

本论文通过调研，应用现有无人驾驶技术将核动力电池应用到中欧列车上，制造出具有时代特色的、绿色的、环保的国际列车，推动“一带一路”的建设，进一步提高中国与“一带一路”沿线国家贸易额，立足周边，辐射“一带一路”，加快面向全球的自贸区网络早日形成，减轻中欧班列车司机的负担和工作量，同心创新路，掌握新机遇。

参考文献：

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[2]北京市科学技术协会.聚焦超级核能[M].北京核学会，北京出版社，2015.

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[5]胡迪·利普森，梅尔芭·库曼.无人驾驶[M].林露茵，金阳，译.文汇出版社，2017.

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