能源、信息与轨道交通安全 --简水生.ppt

能源、信息与轨道交通安全,中国科学院院士北京交通大学教授,简水生,目录,一、历史悠久、与时俱进二、二十一世纪是能源危机和绿色能源革命的世纪三、绿色能源革命将深刻影响铁路和轨道交通的发展四、信息技术将促进铁路和轨道交通的现代化并确保其运输安全,一、历史悠久、与时俱进,铁路运输自1825年诞生以来，至今已有180多年的历史。至今仍然是许多国家运输的大动脉，仍然是生机勃勃，具有远大的发展前景。究其根源是铁路运输能够与时俱进，不断采用新的技术，改造自己，武装自己。从总体上来说，它经历了蒸汽机车时代、内燃机车、电力机车，到目前的高速列车时代，但铁路和轨道交通的经久不衰最根本的原因是轮轨的摩擦系数小，能节省大量的能源，而且还能由多节车厢组成列车形成巨大的运输能力。节约能源是本世纪的头等大事。,二、二十一世纪是能源危机和绿色能源革命的世纪,在20世纪人类社会的科学技术得到了飞速的发展，从“爱因斯坦的相对论”到“宇宙飞船和空间站的建立”，从微电子技术的发明到每秒运行几十万亿次的计算机，由我国古代诗人李白所惊叹的“蜀道之难难于上青天”，到现代的“北京到成都，可以一天往返”，实际上这种现代文明是建筑在能源消耗提高的基础上。,常规能源有尽时,世界已探明石油储量只能供应41年。其中67在中东，79在里海，27分布在美国，俄罗斯，非洲，拉美和我国（我国只占3）常规能源是指石油，天然气和煤炭，这是地球46亿年形成过程中太阳给予地球能源的储存。,常规能源有尽时,我国的能源状况现已探明，常规能源总量为一万亿吨标准煤，但目前可开采的总能源为1500亿吨标准煤。2003年我国常规能源消耗为16.78亿吨标准煤。2004年消耗常规能源已达19.6亿吨标准煤，进口原油1.6亿吨，成品油4000万吨,常规能源有尽时,我国电力供应以煤电为主，2002年我国SO2排放量高达1927万吨。2020年我国CO2排放量将居世界第一，环境污染，土壤酸化，粮食减产，植被破坏，引发大量呼吸道疾病，威胁人民身体健康，而且温室效应将使世界环境产生剧烈变化，使人类生存受到威胁。,隐藏的危机,世界上为石油已经不宣而战。有的国家宣称，为“反恐”须驻兵马六甲海峡，甚至日本也宣称要派舰队到马六甲海峡保护日本的侨民。围绕里海的石油，许多国家发生了所谓的“颜色革命”我国进口石油90通过海上运输，80须经过马六甲海峡，形势十分严峻。2020年前，我国将新建27个百万级核电站，但只能节省1.2亿吨标准煤。我国天然铀短缺，进口铀的困难要更大一些。,太阳给人类提供无尽的能源,地球所接收的太阳能功率平均每平方米为1353千瓦，这就是所谓的太阳常数。太阳每秒照射到地球上的能量约为500亿吨煤，比目前全人类的能耗量大3.5万倍。太阳内部的核聚变可以维持几百亿年，相对应人类的有限生存时间而言，太阳能可以说是取之不尽，用之不竭。太阳辐射在地球上的能量71照在海洋上，所蒸发的水落在陆地上形成河流、湖泊为人类提供生存用水和带来所谓的水利发电。由于太阳照射产生各地区的温差，从而产生了风，甚至是飓风。它可给人类造成灾害，人们也可利用风能发电。太阳照在我们祖国的陆地上全年的辐射能相当于24000亿吨标准煤，为我国煤矿的储存量的2.4倍。由于我国东部和西部地区地理情况不同，其接收太阳能的效率也不同。如下图所示。,太阳给人类提供无尽的能源,如何利用太阳的辐射能，目前比较成熟的就是光伏电池。一般是采用多晶硅制造的，它的转换效率也为1015%，目前正在努力突破20的关口。一种在单晶硅片上、下表面分别沉淀P型和N型非晶硅薄膜制成的HIT电池效率已达到21；当今世界上光电转换效率最高的砷化镓多结太阳能电池在聚光265倍的阳光条件下，光电转换效率已高达35，并正在向40的新高峰攀登。其它多种多样的属于光电子领域的光伏电池正在研究之中。,研究新型光伏电池是绿色能源革命的主流,目前的紧急任务就是降低制造光伏电池所消耗的能源，并降低其造价。如果能源消耗和造价能降低20倍，则光伏电池的发电造价可以优于目前火力发电的投资。随着这种光伏电池的推广应用和完善，它将成为绿色能源革命的主力军，最终能解决人类生存所面临的能源危机。北京交通大学将在这方面做出原创性的贡献。,研究新型光伏电池是绿色能源革命的主流,三、绿色能源革命将深刻影响铁路和轨道交通的发展,由于本世纪能源的紧缺，中央制定了建立节约型社会的方针政策，轨道交通是有效节约能源的交通运输方式。所以在本世纪内，轨道交通将得到很大的发展。同时，由于能源的匮乏，轨道交通客运的速度并不是越高越好。空气动力学家告诉我们，在空气稀薄的高空，导弹所消耗的能源与速度的立方成正比。如果在地面，则能源消耗与速度的几次方成正比有待于进一步研究。所以在不同的运输距离应有不同的最佳速度。,三、绿色能源革命将深刻影响铁路和轨道交通的发展,在本世纪的末叶，人类消耗的能源将主要依靠太阳能电池，这必将影响到轨道交通能源的改变，并将推动轨道交通的又一次跨越式的发展。从刚才所介绍的我国太阳能辐射的地域情况看，青藏高原是太阳辐射最丰富的地区，每平方米所接收的太阳辐射能约为2000瓦，每年太阳辐射的时间约为3200小时，铺设一平方公里的光伏电池，相当于一个11000KW的火力发电厂。如果铺设1万平方公里的光伏电池，相当于建立11亿千瓦的火力发电。大于2020年我国所需的9亿千瓦的发电量总和。,三、绿色能源革命将深刻影响铁路和轨道交通的发展,青藏铁路就建筑在太阳能丰富的高原地区，其中穿过了550公里的高原冻土层，如果在冻土层铁路两侧40公里的范围内铺设光伏电池，其发电总量可达48.4亿千瓦，可以满足2040年全国能源总需求。同时由于光伏电池的敷设，可以大大延缓冻土层的融化，确保青藏铁路长期稳定运输，并将为青藏地区甚至整个西部地区带来繁荣和发展。,四、信息技术将促进铁路和轨道交通的现代化并确保其运输安全,利用现代的信息技术可以实现自动化行车指挥甚至实现无人驾驶（司机只是作为监控者）。我国的轨道交通信息控制方面相对比较落后，例如北京地铁的列车间隔时间为23分钟，造成人流拥挤，上下班时期人们还需排队等候甚至有时出现人群挤踏的事故，这种状况如果延续到2008年的奥运期间，这将影响北京现代化的光辉形象。建议北京市有关领导单位采用先进的信息技术，将地铁间隔时间缩短至90秒甚至达到60秒。尤其是目前油价飞涨，世界石油市场动荡不安，城市轨道交通的现代化尤显重要。铁路的行车控制系统目前主要依靠基于轨道电路的自动闭塞和GSMR无线通信系统。另一方面，为了降低铁路的线路维修量需采用无碴轨枕，而这种无碴道床是由钢筋交错绑扎混凝土浇铸而成，这对轨道电路将产生较大的影响。如果在无碴道床的制造过程中将钢筋绑扎处垫上绝缘层，则将影响无碴道床的强度和寿命。,四、信息技术将促进铁路和轨道交通的现代化并确保其运输安全,同时，这种绝缘层在高速列车运行的冲击下，随着时间的延长，必将遭到破损，则轨道电路不可能正常显示。众所周知，移动通信存在两个最大的难题，一是多径效应，传输数据只能采取应答式，不能实现列车的实时控制。二是频带资源匮乏，目前我国的GSM