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關(guān)鍵詞:聚合物;成型加工;教學(xué)模式;教學(xué)改革
中圖分類號(hào):G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1674-9324(2016)03-0268-02
一、前言
目前,全球聚合物材料年產(chǎn)量達(dá)數(shù)億噸,在人們的生活和生產(chǎn)中具有不可替代的作用。聚合物制品的性能取決于聚合物本身的性質(zhì)和成型工藝等。聚合物成型加工是獲取高分子材料制品、體現(xiàn)材料特性和開(kāi)發(fā)新材料的重要手段,是高分子材料學(xué)科的重要組成部分,這其中包含了許多高分子物理和高分子化學(xué)的相關(guān)問(wèn)題,而且與生產(chǎn)實(shí)踐密切相關(guān)。為了使學(xué)生能夠全面了解和把握聚合物的成型加工技術(shù),《聚合物成型加工》課程涵蓋了諸多內(nèi)容,包括影響聚合物性能的物理化學(xué)因素、添加劑、配方設(shè)計(jì)、聚合物流變學(xué)、聚合物共混與制備、成型加工設(shè)備、成型工藝等內(nèi)容,是一門(mén)理論性和實(shí)踐性緊密結(jié)合的課程。[1]
如何在教學(xué)過(guò)程中將基礎(chǔ)理論和生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合,用理論知識(shí)來(lái)解決生產(chǎn)中遇到的問(wèn)題,或通過(guò)實(shí)踐中的具體例子來(lái)豐富和解釋課程中的理論問(wèn)題,使學(xué)生通過(guò)對(duì)本課程的學(xué)習(xí)真正掌握相關(guān)專業(yè)知識(shí),具有高分子材料及其制品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和研究的科學(xué)思維以及創(chuàng)新研究素質(zhì),是本課程教學(xué)的核心問(wèn)題。
鑒于上述特點(diǎn),要學(xué)好本課程,就要求學(xué)生對(duì)高分子化學(xué)與高分子物理、成型加工的設(shè)備與工藝有一定的感知,講授內(nèi)容要有直觀性。傳統(tǒng)單一板書(shū)的授課方式已經(jīng)難以滿足該課程的教學(xué)要求,不易達(dá)到優(yōu)秀的教學(xué)效果。[2]
針對(duì)這些問(wèn)題,本課程在教學(xué)過(guò)程中對(duì)教學(xué)方法、教學(xué)模式進(jìn)行了有益的改革與探索。將課堂講授、動(dòng)畫(huà)仿真、實(shí)踐教學(xué)、課外科研、生產(chǎn)實(shí)習(xí)相結(jié)合,形成了一套課內(nèi)課外聯(lián)動(dòng)以提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效果的新模式。
二、課堂教學(xué)改革
在課堂教學(xué)方面,首先要讓學(xué)生明確聚合物成型加工是一門(mén)綜合性和實(shí)用性很強(qiáng)的學(xué)科,近年來(lái)發(fā)展迅速,新技術(shù)和新產(chǎn)品層出不窮,社會(huì)和企業(yè)對(duì)相關(guān)人才的需求十分迫切,學(xué)好該課程對(duì)學(xué)生的未來(lái)大有裨益,從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。在教學(xué)過(guò)程中,一方面要重視對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)的講解,讓學(xué)生“知其然”又“知其所以然”,例如在講解壓延薄膜時(shí)要讓學(xué)生知道薄膜存在各項(xiàng)異性,更要讓他們知曉為何會(huì)產(chǎn)生各項(xiàng)異性,如何削弱或者利用各項(xiàng)異性設(shè)計(jì)想要的產(chǎn)品;另一方面,教師在課程教學(xué)中應(yīng)注意結(jié)合成型加工領(lǐng)域的研究前沿和最新發(fā)展動(dòng)態(tài),介紹先進(jìn)的成型加工設(shè)備、工藝和科技成果,豐富和活化教學(xué)內(nèi)容,使教學(xué)內(nèi)容與時(shí)代的步伐接軌,讓學(xué)生能夠掌握更多、更新的專業(yè)知識(shí)。
根據(jù)聚合物成型加工涉及的主體內(nèi)容和本學(xué)科特色,該課程以“材料―設(shè)備―工藝―制品”為主線、以培養(yǎng)學(xué)生扎實(shí)的工程素養(yǎng)為目標(biāo)來(lái)組織教學(xué)內(nèi)容。在教學(xué)過(guò)程中,從高分子材料的加工原理出發(fā),以成型加工的工程觀點(diǎn)為著眼點(diǎn),剖析各種聚合物材料或制品適合的成型加工方法,比較不同成型加工方法之間的共性和區(qū)別,使原本寬泛的課程內(nèi)容集中化、系統(tǒng)化,便于學(xué)生歸納、總結(jié)和掌握抽象概念以及所涉及的實(shí)質(zhì)問(wèn)題。
在教學(xué)過(guò)程中,加強(qiáng)互動(dòng)式教學(xué)[3],通過(guò)教師與學(xué)生雙方平等交流、探討甚至辯論,加深學(xué)生對(duì)知識(shí)和現(xiàn)象的理解,進(jìn)而激發(fā)教學(xué)雙方的主動(dòng)性、積極性和探索性,提高教學(xué)效果。考慮到本課程信息量大、知識(shí)點(diǎn)多,本課程教學(xué)還采用先進(jìn)的技術(shù)手段輔助教學(xué),使課程內(nèi)容形象直觀準(zhǔn)確,在有限的課時(shí)內(nèi)對(duì)課程全面系統(tǒng)、深入簡(jiǎn)出地講解,讓學(xué)生更容易的接收和理解。例如,采用多媒體授課可以根據(jù)需要隨時(shí)由理論知識(shí)切換到相關(guān)的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),既延伸了課堂又增強(qiáng)了授課的說(shuō)服力,使同學(xué)們認(rèn)識(shí)到理論來(lái)源于實(shí)際而又指導(dǎo)實(shí)際的事實(shí),認(rèn)識(shí)到學(xué)習(xí)本課程的價(jià)值和意義。在多媒體課件中增加了豐富的圖片和三維動(dòng)畫(huà),可以對(duì)學(xué)生原本陌生的加工設(shè)備、成型工藝、加工原理進(jìn)行形象的演示,其效果遠(yuǎn)勝于教師的板書(shū)和口授。多媒體教學(xué)所選取的圖片和動(dòng)畫(huà)素材源于國(guó)內(nèi)外相關(guān)的精彩報(bào)告、精品課件以及在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)拍攝的與課程內(nèi)容相關(guān)的聚合物成型加工過(guò)程,內(nèi)容包括壓制成型、擠出管材、注射成型、吹塑薄膜、二次成型(“注―拉―吹”工藝)、壓延薄膜等,實(shí)現(xiàn)了課程的多媒體化、可視化,使學(xué)生對(duì)聚合物材料成型加工藝有了實(shí)際的感性認(rèn)識(shí),對(duì)成型加工過(guò)程有了“身臨其境”的效果。
另外,課堂教學(xué)還充分利用學(xué)校的中試車間資源,將與成型加工設(shè)備相關(guān)的課堂由教室延伸到車間,教師與學(xué)生面對(duì)真實(shí)設(shè)備(如擠出機(jī)、吹膜機(jī)、注射劑等)一起學(xué)習(xí)其結(jié)構(gòu)、組合、工作原理等。該嘗試很好的克服了理論課程講授時(shí)學(xué)生對(duì)所講理論缺乏感性認(rèn)識(shí);成型工藝試驗(yàn)時(shí)學(xué)生對(duì)所做實(shí)驗(yàn)缺乏理論認(rèn)知等矛盾。
三、課外教學(xué)改革
雖然上述課堂教學(xué)改革探索收到了良好的效果,但仍然未能真正實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo),并且容易使學(xué)生眼高手低,實(shí)際工作時(shí)不能學(xué)以致用?!毒酆衔锍尚图庸ぁ肥且婚T(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)課程。因此,有必要對(duì)該課程開(kāi)設(shè)配套的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)。讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室和工廠中真實(shí)地了解和直觀認(rèn)識(shí)成型設(shè)備、工藝流程和制品的后處理與性能,開(kāi)發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新與創(chuàng)造力,培養(yǎng)學(xué)生用知識(shí)武裝自己、解決實(shí)際問(wèn)題的能力。
為此,江南大學(xué)通過(guò)開(kāi)設(shè)為期兩周的聚合物成型工藝實(shí)驗(yàn)、組織課外科研興趣小組、組織學(xué)生參加高分子成型加工生產(chǎn)實(shí)習(xí)等課外環(huán)節(jié),提高學(xué)生對(duì)《聚合物成型加工》的理解和學(xué)以致用的能力。
首先,圍繞“材料―設(shè)備―工藝―制品”這條課程主線,將聚合物材料的選擇、制備、成型加工以及性能測(cè)試等方面有機(jī)地聯(lián)系起來(lái),開(kāi)設(shè)了一系列綜合性成型工藝實(shí)驗(yàn),包括包括聚丙烯的擠出和注塑、聚乙烯的擠出吹膜、聚氯乙烯的開(kāi)煉機(jī)和密煉機(jī)混煉、聚氯乙烯混合物的壓制成型等試驗(yàn)項(xiàng)目,這些實(shí)驗(yàn)涵蓋了《聚合物成型加工》課程的主要成型工藝。例如,在聚合物的注射成型實(shí)驗(yàn)中,要求學(xué)生根據(jù)原料的結(jié)構(gòu)與物性,優(yōu)化成型加工工藝參數(shù)(溫度、壓力、保壓時(shí)間),并對(duì)注塑制品的沖擊/拉伸/彎曲/熱變形溫度等性能進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)理論學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的交叉和對(duì)“材料―設(shè)備―工藝―制品―性能”之間關(guān)系的分析與構(gòu)建,讓學(xué)生系統(tǒng)有效地掌握所學(xué)知識(shí),并獲得靈活應(yīng)用知識(shí)的能力,為下一步畢業(yè)設(shè)計(jì)和就業(yè)奠定良好的基礎(chǔ)。
其次,本專業(yè)教師以開(kāi)展國(guó)家級(jí)、省級(jí)、校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)為契機(jī),積極組織學(xué)生參與聚合物制備、改性、制品設(shè)計(jì)等方面的創(chuàng)新課題。學(xué)生則分組參與自行設(shè)計(jì)或者與導(dǎo)師共同商定的課題研究,全面參與研究方案的制定、原材料的選擇、共混配方與工藝的優(yōu)化、制品的制備、制品的設(shè)計(jì)與性能測(cè)試、結(jié)果的總結(jié)匯報(bào)等過(guò)程。在專業(yè)導(dǎo)師的指導(dǎo)下,通過(guò)興趣小組開(kāi)展創(chuàng)新課題實(shí)踐,不僅加深了學(xué)生對(duì)本課程內(nèi)容的理解和掌握,還培養(yǎng)了科研創(chuàng)新的能力、分析問(wèn)題的能力、解決問(wèn)題的能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力以及查閱文獻(xiàn)和撰寫(xiě)報(bào)告的能力。舉辦課外興趣小組活動(dòng)五年多來(lái),不少興趣小組對(duì)自己的創(chuàng)新成果申請(qǐng)專利或者撰寫(xiě)論文,取得較好的效果,學(xué)生參與踴躍,目前興趣小組對(duì)學(xué)生的覆蓋面達(dá)80%以上。
此外,學(xué)校和學(xué)院加強(qiáng)與周邊高分子材料企業(yè)的聯(lián)系和交流,建立了10個(gè)實(shí)習(xí)實(shí)踐基地,涉及聚合物成型加工的各個(gè)領(lǐng)域,包括橡膠模壓成型、聚丙烯注射成型、多層擠出成型等。本專業(yè)每年由學(xué)院組織、專業(yè)老師帶隊(duì),帶領(lǐng)本專業(yè)相關(guān)年級(jí)全體學(xué)生深入到企業(yè)一線,參觀學(xué)習(xí)聚合物成型加工的生產(chǎn)過(guò)程,聽(tīng)取工廠技術(shù)人員的相關(guān)介紹,實(shí)地了解成型設(shè)備、工藝流程、質(zhì)量控制及生產(chǎn)線管理等,使學(xué)生對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)有具體、直觀的認(rèn)識(shí),真正將基礎(chǔ)理論與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來(lái),讓學(xué)生掌握科學(xué)的方法,培養(yǎng)科學(xué)的思維,成為真正社會(huì)和企業(yè)所需要的有創(chuàng)造力的有用人才。
四、結(jié)語(yǔ)
綜上所述,《聚合物成型加工》具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用性,學(xué)習(xí)該課程時(shí)要求學(xué)生建立起大工程的整體觀。要達(dá)到這樣的教學(xué)水平和目標(biāo),既要充分利用現(xiàn)代化的教學(xué)手段豐富課堂教學(xué)內(nèi)容,又要借助課外資源充分調(diào)動(dòng)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的積極性,將理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐教學(xué)緊密結(jié)合,發(fā)揮其協(xié)同效應(yīng)。通過(guò)近年來(lái)對(duì)本課程教學(xué)改革與探索,發(fā)現(xiàn)課內(nèi)課外聯(lián)動(dòng)的教學(xué)模式能較好的適應(yīng)本課程的教學(xué)要求,具有更好的教學(xué)效果。
參考文獻(xiàn):
[1]周達(dá)飛,唐頌超.高分子材料成型加工(第二版)[M].北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社,2006.
關(guān)鍵詞:蛇形運(yùn)動(dòng);交通工具;運(yùn)動(dòng)原理;功能
中圖分類號(hào):J524文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1005-5312(2012)15-0190-01
隨著人類社會(huì)的不斷進(jìn)步,科技的不斷發(fā)展,人們對(duì)交通工具的要求越來(lái)越多樣化,也越來(lái)越趨于多功能便捷化。現(xiàn)有的普通交通工具存在安全、排污、地形、功能等多方面的弊端。如何能改善這種現(xiàn)狀,是我們現(xiàn)在熱門(mén)的研究問(wèn)題。蛇形機(jī)器人是仿生機(jī)器人研究中很活躍的一支,目前技術(shù)可實(shí)現(xiàn)蜿蜒爬行、側(cè)滑、翻滾和攀爬功能。若能將蛇形機(jī)器人的仿生原理應(yīng)用于現(xiàn)代交通工具,勢(shì)必大大增加現(xiàn)有交通工具的優(yōu)勢(shì)功能。在應(yīng)用過(guò)程中,可以輔之以現(xiàn)代機(jī)器人高新技術(shù),完成特殊環(huán)境下作業(yè)需求。實(shí)現(xiàn)應(yīng)用一種具有疊加功能的交通工具,實(shí)現(xiàn)多種作業(yè)功能,適應(yīng)多種作業(yè)環(huán)境的目的。
一、現(xiàn)有交通工具弊端及待解決問(wèn)題
(一)城市交通擁堵。
(二)尾氣排放污染。
(三)造成石油等能源緊缺。
(四)很難滿足凹凸不平、陡坡等特殊自然環(huán)境的作業(yè)要求。
(五)安全性較差。
(六)功能性單一。
二、未來(lái)交通工具特點(diǎn)
(一)未來(lái)的個(gè)人交通工具的部件很少是由笨重的金屬材料制造而成,而是由介于有機(jī)物與無(wú)機(jī)物之間的一種新型生物質(zhì)制成,質(zhì)量小、強(qiáng)度大。
(二)未來(lái)的交通工具將是柔性的,不再像現(xiàn)在汽車這樣堅(jiān)硬、冷冰,可以根據(jù)行駛需要自由伸縮、改變形狀,人在里面也十分舒適。
(三)未來(lái)的交通工具將具有高度的智能化。具有自我控制的能力,可以自動(dòng)與附近其他交通工具進(jìn)行溝通交流,目前車輛之間的相撞等交通事故到時(shí)將不復(fù)存在。
(四)未來(lái)的個(gè)人交通工具的能量利用效率幾乎達(dá)到極限,能夠把有效的能量最大限度用在作有用功上,運(yùn)行成本十分低廉。
(五)這種交通工具還有個(gè)突出的特點(diǎn)就是幾乎不向外部環(huán)境排放有害廢棄物。
三、蛇形車應(yīng)用范圍
(一)一般及特殊路面的行使
(二)攀爬、偵查
(三)特殊環(huán)境下采集樣本、救助等
(四)探測(cè)、搶救、設(shè)備維護(hù)
四、蛇形車結(jié)構(gòu)
蛇形車結(jié)構(gòu)共分:控制區(qū)、能源區(qū)、動(dòng)力區(qū)三部分。各部分之間可以根據(jù)具體使用環(huán)境需求相互搭配使用,完成不同應(yīng)用功能。
控制區(qū):可分為人工控制和智能控制。控制區(qū)可攜帶操作機(jī)械手臂,完成采集等任務(wù)。
能源區(qū):使用清潔能源電能,可充電,根據(jù)任務(wù)量可選擇配備多塊電池,銜接使用,延長(zhǎng)作業(yè)時(shí)間。幾乎不向外部環(huán)境排放有害廢棄物。
動(dòng)力區(qū):利用蛇的運(yùn)動(dòng)原理以及120°分布的三排輪子完成不同地形及爬樹(shù)運(yùn)動(dòng)。此功能區(qū)內(nèi)由多個(gè)P-R關(guān)節(jié)模塊(攀爬蛇形機(jī)器人爬樹(shù)的靜態(tài)機(jī)理研究)鏈接組成,執(zhí)行單元采用管套式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。關(guān)節(jié)模塊間可完成三維度的有控制的自由擺動(dòng)。
五、蛇形車運(yùn)動(dòng)方式
蜿蜒運(yùn)動(dòng):依靠腹部與地面的切向摩擦力和法向摩擦力的差推動(dòng)自身運(yùn)動(dòng)。——適用較平整地面,運(yùn)動(dòng)效率最高。
攀爬運(yùn)動(dòng):以等距螺旋狀為初始姿態(tài),纏繞在半徑和表面粗糙度均為常數(shù)的樹(shù)干上,采用蠕動(dòng)步態(tài),在第一個(gè)運(yùn)動(dòng)波產(chǎn)生移動(dòng)步距,然后通過(guò)部分關(guān)節(jié)的依次起伏向上傳遞運(yùn)動(dòng)波,其他部分則纏繞在樹(shù)干上,產(chǎn)生摩擦力以抵消整體所受重力。一個(gè)運(yùn)動(dòng)波由尾至首傳遞完成后,向上達(dá)到一個(gè)新的位置,其攀爬軌跡始終以等距螺旋為基礎(chǔ)。
伸縮運(yùn)動(dòng):身體收縮成S形,前部前伸,后部收縮,循環(huán)向前運(yùn)動(dòng)?!M小空間
側(cè)向移動(dòng):從頭部開(kāi)始,身體部分順次接地、抬起,完成前進(jìn)運(yùn)動(dòng)?!m用于沙地、沼澤地
六、結(jié)論
蛇形車具有穩(wěn)定性好、橫截面小、柔性等特點(diǎn),能在各種粗糙、陡峭、崎嶇的復(fù)雜地形上行走,并可攀爬障礙物,比普通交通工具具有更強(qiáng)的適應(yīng)環(huán)境能力。因此,在救援、探查、星球探測(cè)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。目前蛇形機(jī)器人的研究技術(shù)也為蛇形交通工具的實(shí)現(xiàn)提供了可靠的技術(shù)支持和保障。
高鐵不可能形成真正的全國(guó)性二維地面交通網(wǎng)
高鐵修建費(fèi)用非常昂貴,維護(hù)費(fèi)用更高,在中國(guó)修成縱橫交錯(cuò)的高鐵網(wǎng)不僅經(jīng)濟(jì)上不現(xiàn)實(shí),技術(shù)上也不可行。修建高鐵網(wǎng)的費(fèi)用足可以讓中國(guó)整個(gè)經(jīng)濟(jì)破產(chǎn),完全失去建高鐵的經(jīng)濟(jì)意義,也就是說(shuō)中國(guó)未來(lái)不可能以高鐵作為主要交通工具。
高鐵系統(tǒng)不具有可擴(kuò)張性(也是高鐵最致命的缺點(diǎn))
高鐵系統(tǒng)一旦建成,不但可維護(hù)性差,也不具有擴(kuò)張性。比如要把新型的A城市并入高鐵網(wǎng),要打通從A城市到另外一百個(gè)城市的交通就需要修建另外一百個(gè)高鐵線,所以完全不可行。相比于航空系統(tǒng),只要在A城市增加一個(gè)機(jī)場(chǎng),就自動(dòng)形成了從A城市到另外一百城市的航線了;而對(duì)于高速公路系統(tǒng),只要修建到一條從A城市到最近的高速公路網(wǎng)入口的高速公路線,就解決了從該城市到達(dá)其他一百個(gè)城市所有線路問(wèn)題了。究其原因,高鐵運(yùn)輸是一維的點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)輸系統(tǒng),兩條高鐵線只要起點(diǎn)終點(diǎn)不同,就無(wú)法并軌。相比之下,高速公路網(wǎng)是真正的二維系統(tǒng),兩條高速公路線只要距離很近而且方向一樣,就可以并線,省錢(qián)省力;而航空系統(tǒng)是完全的三維系統(tǒng),航空線空中縱橫交錯(cuò),完全沒(méi)有限制,除交通管制以外,也沒(méi)有額外費(fèi)用。
高鐵系統(tǒng)有“瓶頸”效應(yīng)
高鐵不管多快,還是一個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)的一維運(yùn)輸系統(tǒng),也就是說(shuō)高鐵運(yùn)輸量受到起點(diǎn)站和終點(diǎn)站最大吞吐量的瓶頸效應(yīng)限制。如果增加中途??空?可以適量減輕瓶頸效應(yīng),但會(huì)大大增加運(yùn)行時(shí)間,完全失去建高鐵本身的意義。相比之下,二維的高速公路網(wǎng)系統(tǒng)和三維的航空系統(tǒng)完全沒(méi)有單點(diǎn)的瓶頸效應(yīng)。高鐵的瓶頸效應(yīng)也排除了高鐵作為人多地廣的中國(guó)的未來(lái)主要交通工具的可能。
高鐵系統(tǒng)不僅浪費(fèi)能源而且破壞環(huán)境
修建高鐵系統(tǒng),不但要?dú)拇罅康淖匀画h(huán)境;而且因?yàn)楦哞F的點(diǎn)到點(diǎn)的瓶頸效應(yīng),造成高鐵忙時(shí)(春運(yùn))載不了,閑時(shí)沒(méi)得載的空載空耗能源狀況。另外高鐵本身費(fèi)用昂貴,票價(jià)過(guò)高,也是閑時(shí)高鐵空載的一個(gè)原因,所以廣建高鐵不僅不會(huì)節(jié)省能源,也不會(huì)保護(hù)環(huán)境。
高鐵作為點(diǎn)到點(diǎn)的大動(dòng)脈交通工具的有效性
真空消除音障
真空管列車為何能遠(yuǎn)遠(yuǎn)快機(jī)?其訣竅不在于車輛本身的先進(jìn)設(shè)計(jì),重要的是道路的設(shè)計(jì)。我們知道,無(wú)論交通工具是在地面、軌道或空中行駛,它所耗費(fèi)的動(dòng)力中很大部分用于克服空氣的阻力,而且速度越快,空氣阻力越大。當(dāng)交通工具的速度接近音速(約340米/秒)時(shí),交通工具前方的空氣因來(lái)不及散開(kāi)而受到壓縮,密度、溫度突然增加,極大地阻礙交通工具向前行駛。這就是令研究人員十分頭疼的音障。
高速列車速度越快,噪聲越大,對(duì)環(huán)境影響也就越大,超越音速時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生駭人的聲爆。因此,目前正在運(yùn)營(yíng)的地面交通工具,商業(yè)運(yùn)營(yíng)時(shí)速很少超過(guò)500千米。要發(fā)展超音速交通工具,如何克服音障和聲爆是一個(gè)重要問(wèn)題。從理論上說(shuō)起來(lái),解決這個(gè)問(wèn)題十分簡(jiǎn)單,那就是消除阻礙交通工具前行并會(huì)產(chǎn)生音障和聲爆的空氣。也就是說(shuō),讓交通工具在真空中運(yùn)行,速度就可以越來(lái)越快,并達(dá)到數(shù)倍音速。最早提出真空管列車構(gòu)想的研究人員是美國(guó)的達(dá)里爾·奧斯特。1997年他就提出了相關(guān)構(gòu)想,并申請(qǐng)了專利。
6小時(shí)環(huán)游地球
近年來(lái),奧斯特逐步完善了真空管列車的構(gòu)想,設(shè)計(jì)出了圖紙,提出了一些技術(shù)難題的解決方案。按照設(shè)計(jì),真空管列車靠磁懸浮來(lái)抵御重力,可在管道中懸浮著快速前進(jìn)。真空管列車一旦建成,時(shí)速有望達(dá)到6 500千米。乘坐這樣的高速列車,從美國(guó)東部的紐約到西部的好萊塢,只需要45分鐘。從美國(guó)紐約到中國(guó)北京,只需要2小時(shí)。即使環(huán)繞地球一圈,也只需要6小時(shí)。而100多年前, 80天環(huán)游地球還只是科幻小說(shuō)中的故事。
由于列車運(yùn)行的管道被抽成了真空,一旦列車漏氣,乘客就有窒息身亡的危險(xiǎn)。因此,列車采用了與飛機(jī)類似的密封系統(tǒng),車內(nèi)的空氣不會(huì)泄露,乘客在列車運(yùn)行途中也不可能打開(kāi)車門(mén)。真空管列車的外形設(shè)計(jì)成長(zhǎng)筒狀,在管道鐵路中運(yùn)行起來(lái)更加流暢。數(shù)節(jié)車廂組成一個(gè)隊(duì)列,每節(jié)車廂卻是獨(dú)立行駛,其中只有乘客沒(méi)有司機(jī),完全智能化行駛。每節(jié)車廂不大,凈重183千克,長(zhǎng)度只有5米左右,內(nèi)部寬度2米左右,可乘坐4~6人。由于車廂較小,運(yùn)行時(shí)間一般都在2小時(shí)以內(nèi),列車上也沒(méi)有乘務(wù)員。
其實(shí),交通工具在真空中可以高速運(yùn)行對(duì)專業(yè)人員來(lái)說(shuō)是眾所周知的事情。不過(guò),目前只有中國(guó)、美國(guó)和瑞士的研究人員在從事真空運(yùn)輸?shù)难芯?。瑞士研究人員在幾年前提出了全封閉真空高速公路的設(shè)想,并讓一種全封閉汽車在其中飛馳,時(shí)速可達(dá)600千米。中國(guó)西南交通大學(xué)的研究人員在2010年表示,他們正在研制真空磁懸浮列車,未來(lái)時(shí)速可達(dá)1 000千米,理論上可達(dá)20 000千米。不過(guò),這項(xiàng)技術(shù)并非自主創(chuàng)新,他們引進(jìn)的正是奧斯特的技術(shù)。
成本較現(xiàn)有鐵路低
由于真空管道是密封的,列車在其中運(yùn)行不會(huì)受到地域和天氣的影響,比現(xiàn)有的各種交通工具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
從技術(shù)方面看,智能駕駛與電動(dòng)車有著天然關(guān)聯(lián)性,汽車發(fā)展的演進(jìn)路徑正在從一條變成兩條
智能駕駛與電動(dòng)車有著天然的關(guān)聯(lián)性,兩者存在互相促進(jìn)、互相支持的關(guān)系。電動(dòng)車采用電動(dòng)控制,電動(dòng)車的根本在電池和電池控制,電控也是算法驅(qū)動(dòng)的行業(yè),這是電動(dòng)車區(qū)別于傳統(tǒng)汽車的一個(gè)特點(diǎn),車內(nèi)電信號(hào)可以直接被系統(tǒng)收集。其次,采用電動(dòng)力,而非傳統(tǒng)的物理傳動(dòng),使得內(nèi)的電信號(hào)可以直接被系統(tǒng)收集。智能駕駛能夠幫助解決電動(dòng)車的充電、節(jié)能等核心問(wèn)題,電動(dòng)車智能交互系統(tǒng)的背后是將車身機(jī)械語(yǔ)言和車聯(lián)網(wǎng)電子信息語(yǔ)言統(tǒng)一起來(lái),所有信息可以上傳下達(dá),實(shí)現(xiàn)車與人、車與云的互聯(lián)。
這樣一來(lái),汽車行業(yè)就由原來(lái)以內(nèi)燃為主的一條技術(shù)演進(jìn)發(fā)展路線,演化成為一條以內(nèi)燃機(jī)為主,一條以電池、電機(jī)為主的發(fā)展路線,從而使汽車發(fā)展的演進(jìn)路徑正在從一條變成兩條。另外,后一條的發(fā)展空間和邊際收益明確要快于傳統(tǒng)的路線。未來(lái),汽車的核心配置將不再是多少排量,而是用千瓦、G 赫茲、GB,以及連接人車路的程度來(lái)衡量。未來(lái)汽車的核心價(jià)值將被計(jì)算能力、人工智能、智能駕駛、云及電動(dòng)力來(lái)重構(gòu)。這其中的商業(yè)機(jī)會(huì)不言自明。
從交通方面看,智能駕駛將大大提升生產(chǎn)效率和交通效率,并有可能成為人工智能首先突破的領(lǐng)域
智能駕駛將是未來(lái)解決交通擁堵的重要技術(shù),能大大提升生產(chǎn)效率和交通效率。一方面,隨著智能駕駛的普及,交通擁堵不再是問(wèn)題,人們可以接受更長(zhǎng)的通勤距離,汽車可以是家和辦公室的自然延伸,更有利于新型的城鎮(zhèn)化建設(shè)。另一方面,智能駕駛汽車的運(yùn)行需要配套的交通基礎(chǔ)設(shè)施,由于智能駕駛靠傳感器感知路面障礙,或者通過(guò) 4G/DSRC 與道路設(shè)施通信,因此需要在交叉路口、路側(cè)、彎道等布置引導(dǎo)電纜、磁氣標(biāo)志列、雷達(dá)反射性標(biāo)識(shí)、傳感器、通信設(shè)施等。當(dāng)前的基礎(chǔ)設(shè)施,包括超寬車道、護(hù)欄、停車標(biāo)志、振動(dòng)帶等現(xiàn)有設(shè)置的交通道路將不再適用。
更重要的是,智能駕駛可以為構(gòu)建智能交通系統(tǒng)提供支撐。智能交通系統(tǒng)是將先進(jìn)的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等有效地綜合運(yùn)用于整個(gè)交通管理體系和車輛而建立起來(lái)的一種大范圍、全方位發(fā)揮作用的、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效、先進(jìn)的運(yùn)輸系統(tǒng)。更具體來(lái)說(shuō),高精度全球定位、高速無(wú)線通信、云計(jì)算、云控制的智能交通系統(tǒng)的構(gòu)建是基于配備高精度北斗定位系統(tǒng)和高速無(wú)線通訊系統(tǒng)的智能駕駛汽車、配備有超級(jí)計(jì)算機(jī)的控制中心、移動(dòng)終端以及相應(yīng)的配套基礎(chǔ)設(shè)施。車輛通過(guò)通訊系統(tǒng)將高精度的自身經(jīng)緯度、高度、目的地等相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送至控制中心??刂浦行耐ㄟ^(guò)處理全部車輛狀態(tài)信息、目的地信息等,為全體車輛規(guī)劃最優(yōu)路線,并將車輛的控制信息實(shí)時(shí)傳達(dá)至全體車輛,從而實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)內(nèi)的智能駕駛。通過(guò)完全封閉的雙層道路設(shè)計(jì),可以取消全部紅綠燈,并通過(guò)在轉(zhuǎn)彎處設(shè)置具有一定斜度的路面,保證車輛在整個(gè)系統(tǒng)中可以保持高速行駛。在配套的智能停車系統(tǒng)、智能充電系統(tǒng)、智能檢修系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)的支持下,實(shí)現(xiàn)車輛使用全過(guò)程以及全生命周期的智能化,從而可能成為人工智能首先突破的領(lǐng)域。
從產(chǎn)業(yè)發(fā)展看,智能駕駛將引領(lǐng)汽車產(chǎn)業(yè)商業(yè)模式創(chuàng)新,并重塑產(chǎn)業(yè)生態(tài)
首先,作為“智能制造”和“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的產(chǎn)物,智能駕駛將引領(lǐng)汽車產(chǎn)業(yè)生態(tài)及商業(yè)模式的全面升級(jí)與重塑。自汽車取代馬匹以來(lái),智能駕駛汽車堪稱交通運(yùn)輸領(lǐng)域最具顛覆性的設(shè)計(jì)。未來(lái)的汽車將從“配備電子的機(jī)械產(chǎn)品”向“配備機(jī)械的電子產(chǎn)品”轉(zhuǎn)變,成為可以安全、舒適、便捷移動(dòng)的智能互聯(lián)終端,即實(shí)現(xiàn)車輛的全面智能化、信息化。同時(shí),汽車產(chǎn)業(yè)龐大的用戶群體、多種多樣的使用環(huán)境,也將衍生出具有重要商業(yè)價(jià)值的大數(shù)據(jù),從而影響產(chǎn)業(yè)鏈條的重組、價(jià)值實(shí)現(xiàn)方式的轉(zhuǎn)變和商業(yè)模式的創(chuàng)新。由此,整個(gè)汽車產(chǎn)業(yè)將發(fā)生空前深度和廣度的變化:傳統(tǒng)的汽車使用、設(shè)計(jì)、制造、銷售、售后及管理模式極有可能被徹底顛覆;新模式下的新商機(jī)將有無(wú)窮多種可能,包括管理、維護(hù)、性能檢測(cè)、服務(wù)、備件、回收與再利用、金融、信用等。在這一巨變過(guò)程中,智能駕駛無(wú)疑將處于中間樞紐和核心環(huán)節(jié)的地位。
以交通工具共享為例,智能網(wǎng)聯(lián)可以為交通工具共享的普及提供支撐,而只有具備智能駕駛能力的智能交通工具,才能徹底“解放人”,從而使全天候的交通工具共享真正成為可能,實(shí)現(xiàn)交通工具使用的“理想主義”:即無(wú)需擁有、按需使用、隨用隨叫、隨用隨還。這種“輕擁有、重使用”的新型文化將顯著提高交通工具的利用率,使得兼顧百姓用車需求和節(jié)約型汽車社會(huì)成為可能。因此,智能駕駛將引領(lǐng)汽車產(chǎn)業(yè)生態(tài)及商業(yè)模式的全面升級(jí)與重塑。
其次,智能駕駛促進(jìn)信息通信、互聯(lián)網(wǎng)等產(chǎn)業(yè)與汽車產(chǎn)業(yè)深度融合,從而推動(dòng)未來(lái)產(chǎn)業(yè)形態(tài)和商業(yè)模式發(fā)生巨變。智能駕駛促進(jìn)了汽車與信息通信、互聯(lián)網(wǎng)、電子等產(chǎn)業(yè)的深度融合,汽車產(chǎn)業(yè)的邊界擴(kuò)展巨大,產(chǎn)業(yè)鏈不斷延伸。從上游的元器件、芯片、傳感器、車載操作系統(tǒng)等,到中游的通信設(shè)備、交通基礎(chǔ)設(shè)施、智能車載設(shè)備等,再到下游的通信服務(wù)、平臺(tái)運(yùn)營(yíng)、內(nèi)容提供等,智能駕駛的產(chǎn)業(yè)鏈不斷延伸,麥肯錫預(yù)估其在 2025 年的潛在經(jīng)濟(jì)影響將高達(dá) 2000 億~1.9 萬(wàn)億美元。以信息通信產(chǎn)業(yè)為例,智能駕駛推動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)與信息技術(shù)深度融合,從而將推動(dòng)未來(lái)汽車產(chǎn)業(yè)形態(tài)和商業(yè)模式發(fā)生巨大變化。運(yùn)用車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與大數(shù)據(jù)分析,可以不斷優(yōu)化產(chǎn)品全生命周期的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,形成消費(fèi)者需求驅(qū)動(dòng)的研發(fā)模式,促進(jìn)大規(guī)模定制化生產(chǎn);可以建立汽車供應(yīng)鏈協(xié)同商務(wù)平臺(tái),縮短從訂單到交付的周期,提高智能制造效率,降低運(yùn)營(yíng)成本;可以推動(dòng)汽車電子供應(yīng)鏈的平臺(tái)化和網(wǎng)絡(luò)化,實(shí)現(xiàn)汽車電子固件和軟件的遠(yuǎn)程管理、更新和適配;還可以通過(guò)發(fā)展面向行業(yè)的大數(shù)據(jù)信息服務(wù)和應(yīng)用開(kāi)發(fā),在汽車維修及保養(yǎng)、汽車保險(xiǎn)、二手車交易、汽車共享等方面不斷創(chuàng)新商業(yè)模式。
從經(jīng)濟(jì)方面看,智能駕駛是信息化與工業(yè)化融合的典型代表,并有可能引發(fā)第四次工業(yè)革命
傳統(tǒng)的交通工具,比如汽車是工業(yè)文明的代表產(chǎn)品,而人工智能是信息化社會(huì)的代表產(chǎn)品,兩者的結(jié)合就是智能駕駛,是兩化融合的重要代表。因此,智能駕駛不僅僅是新一代的交通工具,也是個(gè)性化需求和數(shù)據(jù)的收集終端和交互平臺(tái),更是全新的智能制造體系及產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈的核心環(huán)節(jié)。智能駕駛廣闊的商業(yè)化前景受到了資本市場(chǎng)的廣泛關(guān)注,投資機(jī)構(gòu)、互聯(lián)網(wǎng)巨頭等紛紛與車企、科研機(jī)構(gòu)、創(chuàng)業(yè)企業(yè)等合作進(jìn)軍該市場(chǎng)。智能駕駛不僅能使交通工具產(chǎn)品本身的價(jià)值呈現(xiàn)幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng),還能為相關(guān)領(lǐng)域提供全新的解決方案,與新能源汽車、機(jī)械、交通、電子、信息、互聯(lián)網(wǎng)、通訊、能源、環(huán)保、城市建設(shè)等眾多領(lǐng)域進(jìn)行深入合作,實(shí)現(xiàn)協(xié)同創(chuàng)新、融合發(fā)展。智能駕駛作為引領(lǐng)未來(lái)交通產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展方向的戰(zhàn)略制高點(diǎn),將有可能引發(fā)第四次工業(yè)革命。
從社會(huì)方面看,智能駕駛將緩解勞動(dòng)力短缺的矛盾
世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展正面臨著勞動(dòng)力紅利的缺失、老齡化社會(huì)的挑戰(zhàn)。智能駕駛能夠?qū)崿F(xiàn)“機(jī)器換人”和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí),“智能+X”將成為萬(wàn)眾創(chuàng)新的新時(shí)尚和新潮流。不能說(shuō)發(fā)展智能駕駛能夠解決所有的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題和社會(huì)問(wèn)題,但是可以說(shuō)智能駕駛能夠?yàn)榻鉀Q勞動(dòng)力短缺引的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題和社會(huì)問(wèn)題創(chuàng)造良機(jī)。比如,智能駕駛將推動(dòng)汽車所有權(quán)形式和使用方式的改變,既能夠有效降低汽車出行成本,也能夠緩解勞動(dòng)力短缺。摩根士丹利分析師凱蒂?休伯蒂(Katy Huberty)認(rèn)為,到 2030 年,智能駕駛將開(kāi)創(chuàng)一個(gè)規(guī)??蛇_(dá) 2.6 萬(wàn)億美元的共享機(jī)動(dòng)車市場(chǎng),并大大降低出行成本。
從環(huán)境方面看,智能駕駛能夠改善汽車對(duì)城市環(huán)境的污染
盡管汽車產(chǎn)業(yè)對(duì)環(huán)境污染(如霧霾)的具體影響程度尚存爭(zhēng)議,但汽車無(wú)疑是主要污染源之一,尤其是城市環(huán)境的主要污染源。首先,智能駕駛系統(tǒng)能夠有效減少污染物排放。德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的研究人員研究了二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物、揮發(fā)性有機(jī)化合物、溫室氣體和細(xì)小顆粒物。結(jié)果發(fā)現(xiàn),“使用智能駕駛車共享系統(tǒng)不僅節(jié)省能源,還能減少各種污染物的排放?!逼浯危悄荞{駛能夠通過(guò)提高車輛利用率減輕污染。汽車可以按照時(shí)間順序依次供需要的人使用,因此可以更好地統(tǒng)籌安排車輛使用,解放司機(jī),提高車輛的使用效率,減少車輛消費(fèi)總量,有效減少碳排放。此外,智能駕駛通過(guò)緩解交通擁堵降低污染物排放。一項(xiàng) 2016 年的研究估計(jì),“等紅燈或交通擁堵時(shí)汽車造成的污染比車輛行駛時(shí)高 40%。”而智能駕駛通過(guò)基于實(shí)時(shí)路況安排路線、規(guī)范化行駛、編隊(duì)勻速行駛等能夠有效緩解交通擁堵,從而使得廢氣的排放大大減少。最后,智能駕駛和新能源汽車產(chǎn)業(yè)存在相互促進(jìn)的關(guān)系,智能駕駛在未來(lái)可大大提高新能源汽車的使用率,而新能源汽車代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽車則可以有效降低噪聲污染。
從安全方面看,智能駕駛汽車將由交通工具演變成智能平臺(tái),并將成為信息安全的新焦點(diǎn)