0 引言

人類社會對能源的需求越來越大，世界各國都在大力發(fā)展新能源。核能作為一種重要的清潔能源，也得到了持續(xù)的發(fā)展。我國通過實施優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的發(fā)展戰(zhàn)略，使核電在整個能源中的比例不斷提高。我國目前已擁有15臺在運核電機組，總裝機容量約1 250萬kW；在建核電機組26臺，裝機容量約2 760萬kW。今后幾年，我國每年將新開工建設(shè)6~8臺百萬kW以上的核電機組，到2020年，核電運行裝機容量爭取達到4 000萬kW；核電年發(fā)電量達到2 600—2 800億kW．h[I]。同其他行業(yè)一樣，由于人類認(rèn)識的不足和行業(yè)本身所具有的危險性，核能行業(yè)也時有引起人員傷亡、財物損失的事故發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計，自人類和平利用核能以來，有較多核物質(zhì)泄漏的核與輻射事故發(fā)生了近30次，特別是日本福島核電事故給人類造成了極大的財產(chǎn)損失和精神恐慌，也給核能行業(yè)的發(fā)展造成了一定程度的沖擊。因此，核與輻射事故救援的及時性、有效性成為研究的熱點。復(fù)雜、危險又具有放射性的現(xiàn)場給救援人員及幸存者帶來了巨大的威脅，也阻礙了應(yīng)急工作快速有效地進行。因此，在事故救援中有效使用機器人就顯得尤為重要。

1 應(yīng)急機器人應(yīng)用的必要性

1.1核與輻射事故處置中人的安全性和局限性

1.1.1 應(yīng)急處置人員面臨的放射性傷害

核與輻射事故應(yīng)急處置人員與其他事故的應(yīng)急人員相比，最大的區(qū)別就是放射性物質(zhì)對其傷害的永久性。在核與輻射事故中泄漏的放射性物質(zhì)，有可能使受照人員受到永久性傷害甚至是死亡。

1.1.2 應(yīng)急處置人員面臨的其他傷害

有些核與輻射事故是由其他事故引起的，常常會產(chǎn)生衍生或次生災(zāi)害，如福島核電事故是由地震、海嘯引起，產(chǎn)生火災(zāi)爆炸等次生災(zāi)害，這些危害因素的疊加給應(yīng)急處置人員帶來多種傷害。

1.1.3 應(yīng)急處置人員的局限性

由于生理條件的限制和應(yīng)急處置人員的個體差異，加上核與輻射事故應(yīng)急現(xiàn)場放射性照射、火災(zāi)、高溫、水災(zāi)等其他危害因素的存在，應(yīng)急處置人員在實際工作中面臨諸多局限性，如人員放射性劑量的控制、高溫條件下人員承受能力和復(fù)雜現(xiàn)場條件下人員可到達性等。

核與輻射事故應(yīng)急處置人員在事故應(yīng)急處置中的安全性和局限性，給現(xiàn)場應(yīng)急工作帶來了極大的困難，常使應(yīng)急救援付出沉重的代價，特別是對進入事故現(xiàn)場應(yīng)急救援人員的劑量照射有可能會影響其終生，甚至產(chǎn)生代際遺傳。所以，在核與輻射事故應(yīng)急現(xiàn)場有效地使用機器人不但可以提高應(yīng)急效率，而且可以避免或減少應(yīng)急人員的劑量照射和其他傷害。

1.2機器人在核與輻射應(yīng)急工作中的優(yōu)勢

（1）現(xiàn)在的第三代智能機器人一般用不銹鋼或其他硬質(zhì)合金材料做成，通訊系統(tǒng)也可以由耐輻射材料制成。所以，核與輻射事故中劑量照射對其沒有影響或影響很小。

（2）核與輻射的衍生或次生事故往往會產(chǎn)生火、濃煙和水等對救援人員有致命危險的因素，這些因素使得應(yīng)急救援很難有效地開展，而這些因素對機器人基本沒有影響。

（3）可連續(xù)執(zhí)行高危險程度的應(yīng)急救援任務(wù)。在高危險的應(yīng)急工作環(huán)境下，應(yīng)急人員因注意力高度集中，體力、精力都消耗很快，容易感到疲勞，而疲勞會導(dǎo)致救援效率的下降或人員傷亡事故的發(fā)生。機器人在本質(zhì)上屬于機器，不會像人一樣感到疲勞，能夠常時間、持久地開展應(yīng)急救援工作。

（4）可到達人員難以到達的空間、地點，能夠承受人類難以承受的溫度。機器人因其重量、體積小，能夠到達狹小空間和高危地點，有些機器人還可以在空中實施救援活動。另外，機器人由于材質(zhì)堅硬、熔點高，可以在高溫環(huán)境中工作。

2 機器人在福島核電事故中的應(yīng)用

2011年3月11日，日本東北部沿海發(fā)生歷史上毀滅最嚴(yán)重的9.0級地震，地震引發(fā)的海嘯導(dǎo)致濱海的福島核電站發(fā)生了核事故。由于事故現(xiàn)場為高溫、高輻射環(huán)境，日本救援當(dāng)局不得不求助于機器人參與救援活動。由美國iRobot公司研制的機器人“PackBot”、由日本千葉工業(yè)大學(xué)、東北大學(xué)及國際救援系統(tǒng)研究機構(gòu)ⅡRS）研制的機器人“Qunce”和日本東碧公司研制的機器人“Survey Runner”第一時間進入了事故現(xiàn)場，對事故區(qū)域的環(huán)境損失進行了估計，并對現(xiàn)場進行了放射性劑量監(jiān)測。這些數(shù)據(jù)的取得，對后續(xù)的救援起到了至關(guān)重要的作用圈。

這次事故救援中，機器人“Qunce”執(zhí)行了較多的救援任務(wù)觀表1），并出色地完成，得到了救援當(dāng)局的認(rèn)可。

表1機器人“Qunce”執(zhí)行的救援任務(wù)清單

正是由于救援當(dāng)局使用的這些機器人在事故前期獲得了現(xiàn)場的重要信息，對后續(xù)救援方案的制定和實施起到了決定性作用。

3 當(dāng)前機器人在核與輻射事故應(yīng)急救援中的不足

3.1 機器人的輻照射穩(wěn)定性不足

核與輻射事故救援現(xiàn)場與其他事故現(xiàn)場最重要的區(qū)別就是現(xiàn)場有放射性物質(zhì)的存在，對現(xiàn)場的救援人員和儀器有輻照作用，這就要求參與救援的機器人要有較高的輻照穩(wěn)定性。

機器人的輻照穩(wěn)定性取決于其組成部分的材料性能，特別對于放射性最為脆弱的電子器件的輻照穩(wěn)定性，而目前商業(yè)上普遍應(yīng)用的電子器件的輻照劑量總限值在100 Gy，在一般放射性照射劑量的事故救援現(xiàn)場可以滿足需要。如在福島核事故救援現(xiàn)場的劑量最大值為100 mGy/h，機器人可以在事故現(xiàn)場開展工作。但在較大輻射劑量的事故救援現(xiàn)場，這個劑量值就不能滿足救援的需要。

3.2機器人的自動搜索性能差

目前，可用于核與輻射事故救援現(xiàn)場的機器人為一般事故救援用的搜尋或救援機器人。一般事故救援機器人設(shè)計目標(biāo)為常見事故，其配置不能滿足核與輻射事故應(yīng)急的需要。在發(fā)生核與輻射事故時，需要在緊急時間內(nèi)對其進行改裝。這種情況下的改裝往往又達不到事故處置對機器人自動搜索功能的要求。如在福島核事故應(yīng)急中，復(fù)雜的現(xiàn)場條件和臨時安裝的輻射劑量監(jiān)測儀表，給機器人自動搜索功能的實現(xiàn)帶來了一定困難。

3.3機器人的信息采集傳輸性能適用性較低

機器人的信息采集、傳輸功能是機器人的重要功能。迅速有效地采集事故處置現(xiàn)場的信息并傳輸?shù)綉?yīng)急指揮部，對整個應(yīng)急救援工作起著至關(guān)重要的作用。在核與輻射事故情況下，由于事故現(xiàn)場的復(fù)雜，造成信息采集和傳輸系統(tǒng)無法正常工作。如在福島核事故現(xiàn)場，由于濕度過大，導(dǎo)致負(fù)責(zé)信息采集的攝像機分辨率下降而無法采集到有效圖像；由于反應(yīng)堆廠房內(nèi)空間狹小，又有厚重的混凝土和輻射照射的存在，依靠無線通訊系統(tǒng)操作者和機器人之間難以建立有效的聯(lián)系。在無線通訊不可用的情況下，操作者使用了電纜，但由于事故現(xiàn)場障礙物過多，電纜絞纏不能收回，導(dǎo)致機器人沒有返回。

3.4機器人操作的精確性差

核與輻射事故現(xiàn)場的機器人操作對專業(yè)性要求很高，操作者需要具備機器人和核與輻射事故兩方面的專業(yè)知識，并要經(jīng)過適應(yīng)性培訓(xùn)。操作者能力的高低和技能的熟練程度對應(yīng)急效果有很大的影響。如福島核事故現(xiàn)場機器人操作者為核電站的工人，對機器人的專業(yè)知識知道得不多，未能充分發(fā)揮機器人的作用。

3.5機器人執(zhí)行繁重工作任務(wù)能力弱

核與輻射事故應(yīng)急現(xiàn)場的情況比較復(fù)雜，有些事故還是由其他事故引發(fā)或產(chǎn)生其他次生或衍生事故，這就要求機器人具有較高的執(zhí)行繁重工作任務(wù)的能力。如福島核事故是由地震和海嘯引發(fā)，事故現(xiàn)場被污水、倒塌物充斥，崎嶇不平又沒有電源，能見度和可行走性都很差，機器人在執(zhí)行任務(wù)時有滑落現(xiàn)象。

4 關(guān)于發(fā)展適用于核與輻射事故應(yīng)急的機器人的建議

4.1 提高機器人輻照穩(wěn)定性

機器人的各部件，特別是電子器件有無較高的輻照穩(wěn)定性，是機器人在核與輻射事故中能否有效應(yīng)用的關(guān)鍵因素。要研發(fā)各種輻照條件下，特別是高輻照條件下適用的機器人總照射劑量承受能力超過100 Gy），以滿足較高輻照核事故條件下的應(yīng)用。

4.2 強化機器人的自動搜索功能

隨著救援的專業(yè)化，機器人的分工越來越細(xì)。我國作為核能利用大國，有必要研制專業(yè)化的機器人，為其安裝專用的儀器和設(shè)備，提高其在核與輻射事故中的自動搜索功能。

4.3 確保信息采集傳輸系統(tǒng)的有效

事故條件下信息采集傳輸系統(tǒng)的有效與否，影響著機器人的功能能否正常發(fā)揮和事故救援的進程，所以要提高對機器人信息采集傳輸系統(tǒng)，特別是在復(fù)雜救援條件下適用的高清攝像系統(tǒng)和大功率無線通訊系統(tǒng)的設(shè)計能力，以確保信息采集傳輸系統(tǒng)的有效。

4.4 提高機器人操作的精確性

機器人操作的精確性是決定救援效果好壞的另一個方面。隨著核能利用事業(yè)的發(fā)展，有必要在專業(yè)的救援隊伍培養(yǎng)機器人操作者，提高機器人在應(yīng)急處置中的操作精確性，以使機器人在應(yīng)急救援中發(fā)揮事半功倍的作用。

4.5 提高機器人繁重任務(wù)的執(zhí)行能力

事故條件下，對機器人各方面的要求都比較高，要在提高機器人繁重任務(wù)的執(zhí)行能力上下功夫，提高機器人在崎嶇地面、滑濕地面的行走能力，在跨越坡度和在黑暗、高溫環(huán)境中的救援能力。