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軌道交通，通向美好生活

中國高鐵科技發(fā)展

軌道交通不僅是國家綜合交通體系的脊梁，更是推動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長、區(qū)域協(xié)調(diào)、民生改善和科技創(chuàng)新的戰(zhàn)略基石。作為“國家名片”，中國高鐵在世界范圍內(nèi)處于領(lǐng)先水平，短短三十年間以自主技術(shù)創(chuàng)新突破全球壁壘，其發(fā)展歷程凝聚著中國科學(xué)家群體的智慧與擔(dān)當(dāng)。

4月26日下午，軌道交通工程專家、中國科學(xué)院院士、美國工程院外籍院士、西南交通大學(xué)首席教授翟婉明，做客北大光華管理學(xué)院，為北大師生帶來《中國高鐵發(fā)展及其面臨的科技挑戰(zhàn)與對(duì)策》主題報(bào)告，圍繞中國高速鐵路發(fā)展歷程、中國高鐵面臨的科技挑戰(zhàn)與對(duì)策、中國高鐵未來發(fā)展展望等三方面內(nèi)容進(jìn)行了分享。

中國高速鐵路發(fā)展歷程

翟婉明院士對(duì)中國高速鐵路的發(fā)展歷程進(jìn)行了回顧。翟婉明院士表示，中國鐵路經(jīng)過二十余年的跨越式發(fā)展，徹底改變了長期落后的面貌，取得了舉世矚目的成就。經(jīng)過六次鐵路大提速，既有線上列車最高運(yùn)行速度從100km/h以下提高到了200 - 250km/h，成為既有線提速幅度最大的國家，極大地提高了鐵路運(yùn)能。如今，中國高鐵已建成并投入運(yùn)營的里程超過4.8萬公里，最高運(yùn)營速度達(dá)到350km/h，成為世界上高速鐵路運(yùn)營規(guī)模最大、運(yùn)營速度最高的國家。

中國高鐵面臨的科技挑戰(zhàn)與對(duì)策

翟婉明院士指出，在取得巨大成就的過程中，我國高鐵不斷面臨著一系列科技方面的挑戰(zhàn)。

“我國幅員遼闊，高鐵橫跨縱躍東西南北中，高鐵線路穿越沙漠區(qū)、大風(fēng)區(qū)、地震區(qū)、濕熱區(qū)、黃土區(qū)、高寒區(qū)、軟土區(qū)、臺(tái)風(fēng)區(qū)等等，運(yùn)營環(huán)境復(fù)雜多變。我國高鐵在設(shè)計(jì)、建造與運(yùn)營中面臨的挑戰(zhàn)之多、難度之大，世界罕見。”翟婉明院士表示。

挑戰(zhàn)1：高速鐵路曲線如何設(shè)計(jì)？

高鐵線路平面曲線和縱斷面曲線直接影響高速行車安全性與平穩(wěn)性，不同速度等級(jí)的高鐵曲線設(shè)計(jì)參數(shù)如何確定，在高鐵設(shè)計(jì)之初一片空白。對(duì)此，翟婉明院士表示，只能依靠科學(xué)技術(shù)，通過動(dòng)力學(xué)理論開展高速行車性能仿真評(píng)估，反推線路設(shè)計(jì)參數(shù)。翟婉明院士提出的車輛 - 軌道耦合動(dòng)力學(xué)新理論，首次將車輛與軌道一體化研究，能夠模擬高速列車在不同線路設(shè)計(jì)方案上的運(yùn)行行為，實(shí)現(xiàn)行車安全評(píng)估，為高鐵選線設(shè)計(jì)提供了先進(jìn)手段。基于該理論提出的車輛與線路動(dòng)力性能最佳匹配設(shè)計(jì)方法，可以確定出最優(yōu)的曲線設(shè)計(jì)參數(shù)。而多次現(xiàn)場試驗(yàn)，也驗(yàn)證了該理論方法的正確性，該方法已在我國高鐵線路設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。

挑戰(zhàn)2：如何保障橋上高速行車安全平穩(wěn)性？

以前，我國鐵路橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)僅適用200km/h以下速度，無法滿足200 - 350km/h高鐵橋梁設(shè)計(jì)需求，如何評(píng)估確認(rèn)高速列車過橋的安全性？針對(duì)這一挑戰(zhàn)，原鐵道部設(shè)立重大科技專項(xiàng)，組織國內(nèi)優(yōu)勢力量，成立跨學(xué)科課題組，翟婉明院士擔(dān)任組長，研究建立了列車 - 軌道 - 橋梁動(dòng)力相互作用理論，研制了高速列車過橋動(dòng)力學(xué)分析系統(tǒng)TTBSIM，提出了高速列車過橋動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)安全評(píng)估方法。該技術(shù)已全面應(yīng)用于我國高鐵橋梁動(dòng)力安全設(shè)計(jì)，直接支撐了高鐵橋梁工程建設(shè)。

挑戰(zhàn)3：如何自主研制適合中國鐵路運(yùn)行的高速動(dòng)車組？

引進(jìn)動(dòng)車組設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，不能互聯(lián)互通，運(yùn)營組織困難，維修成本極高。我國高速列車采用“引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新”模式。然而，有兩個(gè)難點(diǎn)需要解決：一是如何在短時(shí)間內(nèi)消化世界上四種源于不同技術(shù)體系的動(dòng)車組技術(shù)，二是引進(jìn)動(dòng)車組基于國外標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，不完全適用于中國鐵路，如何提高其線路適應(yīng)性。鐵路部門的解決思路是——剖析國外高速動(dòng)車組設(shè)計(jì)原理，破解國外高速動(dòng)車組技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，掌握國外高速動(dòng)車組關(guān)鍵技術(shù)。通過“產(chǎn)學(xué)研用”聯(lián)合攻關(guān)，我國先后掌握了動(dòng)車組總成、車體、轉(zhuǎn)向架、牽引變流器等核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了我國高速列車技術(shù)“從無到有”，構(gòu)建了高速動(dòng)車組研發(fā)與制造平臺(tái)，形成了技術(shù)研發(fā)隊(duì)伍，為高速列車技術(shù)再創(chuàng)新打下基礎(chǔ)。我國隨后于2012年組織開展“中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組”復(fù)興號(hào)高速列車的自主化研制工作。

挑戰(zhàn)4：不同類型動(dòng)車組與不同制式軌道的運(yùn)營匹配性

不同制式車輛、軌道的組合匹配，帶來了一系列國外高鐵未曾遇見的問題：部分線路區(qū)段乘車舒適性下降，某些線路出現(xiàn)晃車、抖車等異常振動(dòng)，輪軌異常磨損問題等。翟婉明院士表示，通過一系列的理論研究、現(xiàn)場試驗(yàn)與工程實(shí)踐，這些問題基本得到控制。然而，解決我國高鐵出現(xiàn)的車 - 軌匹配問題，需要在長期運(yùn)營實(shí)踐中不斷研究探索。

挑戰(zhàn)5：如何保持高速列車長期運(yùn)營的平穩(wěn)性？

在高鐵運(yùn)營的過程中，為了實(shí)現(xiàn)高平穩(wěn)性與高舒適性，主要的對(duì)策：一是通過對(duì)高速列車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證優(yōu)秀的車輛動(dòng)力學(xué)性能；二是建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)高鐵線路，實(shí)現(xiàn)亞毫米級(jí)的精度控制，確保軌道幾何形態(tài)的高平順性。但面臨的問題是，隨著高鐵運(yùn)營時(shí)間的增加，在高速列車動(dòng)荷載與復(fù)雜環(huán)境因素的交互作用下，高鐵基礎(chǔ)沉降、軌道結(jié)構(gòu)變形、輪軌界面磨損等問題逐漸顯現(xiàn)。這些問題將惡化軌道幾何形態(tài)，加劇車輛振動(dòng)，導(dǎo)致乘坐舒適性下降。那么，如何長期維持高鐵軌面幾何形態(tài)的高平順性？翟婉明院士表示，在國家973計(jì)劃、NSFC重大項(xiàng)目持續(xù)支持下，已完成高速鐵路基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能演變及服役安全相關(guān)基礎(chǔ)研究，為制定高鐵運(yùn)維標(biāo)準(zhǔn)打下一定基礎(chǔ)。但科學(xué)制定出《中國高鐵線路運(yùn)維標(biāo)準(zhǔn)》，仍然是當(dāng)前及今后的重要任務(wù)。

挑戰(zhàn)6：超大高鐵網(wǎng)的智能監(jiān)測與安全預(yù)警

我國地質(zhì)氣象環(huán)境極其復(fù)雜，地震、強(qiáng)風(fēng)、泥石流等自然災(zāi)害均會(huì)威脅高鐵行車安全。在這樣的背景下，要依靠現(xiàn)代化的智能感知、實(shí)時(shí)監(jiān)測與在線評(píng)估技術(shù)，構(gòu)建高鐵運(yùn)營安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，保障高鐵安全。目前我國已著手開展典型高速動(dòng)車組服役性能長期跟蹤監(jiān)測，以及關(guān)鍵高鐵線路基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能長期監(jiān)測。翟婉明院士指出，我國高鐵規(guī)模世界第一，運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變，國內(nèi)外罕見，構(gòu)建高鐵全網(wǎng)安全監(jiān)測預(yù)警體系，任重道遠(yuǎn)，亟待加快推進(jìn)步伐。

中國高鐵未來發(fā)展展望

翟婉明院士表示，中國高鐵已經(jīng)由大規(guī)模“設(shè)計(jì)建造”階段轉(zhuǎn)入長期、安全、穩(wěn)定“運(yùn)營維護(hù)”階段，現(xiàn)階段的重點(diǎn)任務(wù)是建立與完善“中國高鐵運(yùn)營維護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”、研究建立“中國高鐵安全監(jiān)控與預(yù)警技術(shù)體系”。

在他看來，未來中國高速鐵路的發(fā)展方向，將是：更高速快捷——要探尋高速列車最高運(yùn)營速度的最佳目標(biāo)值；更安全可靠——要確保高速列車在任何時(shí)刻、任何位置、任何環(huán)境條件下始終處于安全狀態(tài)；更綠色環(huán)保——速度不是唯一追求目標(biāo)，綠色、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展是前提條件；更智能方便——要借力現(xiàn)代信息化與智能化技術(shù)，給老百姓乘坐高鐵帶來更好體驗(yàn)。

“為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，需要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)中國高鐵技術(shù)的發(fā)展與突破。首先，要實(shí)現(xiàn)高鐵長期運(yùn)營的安全性、可靠性與經(jīng)濟(jì)性；其次，要建立先進(jìn)的高鐵運(yùn)營維護(hù)技術(shù)體系和安全預(yù)警系統(tǒng)；第三，研究低能耗、低振動(dòng)、低噪聲的高鐵技術(shù)；最后，推動(dòng)現(xiàn)代信息技術(shù)與人工智能技術(shù)在高鐵上的應(yīng)用。”翟婉明院士說。

翟婉明院士表示，中國高鐵發(fā)展的最終目標(biāo)，就是要實(shí)現(xiàn)中國高鐵持續(xù)引領(lǐng)世界的偉大夢想。

“坐不得冷板凳，靜不下心，就干不出成績。”

分享結(jié)束后，對(duì)于現(xiàn)場觀眾提出的人工智能等前沿技術(shù)在高鐵發(fā)展中的運(yùn)用、高速磁懸浮列車的布局與發(fā)展、川藏鐵路的規(guī)劃建設(shè)與技術(shù)難題、海底隧道的建設(shè)與發(fā)展等問題，翟婉明院士一一進(jìn)行了解答。

正如翟婉明院士所說，“沒有端正的態(tài)度，就不會(huì)有吃苦耐勞的精神，很難長時(shí)間專注研究。坐不得冷板凳，靜不下心，就干不出成績。”在他看來，科學(xué)研究是教學(xué)的一種特殊形式，本身就有育人作用，尤其對(duì)于研究生教育更是如此。在重大的科研實(shí)踐中培養(yǎng)高層次人才，是翟婉明院士在人才培養(yǎng)中始終堅(jiān)持的方向。

報(bào)告會(huì)由北京大學(xué)博雅特聘教授、光華管理學(xué)院副院長、北大光華前沿科技場景實(shí)驗(yàn)室主任張影主持。張影指出，當(dāng)前世界范圍內(nèi)科技革命與產(chǎn)業(yè)變革加速演進(jìn)，軌道交通作為國家綜合交通體系的“脊梁”，正深刻重塑世界和區(qū)域經(jīng)濟(jì)版圖。在國內(nèi)，建設(shè)交通強(qiáng)國、實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)已上升為國家戰(zhàn)略。翟婉明院士的科研之路，不僅是個(gè)人學(xué)術(shù)生涯的奮斗史，更是中國軌道交通實(shí)現(xiàn)跨越發(fā)展的生動(dòng)寫照。

國家自然科學(xué)基金委工程與材料學(xué)部原常務(wù)副主任王岐東出席報(bào)告會(huì)。北大師生、光華校友以及企業(yè)嘉賓等200余人參加報(bào)告會(huì)。

素材來源：北大光華前沿科技場景實(shí)驗(yàn)室

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