翟婉明院士：我们有信心引领世界高铁技术发展的未来 | 大咖访谈
2022/12/21 7:00:00 科学大院
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随着我国高铁的普及，越来越多的人在出行时会优先考虑乘坐高铁。当你在享受高铁带来的舒适和便利的同时，你是否好奇中国高铁是如何从无到有发展起来的？在高铁研发和投用的过程中，我国的科学家又遇到了哪些难题？这些难题是如何克服的呢？为此我们采访到了中国科学院技术科学部院士、铁路工程动力学专家翟婉明。
(本文根据专访内容整理)
没有设计标准，中国高铁是怎么建造出来的？
问：您为什么选择了现在的科研领域？
答：1981年，我考上大学，作为家族祖祖辈辈第一个坐火车的人，我非常的兴奋。但是第一次乘坐火车时，无论是乘车环境，还是列车运行的速度，都给我来了当头一棒。当时，我用了三天四夜的时间，才从江苏赶到了大学所在地——四川峨眉山脚下。在旅程中，我站了一天一夜，好不容易才有了一个座位，而且列车的行驶速度始终是慢慢吞吞。现在回想起来，我觉得那时的中国铁路极其落后。我当时也未想到自己学习与研究竟一步一步进入铁路科技主战场。
我就读的西南交通大学是一个老牌的铁路院校，其前身是著名的唐山铁道学院。结合自身的经历，我当时就觉得如果有机会能够为铁路技术的发展、速度的提高做一点贡献，让老百姓拥有更加舒适的乘车环境，将是一件非常有意义的事情。
大学时期的翟婉明
图片来源：人民网
问：在高铁发展之初，您就指出中国高铁缺少设计标准和建设标准，请问您是如何发现和解决这个问题的呢？
答：铁路旅客运输，即客运的大方向就是发展高速铁路。中国修建高铁时，面临的最大的挑战，我认为就是缺乏设计标准。如果没有标准，那么想设计并建造高铁的基础设施——线路、桥梁、隧道等就无法实现。因为我们的设计需要遵循设计规范、设计标准，比如说线路的选线设计，即线路到底是什么走向？如果是曲线怎么设计？坡道怎么设计？这就需要标准，没有标准就要依靠科学技术的支撑。例如高铁的选线设计，就要靠车辆动力学来评判，我在博士阶段就针对这个问题开展研究，在经典的车辆动力学理论基础上提出了一个新理论。
这个理论把车辆和轨道耦合起来作为一个整体系统来考虑，就叫车辆—轨道耦合动力学理论。有了该理论的支撑，在线路线型的设计阶段、方案阶段，我们就可以在计算机仿真环境下实现列车在轨道上的模拟运行，随后我们把列车在设计线路上运行的动态性能(特别是安全性、平稳性)指标记录下来，看看这些指标是否满足对应的行车标准。如果满足行车条件的设计线路就可以进行施工建造，不满足条件的就要进一步改进优化设计方案。这就是理论的威力，科学技术的强大威力。
我们国家的高铁，例如时速350公里等级的线路上面行车的平稳性，应该说在国际上都是最好的。这就是靠动力学的性能优化，把车的性能和轨道作为一个整体来考虑，综合优化，依靠动力学理论，我们解决了没有设计标准，也能够把中国高铁从无到有建起来的难题。当然通过十多年建设积累的经验，我国现在已经有了高速铁路的设计标准。目前国际上最高的行车速度是320公里每小时，所以说国际上现在还没有350公里每小时的高铁标准，这是我们中国铁路的自豪。
科研探索的乐趣无与伦比
问：您认为现在年轻的科研工作者需要具备哪些素质？您能否结合自身的科研经历给后辈提出一些建议呢？
答：我现在回忆起来，我的科研成果源于我二十七八岁读博士时，大胆提出的车辆—轨道耦合动力学理论，源于我博士的论文选题。传统的理论是车辆动力学理论和轨道动力学理论，二者是分开研究的。实际上车在轨道上跑，二者又是互相依存，互相耦合的，所以我在当时大胆地将它们放在一起考虑，通过大量的文献阅读和不断地尝试，我在经典车辆动力学和轨道动力学理论的基础上，做了一个跨学科的创新。
这一理论是全新的，该理论最后研究成功，还与一个计算方法有关。因为我把车辆和轨道作为一个整体系统以后，该系统就变得很大很复杂，在当时计算机计算能力不强的条件下，实现快速计算是一个难题。那时，我正在攻读博士，为了解决另外一个重载列车动力学问题，提出了一个新型的快速数值积分方法，现在国际上把它叫成翟方法。我花费大半年时间苦思冥想，在前人的基础上反复尝试，最后构建了一个新的方法，这个方法是我25岁时提出的，叫做显式二步数值积分方法。这个方法满足了系统扩大之后的计算需要，使我能够快速地求解出想要的结果。
如果没有这个快速计算方法，那么即使我将车辆和轨道一起考虑，也将受限于20世纪90年代初计算机的速度，无法求解这一复杂大系统。可以说我科研生涯中比较主要的两个创新，都是在20多岁时完成的。
这两个成果看起来很光鲜，但是在研发过程中遇到了很多挫折和困难。例如研发翟方法的时候，因为我学的是工程而非数学和力学，所以当我学习前人的各种方法时，模仿半天都不成功，甚至有点想放弃了。经过大半年时间的苦思冥想，终于在一天凌晨，半梦半醒之际，我的脑海里突然蹦出了一个念头——如果把一个原来叫Newmark-β的方法，往另外一个方向推演，即它是隐式法，我把它变成了显式法，问题终于解决了。
工作时的翟婉明
图片来源：人民网
由此可见，问题的解决是一个长期思考的过程，虽然我也曾想要放弃，但还是坚持下来，一直思考，甚至连晚上做梦都在思考，最终在那个凌晨起床的一刹那，有了灵感，成就了翟方法，最终获得了成功。
另外一个难点是在车辆—轨道耦合动力学仿真系统编程的时候，该程序的计算机语言有成千上万条语句，来不得一点差错，编程的过程中我调试了大概三个多月，一直算不对结果，就是不知道错误在哪里。而且每次都找不到，计算结果和实际不符，车辆本来是在轨道上跑，轮和轨贴合在一起，结果我算出来，车轮就离开了轨道，飞起来了!因此有人开玩笑说这是在轨道上开飞机呢。到了一定的时候，我甚至开始怀疑为什么前人没有把将它们一起考虑，难道是我的设想有问题吗？
如果一个问题你经过很长时间研究还没有解决，那么这个时候就很考验你了。如果你认定该原理的科学理念是对的，你就一定要坚持。最终我花了三个多月的时间找到了问题所在，就是一条语句的小错误——有一个参数没有赋值，没有赋值的话，电脑里面它就不知道这个值是什么，它就不确定，计算就会产生奇异发散，所以一旦把小错误更正过来，计算结果就正确了。在做研究时，当你在没有找到正确答案之前，所有的环节似乎都很混乱，而一旦找到了问题的核心所在，所有的环节都将变得有序且符合实际。
在这两项创新研究中，有很多考验我意志和耐力的环节。通过这些经历，我认为科学研究必须要静得下来，要耐得住寂寞，但是在此过程中你一旦取得成功，获得的幸福感将是其他无法比拟的，这个乐趣是无穷的。
未来的高铁会是什么样？
问：最近，我国已经布局研发新型高速列车，请问未来我国高铁将会怎样发展？
答：中国高铁从无到有，现在已经处于并跑到领跑的阶段，再往下走，我们就进入“无人区”了，也就是速度到了350公里每小时以后还能跑多少。这个问题理应由中国铁路来回答。如果在高铁方面我们要引领世界的话，我们就要探索更高速度(运营速度)的可能性，现在我们最高的运营速度是350公里每小时，这是世界上最高的，但国外正在追赶。如今，我们国家正在规划更高速度动车组，以复兴号CR 450为例，它的设计速度是时速400公里。
在成都到重庆之间有一个成渝中线高铁，现在完成了可行性研究，即将动工建设。在这个项目里我们预设了一个更高速度的试验区段，将来等我们有了400公里每小时的车，就会在成渝中线上进行400公里每小时及以上的试验。如果反复的试验证明是可以的，将来我们就可以慢慢地在一些运营线路上实现400公里每小时高铁运营。
我对这一方案充满信心，因为我们现在350公里每小时的系统的整个性能比较好，而且从指标来看，还有比较大的安全裕度，当我们速度提高以后，虽然指标可能会相应提高，但是它还远在标准限值之下，这是一个很好的苗头。我想我们国家高铁一定要引领世界，也一定能够引领世界。至于未来在经济、安全、可靠的前提下，高铁最高的运营速度是多少？目前世界上没有人能回答，我想我们中国高铁、中国铁路终有一天会给出答案。
京张高铁智能动车组“瑞雪迎春”
图片来源：新华社
速度提高是一个方向，另外一个发展方向就是智能化，即我们要让老百姓乘车更舒适，更安全，更便捷。实现智能化要依靠现代智能技术，人工智能技术在其中的应用不可限量，比如智能运营调度、智能运营维护等。我们现在有超过4万公里的高铁线路，超过了全世界除中国以外其它国家高铁总和，这么大规模的高铁线路网络，我们要依靠智能的监测预警来保证运营安全，很多像滑坡、泥石流、地震、大风等灾害都要通过智能化的监测检测，然后给我们的运营提出预判与安全预警。我期待未来的高铁，更加高速，更加智能化。
给青年学子的寄语
年轻人是最有活力，最具创新性，最没有条条框框的，应该大胆地去尝试，有时候你不尝试，可能会错失一个非常好的机会，甚至是错过了一个可能在将来会产生很大影响的成果。诚然，你每次的创新，不一定都能成功，但是你要去尝试，去探索，可能三四个尝试中有一个成功了，就会创造出极大的价值。
包括诺贝尔奖获得者在内的很多大科学家取得的影响世界的成果，大多数是在其年轻时创造出来，后面不断地完善，然后不断地应用到实际中，所以我觉得我们要利用好青年的黄金时期来大胆创新，充分地把年轻有活力的阶段利用好，千万不要低估自己的潜力!
翟婉明寄语
图片来源：人民日报
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