翟婉明院士走进北大光华管理学院：讲述中国高铁面临的六大科技挑战

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中国高铁科技发展

轨道交通不仅是国家综合交通体系的脊梁，更是推动经济增长、区域协调、民生改善和科技创新的战略基石。作为“国家名片”，中国高铁在世界范围内处于领先水平，短短三十年间以自主技术创新突破全球壁垒，其发展历程凝聚着中国科学家群体的智慧与担当。

4月26日下午，轨道交通工程专家、中国科学院院士、美国工程院外籍院士、西南交通大学首席教授翟婉明，做客北大光华管理学院，为北大师生带来《中国高铁发展及其面临的科技挑战与对策》主题报告，围绕中国高速铁路发展历程、中国高铁面临的科技挑战与对策、中国高铁未来发展展望等三方面内容进行了分享。

中国高速铁路发展历程

翟婉明院士对中国高速铁路的发展历程进行了回顾。翟婉明院士表示，中国铁路经过二十余年的跨越式发展，彻底改变了长期落后的面貌，取得了举世瞩目的成就。经过六次铁路大提速，既有线上列车最高运行速度从100km/h以下提高到了200 - 250km/h，成为既有线提速幅度最大的国家，极大地提高了铁路运能。如今，中国高铁已建成并投入运营的里程超过4.8万公里，最高运营速度达到350km/h，成为世界上高速铁路运营规模最大、运营速度最高的国家。

中国高铁面临的科技挑战与对策

翟婉明院士指出，在取得巨大成就的过程中，我国高铁不断面临着一系列科技方面的挑战。

“我国幅员辽阔，高铁横跨纵跃东西南北中，高铁线路穿越沙漠区、大风区、地震区、湿热区、黄土区、高寒区、软土区、台风区等等，运营环境复杂多变。我国高铁在设计、建造与运营中面临的挑战之多、难度之大，世界罕见。”翟婉明院士表示。

挑战1：高速铁路曲线如何设计？

高铁线路平面曲线和纵断面曲线直接影响高速行车安全性与平稳性，不同速度等级的高铁曲线设计参数如何确定，在高铁设计之初一片空白。对此，翟婉明院士表示，只能依靠科学技术，通过动力学理论开展高速行车性能仿真评估，反推线路设计参数。翟婉明院士提出的车辆 - 轨道耦合动力学新理论，首次将车辆与轨道一体化研究，能够模拟高速列车在不同线路设计方案上的运行行为，实现行车安全评估，为高铁选线设计提供了先进手段。基于该理论提出的车辆与线路动力性能最佳匹配设计方法，可以确定出最优的曲线设计参数。而多次现场试验，也验证了该理论方法的正确性，该方法已在我国高铁线路设计中得到广泛应用。

挑战2：如何保障桥上高速行车安全平稳性？

以前，我国铁路桥梁设计标准仅适用200km/h以下速度，无法满足200 - 350km/h高铁桥梁设计需求，如何评估确认高速列车过桥的安全性？针对这一挑战，原铁道部设立重大科技专项，组织国内优势力量，成立跨学科课题组，翟婉明院士担任组长，研究建立了列车 - 轨道 - 桥梁动力相互作用理论，研制了高速列车过桥动力学分析系统TTBSIM，提出了高速列车过桥动态设计安全评估方法。该技术已全面应用于我国高铁桥梁动力安全设计，直接支撑了高铁桥梁工程建设。

挑战3：如何自主研制适合中国铁路运行的高速动车组？

引进动车组设计制造标准不统一，不能互联互通，运营组织困难，维修成本极高。我国高速列车采用“引进消化吸收再创新”模式。然而，有两个难点需要解决：一是如何在短时间内消化世界上四种源于不同技术体系的动车组技术，二是引进动车组基于国外标准设计，不完全适用于中国铁路，如何提高其线路适应性。铁路部门的解决思路是——剖析国外高速动车组设计原理，破解国外高速动车组技术标准，掌握国外高速动车组关键技术。通过“产学研用”联合攻关，我国先后掌握了动车组总成、车体、转向架、牵引变流器等核心技术，实现了我国高速列车技术“从无到有”，构建了高速动车组研发与制造平台，形成了技术研发队伍，为高速列车技术再创新打下基础。我国随后于2012年组织开展“中国标准动车组”复兴号高速列车的自主化研制工作。

挑战4：不同类型动车组与不同制式轨道的运营匹配性

不同制式车辆、轨道的组合匹配，带来了一系列国外高铁未曾遇见的问题：部分线路区段乘车舒适性下降，某些线路出现晃车、抖车等异常振动，轮轨异常磨损问题等。翟婉明院士表示，通过一系列的理论研究、现场试验与工程实践，这些问题基本得到控制。然而，解决我国高铁出现的车 - 轨匹配问题，需要在长期运营实践中不断研究探索。

挑战5：如何保持高速列车长期运营的平稳性？

在高铁运营的过程中，为了实现高平稳性与高舒适性，主要的对策：一是通过对高速列车系统动力学参数进行优化设计，保证优秀的车辆动力学性能；二是建设高标准高铁线路，实现亚毫米级的精度控制，确保轨道几何形态的高平顺性。但面临的问题是，随着高铁运营时间的增加，在高速列车动荷载与复杂环境因素的交互作用下，高铁基础沉降、轨道结构变形、轮轨界面磨损等问题逐渐显现。这些问题将恶化轨道几何形态，加剧车辆振动，导致乘坐舒适性下降。那么，如何长期维持高铁轨面几何形态的高平顺性？翟婉明院士表示，在国家973计划、NSFC重大项目持续支持下，已完成高速铁路基础结构动态性能演变及服役安全相关基础研究，为制定高铁运维标准打下一定基础。但科学制定出《中国高铁线路运维标准》，仍然是当前及今后的重要任务。

挑战6：超大高铁网的智能监测与安全预警

我国地质气象环境极其复杂，地震、强风、泥石流等自然灾害均会威胁高铁行车安全。在这样的背景下，要依靠现代化的智能感知、实时监测与在线评估技术，构建高铁运营安全监测预警系统，保障高铁安全。目前我国已着手开展典型高速动车组服役性能长期跟踪监测，以及关键高铁线路基础结构动态性能长期监测。翟婉明院士指出，我国高铁规模世界第一，运行环境复杂多变，国内外罕见，构建高铁全网安全监测预警体系，任重道远，亟待加快推进步伐。

中国高铁未来发展展望

翟婉明院士表示，中国高铁已经由大规模“设计建造”阶段转入长期、安全、稳定“运营维护”阶段，现阶段的重点任务是建立与完善“中国高铁运营维护技术标准”、研究建立“中国高铁安全监控与预警技术体系”。

在他看来，未来中国高速铁路的发展方向，将是：更高速快捷——要探寻高速列车最高运营速度的最佳目标值；更安全可靠——要确保高速列车在任何时刻、任何位置、任何环境条件下始终处于安全状态；更绿色环保——速度不是唯一追求目标，绿色、环保、可持续发展是前提条件；更智能方便——要借力现代信息化与智能化技术，给老百姓乘坐高铁带来更好体验。

“为了实现这些目标，需要进一步实现中国高铁技术的发展与突破。首先，要实现高铁长期运营的安全性、可靠性与经济性；其次，要建立先进的高铁运营维护技术体系和安全预警系统；第三，研究低能耗、低振动、低噪声的高铁技术；最后，推动现代信息技术与人工智能技术在高铁上的应用。”翟婉明院士说。

翟婉明院士表示，中国高铁发展的最终目标，就是要实现中国高铁持续引领世界的伟大梦想。

“坐不得冷板凳，静不下心，就干不出成绩。”

分享结束后，对于现场观众提出的人工智能等前沿技术在高铁发展中的运用、高速磁悬浮列车的布局与发展、川藏铁路的规划建设与技术难题、海底隧道的建设与发展等问题，翟婉明院士一一进行了解答。

正如翟婉明院士所说，“没有端正的态度，就不会有吃苦耐劳的精神，很难长时间专注研究。坐不得冷板凳，静不下心，就干不出成绩。”在他看来，科学研究是教学的一种特殊形式，本身就有育人作用，尤其对于研究生教育更是如此。在重大的科研实践中培养高层次人才，是翟婉明院士在人才培养中始终坚持的方向。

报告会由北京大学博雅特聘教授、光华管理学院副院长、北大光华前沿科技场景实验室主任张影主持。张影指出，当前世界范围内科技革命与产业变革加速演进，轨道交通作为国家综合交通体系的“脊梁”，正深刻重塑世界和区域经济版图。在国内，建设交通强国、实现高水平科技自立自强已上升为国家战略。翟婉明院士的科研之路，不仅是个人学术生涯的奋斗史，更是中国轨道交通实现跨越发展的生动写照。

国家自然科学基金委工程与材料学部原常务副主任王岐东出席报告会。北大师生、光华校友以及企业嘉宾等200余人参加报告会。

素材来源：北大光华前沿科技场景实验室

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