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翟婉明
1985年毕业于西南交通大学机械系,1992年获博士学位。1994年被授予国家有突出贡献的中青年专家称号,1995年获国家杰出青年科学基金,1998 07~09受邀到丹麦技术大学(DTU)讲学,1999年受聘为教育部长江学者特聘教授。现任西南交通大学首席教授、校学术委员会主席,兼任国务院学位委员会学科评议组成员,中国力学学会副理事长,中国振动工程学会副理事长,成都市科协主席,国际轨道交通学报International Journal of Rail Transportation(英国)主编。

成 果

长期从事轨道交通工程动力学研究,开拓了铁路大系统动力学研究领域。针对中国铁路大发展中轮轨系统动态安全设计的重大需求,在经典的车辆动力学和轨道动力学基础上,创建了机车车辆-轨道耦合动力学理论体系,建立了车辆-轨道统一模型,在国际上被称为“翟-孙模型”或“翟模型”得到广泛采用;构造了适合于大系统动力分析的快速显式数值积分方法,在国际上被称为“翟方法”;提出了机车车辆与线路动力性能最佳匹配设计原理及方法,主持开发了与之配套的仿真设计平台与现场测试系统;主持研究建立了列车-轨道-桥梁动力相互作用理论,开发了高速列车过桥动态模拟与安全评估系统。以上理论、方法与技术被广泛应用于我国铁路提速、重载运输及高速铁路工程领域,解决一系列工程技术难题,取得了显著的社会经济效益。曾获得国家科技进步一等奖、国家科技进步二等奖(均为第一完成人),其中一项成果入选2005年度“中国高校十大科技进展”。个人曾获得中国青年科学家奖、何梁何利科学技术创新奖、长江学者成就奖一等奖(全国工程科学首位)、以及全国五一劳动奖章。

专 访

  上个世纪90年代初,还在读博士的翟婉明提出了一个新观点:将机车车辆和铁路轨道作为一个相互作用的整体大系统进行动力学与振动控制研究,这在国际上尚属首次。后来,这套理论被广泛应用于我国铁路的多次提速以及高速铁路、重载铁路建设中,为我国铁路跨越式发展提供了科学理论与研究方法。

 
  2000年之前,我国并没有一个成熟可靠的理论方法来评估高速列车通过桥梁时的安全性与舒适性。在原铁道部的组织下,翟婉明担当主持,集合国内优势科研力量,"发狠"攻关,最终建立起列车-轨道-桥梁动力相互作用理论,开发出高速列车过桥动态模拟与安全评估系统,为我国高铁后来的异军突起夯实了基础。
 
  2016年11月21日,世界首条新能源空铁试验线在成都成功运行,翟婉明是总设计师。这标志着我国成为继德国、日本之后第三个掌握悬挂式单轨交通技术的国家。新能源空铁具有投资少、工期短、选线灵活、节能环保等优点,未来可作为城市轨道交通的重要补充。

 
  从基础理论到工程实践,从铁路到城轨,翟婉明的研究总能踏准我国轨道交通发展需求的脉搏。2017年3月8日,借着他来京出差的机会,《世界轨道交通》杂志记者见到了这位轨道交通行业的传奇人物--中国科学院院士,西南交通大学首席教授、博士生导师翟婉明。
 
  为中国铁路大发展贡献科学智慧
 
  1981,翟婉明考上西南交通大学机械系。"其实,当时对'专业'并没有什么概念,只是小时候家里那边交通很不方便,只有一条公路穿过县城,去哪儿都麻烦,所以,可能对'交通'两个字比较敏感和向往,于是就报考了西南交大。"他笑着说。"考上大学了,要坐火车去成都,那是我人生中第一次坐火车,不过一点儿都不美好,甚至还很糟心。因为途中碰上宝成铁路因大雨而塌方中断,不得已只能先坐火车到上海,然后从上海到昆明,再从昆明到峨眉,总共花了三天四夜时间。"翟婉明说那是一次终生难忘的旅途,除了三天四夜的忍饥挨饿,还有就是震撼于当时中国铁路的艰难落后现状。

 
  翟婉明在西南交大读完本科、硕士、博士,所以也被亲切地称为"三西牌教授"(三阶段均在西南交大完成)。读博士期间,他的研究方向发生了重要转变,从本科的机车柴油机、硕士的机车车辆传热学,转为"机车车辆动力学",论文主攻方向便是"车辆与轨道相互作用"这一交叉学科领域,当时在国内乃至国际均属前沿方向。而根据传统的车辆动力学、轨道动力学理论体系,机车车辆和铁路轨道是被分离成两个相对独立的子系统分别加以研究。固有思维经常阻碍科学的进步。所以,意料之中,翟婉明的观点受到了质疑。为什么要顶住压力,做第一个吃螃蟹的人?他向记者解释中国铁路当时的境况:
 
  我国既有铁路特点鲜明:一方面,与欧美发达国家相比,路网密度极低;另一方面,运量、运输密度居世界铁路之首,却依然满足不了社会需求;第三,我国铁路是"客货混运",客、货列车在同一线上运营,而且线路标准不高。而西方发达国家则实行"客货分线",日本、德国、法国的高速铁路专门运送旅客,美国的重载铁路采用特重型、加强型的轨道结构专门运载货物,技术标准很高。所以,客运要提速、货运要重载,这是我国铁路发展的必然趋势。但是,提速、加载会严重加剧机车车辆与线路间的动力作用,带来较常规铁路更为突出的轮轨动态安全问题。如何改造标准并不高的既有线路,实现列车安全提速?这是我国铁路快速发展中当初遇到的核心问题,也是世界铁路未曾遇到的难题。
 
  翟婉明在反复研究铁路动力学经典理论体系基础上认识到:根据我国铁路特有的情况,单纯从车辆子系统或轨道子系统本身进行研究并不能解决超负荷运输方式下突出的列车与线路动态相互作用问题。他敏锐地觉察到,将车辆系统与轨道系统作为一个相互作用的整体大系统加以研究肯定会是今后的发展方向。
 
  随后,翟婉明的研究设想得到了一系列国家自然科学基金项目的支持,他带领着一支年轻的团队开始了机车车辆-轨道耦合动力学理论体系及工程应用的系统研究。"前前后后大概十几年,过程肯定是枯燥的、寂寞的,不过太忙了,也没有时间顾及这些情绪。"他们最终在国际上创建了机车车辆-轨道耦合动力学全新理论体系,包括学术思想、理论模型、数值方法、仿真方法、设计方法及试验方法;系统建立了机车车辆-轨道统一模型,包括各种典型机车、客车、货车模型以及有砟、无砟轨道模型,解决了轮轨动态耦合建模和散粒体道床振动模拟等国际性难题,在国际上被称为"翟模型"、"翟-孙模型"(孙指翟婉明研究生时期的导师孙翔)。
 
  理论建立起来后,要具体应用于铁路工程,还需经过重要的技术环节。为此,翟婉明课题组又投身"从理论模型到设计计算,到仿真技术,再到现场试验"的技术体系的攻关,形成了机车车辆与线路最佳匹配设计技术,建立了具有自主知识产权的机车车辆与轨道系统动态仿真设计技术平台和轮轨动态作用现场试验评估技术平台。这两个技术平台的建立使机车车辆-轨道耦合动力学理论和列车提速工程实践得以接轨,为超负荷运输模式下机车车辆及轨道系统动力性能优化设计及运用安全性评估提供了技术手段。
 
  机车车辆-轨道耦合动力学理论、试验及仿真技术形成后,即被广泛应用于我国铁路机车车辆开发设计、既有铁路提速改造、山区铁路扩能改造、重载运输、高速铁路建设等重点工程领域之中,其中包括时速200公里的"天梭号"新型机车研制,提速客运电力机车"韶山7E"改进设计,重载货运机车HXD2C性能改进设计,京秦、成渝、黔桂、川黔、贵昆线等干线铁路提速及安全改造工程,以及秦沈、遂渝、福厦、广深港等设计时速200~350公里的新建高速铁路(客运专线)工程。
 
  2005年,机车车辆-轨道耦合动力学理论体系及工程应用的研究成果入选"中国高校十大科技进展",并获得国家科技进步一等奖。

 
  随着采访的进行,记者发现翟婉明教授跟想象中的不太一样,现实中的他谦逊随和并且擅长沟通,自信果敢而又坚持原则,他用通俗简洁的语言向记者解释所从事的专业领域,让整个采访过程轻松不少。这些可贵的品质加上深厚的学术造诣,使翟婉明在我国高铁起步之际临危受命,再次接下重任。
 
  那个时候,关于高速列车通过桥梁时的动态安全性和乘车舒适性,国内并没有成熟可靠的理论方法来评估,这成为高速铁路桥梁设计的一大难题。"当时拥有这套评估软件的法国拒绝了中国的购买要求,但同意我们出钱请他们来做。这肯定是不行的,没有底气,等于是对方要多少钱我们就得给多少钱。况且不可能每一条高铁的每一座桥都要请外国人评估。"为摆脱受制于人的被动局面,在原铁道部科技司的主导下,由西南交通大学牵头,汇集北京交通大学、中国铁道科学研究院、中南大学组成联合攻关组,进行列车-线路-桥梁动力学仿真通用软件的研究,翟婉明任组长。他回忆当时的情景:"把这么多单位精英组织起来干一件直接关乎重大工程安全的事压力很大。所幸大家一心为国,就想着拼命成功,所以毫无保留、互相信任、全力以赴。"终于,翟婉明和他的联合课题组建立了列车-轨道-桥梁动力相互作用理论,开发出了高速列车过桥动态模拟与安全评估系统,研制成功铁路行业第一个具有自主知识产权的大型工程动力学仿真软件--"高(快)速列车过桥安全性仿真评估通用软件TTBSIM",从而打破国外技术封锁,为我国铁路设计部门在修建高(快)速铁路之前对关键桥梁设计方案进行安全评估提供了科学工具。2009年,该项目获得国家科技进步二等奖。
 
  如今,翟婉明教授可以说是"荣誉等身",但是,很少有人知道,车辆-轨道耦合动力学研究项目的成功整整历时15年;高(快)速列车过桥安全性仿真评估通用软件从问世到荣获国家科学技术进步二等奖也经历了10年。他说,科研是一个长期沉淀的过程,科研成果需要经受时间和实践的考验,科研工作者应该耐得住寂寞,急功近利、急于求成不可取。
 
  总设计师解读世界首条新能源空铁
 
  2016年11月21日,一条振奋人心的消息在我国轨道交通行业内迅速传开:世界首条新能源空铁试验线在成都成功运行,标志着我国成为继德国、日本之后第三个掌握悬挂式单轨交通技术的国家。该条新能源空铁的总设计师正是翟婉明。
 
  他告诉记者:"成都空铁最大的创新在新能源动力方面。它并未采用德国、日本的悬挂式单轨交通的沿线高压供电制式,而是在世界上首创采用大功率锂离子电池能量包作为牵引动力源。这样做的好处一是绿色环保,二是降低成本。电池可以在用电低谷时段凌晨0:00-3:00/4:00充电,节约能源,最长4个小时换一次电池,更换电池只需1-2分钟。"

 
  空铁的安全性如何,会不会脱轨?翟婉明说,车辆行走机构始终封闭于箱形轨道梁内部,永远不会发生脱轨事故;列车在空中专线上运行也不会与其他物体碰撞,运营安全得到充分保障。电池安全方面也采取独特创新设计:电池组并未安装在车辆内,而是置于轨道梁内,研究人员将电池组轻量化后,为它安装了小滑轮车,让它伴随轨道梁内的车辆驱动装置一并前行,不仅减轻了悬挂车体的重量,还进一步提高了运营安全性。
 
  目前,我国城市轨道交通已有地铁、轻轨、磁悬浮等多种制式,新能源空铁有哪些优势和运营可行性?翟婉明认为,极强的城市交通适应性是它的最大优势。"它最小转弯半径仅30米,最大坡度可达100‰,这在城市轨道交通选线方面具有极大的灵活性,可以最大限度减少拆迁量。而在运输组织中,列车可根据城市交通需求灵活编组,最大可达到每小时2万人的运力。"同时空铁在建设施工中,通过轻巧的立柱和同样轻巧的轨道梁架设于空中,占地少且不影响城市原有交通布局,施工周期短、投资少。"它每公里建设成本仅为地铁的1/5到1/8,跨坐式单轨交通的1/2或1/3,其轨道梁柱采用工厂预先制造、现场组装,施工周期仅为1年左右。"

 
  对于新能源空铁的市场前景,翟婉明表示:针对中国的实际需求,前景广阔,可以作为观光线,也可用于城市繁华拥挤地段,还可当作中小城市轨道交通的主力。但他也客观地强调:新能源空铁只是城市轨道交通制式的一种补充,帮助形成"地下地铁、地面轻轨、地上空铁"的三位综合立体轨道交通网络,共同解决我国城市交通拥堵难题。
 
  "目前看所有技术指标完全适用于以后的实际商业运营线。"翟婉明说,下一步将进行全面运营考核,并不断优化系统设计参数,"作为运行试验来说,它已经取得成功,但具体到商业运营,还涉及到系统性能提升、成本优化等,还要形成相关技术标准,为今后商业运营线建设奠定坚实基础。"他还透露,成都已经开始着手推进新能源空铁商业运营示范线工程。作为一种全新的城市轨道交通制式,新能源空铁走进普通百姓生活的日子已不再遥远。
 
  未来,心系建立高铁运营维护标准体系
 
  采访最后,翟婉明教授谈及对我国高速铁路发展的看法。他说,要管理我国目前大规模的高铁运营线路,最重要的是建立科学合理的高速铁路运营维护标准体系。
 
  截止2016年底,我国高铁运营里程已达2.2万公里,超过其他国家高铁运营里程的总和。我国高铁不仅在运营里程上居世界首位,350公里的设计时速也是全球最高。随着运营里程的不断增加,目前我国高铁已由大规模"设计建造"阶段转入长期"运营维护"阶段。
 
  "高速铁路是一个耦合大系统,由轨道线路、高速列车、受电弓、接触网等构成,又置于地表稠密大气中,系统的所有特性都与运行速度高度相关。"翟婉明认为,高速列车要实现目标速度的安全运行,必须全面落实勘测设计、基础工程、装备制造、通信信号、系统集成和运营管理等6大系统的技术标准。"我国高铁线桥隧勘探设计的标准已相继出台,但完善的运营维护标准尚未形成,目前主要是一些规则、规章和暂行规定。"所以,当前的一项迫切任务是研究、建立和完善中国高速铁路运营维护标准体系,这对高速铁路这一庞大工程系统的长期、稳定、健康运营具有至关重要意义。
 

 
  现阶段国际上只有针对时速300公里的高铁标准,而且都针对各自国家的实际情况,对350公里时速的高铁还没有可供借鉴的标准。"一切都要去探索和实践。"翟婉明说,标准的制定只有靠自己。"制定标准跟法规一样,必须科学严密。"他强调,一方面要有充分的理论依据,开展相应的基础研究;另一方面要经过实践一步一步检验,不能操之过急,否则不合理的标准出台将后患无穷。他还坦言,与日、德、法等高铁发源国相比,我国高铁运营时间短、实践经验缺乏、基础研究薄弱,因此要针对实际情况,从基础源头、关键技术和运营实践三个方面入手,找到最适合我国国情的运营维护模式。目前,翟婉明教授已经投入到研究高铁运营维护标准体系的实践当中。比如,由他担任首席科学家的《高速铁路基础结构动态性能演变及服役安全基础研究》项目正在实施,该项目入选国家973计划。"973计划"是以国家重大需求为导向,对我国未来发展和科学技术进步具有战略性、前瞻性、全局性和带动性的基础研究发展计划。
 
 
  翟婉明教授曾与学子们分享过一句话:求学当不忘初衷,知识改变命运,这个命运,不仅是自己的,也是之于一个时代的。他做到了。他的坚守是我国轨道交通之幸事。

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2017-09
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