“耦合智慧”護航中國高鐵——記中國科學院院士、西南交通大學首席教授翟婉明

1981年的秋天，18歲的翟婉明考上西南交通大學，才第一次坐上火車，從江蘇靖江奔赴四川峨眉山。

當時，由于大雨致使寶成鐵路一段路基塌方，翟婉明只能輾轉上海、昆明，花了四天三夜才到達目的地，一路忍受著疲憊、饑餓和生怕錢不夠的惶恐。“那種感覺就好像挨了當頭一棒，給我上了畢生難忘的‘入學第一課’。”翟婉明回憶說，那時就想，火車能不能跑得更快些？坐得更舒適些？因而在入學之初，他就萌發了改變中國鐵路落后面貌的想法。

隨后40余年的時間流轉，火車六次提速、高鐵從無到有，我國建成世界最大的高速鐵路網，風馳電掣的“復興”速度縱橫神州。而在這期間，翟婉明從本科生、碩士博士研究生，到學校首席教授，再到中國科學院院士，始終堅守在軌道交通領域教學與科研一線，讓人生與中國鐵路發展“耦合”。

車輛與軌道耦合

創新鐵路工程動力學理論

在翟婉明求學時，經典的車輛動力學、軌道動力學理論分屬兩個領域，是將車輛和軌道分開進行研究的，遇到復雜的車輛與軌道相互之間的動態作用問題，傳統研究的局限性就凸顯出來。

“車是在軌道上跑，兩者是一個互相依存的整體，它們為什么不在一起研究呢？”在1990年春天，還不到27歲的翟婉明提出設想：把車輛系統和軌道系統視為一個相互作用、相互耦合的整體大系統，綜合研究列車在線路上的動態行為。

在傳統的學術權威面前，這個設想十分大膽。而面對這樣一個復雜的大系統，如何高效求解是最大的阻礙。

此前，翟婉明的博導孫翔教授在重載列車動力學研究中，就已經面臨“算不動”的難題，迫切需要一個適配的算法，這個任務就交給了翟婉明。

翟婉明將時間與精力傾注在這一研究上，夜以繼日地思考。在一個凌晨，半夢半醒的他突然靈機一動，想到可以結合著名的紐馬克方法，反向利用隱式時間積分方法，從而構建快速顯式數值積分方法，“當時一下從床上爬起來，趕緊把它寫下來，然后如饑似渴地推導。”

這種適合大系統動力分析的快速顯式數值積分方法，后來在國際上被稱為“翟方法”，得到廣泛采用。而在當時，該方法也直接為翟婉明“車輛—軌道耦合動力學”的理論研究設想提供了算法支撐。

與重載列車動力學的研究相比，車輛—軌道耦合動力學是一個更加復雜的大系統，對計算的要求更高。

當時計算機資源不足，翟婉明就錯峰使用學校的計算機房。白天機房里人多，爭著用計算機，他就開展理論推導、分析，晚上別人走后，他鉆進機房，把一組組計算參數輸入到不同的計算機同時計算。第二天在別人來之前，他早早地把計算出來的一大批數據取走。

在提出設想后的幾年里，翟婉明就這樣不斷完善“車輛—軌道耦合動力學”理論，結束了長期以來將機車車輛和軌道割裂開來研究的局面，為我國后來的火車提速和高鐵建設奠定了扎實的理論基礎，這一理論體系在國際上被稱作“翟模型”。

理論與實踐耦合

深耕中國高鐵發展戰略

中國地域面積廣、地形地貌復雜，為高鐵建設帶來的挑戰之多，世界罕見。而在高鐵建設初期，最大的挑戰是沒有設計標準和建造標準。

該難題的解決得益于翟婉明提出根據動力學理論來科學預測高速行車的動態性能，即基于理論模型模擬高速列車在線路上的行駛過程，看行車的性能指標是否滿足標準，從而倒推線路設計參數的合理值。

“也就是說，我們在線路設計圖紙階段，就能把行車的狀態模擬出來，從而不斷優化調整設計參數。”翟婉明介紹說，高鐵建設成本高，絕不是“摸著石頭過河”，必須確保萬無一失。

當然，理論的突破離不開實踐的檢驗。

為了驗證自己的研究，翟婉明常常帶領團隊跟著鐵路安全員一根軌枕、一根軌枕地走，到現場尋找答案，開展了大量調研和現場試驗。像2008年京津城際高鐵開通之前，鐵道部組織了高速行車試驗，為了采集一座特大橋上的高速行車動力學性能指標，他帶著測試團隊在現場一待就是35天。

“當時他一直和大家在測試工棚開展測試，到現場去掌握第一手的實驗數據對于驗證理論模型的正確性至關重要。”趙春發1998年讀博士時就已經加入了翟婉明團隊，如今是西南交通大學軌道交通運載系統全國重點實驗室列車與線路研究所副所長，他回憶說，由于線路上白天有列車運營，團隊只能晚上去布點收集數據，而翟婉明沖鋒在前的精神，一直激勵著整個團隊，“即使是現在，遇到重大數據的采集時，他依然挺在一線。”

正是在這樣的刻苦鉆研下，翟婉明團隊的研究成果直接支撐確定了不同類別高鐵最小曲線半徑、曲線外軌超高、緩和曲線長度、坡度代數差等線路設計關鍵參數，被廣泛應用于我國各種類型的高速鐵路工程設計，包括第一條建造標準最高的京滬高鐵、第一條客貨共線的福廈高鐵、第一條大跨度橋梁上鋪設無砟軌道的昌贛高鐵等“從0到1”的標志性工程。

科研與教學耦合

培養軌道交通拔尖創新人才

“要完全實現中國軌道交通引領世界的夢想，還有很多工作要做，需要很多各種類別、各種層次的科技人才來支撐。”翟婉明談到，目前教學的主要任務，就是培養高層次軌道交通領域的拔尖創新人才，而在他看來，要實現培養目標，科研和教學是分不開的，兩者須融為一體。

一方面，在重大科研實踐中培養高層次人才，是翟婉明帶學生始終堅持的方向。

“科研不是紙上談兵，翟老師看重的，是你的科研能不能在實踐中解決真問題。”李鵬浩博士期間師從翟婉明，如今是蘭州交通大學的一名教師，他回憶說，導師以實際行動激勵大家既要有服務國家戰略的宏大視野，又要能以嚴謹的態度處理好細節，同時掌握好科研方法。

而另一方面，翟婉明團隊堅持將最新的研究成果及時融入課堂、融入教材，把最前沿的理論和方法傳授給學生。

“現在高速鐵路發展那么快，你再去講20年前的東西肯定是落伍的。”翟婉明長期主講“鐵路大系統動力學理論”“車輛—軌道耦合動力學”兩門課程，這兩門課程是車輛工程、載運工具運用工程兩個國家級重點學科的主干專業課。他的理論專著《車輛—軌道耦合動力學》，隨著我國高鐵建設不斷完善和豐富，已經出版至第四版，第五版也正在修訂中。

在學生中間，翟婉明的嚴格是出了名的。“鐵軌上1毫米的誤差可能引發事故，科學研究豈能有絲毫馬虎？”這是他常掛在嘴邊的話。

“我們交上去的論文，翟老師方方面面都會注意到，經常是改得一片紅。”羅俊在博士期間師從翟婉明，畢業后也留在了團隊從事教學科研工作，他談到，這種嚴謹治學的態度和學風，讓年輕的學生和老師成長得更快。

嚴師出高徒。目前，翟婉明培養博碩士研究生和博士后已超過100位，他們活躍在我國高速鐵路、重載鐵路以及城市軌道交通各領域，許多已經成為學術帶頭人和技術負責人，正在為我國鐵路交通事業的發展持續不斷貢獻智慧與力量。（中國教育報-中國教育新聞網記者 葛仁鑫）