8月28日，四川省科學(xué)技術(shù)獎勵大會在成都舉行。會上，“高速鐵路線形最優(yōu)動態(tài)性能設(shè)計原理、調(diào)控技術(shù)及工程應(yīng)用”項目成果榮獲四川省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎特等獎。這是本次大會頒發(fā)的唯一特等獎，也是時隔7年，再次頒發(fā)的首個科技進(jìn)步特等獎。
該項目主要完成單位包括西南交通大學(xué)、中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司、中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司、中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，主要完成人為以中國科學(xué)院院士、西南交大首席教授翟婉明為首的14人。
這一項目成果有何創(chuàng)新點，為何特等獎頒給了它？記者采訪了西南交通大學(xué)項目團(tuán)隊。
高鐵線形設(shè)計是保障高速行車安全平穩(wěn)的核心與難點所在
該項目是關(guān)于高鐵線形動態(tài)性能的。所謂高鐵線形，即高鐵線路的空間形位、走向，是決定高速行車安全性和乘坐舒適性的根本要素。
簡單來說，列車跑得快不快，除了與車本身的性能有關(guān)，還與線路息息相關(guān)?！熬€形是決定高鐵列車運行速度上限的關(guān)鍵因素”。項目團(tuán)隊成員、西南交通大學(xué)軌道交通運載系統(tǒng)全國重點實驗室副主任朱勝陽說，目前在實際運營中，高鐵列車能跑出時速300公里到350公里，未來速度能否繼續(xù)提高，線形設(shè)計是關(guān)鍵、前提，也是難點所在。
比如，高速鐵路在建造運營之前無法做行車實驗，如果線形設(shè)計不合理、車線動力性能不匹配，將導(dǎo)致突出的列車與線路動態(tài)相互作用問題，給未來高速行車帶來重大安全隱患。
“我國高鐵在設(shè)計之初沒有設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)可依，面向行車安全平穩(wěn)性的高鐵線形設(shè)計方法更是一片空白?！敝靹訇栒f。
此外，我國高鐵橫跨東西南北，運營環(huán)境復(fù)雜多變，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)沉降、上拱等復(fù)雜大變形問題頻發(fā)，給在役高鐵線形精準(zhǔn)調(diào)控帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
二十年磨一劍，
實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)突破、產(chǎn)生多項創(chuàng)新成果
迎難而上，從2000年初起，在翟婉明院士的帶領(lǐng)下，團(tuán)隊二十年磨一劍，開展產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合攻關(guān)，目的是要讓高鐵跑得既快又安全舒適。
團(tuán)隊介紹，該研究主要通過“理論創(chuàng)新—平臺研發(fā)—技術(shù)突破—工程應(yīng)用”的技術(shù)路線，系統(tǒng)開展了高速鐵路線形最優(yōu)動態(tài)性能設(shè)計原理、調(diào)控技術(shù)及工程應(yīng)用研究，形成了完整的技術(shù)體系。
首要創(chuàng)新成果是在國內(nèi)外首次提出了列車與線路動態(tài)性能最佳匹配設(shè)計原理。
“這是研究的理論基礎(chǔ)，團(tuán)隊在翟婉明院士的帶領(lǐng)下，基于車輛—軌道耦合動力學(xué)理論，將高速列車與軌道作為一個整體大系統(tǒng)，綜合考察相互之間的作用與影響、匹配關(guān)系。”朱勝陽說，實現(xiàn)了不同線路條件下車線系統(tǒng)動力性能一體化預(yù)測評估與最優(yōu)匹配設(shè)計。可以說，這為現(xiàn)代高速列車與線路高品質(zhì)設(shè)計開辟了全新路徑。
其次，團(tuán)隊構(gòu)建了高速鐵路線形最優(yōu)動態(tài)性能設(shè)計方法。具體來說，團(tuán)隊基于上述理論基礎(chǔ)，研發(fā)了集“仿真—預(yù)測—評估—優(yōu)化”于一體的高鐵線形動態(tài)優(yōu)化設(shè)計與安全評估系統(tǒng)。
一般來說，傳統(tǒng)設(shè)計方法主要是從運動學(xué)角度考察高速列車的牽引通過能力，不能從動力學(xué)角度準(zhǔn)確評估高速行車安全性、舒適性?！巴ㄟ^這一系統(tǒng)，調(diào)整曲線、坡度等關(guān)鍵參數(shù)，可以模擬列車通過不同線路的動態(tài)性能，從而實現(xiàn)滿足高安全性、高平穩(wěn)性行車要求的最優(yōu)線形設(shè)計。”朱勝陽解釋。
比如，我們經(jīng)常在視頻中看到的畫面——在高速運行的列車上立硬幣?！耙層矌挪坏?，這與高鐵線形設(shè)計密切相關(guān)，需要車軌系統(tǒng)匹配才能做到?！敝靹訇栒f，新的設(shè)計方法將行車安全性、乘車舒適性等前置目標(biāo)進(jìn)行正向設(shè)計，不僅是國際首創(chuàng)，還破解了中國高鐵建設(shè)之初無設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)可依的選線設(shè)計難題，支撐了高鐵平縱斷面線形設(shè)計從運動學(xué)到動力學(xué)的技術(shù)變革。
還有一大創(chuàng)新之處在于，高鐵線路幾何狀態(tài)劣化后的線形調(diào)控?！霸诟咚倭熊噭雍奢d的長期作用下，軌道會發(fā)生不均勻沉降，線路幾何狀態(tài)可能會出現(xiàn)嚴(yán)重惡化，從而導(dǎo)致列車限速。”團(tuán)隊成員說，這不僅影響運行時間、效率，還會危及行車安全性。
如何將速度恢復(fù)到設(shè)計速度？關(guān)鍵是要將惡化后的線形調(diào)整到合適的線形。
針對這一難題，團(tuán)隊系統(tǒng)創(chuàng)建了高鐵線形均衡調(diào)控與修復(fù)技術(shù)體系，由此確定出兼顧高速行車性能和工程調(diào)整量的最佳調(diào)控線形，克服了高鐵線路劣化后限速帶來的影響，提高了運輸效益，保障了高速列車高品質(zhì)運營。
經(jīng)過本領(lǐng)域多名院士在內(nèi)的評價專家組評定，一致認(rèn)為項目技術(shù)成果“整體技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平”，取得了重大社會經(jīng)濟(jì)效益。
成果應(yīng)用到“0到1”標(biāo)志性高鐵工程，
正在不斷突破“禁區(qū)”
迄今為止，項目技術(shù)成果已全面應(yīng)用于我國各種類型的高速鐵路工程，特別是首條建造標(biāo)準(zhǔn)最高的（京滬）高鐵、首條大跨度橋上鋪設(shè)無砟軌道的（昌贛）高鐵、首條從中國走向世界的（雅萬）高鐵等?“從0到1”的標(biāo)志性工程。
談及多個“首創(chuàng)”“首條”“首次”，團(tuán)隊十分感慨。2009年，朱勝陽加入團(tuán)隊，讓他印象深刻的是成果應(yīng)用在京滬高鐵上。
“當(dāng)時缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，受京滬高鐵公司委托，我們應(yīng)用項目技術(shù)對1000多公里線路原設(shè)計方案進(jìn)行車線系統(tǒng)動力性能仿真評估，發(fā)現(xiàn)多處不滿足列車運行安全、舒適性的區(qū)段，并提出改進(jìn)設(shè)計方案，被實際工程采納?！敝靹訇栒f，這不僅滿足了高速行車要求，還節(jié)省了線路變更設(shè)計導(dǎo)致的巨額工程投資。
列車高速通過橋梁，看似簡單卻不簡單，尤其是通過大跨度橋梁。讓團(tuán)隊成員記憶猶新的，還有在首條大跨度橋上鋪設(shè)無砟軌道的昌贛高鐵：“當(dāng)時史無前例，是一件突破既有標(biāo)準(zhǔn)的事情?！?/p>
此前，大跨度高鐵橋梁鋪的都是有砟軌道，列車過橋通常需要限速。針對該問題，團(tuán)隊研發(fā)了無砟軌道與大跨度橋梁空間大變形協(xié)調(diào)匹配與線形調(diào)控技術(shù)。
2019年，昌贛高鐵設(shè)計方找到團(tuán)隊，經(jīng)過團(tuán)隊系統(tǒng)模擬計算和試驗分析，提出了大跨度橋上鋪設(shè)無砟軌道長波不平順分級控制標(biāo)準(zhǔn)。這項新標(biāo)準(zhǔn)突破了我國高鐵大跨度橋梁鋪設(shè)無砟軌道的工程“禁區(qū)”，現(xiàn)已被納入高鐵設(shè)計規(guī)范，得到了廣泛應(yīng)用。“從此，大家坐高鐵過橋可以不再限速了?！眻F(tuán)隊成員十分感慨。
目前，我國高鐵最快運營時速為350公里，國際上其他國家也在持續(xù)推進(jìn)、迎頭趕上?！爸袊哞F要持續(xù)引領(lǐng)世界發(fā)展，不斷突破‘禁區(qū)’，探索更高速度的可能?！钡酝衩髟菏空f。
這種可能或?qū)⒆兂涩F(xiàn)實。當(dāng)下，項目團(tuán)隊全力攻克成渝中線高鐵技術(shù)難關(guān)。按計劃，這條中國首條預(yù)留時速400公里條件的高鐵將于2027年開通運營。
“時速從現(xiàn)有的350公里提高到400公里絕非易事，沒有標(biāo)準(zhǔn)、無法驗證，不是一蹴而就的。”當(dāng)下，團(tuán)隊在翟婉明院士的帶領(lǐng)下一步一個腳印，穩(wěn)扎穩(wěn)打，持續(xù)攻關(guān)。
翟婉明院士希望，未來能把成果應(yīng)用到更多高鐵線路上，比如在更高的運營速度、更復(fù)雜的運營條件中發(fā)揮作用，再接再厲，讓我國的高鐵跑得更快、更安全、更舒適。
視頻、圖片素材由西南交通大學(xué)提供
編輯：金艷
責(zé)任編輯：余鳳
編審：韓鈺
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