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翟婉明院士:中國(guó)高鐵的過(guò)去、現(xiàn)在與未來(lái)

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鐵路作為國(guó)家戰(zhàn)略性、先導(dǎo)性、關(guān)鍵性重大基礎(chǔ)設(shè)施,是國(guó)民經(jīng)濟(jì)大動(dòng)脈、重大民生工程和綜合交通運(yùn)輸體系骨干,在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中的地位和作用至關(guān)重要。作為“國(guó)家名片”,中國(guó)高鐵在世界范圍內(nèi)處于領(lǐng)先水平,短短三十年間以自主技術(shù)創(chuàng)新突破全球壁壘,其發(fā)展歷程凝聚著中國(guó)科學(xué)家群體的智慧與擔(dān)當(dāng)。

4月26日下午,軌道交通工程專家、中國(guó)科學(xué)院院士、美國(guó)工程院外籍院士、西南交通大學(xué)首席教授翟婉明,以“中國(guó)高鐵發(fā)展及其面臨的科技挑戰(zhàn)與對(duì)策”為題為北大師生帶來(lái)分享。

當(dāng)前,我國(guó)的軌道交通與高鐵發(fā)展已進(jìn)入到智能化、綠色化、服務(wù)化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵期。翟婉明院士結(jié)合自身的學(xué)術(shù)研究與工程實(shí)踐,與北大師生共同探討了軌道交通發(fā)展與中國(guó)高鐵的未來(lái),以創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)鞏固“國(guó)家名片”地位,助力經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展。

翟婉明院士:中國(guó)高鐵的過(guò)去、現(xiàn)在與未來(lái)(圖1)

主旨分享

以“中國(guó)高鐵發(fā)展及其面臨的科技挑戰(zhàn)與對(duì)策”為題,翟婉明院士圍繞中國(guó)高速鐵路發(fā)展歷程、中國(guó)高鐵面臨的科技挑戰(zhàn)與對(duì)策、中國(guó)高鐵未來(lái)發(fā)展展望等三方面內(nèi)容進(jìn)行了分享。

首先,翟婉明院士對(duì)中國(guó)高速鐵路的發(fā)展歷程進(jìn)行了回顧。翟婉明院士表示,中國(guó)鐵路經(jīng)過(guò)二十余年的跨越式發(fā)展,徹底改變了長(zhǎng)期落后的面貌,取得了舉世矚目的成就。經(jīng)過(guò)六次鐵路大提速,既有線上列車最高運(yùn)行速度從100km/h以下提高到了200-250km/h,成為既有線提速幅度最大的國(guó)家,極大地提高了鐵路運(yùn)能。如今,中國(guó)高鐵已建成并投入運(yùn)營(yíng)的里程超過(guò)4.8萬(wàn)公里,最高運(yùn)營(yíng)速度達(dá)到350km/h,成為世界上高速鐵路運(yùn)營(yíng)規(guī)模最大、運(yùn)營(yíng)速度最高的國(guó)家。

翟婉明院士指出,在取得巨大成就的過(guò)程中,我國(guó)高鐵不斷面臨著一系列科技方面的挑戰(zhàn)。

“我國(guó)幅員遼闊,高鐵橫跨縱躍東西南北中,高鐵線路穿越沙漠區(qū)、大風(fēng)區(qū)、地震區(qū)、濕熱區(qū)、黃土區(qū)、高寒區(qū)、軟土區(qū)、臺(tái)風(fēng)區(qū)等等,運(yùn)營(yíng)環(huán)境復(fù)雜多變。我國(guó)高鐵在設(shè)計(jì)、建造與運(yùn)營(yíng)中面臨的挑戰(zhàn)之多、難度之大,世界罕見(jiàn)。”翟婉明院士表示。

挑戰(zhàn)1:高速鐵路曲線如何設(shè)計(jì)?

高鐵線路平面曲線和縱斷面曲線直接影響高速行車安全性與平穩(wěn)性,不同速度等級(jí)的高鐵曲線設(shè)計(jì)參數(shù)如何確定,在高鐵設(shè)計(jì)之初一片空白。對(duì)此,翟婉明院士表示,只能依靠科學(xué)技術(shù),通過(guò)動(dòng)力學(xué)理論開(kāi)展高速行車性能仿真評(píng)估,反推線路設(shè)計(jì)參數(shù)。翟婉明院士提出的車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)新理論,首次將車輛與軌道一體化研究,能夠模擬高速列車在不同線路設(shè)計(jì)方案上的運(yùn)行行為,實(shí)現(xiàn)行車安全評(píng)估,為高鐵選線設(shè)計(jì)提供了先進(jìn)手段?;谠摾碚撎岢龅能囕v與線路動(dòng)力性能最佳匹配設(shè)計(jì)方法,可以確定出最優(yōu)的曲線設(shè)計(jì)參數(shù)。而多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),也驗(yàn)證了該理論方法的正確性,該方法已在我國(guó)高鐵線路設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。

挑戰(zhàn)2:如何保障橋上高速行車安全平穩(wěn)性?

以前,我國(guó)鐵路橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)僅適用200km/h以下速度,無(wú)法滿足200-350km/h高鐵橋梁設(shè)計(jì)需求,如何評(píng)估確認(rèn)高速列車過(guò)橋的安全性?針對(duì)這一挑戰(zhàn),原鐵道部設(shè)立重大科技專項(xiàng),組織國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)力量,成立跨學(xué)科課題組,翟婉明院士擔(dān)任組長(zhǎng),研究建立了列車-軌道-橋梁動(dòng)力相互作用理論,研制了高速列車過(guò)橋動(dòng)力學(xué)分析系統(tǒng)TTBSIM,提出了高速列車過(guò)橋動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)安全評(píng)估方法。該技術(shù)已全面應(yīng)用于我國(guó)高鐵橋梁動(dòng)力安全設(shè)計(jì),直接支撐了高鐵橋梁工程建設(shè)。

挑戰(zhàn)3:如何自主研制適合中國(guó)鐵路運(yùn)行的高速動(dòng)車組?

引進(jìn)動(dòng)車組設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,不能互聯(lián)互通,運(yùn)營(yíng)組織困難,維修成本極高。我國(guó)高速列車采用“引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新”模式。然而,有兩個(gè)難點(diǎn)需要解決:一是如何在短時(shí)間內(nèi)消化世界上四種源于不同技術(shù)體系的動(dòng)車組技術(shù),二是引進(jìn)動(dòng)車組基于國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),不完全適用于中國(guó)鐵路,如何提高其線路適應(yīng)性。鐵路部門的解決思路是——剖析國(guó)外高速動(dòng)車組設(shè)計(jì)原理,破解國(guó)外高速動(dòng)車組技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),掌握國(guó)外高速動(dòng)車組關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)“產(chǎn)學(xué)研用”聯(lián)合攻關(guān),我國(guó)先后掌握了動(dòng)車組總成、車體、轉(zhuǎn)向架、牽引變流器等核心技術(shù),實(shí)現(xiàn)了我國(guó)高速列車技術(shù)“從無(wú)到有”,構(gòu)建了高速動(dòng)車組研發(fā)與制造平臺(tái),形成了技術(shù)研發(fā)隊(duì)伍,為高速列車技術(shù)再創(chuàng)新打下基礎(chǔ)。我國(guó)隨后于2012年組織開(kāi)展“中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組”復(fù)興號(hào)高速列車的自主化研制工作。

挑戰(zhàn)4:不同類型動(dòng)車組與不同制式軌道的運(yùn)營(yíng)匹配性

不同制式車輛、軌道的組合匹配,帶來(lái)了一系列國(guó)外高鐵未曾遇見(jiàn)的問(wèn)題:部分線路區(qū)段乘車舒適性下降,某些線路出現(xiàn)晃車、抖車等異常振動(dòng),輪軌異常磨損問(wèn)題等。翟婉明院士表示,通過(guò)一系列的理論研究、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與工程實(shí)踐,這些問(wèn)題基本得到控制。然而,解決我國(guó)高鐵出現(xiàn)的車-軌匹配問(wèn)題,需要在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)實(shí)踐中不斷研究探索。

挑戰(zhàn)5:如何保持高速列車長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的平穩(wěn)性?

在高鐵運(yùn)營(yíng)的過(guò)程中,為了實(shí)現(xiàn)高平穩(wěn)性與高舒適性,主要的對(duì)策:一是通過(guò)對(duì)高速列車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),保證優(yōu)秀的車輛動(dòng)力學(xué)性能;二是建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)高鐵線路,實(shí)現(xiàn)亞毫米級(jí)的精度控制,確保軌道幾何形態(tài)的高平順性。但面臨的問(wèn)題是,隨著高鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加,在高速列車動(dòng)荷載與復(fù)雜環(huán)境因素的交互作用下,高鐵基礎(chǔ)沉降、軌道結(jié)構(gòu)變形、輪軌界面磨損等問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)。這些問(wèn)題將惡化軌道幾何形態(tài),加劇車輛振動(dòng),導(dǎo)致乘坐舒適性下降。那么,如何長(zhǎng)期維持高鐵軌面幾何形態(tài)的高平順性?翟婉明院士表示,在國(guó)家973計(jì)劃、NSFC重大項(xiàng)目持續(xù)支持下,已完成高速鐵路基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能演變及服役安全相關(guān)基礎(chǔ)研究,為制定高鐵運(yùn)維標(biāo)準(zhǔn)打下一定基礎(chǔ)。但科學(xué)制定出《中國(guó)高鐵線路運(yùn)維標(biāo)準(zhǔn)》,仍然是當(dāng)前及今后的重要任務(wù)。

挑戰(zhàn)6:超大高鐵網(wǎng)的智能監(jiān)測(cè)與安全預(yù)警

我國(guó)地質(zhì)氣象環(huán)境極其復(fù)雜,地震、強(qiáng)風(fēng)、泥石流等自然災(zāi)害均會(huì)威脅高鐵行車安全。在這樣的背景下,要依靠現(xiàn)代化的智能感知、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與在線評(píng)估技術(shù),構(gòu)建高鐵運(yùn)營(yíng)安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng),保障高鐵安全。目前我國(guó)已著手開(kāi)展典型高速動(dòng)車組服役性能長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè),以及關(guān)鍵高鐵線路基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。翟婉明院士指出,我國(guó)高鐵規(guī)模世界第一,運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變,國(guó)內(nèi)外罕見(jiàn),構(gòu)建高鐵全網(wǎng)安全監(jiān)測(cè)預(yù)警體系,任重道遠(yuǎn),亟待加快推進(jìn)步伐。

最后,對(duì)于中國(guó)高鐵未來(lái)的發(fā)展,翟婉明院士帶領(lǐng)大家進(jìn)行了展望。翟婉明院士表示,中國(guó)高鐵已經(jīng)由大規(guī)模“設(shè)計(jì)建造”階段轉(zhuǎn)入長(zhǎng)期、安全、穩(wěn)定“運(yùn)營(yíng)維護(hù)”階段,現(xiàn)階段的重點(diǎn)任務(wù)是建立與完善“中國(guó)高鐵運(yùn)營(yíng)維護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”、研究建立“中國(guó)高鐵安全監(jiān)控與預(yù)警技術(shù)體系”。

在他看來(lái),未來(lái)中國(guó)高速鐵路的發(fā)展方向,將是:更高速快捷——要探尋高速列車最高運(yùn)營(yíng)速度的最佳目標(biāo)值;更安全可靠——要確保高速列車在任何時(shí)刻、任何位置、任何環(huán)境條件下始終處于安全狀態(tài);更綠色環(huán)保——速度不是唯一追求目標(biāo),綠色、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展是前提條件;更智能方便——要借力現(xiàn)代信息化與智能化技術(shù),給老百姓乘坐高鐵帶來(lái)更好體驗(yàn)。

“為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo),需要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)中國(guó)高鐵技術(shù)的發(fā)展與突破。首先,要實(shí)現(xiàn)高鐵長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的安全性、可靠性與經(jīng)濟(jì)性;其次,要建立先進(jìn)的高鐵運(yùn)營(yíng)維護(hù)技術(shù)體系和安全預(yù)警系統(tǒng);第三,研究低能耗、低振動(dòng)、低噪聲的高鐵技術(shù);最后,推動(dòng)現(xiàn)代信息技術(shù)與人工智能技術(shù)在高鐵上的應(yīng)用。”翟婉明院士說(shuō)。

翟婉明院士表示,中國(guó)高鐵發(fā)展的最終目標(biāo),就是要實(shí)現(xiàn)中國(guó)高鐵持續(xù)引領(lǐng)世界的偉大夢(mèng)想。

編輯:卓卓

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