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發(fā)布時(shí)間:2025-06-13 閱讀次數(shù):82
劉金朝：首創(chuàng)短波不平順動(dòng)態(tài)識(shí)別技術(shù)捍衛(wèi)高鐵運(yùn)營(yíng)安全丨講述·弘揚(yáng)科學(xué)家精神
第四屆“感動(dòng)鐵科”年度人物獎(jiǎng)
劉金朝，國(guó)鐵集團(tuán)專(zhuān)業(yè)帶頭人，鐵科院集團(tuán)公司主任研究員，基礎(chǔ)所副總工程師，博士生導(dǎo)師。長(zhǎng)期從事基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)分析和綜合評(píng)估研究，首創(chuàng)高速鐵路軌道亞毫米級(jí)短波不平順動(dòng)態(tài)識(shí)別技術(shù)，攻克從高頻寬帶響應(yīng)信號(hào)中自適應(yīng)提取軌道亞毫米周期性不平順的難題，提出利用軸箱加速度診斷軌道亞毫米級(jí)不平順狀態(tài)的方法和指標(biāo)。榮獲日內(nèi)瓦國(guó)際發(fā)明獎(jiǎng)銀獎(jiǎng)，國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)，天津市科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)，中國(guó)鐵道學(xué)會(huì)科技一等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)，第十七屆詹天佑成就獎(jiǎng)、茅以升鐵道科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)，所帶團(tuán)隊(duì)榮獲詹天佑創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)獎(jiǎng)。
當(dāng)數(shù)學(xué)之美遇上工程之匠心
“你這數(shù)學(xué)方法是挺好的，但是能解決工程問(wèn)題嗎？”
這是劉金朝博士后出站，剛?cè)肼氳F科院時(shí)同事對(duì)他的“疑問(wèn)”。
如何將自己所學(xué)應(yīng)用鐵路建設(shè)是躊躇滿志的劉金朝醞釀的課題。面對(duì)同事的“疑問(wèn)”，“我第一反應(yīng)是不服氣的，雖然不是鐵路相關(guān)專(zhuān)業(yè)出身，但在博士和博士后期間做了與鐵路相關(guān)的大量分析工作，具備了一定基礎(chǔ)。冷靜下來(lái)一想，我確實(shí)對(duì)工程還有很多理解不到位的地方?！眲⒔鸪t虛地說(shuō)。
哪里既有豐富數(shù)據(jù)又與工程聯(lián)系緊密？
彼時(shí)正趕上高速綜合檢測(cè)列車(chē)啟動(dòng)研制。以高速動(dòng)車(chē)組為載體，裝備專(zhuān)用檢測(cè)系統(tǒng)，在保證各系統(tǒng)時(shí)空同步的前提下，對(duì)線路軌道、牽引供電、通信、信號(hào)等基礎(chǔ)設(shè)施，輪軌和弓網(wǎng)接觸狀態(tài)及列車(chē)舒適性指標(biāo)等進(jìn)行高速動(dòng)態(tài)檢測(cè)。
2010年12月，京滬高鐵進(jìn)入聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段，劉金朝主動(dòng)請(qǐng)纓隨檢測(cè)車(chē)檢測(cè)，“當(dāng)時(shí)每天就是跟著車(chē)跑，白天借助車(chē)載檢測(cè)設(shè)備采集數(shù)據(jù)晚上分析，我相信評(píng)定完的數(shù)據(jù)終將能發(fā)揮巨大作用。”
隨著速度提升和運(yùn)營(yíng)時(shí)間增加，鐵路工務(wù)工程人員發(fā)現(xiàn)，軌道在車(chē)輛動(dòng)載荷反復(fù)作用下結(jié)構(gòu)狀態(tài)產(chǎn)生變化，微小變形積累到一定程度會(huì)形成軌道不平順，不及時(shí)整治將演變?yōu)椴『?，出現(xiàn)鋼軌彈條斷裂、軸箱螺栓松動(dòng)等情況。但是，長(zhǎng)波和中波軌道幾何檢測(cè)不能解決問(wèn)題，且因國(guó)內(nèi)高鐵線路縱貫?zāi)媳薄⒋┰蕉喾N地形地貌、運(yùn)營(yíng)里程長(zhǎng)和運(yùn)行速度高，與國(guó)外高鐵運(yùn)營(yíng)情況迥異，國(guó)外經(jīng)驗(yàn)和指標(biāo)不能直接借鑒。
隨著新建高鐵線路聯(lián)調(diào)聯(lián)試采集的大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用，劉金朝如愿將數(shù)學(xué)知識(shí)與鐵路工程問(wèn)題結(jié)合分析。通過(guò)將高頻動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為低頻數(shù)據(jù)解決數(shù)據(jù)隨機(jī)性，攻克絕對(duì)閾值難確定關(guān)卡，運(yùn)用逐步迭代思想將算法效率提升10倍，建立短波不平順一致性評(píng)價(jià)方法，填補(bǔ)高鐵軌道短波不平順病害評(píng)判方法空白。在國(guó)鐵集團(tuán)支持下，該套評(píng)價(jià)方法在鐵路工務(wù)部門(mén)得到推廣應(yīng)用，軌道上的數(shù)學(xué)之美成為安全基石，又蘊(yùn)含了無(wú)限可能。
在國(guó)際上率先提出診斷短波病害方法
截至2024年底，我國(guó)高速鐵路營(yíng)業(yè)里程已達(dá)4.8萬(wàn)公里。如何在數(shù)萬(wàn)公里線路上實(shí)現(xiàn)快速且精準(zhǔn)檢測(cè)，是劉金朝帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域錨定的研究方向。
軌道不平順按其波長(zhǎng)可分為短波、中波和長(zhǎng)波不平順3類(lèi)。波長(zhǎng)1m以下短波不平順的幅值很小，在0.1~2.0mm范圍內(nèi)，主要是由鋼軌接頭焊縫，道岔以及鋼軌不均勻磨耗，波浪和波紋磨耗等因素造成的。由于軌道幾何檢測(cè)系統(tǒng)能夠檢測(cè)到的軌道不平順波長(zhǎng)通常在2~150m之間，難以評(píng)判短波不平順對(duì)高速鐵路軌道—車(chē)輛系統(tǒng)運(yùn)行疲勞可靠性的影響，這就需要研究其他輔助評(píng)判手段。
于是，劉金朝和團(tuán)隊(duì)勇闖鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)技術(shù)無(wú)人區(qū)。“在追尋道岔短波病害期間，我們投入了大量時(shí)間與精力，經(jīng)過(guò)多番研究探索，成功發(fā)現(xiàn)與道岔區(qū)軌道沖擊指數(shù)大值吻合的是膠接絕緣接頭?！眲⒔鸪瘧┣械卣f(shuō)，“只有找到問(wèn)題源頭，才能解決好軌道短波病害，避免對(duì)工務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施的疲勞壽命產(chǎn)生影響?！?/p>
為此，劉金朝帶著團(tuán)隊(duì)深入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行“驗(yàn)算”。2019年，帶著數(shù)據(jù)分析結(jié)果，他們前往京廣高鐵岳陽(yáng)段開(kāi)展工作。氣蒸云夢(mèng)澤，波撼岳陽(yáng)城。洞庭湖邊的美景無(wú)暇顧及，瀟瀟風(fēng)雨卻讓他印象深刻。當(dāng)時(shí)正值雨季，頂風(fēng)冒雨中，大家堅(jiān)持上道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核。忘卻了周遭環(huán)境的艱辛，只記得最后成功的喜悅，他們最終直觀地找到數(shù)據(jù)特征和鋼軌物理特征間的聯(lián)系，也就是通過(guò)“異?！睌?shù)據(jù)精確定位鋼軌病灶。
不遺余力地“刨根問(wèn)底”，劉金朝帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)拓了利用高頻軸箱加速度評(píng)判軌道短波狀態(tài)的研究方向，攻克從高頻寬帶響應(yīng)信號(hào)中自適應(yīng)提取軌道亞毫米周期性不平順的難題，在國(guó)際上首次提出診斷接頭不良、鋼軌波磨等短波病害的方法和指標(biāo)，即軌道沖擊指數(shù)（TII）和鋼軌波磨指數(shù)（RCI），實(shí)現(xiàn)時(shí)速350公里等速檢測(cè)下焊接接頭不良、表面擦傷、波磨等軌道短波病害的在線快速識(shí)別。
科研成果于2018年起在全國(guó)高鐵線路周期性檢測(cè)中應(yīng)用，2023年納入《高速鐵路線路維修規(guī)則》，每年完成120萬(wàn)公里以上高鐵線路的亞毫米級(jí)短波不平順檢測(cè)，為鐵路線路維護(hù)提供技術(shù)支撐，實(shí)質(zhì)性地提高了我國(guó)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的檢修效率，有效保障高速鐵路的行車(chē)安全。
科研與學(xué)術(shù)傳承兩手抓
“心中對(duì)科研的那份熱愛(ài)，已經(jīng)悄然織入光陰流轉(zhuǎn)的脈動(dòng)。”提及勇攀科研高峰的驅(qū)動(dòng)力，劉金朝如是說(shuō)。
在學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域，劉金朝負(fù)責(zé)國(guó)家973和863子課題、國(guó)家自然科學(xué)基金、省部級(jí)科研項(xiàng)目15項(xiàng)。獲第十七屆詹天佑成就獎(jiǎng)，國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，天津市科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)1項(xiàng)，第十屆茅以升科技獎(jiǎng)，鐵道學(xué)會(huì)科技一等獎(jiǎng)3項(xiàng)，日內(nèi)瓦國(guó)際發(fā)明獎(jiǎng)銀獎(jiǎng)1項(xiàng)。多年來(lái)，他筆耕不輟，系統(tǒng)總結(jié)學(xué)術(shù)問(wèn)題和研究成果，在《Proc. of Royal Society A》《Vehicle system dynamics》《中國(guó)科學(xué)》《中國(guó)鐵道科學(xué)》等學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文125篇，SCI/EI檢索85篇，授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利30項(xiàng)。
科研收獲累累碩果的同時(shí)，劉金朝還為檢測(cè)數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域培養(yǎng)了30余名碩博士。面對(duì)來(lái)自數(shù)學(xué)、振動(dòng)和土木工程等不同專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，劉金朝為他們“量身定制”課程，補(bǔ)足專(zhuān)業(yè)短板，為適應(yīng)未來(lái)將從事的軌道工務(wù)工作夯實(shí)基礎(chǔ)、校準(zhǔn)方向，推動(dòng)研究與學(xué)術(shù)傳承?！拔覍?duì)學(xué)生要求很高，不僅要發(fā)表高質(zhì)量的論文成果，還著重培養(yǎng)他們理論聯(lián)系實(shí)際的能力，更精準(zhǔn)服務(wù)于鐵路現(xiàn)場(chǎng)需求?！眲⒔鸪院赖卣f(shuō)，“而他們也不負(fù)期待，都是有學(xué)術(shù)追求，肯吃苦鉆研的學(xué)生?！?/p>
在學(xué)生們心中，劉金朝精通仿真計(jì)算，擅長(zhǎng)數(shù)據(jù)分析處理，從紛繁復(fù)雜的數(shù)據(jù)現(xiàn)象中抽絲剝繭找出問(wèn)題，豐富的數(shù)學(xué)和鐵路工程知識(shí)儲(chǔ)備讓他們受益匪淺。不僅如此，特別是他所散發(fā)的溫文爾雅學(xué)者氣質(zhì)，那種深耕科研的執(zhí)著、投身鐵路的熱情，更為他們樹(shù)立了前行的榜樣。
張茂軒就職于基礎(chǔ)所檢測(cè)試驗(yàn)部，2016年師從劉金朝，攻讀碩士學(xué)位。“讀研的時(shí)候，有一次面對(duì)低效算法我束手無(wú)策，劉金朝老師了解了前因后果后，精準(zhǔn)地指出了問(wèn)題所在，然后用一個(gè)精簡(jiǎn)而關(guān)鍵的公式讓我茅塞頓開(kāi)，改進(jìn)后的新算法效率得到顯著提升?！边@次導(dǎo)師醍醐灌頂般的學(xué)術(shù)指導(dǎo)所帶來(lái)的激動(dòng)與豁然，使張茂軒至今銘記。
劉金朝令學(xué)生“崇拜”的不僅是對(duì)數(shù)字的敏銳和用數(shù)學(xué)思維解決鐵路工程問(wèn)題的“魅力”，還有他事必躬親的嚴(yán)謹(jǐn)教學(xué)態(tài)度。
“一開(kāi)始我們也不清楚采集分析的數(shù)據(jù)在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)應(yīng)哪些問(wèn)題，劉老師帶著我們6個(gè)學(xué)生去京滬、京廣高鐵進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)‘教學(xué)’，沿著鋼軌尋找與檢測(cè)異常數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的部位，將病害位置逐一確認(rèn)，這樣一來(lái)我們對(duì)病害數(shù)據(jù)波形特征的認(rèn)識(shí)一下清晰起來(lái)。劉老師手把手的指導(dǎo)，讓我們對(duì)所從事研究的應(yīng)用效果有了更具象化了解?！眲⒔鸪刂撥壡靶械漠?huà)面一直清晰地印記在張茂軒記憶深處。
勇攀高峰、集智攻關(guān)，劉金朝和團(tuán)隊(duì)正在將這套短波評(píng)判方法的應(yīng)用擴(kuò)展至普速鐵路、重載鐵路和城軌。他們還深入推進(jìn)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)、試驗(yàn)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的鐵路動(dòng)力學(xué)仿真平臺(tái)研制等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，對(duì)復(fù)合型短波和區(qū)段型短波病害開(kāi)展深入研究，為提升我國(guó)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施智能運(yùn)維水平提供堅(jiān)實(shí)的理論支撐和技術(shù)保障，為高鐵安全運(yùn)營(yíng)保駕護(hù)航。
