我之所愿 延伸的铁路线

2021年，北京交通大学（以下简称“北交大”）土木建筑工程学院本科毕业的迟义浩同学以全学院第一的优异成绩保送本校，直接攻读道路与铁道工程专业博士学位。求学路上，他深入铁路一线，破解工程难题，在实践中不断练就过硬本领。

降服“大机捣固”

为了提前适应研究生学习，2021年7月，迟义浩申请加入导师肖宏教授的一个国家自然科学基金项目。他和师兄一起来到中国铁路北京局集团有限公司北京大型养路机械运用检修段进行现场调研，这里主要进行车辆的养护、维修工作。在调研中，工作人员提到了一个困扰他们多年的工作难题：如何提高大机捣固作业的效率？

什么是大机捣固？为了解决铁路在长期行驶中出现的钢轨及轨枕水平高度参差不齐的情况，保证列车日常运输的安全运行，同时也为了提高旅客的舒适度，在铁路线路新线施工和既有线大中修清筛作业后，会通过大型养路机械（捣固车）定期对线路进行一次重要的维修养护作业——大机捣固。这种做法能提高铁路道床道砟（用来铺设铁路路基的石子）的密实度，从而增加轨道的稳定性，消除轨道方向和前后高低等偏差，使轨道线路达到设计标准和维修规则的要求。

但在实际施工中，养护师傅常感到工作效率低下，虽然每次都严格按捣固车设定的参数标准进行捣固，但质量评估员在进行质量回检时，总能发现轨道面仍存在高低不平的起伏现象。为此，养护师傅又得加班返工，再次对已完成捣固的一整条线路进行检查并处理问题。

为了弄清原因，迟义浩向维修人员请教了“大机捣固”的工作原理。捣固车主要是利用成对高频振动的捣镐（一套有16个）来进行自动抄平、起拨道、道碴捣固等作业。当捣镐同时插入轨枕两侧后，在规定的深度位置，通过高频振动和偏心轴摇摆振动原理，道砟被稳定地捣入轨枕的缝隙下。通过道砟的流动、聚集和重组，提高道床道砟的密实度，从而起到稳定起拨道后轨道的位置、提高道床缓冲能力、消除某些线路病害等作用。

捣固可是个技术活。据师傅介绍，捣镐振动频率通常分为快、中、慢3档，如果捣得太快，容易把道砟震碎；太慢，道砟的挤压劲儿小，就会比较松散，可能达不到捣固要求。有人说：“那干脆折中，采用中档，麻烦不就全解决了？”事实并非如此，由于道路结构复杂，有的区域需要用快档捣固，有的只要中档就可以；有的区域捣固一次就可以了，有的要反复捣固几次才能密实"。所以，捣固设备不止有3个档位，还有加速力频率、驾驶时间等多个控制参数，一切都要根据实际情况选择。目前，大机捣固作业主要靠人的经验判断，即便经验丰富的师傅，也难免会有出错之时。

不光影响工作效率，师傅们更担心钢轨上出现“三角坑”现象。正常情况下，铁路钢轨的两侧应是规整的。可有的师傅曾在作业后发现，被捣固的一侧轨枕确实变得更坚实了，但另一侧的轨枕下却出现了松动。因此，从钢轨的纵向平面上看，凹凸不平的轨道面和中间的平面就形成了一个“三角坑”。

与汽车不同，铁路机车的转向是在转向架上完成的，因而车轮应始终保持在同一平面上。当轨道出现“三角坑”后，机车在转向时，就可能会出现受力不均匀的情况，只有3个车轮支撑机车，有1个车轮碰不到钢轨。时间长了，机车就会出现金属疲劳，导致仪器精度受损。轻则在车辆行驶中出现颠簸现象，极少数严重情况下，甚至会发生翻车。

当听完工人反映的情况后，迟义浩和师兄想，可以通过建立离散元——多柔性体耦合（指两个或两个以上的体系或两种运动形式通过相互作用而彼此影响的现象）动力学的方式，实现大机捣固作业的精细化模拟，通过仿真分析捣固作业主要参数，探究捣镐在不同频率、时间、次数下的作业情况，评估道床质量状态变化过程，进而优化捣固参数。

要想较为全面地了解捣固后道床的质量状态，必须收集大量数据进行分析比对。迟义浩了解到，利用现有的测试设备和手段，检测到一组捣固数据通常需要两三个小时，而且还要四五个人协作完成。为了提高效率，他和师兄采用非接触测量的方法，通过专门的相机设备摄录整个大机捣固的过程，再将数据传回电脑，进行精细的分析比对，进而对各项设备参数进行调整优化。

2021年10月和2022年7月，迟义浩和项目组的同学在导师的帮助与指导下，多次前往大机捣固作业现场进行数据采集与分析，来验证模拟仿真方案的可行性。他们在捣固车上安装了一个振动加速度的传感器，通过读取振动数据来推断道床状态，再根据不同的道床状况，选择适合的捣固参数。

白天，在轰鸣如雷、灰尘四起的施工现场，迟义浩不间断进行着仿真模拟计算。晚上，等工人干完活休息时，他又马不停蹄地检测、评估这种方法的效果。最忙碌时，他3天只睡了5个小时。作业中，几乎每天都会出现新问题，迟义浩不急不躁，见招拆招。一天下大雨，原本采集顺畅的仪器突然就不灵了，一通检查后发现是传感器坏了。这捣固车不像高铁是全封闭的，下雨时，雨水顺着车顶棚斜渗下来，导致传感器进水。有了这次的教训，迟义浩将传感器安装到车底的转向架上。这回雨是淋不着了，可又有新情况：火车车底板上都有一个圆型的塑料件，被称为冲击吸收器，它主要是起减振作用的。当传感器移过去后，原本设置好的参数受到影响，又得重新调整。

经过1年多的测试与仿真实验，迟义浩和项目组的同学们不断深化大机捣固研究，为有砟轨道的安全运营及养护维修提供了有力的技术指导。目前，相关参数仍在继续优化中。

等一场雪

随着我国“交通强国”战略的扎实推进，高速铁路在东北、新疆北部等寒冷地区也逐渐建设发展。2020年12月26日，银川至西安的银西高铁开通，宁夏自此接入全国高铁网络。2021年，国铁集团立项重点课题，研究严重影响严寒地区高速有砟铁路运营安全的冰雪飞溅问题，探究冰雪飞溅的机理、影响因素及防治措施等。由中国铁路兰州局集团有限公司牵头，联合中国铁道科学研究院集团有限公司和北京交通大学共同开展研究。高寒地区的冬季经常会出现低温冰雪天气，在雪天运行的列车，其车体及车底的转向架上常常裹满了积雪、积冰。但当列车行进到相对温暖的地区时，积冰便开始融化并逐渐掉落。当高铁的速度达到350"km/h时，就意味着融冰将以100"m/s左右的速度砸向道床。如此巨大的冲击力会使道床上的道砟四处飞溅，有的道砟会砸到信号机、应答器，有的能弹到沿铁路线上空为列车输送电力而架设的接触网上，有的甚至能飞到高铁外防护网上，对行人造成威胁这严重影响了高铁的运行效率及行车安全。

2022年1月，项目一开题，迟义浩就和铁科院的工作人员前往兰州铁路局进行现场调研。当地工作人员向他们介绍情况时，提到最多的就是其管辖范围内的银西等高铁线路已出现了多处冰块脱落致使道砟击打应答器，严重损坏设备的现象。作为监控车辆运行状态的信号设备，应答器被安装在钢轨中间的轨枕上。当有列车经过时，它能实时捕捉列车信号，并把数据传送到控制室。一旦应答器出现故障，动车组司机不能及时接收线路信息，就可能出现“断网”，造成列车晚点甚至停运。

针对冰雪飞溅的问题，目前国内外学者的研究主要集中在对轨道结构和车体的影响上，对应答器产生影响的文献报道较少，缺乏对列车高速运行下冰块脱落致使道砟击打应答器的量化认识，更无法科学指导养护维修。所以只要下雪，一般就采取降速运营的办法。实际上，在保证列车安全性和运营效率的前提下，列车速度是否必须降低，还是能够维持到200"km/h甚至更高？

迟义浩请工作人员提供了在银西高铁线上运营的主要车型、列车时速及轨道结构的参数。最终，他选定以银西高铁上主要运行的CRH380B型动车组列车为例，构建了高速列车——有砟轨道冰雪飞溅精细化仿真模型。

2022年1月的一天，时刻关注银川天气的迟义浩等来了一场期盼已久的大雪。但不凑巧的是，此时迟义浩正在北京进行另一项有关地铁振动噪声的研究课题，因为检测任务不能间断，他无法脱身，只能委托家在甘肃的师兄赶到位于银川市郊的银川动车所。

每天0点至4点是动车检修时段，在车库里，师兄拍摄了许多珍贵的现场照片，许多车辆的底部确实结了厚厚的冰，车辆底部、侧面都有被道砟击打的痕迹，就连保护车轮的塑料裙带也被砸得坑坑洼洼。有了冰雪天气下行车速度、横风条件、冰块质量等的真实数据，迟义浩建立的车厢底板结冰脱落致使道砟击打应答器的仿真模型越来越精确。

经过1年半的努力，迟义浩建立了基于离散元——多柔性体动力学——流体力学耦合的冰雪飞溅仿真模型，实现了冰雪飞溅全过程的精细化模拟，探究出列车运行速度是诱发冰雪条件下道砟飞溅的主要影响因素之一。他指出，随着列车运行速度提高，飞溅道砟数量显著增加。道砟飞溅击打列车底板的临界速度为250"km/h。当行车速度从150"km/h提升至350"km/h"时，飞溅道砟数量从1个最多增至16个。而当行车速度为150"km/h和200"km/h时，未发生因道砟飞溅造成列车底板受击打现象。基于此，迟义浩建议在冰雪天气严重的高铁线上，为减少道砟飞溅击打车体底部，在不采取任何防治融冰脱落措施的条件下，运营速度应低于200"km/h。这份建议稿和解决方案获得了相关单位的认可，并在列车实际运营中加以采纳。

“京城守夜人”

这天23点32分，北京地铁6号线结束了一天的运营。半小时后，迟义浩和几名项目组的同学出现在“青年路”站站台上。只见大家熟练地换上厚厚的绝缘鞋，套上反光马甲，扛着足有20公斤重的检测仪器，走进了幽深的地铁隧道

一行人的目的地是分布在地铁6号线轨道上的实验点，他们要完成一项有关地铁减振降噪治理项目的检查测试服务。来到实验点后，同学们快速安装设备，测试接收信号，确保设备能够正常工作。这样一来，当白天有列车经过时，传感器就能采集到轨道上的变化数据。第二天晚上，同学会将传感器拆下来，取回里面的数据拿到实验室进行分析、研究。

北京地铁6号线，被认为是在行驶过程中产生噪音和振动最严重的线路之一。与轰鸣声成正比的是车内的颠簸，每当噪音严重时，车内颠簸也比较严重，这极大影响了乘客的舒适感。不仅如此，生活在6号线沿线的居民，尤其是一些上了年纪的老人，也反映地铁的振动噪音影响了他们的日常作息。

地铁的振动噪音到底是怎么形成的？迟义浩解释，地铁车轮和钢轨接触的踏面上哪怕有微米级的表面不平顺，都会通过轮轨接触使两者产生振动。在密闭的隧道中，噪音无法快速向外传播或衰减，就会向车厢内传播。在地铁运行期间，列车每隔几分钟就会经过轨道一次。沉重的压力经年累月作用在轨道上，使得轮轨粗糙度变大，随之产生的振动噪音也变得越来越大。

当地铁列车的车轮和钢轨匹配程度不好，比如不同品牌的列车轮轨其踏面不同，不同生产厂商的轨道标准也不同，车辆与线路存在非常复杂的耦合作用关系，就会造成异常波磨（“波浪型磨损”的简称，主要指钢轨顶面出现的波浪状不均匀磨耗，是钢轨磨耗的主要形式之一）。异常波磨不仅会加剧轮轨之间的振动，也会加剧噪声的产生。

此外，地铁噪音也有线路设计的原因。地铁在城市中穿梭，设计了很多曲线路段，这容易产生钢轨波磨。而当列车通过曲线路段时，很容易激发车轮跟钢轨横向方向的振动模态，这时就像喇叭一样，形成了显著的声辐射。当地铁通过道岔（列车从一股道转入另一股道的线路连接设备）时，因为道岔区的线路不连续性，也容易产生车辆横向运动和轮轨冲击噪音。波磨还会导致车辆螺栓松动、扣件弹条断裂和道床伤损等，甚至损伤列车构架和车体。

传统的检修方式是当地铁结束运行后，由维护人员进行拉网式排查，再对钢轨和车轮的粗糙处进行打磨或削平。这种检修方式不仅费时费力，而且属于事后检修，往往在轨道结构件发生明显改变时才能发现问题。如果能把事后检修变成事前预防，就能降低对人力的依赖程度。

从2016年起，北交大土建工程学院承接了北京地铁关于城市轨道交通安全监测技术研究与示范的项目。迟义浩大四保研后，也顺理成章加入到项目团队中。针对地铁噪音的问题，他们想利用传感器尽可能多地收集铁轨波形变化的数据，再通过人工智能的深度学习，计算钢轨波磨的演变过程，做地铁钢轨的全寿命检测，对钢轨未来的磨损情况进行预测。

直到深入地铁轨道后，迟义浩才发现，其轨道结构十分复杂，同一段区间内可能就有四五种不同型号的轨道结构。不同类型的轨道结构导致检测数据各不相同，他只能根据具体情况逐个分析。

“工作时间挺紧张的。”迟义浩说。北京地铁末班车一般在23点30分左右结束运营。如今随着人流量的增大，为应对不同客流需求和特殊情况，经常会采取延长运营时间的措施。有一次因为地铁凌晨1点多才停运，迟义浩他们等到1：30才被允许下隧道工作。北京地铁首班车约在凌晨5点左右发出，为确保运行安全，地铁公司会提前1个小时先运行一趟实验列车，这意味着同学们必须要在4点前结束工作。

在不到4小时的时间里，小组要完成一整个区间（地铁一站）的检测任务。地铁一站地约为1公里，想测得精准，设备的移动速度最好别超过1米/秒。拉着仪器好不容易走上一个来回后，才只检测了一侧钢轨的数据。他们还要继续完成另一侧钢轨的检测。如此算下来，一晚上至少得走4公里路。“绝缘鞋很硬，走久了，脚后跟能疼一天。”迟义浩说。夜间地铁停运后，空调关闭了，隧道里温度普遍比外面高5-10℃，拖着几十斤重的仪器暴走几小时，全身湿透是常有的事。有天晚上，因为线路中有一站暂缓开通，他们足足在黑黢黢的隧道里检测了两个区间，走了8公里。

从2021年进入地铁减振项目，迟义浩平均每个月都要下地铁10次左右。因为监测连贯性的需要，他们的工作不能间断。日常辛苦自不在话下，就连寒暑假，项目组的同学也只能轮流休假。迟义浩已经连续3年没在家过元宵节了，“暑假长一点儿，能陪爸妈待上两周。”迟义浩说，大家笑称自己是“京城守夜人”。

2017年，刚读大一的迟义浩曾对自己的专业感到彷徨。按照学校的政策，如果成绩能达到全院前5%，就可以不用参加考试直接转专业。他为此拼命学习，一举拿下全院专业第一。明明可以选择心仪的计算机专业了，迟义浩却犹豫了。2016年，国务院印发《中长期铁路网规划》（2016-2025年），提出中国铁路2035年、2050年发展目标和主要任务，描绘了新时代中国铁路发展的美好蓝图。经济发展，交通先行。在日常的学习、生活中，迟义浩深刻感受到国家加快建设交通强国的决心和力度。自己所在的北交大铁道工程专业不仅是国家级重点学科，也在“软科世界一流学科排名”中多次排名世界第一。“我只想继续站在世界第一的肩膀上，延伸祖国的铁路线。”回忆起当时的转变，迟义浩的脸上仍难掩自豪之情。

2024年3月，第十八届“大学生年度人物”推选展示活动结果进行公示，迟义浩入选“大学生年度人物”提名候选人名单。

责任编辑：刁雅琴