沈志云 高鐵領(lǐng)域的先驅(qū)科學(xué)家

| 文 · 王壇壇

2008年8月，中國第一條具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、當(dāng)時(shí)運(yùn)營速度最快的高速鐵路京津城際鐵路開通運(yùn)營；2017年6月，以“復(fù)興號(hào)”命名的由中國鐵路總公司牽頭組織研制、具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組成功研制生產(chǎn)并上線運(yùn)營，標(biāo)志著中國鐵路技術(shù)裝備達(dá)到了“領(lǐng)跑世界”的先進(jìn)水平；2022年，智能復(fù)興號(hào)更是實(shí)現(xiàn)時(shí)速350公里自動(dòng)駕駛……

交通運(yùn)輸部的數(shù)據(jù)顯示，到2021年年底，中國高鐵運(yùn)營里程超過4萬公里，總里程能夠圍繞地球赤道一周，鐵路已經(jīng)覆蓋全國81%的縣，高鐵通達(dá)93%的50萬人口以上城市，線路總長、運(yùn)營速度、運(yùn)載人次等均居世界首位，中國高鐵的發(fā)展速度為世界所驚嘆，被年輕人譽(yù)為“新四大發(fā)明”之一。

中國高鐵從無到有，并由“追趕者”一躍成為世界鐵路的“領(lǐng)跑者”。目前，我國已成為世界上高速鐵路系統(tǒng)技術(shù)最全、集成能力最強(qiáng)、運(yùn)營里程最長、運(yùn)行速度最高、在建規(guī)模最大的國家。

高鐵成就的取得，離不開日益強(qiáng)大祖國的堅(jiān)強(qiáng)后盾，更離不開大批杰出科學(xué)家和科研技術(shù)人員多年的努力和奮斗。從普速鐵路到高速鐵路，從引進(jìn)消化吸收到自主創(chuàng)新，西南交通大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)一直帶著雄心與熱忱走在前列。作為國家高鐵研發(fā)的主要平臺(tái)之一，從動(dòng)車、高鐵，到磁懸浮，西南交通大學(xué)見證了中國鐵路的每一次進(jìn)步和提速。

作為西南交通大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)的一員，從提出“沈-赫追克-葉爾金斯”理論，到創(chuàng)建牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈志云參與、推動(dòng)和見證了中國高鐵技術(shù)從無到有、從追趕到領(lǐng)跑的發(fā)展歷程。

結(jié)緣鐵路

1929年，沈志云出生于湖南省長沙市。父親是鄉(xiāng)村小學(xué)教師，哥哥、姐姐都是中學(xué)教師。沈志云在良好的家庭氛圍中，從小求知上進(jìn)，勤奮好學(xué)。1943年-1949年，沈志云就讀于湖南國立師范學(xué)院附中。艱苦的生活、嚴(yán)格的訓(xùn)練、名師的教導(dǎo)，給他打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，他每學(xué)期成績都在全校名列前茅，獲得了各種獎(jiǎng)勵(lì)和榮譽(yù)。1949年8月長沙解放，沈志云赴武漢投考大學(xué)，以優(yōu)異成績被唐山工學(xué)院（現(xiàn)西南交通大學(xué)）、清華大學(xué)、武漢大學(xué)同時(shí)錄取，在武漢大學(xué)名列榜首。

3所名校，選誰？這成為擺在青年沈志云面前的一道“難題”。

當(dāng)時(shí)哥哥對(duì)沈志云說：“要學(xué)鐵路你就應(yīng)該選擇唐山工學(xué)院，它可是云集了國內(nèi)外鐵路專業(yè)知名專家學(xué)者。”

唐山工學(xué)院的前身是肇始于1896年的山海關(guān)北洋鐵路官學(xué)堂，擁有一套獨(dú)特的教學(xué)體系。最終，從小對(duì)鐵路和機(jī)車感興趣的沈志云聽從了哥哥的建議，就讀于唐山工學(xué)院機(jī)械系新中國成立后的第一班，從此與鐵路結(jié)下了一世之緣。

在唐山工學(xué)院“嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)”“嚴(yán)格要求”優(yōu)良校風(fēng)的熏陶中，在學(xué)術(shù)造詣高深的教授指導(dǎo)下，沈志云打下了深厚的專業(yè)理論功底，學(xué)習(xí)成績3年總平均名居前列。因當(dāng)時(shí)國家急需人才，他提前一年于1952年7月，結(jié)束了大學(xué)生活。

畢業(yè)后，沈志云留校當(dāng)助教。助教3年，沈志云天天寫教案，試講，做習(xí)題，輔導(dǎo)學(xué)生，雖然沒能正式上講臺(tái)，卻打下了扎實(shí)的理論力學(xué)功底，這對(duì)沈志云其后的科學(xué)研究非常有幫助。

1957年，沈志云被國家選派去蘇聯(lián)留學(xué)，學(xué)習(xí)車輛修理專業(yè)。

初到蘇聯(lián)列寧格勒鐵道學(xué)院，導(dǎo)師契爾諾可夫教授列出數(shù)十個(gè)選題供沈志云選擇研究，立志要做實(shí)事的他決定“先跑工廠，做完普遍研究后，再選擇題目”。正是這個(gè)靈光乍現(xiàn)的構(gòu)想，為沈志云以后終身的工作思路埋下鋪墊。“每一個(gè)行當(dāng)在生產(chǎn)中都有自己的問題，去生產(chǎn)實(shí)踐現(xiàn)場(chǎng)，才能發(fā)現(xiàn)真問題，然后上升到理論高度予以研究，問題解決后，再返回生產(chǎn)實(shí)踐中去驗(yàn)證?！鄙蛑驹普f。

當(dāng)時(shí)輔導(dǎo)沈志云的尼科拉耶夫教授，曾在一線工作17年。在學(xué)術(shù)造詣很高深的尼科拉耶夫教授的指導(dǎo)下，從幾十個(gè)研究課題中選擇“修理中的尺寸鏈”作為研究對(duì)象?！拔遗芨骷夜S時(shí)，注意到有個(gè)落車的問題，車輛修理好后要落在轉(zhuǎn)向架上，需要四平八穩(wěn)，否則只有重新弄?！碑?dāng)時(shí)，在他腦海里不斷思索的是怎樣才能解決一次落車問題。落車的最后高度由100多個(gè)尺寸鏈組織形成，“100多個(gè)尺寸鏈里頭都有誤差分布，這些誤差分布集中起來的最后誤差，如果能在允許范圍內(nèi)，就能實(shí)現(xiàn)一次落車”。根據(jù)在工廠調(diào)研時(shí)調(diào)查、統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，沈志云做了嚴(yán)密的分析、計(jì)算，得出了解決辦法，最后完成的副博士論文廣受好評(píng)。

更讓沈志云欣慰的是，這套方法最終應(yīng)用于實(shí)踐?！昂髞砟切┕S采用我的方法，實(shí)現(xiàn)一次落車，我挺開心的?！庇纱耍仓饾u得出“實(shí)踐-理論-實(shí)踐”這一套工作思路：“在實(shí)踐中找問題，用科學(xué)解決它，返回實(shí)踐驗(yàn)證，這才是科學(xué)創(chuàng)新、科學(xué)應(yīng)用！這條路子是對(duì)的，我這輩子之后的工作，都是這樣搞?！?/p>

留學(xué)歸國后，沈志云仍在唐山鐵道學(xué)院任教，并主持開設(shè)了“車輛修理”等課程，長期致力于編寫教材和籌備實(shí)驗(yàn)室，同時(shí)也確定了“車輛動(dòng)力學(xué)”這一主攻方向。

1981年，沈志云在英國劍橋大學(xué)發(fā)表了近年來我國在國外正式發(fā)表的第一篇車輛動(dòng)力學(xué)論文，受到高度評(píng)價(jià)。

提出“沈氏理論”

1982年，沈志云前往美國麻省理工學(xué)院（MIT）做訪問學(xué)者。在MIT，他主要進(jìn)行了輪軌蠕滑力的計(jì)算問題研究，并取得了重大突破。

輪軌蠕滑力，是指車輪在鋼軌上滾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的水平面的切向作用力。關(guān)于“輪軌蠕滑”，當(dāng)時(shí)很多業(yè)內(nèi)人士都熟悉但是敬而遠(yuǎn)之。1964年，劍橋大學(xué)的卡爾·約翰遜與沃爾繆倫聯(lián)名發(fā)表了蠕滑力與蠕滑率的三次漸進(jìn)曲線表達(dá)式，被稱為沃爾繆倫-約翰遜方法。1967年，荷蘭教授卡爾克提出了三維滾動(dòng)接觸的蠕滑力計(jì)算方法，被稱為卡爾克蠕滑理論。這項(xiàng)理論權(quán)威但過于復(fù)雜，不便計(jì)算。

找到既快速又精確的輪軌蠕滑力計(jì)算方法是當(dāng)時(shí)學(xué)術(shù)界高度關(guān)注的問題。

沈志云和MIT的指導(dǎo)教師赫追克都想在此有所突破。于是，這個(gè)任務(wù)就成了沈志云在MIT的研究任務(wù)。沈志云每周給赫追克匯報(bào)研究進(jìn)展。后來，為了得到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，他們又和卡羅拉多州普耶勃羅實(shí)驗(yàn)中心的總工程師葉爾金斯合作，由葉爾金斯提供現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)。沈志云提出，可用卡爾克的線性理論來改造沃爾繆倫-約翰遜的線性公式，再用沃爾繆倫-約翰遜的非線性化的曲線來修正誤差。他的這種設(shè)想得到了赫追克和葉爾金斯的贊同。于是，沈志云按照這個(gè)設(shè)想設(shè)計(jì)新的計(jì)算方法，將其制作成計(jì)算機(jī)程序。

隨后，沈志云就利用實(shí)驗(yàn)室的20多臺(tái)計(jì)算機(jī)一起跑程序，24小時(shí)不間斷，做了整整一周?！鞍滋齑蠹叶荚谟秒娔X，晚上大家走了，剩我一個(gè)，我把實(shí)驗(yàn)室的二十幾臺(tái)電腦全開著，一起計(jì)算，這樣效率快很多。”

通過精密計(jì)算驗(yàn)證“公式誤差不超過10%，工程上可以應(yīng)用”，他們最終成功研究出考慮自旋的非線性輪軌力簡化模型，并依據(jù)此模型寫成論文，在第八屆國際車輛動(dòng)力學(xué)會(huì)議上發(fā)表。

會(huì)議現(xiàn)場(chǎng)，國際輪軌蠕滑理論權(quán)威卡爾克對(duì)沈志云等發(fā)明的這一方法給予了高度評(píng)價(jià)，說解決了他一直想解決而未能解決的問題，并稱這“是鐵道車輛動(dòng)力學(xué)中能夠采用的最好的非線性蠕滑力模型，是鐵道車輛系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真最適用的方法，是1983年世界蠕滑理論新發(fā)展的標(biāo)志”。后來卡爾克將這一方法命名為“沈-赫追克-葉爾金斯”理論（國際上通稱“沈氏理論”），將其歸納為三維彈性體滾動(dòng)接觸力學(xué)的第四大理論，并且說第四大理論是最適合于在車輛動(dòng)力學(xué)中運(yùn)用的理論。

籌建牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

作為“高鐵夢(mèng)”的牽引者之一，坐落于西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)新故事與助推中國高鐵及軌道交通產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展休戚相關(guān)。走入實(shí)驗(yàn)室，機(jī)車車輛滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)、牽引傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)、高頻激振試驗(yàn)臺(tái)和疲勞試驗(yàn)臺(tái)的轟鳴聲不絕于耳，猶如一首首高鐵研發(fā)的交響曲。這里有針對(duì)機(jī)車車輛動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)可靠性的理論分析平臺(tái)、臺(tái)架試驗(yàn)到線路試驗(yàn)完整的測(cè)試系統(tǒng)，幾乎每一種奔馳在高鐵線上的動(dòng)車組車型都要在這里進(jìn)行仿真和臺(tái)架試驗(yàn)，模擬動(dòng)車組真實(shí)運(yùn)行環(huán)境，評(píng)估其高速運(yùn)行性能和安全可靠性，為高鐵安全運(yùn)行保駕護(hù)航。

20世紀(jì)80年代，沈志云把主攻方向定為中國鐵路的現(xiàn)代化建設(shè)，開始研究高速列車?？茖W(xué)研究離不開實(shí)驗(yàn)，沈志云敏銳地意識(shí)到，要更好地研究開發(fā)高速、重載鐵路的新技術(shù)，就需要建設(shè)高水平的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1988年，沈志云與同行們一道大膽提出在我國建立機(jī)車車輛整車滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)想，得到原國家計(jì)委、原國家教委和原鐵道部的批準(zhǔn)，立項(xiàng)為鐵路唯一國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。在國家的支持下，1989年，在西南交通大學(xué)，沈志云主持籌建了中國鐵路系統(tǒng)第一個(gè)國家級(jí)重點(diǎn)科研實(shí)驗(yàn)室——牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

從設(shè)計(jì)理念，到挑選骨干，沈志云作了周詳?shù)目紤]。1989年4月，原國家計(jì)委委派專家到西南交通大學(xué)對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估?？疾旖Y(jié)束時(shí)專家問沈志云：“建這么大的實(shí)驗(yàn)室，要承擔(dān)什么樣的風(fēng)險(xiǎn)，你想過沒有？”沈志云一愣，只好如實(shí)回答說：“如此大的設(shè)備，如果搞成功了，非常有用；如果失敗了，那就是一堆廢鐵，是很大的浪費(fèi)?！睂＜艺f：“這么巨大的浪費(fèi)，恐怕你的性命難保哦?！贝撕髱啄辏蛑驹茣r(shí)常感受到“提著腦袋”的壓力，未敢有絲毫懈怠。

1994年1月28日，試驗(yàn)臺(tái)首次做車輛的滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)是否成功，要看車輛在試驗(yàn)臺(tái)上是否出現(xiàn)蛇形。在軌道運(yùn)行中，失穩(wěn)就是蛇形失穩(wěn)，一旦出現(xiàn)蛇形，表明試驗(yàn)臺(tái)成功地模擬了實(shí)際運(yùn)行情況，試驗(yàn)臺(tái)就成功了。隨著沈志云一聲令下，大家屏住呼吸盯著控制屏幕。突然，蛇形出現(xiàn)了。大家不約而同歡呼：蛇形了！蛇形了！沈志云也笑開了，“腦袋別在褲腰帶上”的日子結(jié)束了，試驗(yàn)臺(tái)終于建成了！他在日記中興奮地寫道：“幾年奮斗終于達(dá)到了目的！”

1995年11月，國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室通過國家驗(yàn)收。實(shí)驗(yàn)室建成至今33年，參與了“和諧號(hào)”“復(fù)興號(hào)”高速列車研發(fā)，提供核心軟件，承擔(dān)所有型號(hào)的參數(shù)和出廠實(shí)驗(yàn)。

沈志云說，這個(gè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在中國高鐵崛起過程中起到了不可替代的作用，沒有這個(gè)實(shí)驗(yàn)室，中國高鐵就崛起不了。

2017年9月，“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車組在京滬高鐵率先按照時(shí)速350公里運(yùn)營，中國成為世界上高鐵商業(yè)運(yùn)營速度最高的國家。2022年6月20日起，京廣高鐵北京至武漢段實(shí)現(xiàn)常態(tài)化按時(shí)速350公里高標(biāo)運(yùn)營。沈志云說，想要領(lǐng)跑世界，就要繼續(xù)提速。

沈志云介紹：“光350公里/小時(shí)不行，要搞就搞CR500，跑450公里/小時(shí)；還要跑CR600，甚至可以跑到500公里/小時(shí)。我在外面有一個(gè)不好的名聲，說沈院士腦子里只有高速度，這個(gè)問題我要澄清一下，我不是說什么情況之下都是高速度就好，它首先必須保證安全、平穩(wěn)、環(huán)保、節(jié)能，這些基本要求都必須要滿足。滿足這些要求就靠技術(shù)，所以這個(gè)速度就可以代表高鐵的技術(shù)水平。我們第一個(gè)目標(biāo)是要繼續(xù)領(lǐng)跑世界，長遠(yuǎn)領(lǐng)跑下去。”

2021年1月13日，采用西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室原創(chuàng)技術(shù)的世界首條高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化樣車及試驗(yàn)線在成都正式啟用，這標(biāo)志著我國在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)從無到有的突破，具備了工程化試驗(yàn)示范條件。

培養(yǎng)高水平人才

有人問沈志云一生中最滿意的事情是什么，他回答，是在建成牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的同時(shí)，培養(yǎng)了一支國家級(jí)科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。

1989年，沈志云在西南交通大學(xué)主持籌建牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室不僅是我國高鐵發(fā)展道路上一塊極具分量的、堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基石，也成為了沈志云培養(yǎng)人才的最佳平臺(tái)。

當(dāng)年，沈志云從各系為實(shí)驗(yàn)室挑選了22個(gè)青年碩士生，大家一面搞研究，一面結(jié)合研究寫博士論文。到1999年最后一位博士通過答辯，沈志云完成了“每個(gè)人都要拿到博士學(xué)位”的承諾。

培養(yǎng)青年學(xué)術(shù)人才，一直是沈志云的愿望。在他看來，從科研實(shí)踐中培養(yǎng)高水平人才，當(dāng)是不二之法。

其間，沈志云也曾有過一次失敗的嘗試。1999年，沈志云申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)室自己辦本科，設(shè)想是本碩連讀，或本碩博連讀，“當(dāng)年招了‘載運(yùn)工具運(yùn)用工程’本科第一班，60人，我每年拿出2萬元設(shè)立創(chuàng)新獎(jiǎng)，鼓勵(lì)他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中積極創(chuàng)新”。然而這個(gè)新專業(yè)，報(bào)名者并不多，學(xué)生多是從別的專業(yè)調(diào)劑過來，沈志云坦言，水平和素質(zhì)都不甚理想。“這次嘗試之所以失敗，從思路上講就錯(cuò)了?！鄙蛑驹品此嫉溃诒究飘厴I(yè)生范圍內(nèi)面向全國招收研究生，遠(yuǎn)比從自己培養(yǎng)的60多人挑選要廣闊得多。

2004年后，沈志云提出每年招收研究生100人，達(dá)到300多人的規(guī)模，這個(gè)設(shè)想在2010年后就實(shí)現(xiàn)了。

1996年，已經(jīng)67歲的沈志云辭去牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任職務(wù)，他的學(xué)生張衛(wèi)華繼任。如今，在張衛(wèi)華帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)下，將試驗(yàn)臺(tái)由4軸擴(kuò)為6軸，還將模擬時(shí)速由450公里提高到600公里，實(shí)現(xiàn)了沈志云的夙年心愿。

作為鐵路高等教育領(lǐng)域的代表性人物，沈志云也向新時(shí)代的高校科研人才表達(dá)了自己的期望：“高速軌道交通前景廣闊，要研究解決的問題多如牛毛，青年科學(xué)工作者大有用武之地。”