沈志云 高鐵領域的先驅科學家

| 文 · 王壇壇

2008年8月，中國第一條具有自主知識產權、當時運營速度最快的高速鐵路京津城際鐵路開通運營；2017年6月，以“復興號”命名的由中國鐵路總公司牽頭組織研制、具有完全自主知識產權的中國標準動車組成功研制生產并上線運營，標志著中國鐵路技術裝備達到了“領跑世界”的先進水平；2022年，智能復興號更是實現時速350公里自動駕駛……

交通運輸部的數據顯示，到2021年年底，中國高鐵運營里程超過4萬公里，總里程能夠圍繞地球赤道一周，鐵路已經覆蓋全國81%的縣，高鐵通達93%的50萬人口以上城市，線路總長、運營速度、運載人次等均居世界首位，中國高鐵的發展速度為世界所驚嘆，被年輕人譽為“新四大發明”之一。

中國高鐵從無到有，并由“追趕者”一躍成為世界鐵路的“領跑者”。目前，我國已成為世界上高速鐵路系統技術最全、集成能力最強、運營里程最長、運行速度最高、在建規模最大的國家。

高鐵成就的取得，離不開日益強大祖國的堅強后盾，更離不開大批杰出科學家和科研技術人員多年的努力和奮斗。從普速鐵路到高速鐵路，從引進消化吸收到自主創新，西南交通大學的科研團隊一直帶著雄心與熱忱走在前列。作為國家高鐵研發的主要平臺之一，從動車、高鐵，到磁懸浮，西南交通大學見證了中國鐵路的每一次進步和提速。

作為西南交通大學科研團隊的一員，從提出“沈-赫追克-葉爾金斯”理論，到創建牽引動力國家重點實驗室，沈志云參與、推動和見證了中國高鐵技術從無到有、從追趕到領跑的發展歷程。

結緣鐵路

1929年，沈志云出生于湖南省長沙市。父親是鄉村小學教師，哥哥、姐姐都是中學教師。沈志云在良好的家庭氛圍中，從小求知上進，勤奮好學。1943年-1949年，沈志云就讀于湖南國立師范學院附中。艱苦的生活、嚴格的訓練、名師的教導，給他打下了堅實的基礎，他每學期成績都在全校名列前茅，獲得了各種獎勵和榮譽。1949年8月長沙解放，沈志云赴武漢投考大學，以優異成績被唐山工學院（現西南交通大學）、清華大學、武漢大學同時錄取，在武漢大學名列榜首。

3所名校，選誰？這成為擺在青年沈志云面前的一道“難題”。

當時哥哥對沈志云說：“要學鐵路你就應該選擇唐山工學院，它可是云集了國內外鐵路專業知名專家學者?！?/p>

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

在唐山工學院“嚴謹治學”“嚴格要求”優良校風的熏陶中，在學術造詣高深的教授指導下，沈志云打下了深厚的專業理論功底，學習成績3年總平均名居前列。因當時國家急需人才，他提前一年于1952年7月，結束了大學生活。

畢業后，沈志云留校當助教。助教3年，沈志云天天寫教案，試講，做習題，輔導學生，雖然沒能正式上講臺，卻打下了扎實的理論力學功底，這對沈志云其后的科學研究非常有幫助。

1957年，沈志云被國家選派去蘇聯留學，學習車輛修理專業。

初到蘇聯列寧格勒鐵道學院，導師契爾諾可夫教授列出數十個選題供沈志云選擇研究，立志要做實事的他決定“先跑工廠，做完普遍研究后，再選擇題目”。正是這個靈光乍現的構想，為沈志云以后終身的工作思路埋下鋪墊?！懊恳粋€行當在生產中都有自己的問題，去生產實踐現場，才能發現真問題，然后上升到理論高度予以研究，問題解決后，再返回生產實踐中去驗證?！鄙蛑驹普f。

當時輔導沈志云的尼科拉耶夫教授，曾在一線工作17年。在學術造詣很高深的尼科拉耶夫教授的指導下，從幾十個研究課題中選擇“修理中的尺寸鏈”作為研究對象?！拔遗芨骷夜S時，注意到有個落車的問題，車輛修理好后要落在轉向架上，需要四平八穩，否則只有重新弄。”當時，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多個尺寸鏈組織形成，“100多個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，就能實現一次落車”。根據在工廠調研時調查、統計的數據，沈志云做了嚴密的分析、計算，得出了解決辦法，最后完成的副博士論文廣受好評。

更讓沈志云欣慰的是，這套方法最終應用于實踐。“后來那些工廠采用我的方法，實現一次落車，我挺開心的?！庇纱?，他也逐漸得出“實踐-理論-實踐”這一套工作思路：“在實踐中找問題，用科學解決它，返回實踐驗證，這才是科學創新、科學應用！這條路子是對的，我這輩子之后的工作，都是這樣搞?！?/p>

留學歸國后，沈志云仍在唐山鐵道學院任教，并主持開設了“車輛修理”等課程，長期致力于編寫教材和籌備實驗室，同時也確定了“車輛動力學”這一主攻方向。

1981年，沈志云在英國劍橋大學發表了近年來我國在國外正式發表的第一篇車輛動力學論文，受到高度評價。

提出“沈氏理論”

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

輪軌蠕滑力，是指車輪在鋼軌上滾動時產生的水平面的切向作用力。關于“輪軌蠕滑”，當時很多業內人士都熟悉但是敬而遠之。1964年，劍橋大學的卡爾·約翰遜與沃爾繆倫聯名發表了蠕滑力與蠕滑率的三次漸進曲線表達式，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接觸的蠕滑力計算方法，被稱為卡爾克蠕滑理論。這項理論權威但過于復雜，不便計算。

找到既快速又精確的輪軌蠕滑力計算方法是當時學術界高度關注的問題。

沈志云和MIT的指導教師赫追克都想在此有所突破。于是，這個任務就成了沈志云在MIT的研究任務。沈志云每周給赫追克匯報研究進展。后來，為了得到現場測試數據，他們又和卡羅拉多州普耶勃羅實驗中心的總工程師葉爾金斯合作，由葉爾金斯提供現場測試數據。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。他的這種設想得到了赫追克和葉爾金斯的贊同。于是，沈志云按照這個設想設計新的計算方法，將其制作成計算機程序。

隨后，沈志云就利用實驗室的20多臺計算機一起跑程序，24小時不間斷，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，我把實驗室的二十幾臺電腦全開著，一起計算，這樣效率快很多。”

通過精密計算驗證“公式誤差不超過10%，工程上可以應用”，他們最終成功研究出考慮自旋的非線性輪軌力簡化模型，并依據此模型寫成論文，在第八屆國際車輛動力學會議上發表。

會議現場，國際輪軌蠕滑理論權威卡爾克對沈志云等發明的這一方法給予了高度評價，說解決了他一直想解決而未能解決的問題，并稱這“是鐵道車輛動力學中能夠采用的最好的非線性蠕滑力模型，是鐵道車輛系統動態仿真最適用的方法，是1983年世界蠕滑理論新發展的標志”。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接觸力學的第四大理論，并且說第四大理論是最適合于在車輛動力學中運用的理論。

籌建牽引動力國家重點實驗室

作為“高鐵夢”的牽引者之一，坐落于西南交通大學牽引動力國家重點實驗室的創新故事與助推中國高鐵及軌道交通產業的飛速發展休戚相關。走入實驗室，機車車輛滾動振動試驗臺、牽引傳動試驗臺、高頻激振試驗臺和疲勞試驗臺的轟鳴聲不絕于耳，猶如一首首高鐵研發的交響曲。這里有針對機車車輛動力學和結構可靠性的理論分析平臺、臺架試驗到線路試驗完整的測試系統，幾乎每一種奔馳在高鐵線上的動車組車型都要在這里進行仿真和臺架試驗，模擬動車組真實運行環境，評估其高速運行性能和安全可靠性，為高鐵安全運行保駕護航。

20世紀80年代，沈志云把主攻方向定為中國鐵路的現代化建設，開始研究高速列車?？茖W研究離不開實驗，沈志云敏銳地意識到，要更好地研究開發高速、重載鐵路的新技術，就需要建設高水平的實驗平臺。

1988年，沈志云與同行們一道大膽提出在我國建立機車車輛整車滾動振動試驗臺的設想，得到原國家計委、原國家教委和原鐵道部的批準，立項為鐵路唯一國家重點實驗室。在國家的支持下，1989年，在西南交通大學，沈志云主持籌建了中國鐵路系統第一個國家級重點科研實驗室——牽引動力國家重點實驗室。

從設計理念，到挑選骨干，沈志云作了周詳的考慮。1989年4月，原國家計委委派專家到西南交通大學對實驗室進行現場評估?？疾旖Y束時專家問沈志云：“建這么大的實驗室，要承擔什么樣的風險，你想過沒有？”沈志云一愣，只好如實回答說：“如此大的設備，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。”專家說：“這么巨大的浪費，恐怕你的性命難保哦?！贝撕髱啄?，沈志云時常感受到“提著腦袋”的壓力，未敢有絲毫懈怠。

1994年1月28日，試驗臺首次做車輛的滾動振動試驗。試驗臺是否成功，要看車輛在試驗臺上是否出現蛇形。在軌道運行中，失穩就是蛇形失穩，一旦出現蛇形，表明試驗臺成功地模擬了實際運行情況，試驗臺就成功了。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”的日子結束了，試驗臺終于建成了！他在日記中興奮地寫道：“幾年奮斗終于達到了目的！”

1995年11月，國家重點實驗室通過國家驗收。實驗室建成至今33年，參與了“和諧號”“復興號”高速列車研發，提供核心軟件，承擔所有型號的參數和出廠實驗。

沈志云說，這個重點實驗室在中國高鐵崛起過程中起到了不可替代的作用，沒有這個實驗室，中國高鐵就崛起不了。

2017年9月，“復興號”動車組在京滬高鐵率先按照時速350公里運營，中國成為世界上高鐵商業運營速度最高的國家。2022年6月20日起，京廣高鐵北京至武漢段實現常態化按時速350公里高標運營。沈志云說，想要領跑世界，就要繼續提速。

沈志云介紹：“光350公里/小時不行，要搞就搞CR500，跑450公里/小時；還要跑CR600，甚至可以跑到500公里/小時。我在外面有一個不好的名聲，說沈院士腦子里只有高速度，這個問題我要澄清一下，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、環保、節能，這些基本要求都必須要滿足。滿足這些要求就靠技術，所以這個速度就可以代表高鐵的技術水平。我們第一個目標是要繼續領跑世界，長遠領跑下去?！?/p>

2021年1月13日，采用西南交通大學牽引動力國家重點實驗室原創技術的世界首條高溫超導高速磁浮工程化樣車及試驗線在成都正式啟用，這標志著我國在該領域實現從無到有的突破，具備了工程化試驗示范條件。

培養高水平人才

有人問沈志云一生中最滿意的事情是什么，他回答，是在建成牽引動力國家重點實驗室的同時，培養了一支國家級科研創新團隊。

1989年，沈志云在西南交通大學主持籌建牽引動力國家重點實驗室，該實驗室不僅是我國高鐵發展道路上一塊極具分量的、堅實的科學基石，也成為了沈志云培養人才的最佳平臺。

當年，沈志云從各系為實驗室挑選了22個青年碩士生，大家一面搞研究，一面結合研究寫博士論文。到1999年最后一位博士通過答辯，沈志云完成了“每個人都要拿到博士學位”的承諾。

培養青年學術人才，一直是沈志云的愿望。在他看來，從科研實踐中培養高水平人才，當是不二之法。

其間，沈志云也曾有過一次失敗的嘗試。1999年，沈志云申請實驗室自己辦本科，設想是本碩連讀，或本碩博連讀，“當年招了‘載運工具運用工程’本科第一班，60人，我每年拿出2萬元設立創新獎，鼓勵他們在實驗中積極創新”。然而這個新專業，報名者并不多，學生多是從別的專業調劑過來，沈志云坦言，水平和素質都不甚理想?！斑@次嘗試之所以失敗，從思路上講就錯了。”沈志云反思道，在本科畢業生范圍內面向全國招收研究生，遠比從自己培養的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，達到300多人的規模，這個設想在2010年后就實現了。

1996年，已經67歲的沈志云辭去牽引動力國家重點實驗室主任職務，他的學生張衛華繼任。如今，在張衛華帶領的團隊下，將試驗臺由4軸擴為6軸，還將模擬時速由450公里提高到600公里，實現了沈志云的夙年心愿。

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