刘金朝：首创短波不平顺动态识别技术捍卫高铁运营安全丨讲述·弘扬科学家精神

第四届“感动铁科”年度人物奖

刘金朝，国铁集团专业带头人，铁科院集团公司主任研究员，基础所副总工程师，博士生导师。长期从事基础设施检测监测大数据分析和综合评估研究，首创高速铁路轨道亚毫米级短波不平顺动态识别技术，攻克从高频宽带响应信号中自适应提取轨道亚毫米周期性不平顺的难题，提出利用轴箱加速度诊断轨道亚毫米级不平顺状态的方法和指标。荣获日内瓦国际发明奖银奖，国家科学技术进步二等奖，天津市科技进步特等奖，中国铁道学会科技一等奖等奖项，第十七届詹天佑成就奖、茅以升铁道科学技术奖，所带团队荣获詹天佑创新团队奖。

当数学之美遇上工程之匠心

“你这数学方法是挺好的，但是能解决工程问题吗？”

这是刘金朝博士后出站，刚入职铁科院时同事对他的“疑问”。

如何将自己所学应用铁路建设是踌躇满志的刘金朝酝酿的课题。面对同事的“疑问”，“我第一反应是不服气的，虽然不是铁路相关专业出身，但在博士和博士后期间做了与铁路相关的大量分析工作，具备了一定基础。冷静下来一想，我确实对工程还有很多理解不到位的地方。”刘金朝谦虚地说。

哪里既有丰富数据又与工程联系紧密？

彼时正赶上高速综合检测列车启动研制。以高速动车组为载体，装备专用检测系统，在保证各系统时空同步的前提下，对线路轨道、牵引供电、通信、信号等基础设施，轮轨和弓网接触状态及列车舒适性指标等进行高速动态检测。

2010年12月，京沪高铁进入联调联试阶段，刘金朝主动请缨随检测车检测，“当时每天就是跟着车跑，白天借助车载检测设备采集数据晚上分析，我相信评定完的数据终将能发挥巨大作用。”

随着速度提升和运营时间增加，铁路工务工程人员发现，轨道在车辆动载荷反复作用下结构状态产生变化，微小变形积累到一定程度会形成轨道不平顺，不及时整治将演变为病害，出现钢轨弹条断裂、轴箱螺栓松动等情况。但是，长波和中波轨道几何检测不能解决问题，且因国内高铁线路纵贯南北、穿越多种地形地貌、运营里程长和运行速度高，与国外高铁运营情况迥异，国外经验和指标不能直接借鉴。

随着新建高铁线路联调联试采集的大量数据的应用，刘金朝如愿将数学知识与铁路工程问题结合分析。通过将高频动态响应数据转化为低频数据解决数据随机性，攻克绝对阈值难确定关卡，运用逐步迭代思想将算法效率提升10倍，建立短波不平顺一致性评价方法，填补高铁轨道短波不平顺病害评判方法空白。在国铁集团支持下，该套评价方法在铁路工务部门得到推广应用，轨道上的数学之美成为安全基石，又蕴含了无限可能。

在国际上率先提出诊断短波病害方法

截至2024年底，我国高速铁路营业里程已达4.8万公里。如何在数万公里线路上实现快速且精准检测，是刘金朝带领团队在铁路基础设施检测监测领域锚定的研究方向。

轨道不平顺按其波长可分为短波、中波和长波不平顺3类。波长1m以下短波不平顺的幅值很小，在0.1~2.0mm范围内，主要是由钢轨接头焊缝，道岔以及钢轨不均匀磨耗，波浪和波纹磨耗等因素造成的。由于轨道几何检测系统能够检测到的轨道不平顺波长通常在2~150m之间，难以评判短波不平顺对高速铁路轨道—车辆系统运行疲劳可靠性的影响，这就需要研究其他辅助评判手段。

于是，刘金朝和团队勇闯铁路基础设施检测技术无人区。“在追寻道岔短波病害期间，我们投入了大量时间与精力，经过多番研究探索，成功发现与道岔区轨道冲击指数大值吻合的是胶接绝缘接头。”刘金朝恳切地说，“只有找到问题源头，才能解决好轨道短波病害，避免对工务基础设施的疲劳寿命产生影响。”

为此，刘金朝带着团队深入现场进行“验算”。2019年，带着数据分析结果，他们前往京广高铁岳阳段开展工作。气蒸云梦泽，波撼岳阳城。洞庭湖边的美景无暇顾及，潇潇风雨却让他印象深刻。当时正值雨季，顶风冒雨中，大家坚持上道进行现场复核。忘却了周遭环境的艰辛，只记得最后成功的喜悦，他们最终直观地找到数据特征和钢轨物理特征间的联系，也就是通过“异常”数据精确定位钢轨病灶。

不遗余力地“刨根问底”，刘金朝带领团队开拓了利用高频轴箱加速度评判轨道短波状态的研究方向，攻克从高频宽带响应信号中自适应提取轨道亚毫米周期性不平顺的难题，在国际上首次提出诊断接头不良、钢轨波磨等短波病害的方法和指标，即轨道冲击指数（TII）和钢轨波磨指数（RCI），实现时速350公里等速检测下焊接接头不良、表面擦伤、波磨等轨道短波病害的在线快速识别。

科研成果于2018年起在全国高铁线路周期性检测中应用，2023年纳入《高速铁路线路维修规则》，每年完成120万公里以上高铁线路的亚毫米级短波不平顺检测，为铁路线路维护提供技术支撑，实质性地提高了我国铁路基础设施的检修效率，有效保障高速铁路的行车安全。

科研与学术传承两手抓

“心中对科研的那份热爱，已经悄然织入光阴流转的脉动。”提及勇攀科研高峰的驱动力，刘金朝如是说。

在学术研究领域，刘金朝负责国家973和863子课题、国家自然科学基金、省部级科研项目15项。获第十七届詹天佑成就奖，国家科学技术进步二等奖1项，天津市科技进步特等奖1项，第十届茅以升科技奖，铁道学会科技一等奖3项，日内瓦国际发明奖银奖1项。多年来，他笔耕不辍，系统总结学术问题和研究成果，在《Proc. of Royal Society A》《Vehicle system dynamics》《中国科学》《中国铁道科学》等学术期刊发表论文125篇，SCI/EI检索85篇，授权发明专利30项。

科研收获累累硕果的同时，刘金朝还为检测数据分析领域培养了30余名硕博士。面对来自数学、振动和土木工程等不同专业的学生，刘金朝为他们“量身定制”课程，补足专业短板，为适应未来将从事的轨道工务工作夯实基础、校准方向，推动研究与学术传承。“我对学生要求很高，不仅要发表高质量的论文成果，还着重培养他们理论联系实际的能力，更精准服务于铁路现场需求。”刘金朝自豪地说，“而他们也不负期待，都是有学术追求，肯吃苦钻研的学生。”

在学生们心中，刘金朝精通仿真计算，擅长数据分析处理，从纷繁复杂的数据现象中抽丝剥茧找出问题，丰富的数学和铁路工程知识储备让他们受益匪浅。不仅如此，特别是他所散发的温文尔雅学者气质，那种深耕科研的执著、投身铁路的热情，更为他们树立了前行的榜样。

张茂轩就职于基础所检测试验部，2016年师从刘金朝，攻读硕士学位。“读研的时候，有一次面对低效算法我束手无策，刘金朝老师了解了前因后果后，精准地指出了问题所在，然后用一个精简而关键的公式让我茅塞顿开，改进后的新算法效率得到显著提升。”这次导师醍醐灌顶般的学术指导所带来的激动与豁然，使张茂轩至今铭记。

刘金朝令学生“崇拜”的不仅是对数字的敏锐和用数学思维解决铁路工程问题的“魅力”，还有他事必躬亲的严谨教学态度。

“一开始我们也不清楚采集分析的数据在现场对应哪些问题，刘老师带着我们6个学生去京沪、京广高铁进行现场‘教学’，沿着钢轨寻找与检测异常数据对应的部位，将病害位置逐一确认，这样一来我们对病害数据波形特征的认识一下清晰起来。刘老师手把手的指导，让我们对所从事研究的应用效果有了更具象化了解。”刘金朝沿着钢轨前行的画面一直清晰地印记在张茂轩记忆深处。

勇攀高峰、集智攻关，刘金朝和团队正在将这套短波评判方法的应用扩展至普速铁路、重载铁路和城轨。他们还深入推进铁路基础设施检测监测大数据平台建设、试验联合驱动的铁路动力学仿真平台研制等关键技术攻关，对复合型短波和区段型短波病害开展深入研究，为提升我国铁路基础设施智能运维水平提供坚实的理论支撑和技术保障，为高铁安全运营保驾护航。