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为铁路电气化自动化奋斗的人——专访中国工程院院士钱清泉教授

2012-11-06邹荣君

科学中国人 2012年2期
关键词:电气化清泉院士

文/ 邹荣君

为铁路电气化自动化奋斗的人
——专访中国工程院院士钱清泉教授

文/ 邹荣君

“从全套买国外的到我们研制出自己的设备,从一个购买者变成竞争者,他们对我们的态度从蔑视到主动要求合作,这让我感觉到我们必须要独立自主、自力更生。”

——钱清泉

专家简介:

钱清泉,1936年出生于江苏省丹阳市,1960年毕业于唐山铁道学院(现西南交通大学)。长期从事铁道电气化与自动化领域的科研与教学工作。开拓了“铁道微机监控与综合自动化”的研究方向,并主持研制成功了中国一套电气化铁道多微机远动监控系统,解决了工程科技中的一系列重大技术难题。于1987年实现产业化,在十多项国家、省部级重点工程中推广应用,并在十多次世行贷款国际招标项目中击败国外强手,中标经费累计达2000多万美元。成为国内替代进口的主导产品,使中国铁路电气化设备走上了国产化之路,创造了巨大的经济和社会效益。

参与组织和筹建牵引动力国家重点实验室,实验室于1989年正式开始筹建,1995年正式接受国家研究、试验任务,1998年参加了教育部组织的预评估,2003和2008年的国家评估中两次被评为优秀国家重点实验室。

他先后出版专著三部,其中有把研究成果充实教学内容,出版了国家重点教材《微机监控技术原理及应用》,获得省部优秀教材一等奖。在国内外学术刊物及会议上发表学术论文近百篇,培养硕士、博士以及博士后50多名。为铁道电气化与自动化学科的发展和人才的培养做出了杰出贡献。

曾荣获有突出贡献的中青年专家、全国优秀科技工作者、全国优秀教师和全国“五一”劳动奖章等十余项荣誉称号。1997年当选为中国工程院院士。

六十多年前,一个少年遥望一条钢铁巨龙“呜呜呜—”呼啸着逼近,巨大的轰鸣声挟着一股劲风由远及近迅疾而来……第一次亲眼所见的火车,让这个少年激动而振奋。然而,在等车的时候,由于看的太专注,少年竟被火车冒的浓烟迷了眼睛。于是,一个“能不能用另一种动力来代替‘煤’”的想法开始在这个少年心里开始生根、发芽……几十年后,中国有了自己的电气化铁路,当年的少年也成长为中国著名的铁道电气化与自动化专家——钱清泉院士。

2006年沈志云、钱清泉(右二)两位院士视察西南交大峨眉校区

一股浓烟萌生一个想法

约见钱清泉院士实在不是一件易事,为人低调的他并不愿意接受我们的采访,然而,经过记者的“苦苦纠缠”,钱院士终于抽出午休时间接受采访。短短一个小时,记者被眼前这位学者的踏实肯干、不断进取的科研精神所深深折服。

回忆起第一次坐火车的经历,钱院士还记忆犹新,“小时候,每天都可以听到隔着运河的沪宁线上的火车响,想象着火车冒着浓烟在奔驰。直到初中毕业考上高中,才第一次真正坐上火车,当时感到很兴奋,觉得这个火车又长又大,确实是好。然而在等车时看的太专注,就让火车冒的烟迷了眼睛,这时候我就想这个煤能不能用别的东西代替,比如说‘电’。”当时的钱清泉只是个中学生,对于用电开车根本没有听说过,脑子里也没有什么概念,只是随便想想,没想到这却成为了他今后终身奋斗的事业。

1956年,钱清泉考入唐山铁道学院,他师从曹建猷教授,成为该校第一届电气化专业的学生。“到上大学的时候我才知道,当时全国只有唐山铁道学院有电气化这个专业,其他学校甚至清华都没有这个专业。这个专业是由我的老师也是中国科学院院士曹建猷教授开创的,尽管当时中国还没有电气化铁路,但他看到今后电气化肯定是一个方向,因此设立了这个具有前瞻性的专业。也为像我们这样有志于这方面追求的人提供了学习该专业知识和技术的土壤。”从懵懵懂懂到变为现实,变成自己的专业,钱清泉暗暗下了要为此奋斗终身的决心。

1961年8月,在苏联的帮助下,我国建成了第一条电气化铁路——宝成铁路的北段,即宝鸡到凤州段,全长94公里。“为什么第一条电气化要选在这里修呢?”记者提出了自己的疑问。钱院士回答说:“这是因为进入四川的铁路要经过秦岭,这一段坡度太大,用蒸汽牵引力不够,同时,内燃机车产生的浓烟对这里种植的农作物会有污染,而且烟太大,司机和乘客都受不了。用电机车就可以解决这些问题,因为用电牵引不仅拉得多跑得快而且还环保。”

西南交通大学电气学院院庆

暨南大学技术实验平台项目实施方案论证会

说到这里记者又提出了疑问,“发电也需要烧煤,烧煤还是会污染环境?”

钱院士笑了笑,认真的解释道:“你说的也对,然而火车是一个到处跑的运输工具,如果烧煤烧柴油的话,那不就是拉着浓烟走哪污染哪么?发电厂是集中发电,造成的局部污染也好治理,同时,发电的方式也多种多样,有很多不污染环境的方式,像水力发电、风力发电等等。以前在中国电气化铁路占到30%的时候,它的运力达到了60%,因此电气化铁路是一个必然的发展趋势。”

一次事故深刻一个认识

“第一条电气化铁路建成之后,接下来就是要实现遥控遥测,就是自动化控制,因为电气化铁路建成以后在速度不高的时候可以由人来驾驶,送电、停电都由人来指挥调度,但是这样毕竟效率很低,比如说中间要停下电,这中间的环节会很多,调度员先要下令,下令完了值班员要接收,接收完了以后还要回复,回复完了还要执行操作,操作过程中还有一系列的事情,因此实现自动化控制这是一个必然的趋势。”

1960年,钱清泉还没有毕业就提前留校作预备教师兼助教,并把电气化铁路远距离控制列为自己的科研方向。“当时来讲这是一个新专业,也是比较尖端的技术,而且自己也比较有兴趣去钻研这个问题”。既要教学又要搞科研的钱清泉从未间断自己的研究,随着整个科学技术发展的脚步一步步的研究,从继电器到晶体管,然后到集成电路,再到现在的计算机控制……

“说实在话,当时的研究只是一种好奇,一种兴趣,但对于研究控制系统本身的意义并没有很深刻的认识。而且当时有很多人反对搞这个控制系统,认为用人就可以了,用机械代替的话会造成很多人下岗等等反对的声音。”然而一次火车相撞事故让钱清泉深刻认识到了控制系统的必要性和重要性。

据钱院士回忆,相撞的两列火车是由上海开往成都,成都开往西安的,相撞后车头、车厢损毁严重并造成了人员伤亡。而这次事故则正是由于人力传达指令效率低而造成的。当两列火车对开的时候,发现线路错了,就应该及时断电,然而由于人的控制过程比较慢,因此在还没断电的情况下两列火车已经相撞了。“在事故现场,我就在想,如果我们有自己的远动控制技术,就可以避免这样的灾难了。”

当时在国际上,电气化铁路供电远动技术的研究也是刚起步。在曹建猷教授的倡导下,钱清泉所在课题组的研究成果参加了1965年在北京展览馆举行的全国工业新产品展览会,得了发明二等奖。之后,课题组开始了第二个课题的研究——电气化铁路分区亭远动技术装置。

一个讽刺激起一份决心

上世纪七十年代开始,计算机发展起来,用计算机软件来实现远程控制的微机远动系统也随之发展起来。“改革开放后,大家出去一看,发现我们和国际上的差距确实很大。为了实现四个现代化,我们开始跟国外合作,就是要走‘引进消化吸收再创新’的道路。作为一个科技工作者,我也感觉到了自己的使命感。”

为了建设京秦线,中国引进了日本的全套设备,包括供电远动装置。1984年,为验收设备,钱清泉去了日本。“那时真是觉得人家的东西比我们的好,但又觉得很不甘心——日本人能研发出来的中国人为什么不行?当然,日本人并不希望我们能掌握这门技术,在研讨会上凡是涉及技术的问题统统回避。而且态度也很轻蔑,他们认为这个系统我们十年、八年也研究不出来。”作为一个中国人,钱清泉的民族自尊心受到了极大的伤害。

“买别人的东西并不是长久之计,买一个就要有学习、有提高,研制出自己的东西,这才能解决根本问题。”在日本的四个多月里,钱清泉每天干到凌晨两点,研究收集资料……回国后,钱清泉发现设计中漏掉了一些东西,然而要追加就要花大价钱,比如说系统要用到的一个模拟屏,日本要价1000万人民币。“当时大家每月的工资也不过几十块钱,这在当时是个天文数字。领导很着急,要搞现代化,但是又买不起现代化设备,那种受制于人的感觉真是难受。”钱院士感慨的说道。

铁道部领导找到了钱清泉:“如果这样下去,要实现现代化实在是太困难了。”当听到铁道部领导对他说“拜托了”时,钱清泉深受感动。于是,他暗自下定决心,一定要攻克这个难关,做出我们自己的供电远动装置。

当时的钱清泉四十多岁,还只是一个小小的讲师,这样的难题对他来说既是压力也是动力。1984年到1985年,钱清泉带领十多个人,夜以继日地工作。当时学校在峨嵋,他们依靠从日本带回来的那些资料研究攻关。学校电气馆下面就是操场,每到星期六都要放露天电影。露天电影是当时最大的娱乐活动,他们在电气馆里做研究时,谁也不为楼下的掌声和电影的音乐声所动。当时也没有奖金和劳务费,谁干到夜里12点以后,可以得到一个煮鸡蛋的奖励。大家经常干到后半夜,春节也只休息两天,到正月初三就上班。就这样干到1986年,他们终于做出了样机。

日本人说我们十年做不出来的东西,他们三年就做出来了。样机当年通过鉴定,随后与成都铁路局合作,在西南铁路上使用了他们研制的电气化铁路的远动装置。钱清泉和他的课题组因此得了奖,他个人也被评为教授,“当然我们的初衷并不是为了这些,当时只是为了国家的生产需要。”

一种需求成就一个产业

科研成果有了,但“如何将其产业,体现它的实际价值”是钱清泉和他的课题组面临的下一个问题。当时他们既要搞教学、写教材,又要搞实验研究,到现场去调试……全套的过程,两年的时间就实现了工程化。

“其实中国人还是很聪明的,从全套买日本的到我们研制出自己的设备,从一个购买者变成他们的竞争者,我们有很大的优势,因为我们的生产成本比他们要低的多,那时候我们一个月的工资也就十几块钱,我们付出的很多,但是我们要求的不多。等我们研制出了自己的设备,日本的态度就和以前不同了,反而要跟我们合作,这让我感觉到我们必须要独立自主、自力更生。”

1991年,川黔线电气化工程,因为使用了世界银行贷款,所以进行国际招标,他们一举中标。之后,兰(州)武(威)段电气化,他们也中标,国产远动装置的产业化进程大大向前迈进了一步。

“我们是在这样的基础上发展起来的:一个是原始创新,就靠自己慢慢积累;一个是继承创新,就是根据自己的特点进行继承创新。还有一个是引进消化吸收再创新,这样我们就站在了一个比较高的起点上,就好比是站在别人的肩膀上,使我们的技术迈上了一个新台阶。”到上世纪九十年代初期和中期,中国电气化铁路供电设备的70%至80%都实现了产业化。远动技术的研究到这时才算是完成了“引进-消化-吸收-产业化”这条道路。

另外,钱清泉带领他的科研人员围绕“微机远动监控系统与综合自动化”这一研究方向,主持研制了国内首创的“牵引供电仿真培训系统”,该系统部分指标达到国际水平。随后,DWC—01型变电站电气试验车、WGW—62GA型牵引供电系统微机故障点距装置、牵引变电所主变压器的微机保护装置相继研制成功,并形成高科技产品,在电气化铁道中得到广泛应运,在国际投标中击败诸多强劲对手而中标,成为中国铁路市场的主导产品。

一份努力收获一份成果

随着国家发展得越来越好,自动化技术发展得越来越快,钱清泉感觉到国家会有更高的需要——发展轨道交通。那么什么才是轨道交通呢?

“轨道交通分为三大类,一是干线轨道交通包括高速客运和重载货运;二是城市轨道交通,包括地铁、轻轨、郊区铁路和单轨电车;三是新型轨道交通,即磁悬浮和真空高速管道列车,并且还在不断更新中”,钱院士继续说道,“中国人口这么多,铁路又比较少,速度慢、效率低,老百姓坐车难、慢,都需要我们更进一步自主创新来解决这些问题。”因此,1988年钱清泉参与沈志云教授精心组织和筹建的“牵引动力国家重点实验室”。经过五年的时间,实验室初步建成,1993年8月由铁道部批准开放运行,1995年正式接受国家研究、试验任务。

高速铁路要关注的两个关系是:弓网关系和轮轨关系。所谓弓网关系是指受电弓和接触网之间的耦合动态性能,由受电弓、接触网本身的性能决定。轮轨关系则是解决重载运输的关键。轮轨接触面的摩擦必须小,才能保证低阻力重载运输;但同时,也要求有足够的摩擦力,满足牵引力、制动力和列车转向的需要。

作为一个工程类实验室,实验室重视设备建设,自主研发了一整套机车车辆试验研究装备,当时实验室重点要做一个机车车辆整车滚动振动试验台,由于滚动、振动相结合的试验台要实现垂向、横向和滚动三维运动的精确藕合,难度较大,故各国大都只建单一功能的试验台,仅德国慕尼黑研制了一台。但由于只有将滚动、振动结合起来,才能动态模拟机车车辆线路运行情况,直接为提高我国机车车辆研究开发能力服务。所以,牵引动力国家重点实验室坚持高起点,一步到位,直接研制这种结构复杂、体积庞大、技术最先进的机车车辆整车试验台。是目前世界上仅有的两台具有左右滚轮独立激振的滚、振结合试验台之一。

机车车辆整车滚动振动试验台的研制成功,使中国机车车辆自主研究开发的能力大大提高,加速了中国新型高速、重载机车车辆的研制速度,提高了机车车辆性能。滚动振动试验台为中国铁路客运提速,货车的重载、快速运输,以及200-300km/h高速机车车辆的研制做出了重要贡献。该实验室目前已经成为中国发展高速、重载试验和培养高级人才的基地。为中国铁路的高速、重载运输提供了重要的理论依据与技术保障。“牵引动力国家重点实验室”正一步步向着国际一流的目标奋进。

一个安全问题唤起一份责任

钱院士与学生们在一起

2009年6月18日上午,第七届中国·海峡项目成果交易会

西南交通大学电气学院院庆

高速铁路安全吗?这是一个很多人都会问到的问题。那是不是随着速度的提高危险性就越高?钱院士的回答是:“不是的,只是技术问题会更多。其实不管是200公里还是300公里,只要是出事都一样,都是重大事故。”节能、减排等一系列环保问题固然重要,然而安全还是头等大事,这是一个全民关注的问题。

“我个人认为,按照现在的科技手段和建设要求,高铁应该说是很安全的。”据钱院士介绍,如今各种防护措施都很周全,譬如现在的高速铁路,列车在运行之前,会由高速综合检测列车去跑,跑过一遍之后什么参数都有了,什么地方有什么问题都会清清楚楚。说到这里,钱院士给我们举了个例子:一个铁环滚的很快的时候是不容易倒的,就像自行车一样,速度很快不会倒,速度慢反而会倒。

“现在的列车技术上都不存在什么问题,现在大多数的事故都是人为的,比如2008年山东胶济铁路火车相撞特大事故就是由于人为原因导致的,属于管理上的失误。还有前不久,就是2010年5月,沪昆铁路列车脱线事故,是由于山体滑坡引发的,但这种情况是很难预料的。当然,我们现在也提出了这个问题,想找出一种检测手段。”

钱院士还谈到了日本兵库县2005年发生的那次重大事故,铁轨上发现被电车粉碎的石头粉末说明可能是由于铁轨上的石头引发了事故。“今后,像山体滑坡、路上有没有什么障碍等各种检测设备都将具备。还有地震可不可以预报等一系列预警系统的问题,专家都在积极的研究,我认为将来这些都可以保证列车更加安全。”

除此之外,钱院士认为对管理人员的教育,特别是责任心的培养也是一个不容忽视的问题。“况且列车是要经常检修的,以前是定期检修,现在都是状态检修,就是指根据状态监测和诊断技术提供的设备状态信息,安排检修项目和时间,并主动实施的检修。通过这些,列车应该说是比较安全的。”

一个理念启迪一代学子

几十年来,钱清泉一直战斗在教学与科研的第一线,1977年恢复高考后,钱清泉在搞科研的同时,把研究成果编写成教材,运用到教学中。1983年,钱清泉编出国内第一本远动技术教材《电气化铁道远动技术》。

对教学与科研的关系,他自己也有着独特的见解。钱院士认为,教学是培养人,科研是充实人。通过科研体会到创新所在,才能把这些新的知识教给学生,这样可以启发学生新的思维。“我的学生都很轻松自由,反而他们自己给自己加压力,我总是劝他们要规律作息,多休息。学生反问我自己怎么不休息,我说我跟你们不一样,毕竟损失了十年的时间,感觉要把它补回来。”

因此钱院士认为,只搞教学很难给学生补充新的知识。同时,他还认为应该用自主创新和自己努力工作的精神去激励学生。“一个全面的高素质人才不仅要具备知识、能力,还要有团队合作精神,要懂得与人和谐相处,任何科研成果都不是一个人能单干出来的。”

1982年以后钱清泉主要开始带研究生。“在我这毕业的学生,不管是在国内的还是国外的,都非常优秀,当然,他们自身的条件也很好。在我手下工作的年轻人,我给他们鼓励、给他们信任、给他们任务,这样他们提高的也比较快。对于我的博士生,我不会明确给出课题,但对他们的要求是课题要有前瞻性、二是自己要有扎实的基础,三是一定要有兴趣。”

一个追求成就一个梦想

亲历了我国电气化铁道的从无到有、逐步建设,从山区建到平原,再到大城市……经历了重重难关后,钱清泉和他的团队收获的不仅仅是喜悦,还有无法言语的成就感。“在这条路上,我们遇到了很多困难,尽管条件差,但我们有信念和决心。当时大家几乎每天都是干到十一二点,每个人都很自觉,根本不需要去叫人干,因为每个人都觉得这是一件很有意义的事情,对于我们来说既是个人乐趣,又是一种奉献。”

钱院士还告诉记者,目前,中国要在京沪线1000多公里建成380km/h的高

科速铁路,这样的速度不在国外之下,而且我们正在逐步实现铁路公交化,以前的列车是靠车头的动力拉着走,现在高铁动车组的动力是分散的,即每节车厢都有动力,这就保证了即使个别车厢的动力出现问题,照样不影响列车的整体运行。同时,要实现车厢变长为短,高密度发车,从以前的每天发几趟逐步实现几分钟一趟,从而解决老百姓坐车难的问题。

谈起新兴的轨道交通——磁悬浮列车,钱院士也给我们耐心讲解了它的基本原理:磁悬浮列车利用的是大家都知道的“同极相斥,异极相吸”原理,线圈里流动的交流电将线圈变成电磁体,列车头部的电磁体N极与被安装在靠前一点轨道上的电磁体S极所吸引,同时又与被安装在轨道上稍后一点的电磁体N极所排斥。列车前进时,线圈里流动的电流方向就反过来,即原来的S极变成N极,N极变成S极。循环交替,列车就向前奔驰。但由于磁铁具有抗拒地心引力的能力,使车体完全脱离轨道,两个磁极之间会有间隙,这个间隙会使效率变低,然而从另外一个角度讲,这样的悬浮又避免了车轮和轨道的摩擦。

“其实,真正高速起来,能耗大在空气阻力,因此,我们要在城市里发展中低速磁悬浮。目前,北京、深圳都要准备开始筹建这样的中低速磁悬浮列车,大约为80到100km/h,因为站与站之间也很近,速度也不能高。”

看着眼前精神矍铄的钱院士,怎么也不像一位70多岁的老人,谈到保养之道,钱院士笑着说:“我这个人从来都是无关的事不想,天天就是忙这些事情,比较单一,就是干事、干活。”听到这些,记者不禁感叹,正是有了像钱院士这样老一辈科学家的奋斗,我们国家才有了今天的发展,我们才有了今天的美好生活。

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