高鐵背后的中國創新

陳保亞

當今中國已成為世界高速鐵路建設里程最長的國家。近年來，中國開啟了“高鐵外交”的進程，尤其是在“一帶一路”戰略中，將軌道交通的發展提升到了國家戰略的高度。在軌道交通場景中的移動通信系統，不僅涉及旅客信息服務，更加關系到列車的安全運行。然而，軌道交通場景的特殊結構一直對沿線移動通信系統設計和網絡規劃帶來重重挑戰。所以，作為移動通信系統設計、規劃以及部署的重要基礎，軌道交通場景的電波傳播預測建模一直是工程電磁場理論的研究重點之一。新近出版的官科的專著《軌道交通場景電波傳播建模理論與方法》（北京郵電大學出版社2016年1月第一版），致力于對軌道交通場景的電波傳播建模理論和方法進行綜合性的研究，在準確揭示電波傳播特別是三大空間機制的基礎上，為不同通信系統在軌道交通場景中的網絡規劃提供各具特色的電波傳播預測模型，在當今世界高鐵空間電波傳播領域做了科學的理論創新。這是我國科技研究難能可貴的新收獲和厚重成果。

官科博士系北京交通大學副教授。筆者看見他從兒時長大，了解他的學習研究經歷。因為研究語言網絡傳播理論，我們常在一起討論信息傳播的基本和特殊規律，為其常有科研新得而擊掌。他剛過而立之年，可以說是一位為國追夢的年輕學者。他曾分別獲得國家公派和歐洲獎學金資助，碩士博士研究生期間赴德國、西班牙留學三年，致力于軌道交通、車載網絡、第五代通信系統以及至高頻通信中的電波傳播與無線信道研究，是首屆博士研究生國家獎學金獲得者。2014年，榮獲國際無線電科學聯盟青年科學家獎，2015年作為團隊成員之一又獲得國家自然科學獎。

“自強首在儲才，儲才必先興學”是交通大學前身之一南洋公學的立校之本。作為交大學子的官科，是這句話的忠實踐行者。他堅信，民族自強，國家發展，沒有人才，都是空談。他一直努力儲備才德，待國家民族需要之時，就可以投身時代，為國為民。本科期間，他成立學校辯論隊，參加多項國際賽事，斬獲亞太大專華語辯論公開賽最佳辯手等榮譽，為國家儲備自己的思辨之才。同時，他積極參與理論學習性社團，在《中國青年研究》上發表論文《多元文化背景下高校學生組織工作創新》，為國家儲備自己的思政之才。本科畢業，他選擇保留研究生學籍兩年，任高校輔導員。這兩年中，他扎根基層、砥礪青春，以勤奮出色的工作獲得了北京交通大學“優秀專職團干部”等稱號，為國家儲備自己的綜合實干之才。結束工作后，官科重回課堂，以自己加倍的努力收獲了首屆博士研究生國家獎學金等八項分量十足的獎勵，為國家儲備自己的科技專業之人才。

懷著“求學海外，志在報國”的信念，官科在國家建設高水平大學公派研究生項目和歐洲獎學金的資助下，分別赴德國和西班牙進行了為期三年的聯合研究。留學期間，他兼顧中歐雙方的科研工作，平日里起早貪黑，周末假期大多在加班中度過。不眠不休的努力，不僅讓他取得了在行業頂級期刊上發表多篇學術論文以及參與完成多項科研項目的成績，也為他在國際同行中贏得了普遍的認可。官科并非天資過人，卻能成長成才，其中原因在他給國內導師鐘章隊教授所寫的郵件中可見一斑：“在學生看來，今日之公派留學和百十年前的洋務運動在精神上一脈相承。從留學英德最后為國慷慨捐軀的北洋水師的管帶們，到后來赴日歐留學投身革命的國父們，再到庚子賠款回國報效的華人之光、兩彈元勛們，歷代學子只身孤懸海外，就是為了復興中華，國回漢唐。中國夢、強國夢，從鴉片戰爭被打開國門的那一刻起，就從來沒有在任何一個中國人心中停止過。只有將個人的發展融入到國家民族乃至世界的旋律中，才可能激蕩出時代強音，不負韶華。”

正是這種強國夢的精神支撐，官科在海外勤學苦鉆，在國內現場測試、加班思索，終有其成。

軌道交通，是指以軌道形式為主的交通模式，包括鐵路、地鐵、輕軌等多種類型。軌道交通具有運量大、速度快、安全、準點、保護環境、節約能源和用地等特點，作為全球公認的低能耗、少污染的“綠色交通”，軌道交通不僅直接關系到人們的出行、工作和生活，而且對實現國家和城市的可持續發展具有非常重要和深遠的意義。中國已經成為世界高鐵建設里程最長的國家，并且還計劃在2040年在全國形成5縱7橫的國家高速鐵路網絡大框架，使中國成為世界上第一個在本國形成高速鐵路網的國家。除了在國內進行大規模建設，中國高鐵還提速“出海”，快速走向國際舞臺。當前，中國已經和50多個國家和地區建立起了高鐵合作關系。作為我國的外交名片，高鐵的出口，不僅能夠加強國際交流與合作，擴大中國的影響力，還將有利于地區間經濟的優勢互補，促進中國制造業的轉型和升級。

不論是對于以地鐵為代表的城市軌道交通系統，還是以高鐵為代表的區域間軌道交通系統，為了確保列車的安全運行，軌道交通移動通信網絡必須確保在任何時刻都能提供可靠性、有效性、可維護性、安全性的“高可信”服務。否則，列車控制將存在安全隱患，嚴重威脅人們的生命和財產安全。因而，作為無線電通信系統設計、規劃以及部署的重要基礎，軌道交通場景的電波傳播預測建模一直都是工程電磁場理論研究領域的重要方向之一。

多年來，盡管經過許多學者的努力，人們對軌道交通電波傳播領域有了更深入的探究和認識，但是現有研究仍然在建模理論和方法的準確性、所研究的空間類型以及電波傳播機制理解和分析上存在種種局限。官科作為創新團隊的一員，在這十幾年間，積極參與了著名鐵路無線通信專家鐘章隊先生主持的一場場工程實踐、一個個科研攻關，使青藏鐵路成為亞洲第一條使用GSM-R通信系統的鐵路，把Locotrol技術與GSM-R系統相結合，實現了我國非常重要的煤炭運輸線路——大秦線的年運量從兩億頓提升到四億噸，見證和參與了中國鐵路發展通信工程的新歷程。作者從實踐到理論的深化，在西班牙馬德里理工大學和德國布倫瑞克工業大學通信技術所嚴謹到近乎刻板的研究，為不同通信系統在軌道交通場景中的網絡規劃提供了各具特色的電波傳播預測模型，解決了局限的問題，帶給我們發展的新視角。

讀罷此書，發現作者從電磁波能量約束的角度，將軌道交通的電波傳播空間分為三大空間分別進行了新的研究。

針對開放空間，研究了面向真實軌道交通戶外場景的電波傳播確定性建模理論和方法。為各類通信系統在軌道交通場景的設計提供了高準確性的電波傳播預測模型；為面向列空與安全的通信系統的網絡規劃提供了可靠的建模方法；為下一代帶寬移動通信系統在軌道交通場景中的信道建模奠定了研究基礎。針對半封閉空間，對軌道交通場景中橫跨橋和車站對電波傳播的影響進行了測量，在此基礎上進行了經驗性建模。通過實測證明模型可以有效地將這兩類半封閉空間納入到電波傳播的預測中去。針對限定空間，作者提出了隧道中電波傳播的完整模型架構，對基于分段的建模思想進行了整合和拓展，以形成對隧道中電波傳播過程的整體性認識。針對無線電波在隧道中傳播的最初階段，作者對自由空間傳播機制和多模態傳播機制之間的分界點位置進行了準確的解析建模，提出了任意橫截面隧道中第一分界點位置的普適模型，明確了隧道中近場區的電波傳播機制。

作者通過多章節對軌道交通不同場景的電波傳播建模研究和詳細論述，在應用層面為通信系統在軌道交通場景中的設計提供了電波傳播預測工具，在方法論層面為不同場景的電波傳播建模提供了可移植和轉化的方法，在認識論層面為不同空間的電波傳播研究提供了可資借鑒的理論策略。本書在理論上對于提高軌道交通場景無線通信鏈路可靠性具有不可忽視的意義，為軌道交通場景無線電網絡規劃、有效實現安全列控信息可靠傳輸奠定了基礎。

據了解，這本書的內容得益于作者深入的國際聯合研究，其中一些章節以英文描述曾發表在國際學術期刊得到國際學術同行的認可。

此書雖然是現階段我國軌道交通場景電波傳播方面的創新收獲，然而科學研究是無止境的。這一領域中仍然有許多后續研究需要深入，有不少后續問題需要解決，一些后續工作需要進一步完善。可喜的是，此書問世不久，作者就獲得德國洪堡基金會外國科學家研究基金，成為一名年輕的“洪堡學者”。春暖花開的人間最美四月天，他懷著新的追求和夢想，飛赴德意志，去進行為期兩年的科學研究。臨行前夕，作者專程登門贈書，聽取意見，與筆者長談科研計劃和進取愿景。華夏民族有這樣一批棟梁之才，振興中華躋身世界科技強國之夢，看來大有希望。

掩卷遐思，期待作者有更新的研究成果問世，也期待與作者展開更深入的合作，從語言網絡傳播和軌道交通場景電波傳播入手，探索信息傳播更一般的機制和規律，更好報效祖國、造福人類。

（作者系北京大學中文系教授、博士生導師，教育部人文社科重點研究基地中國語言研究中心主任。）