高铁背后的中国创新——读官科专著《轨道交通场景电波传播建模理论与方法》

　　当今中国已成为世界高速铁路建设里程最长的国家。近年来，中国开启了“高铁外交”的进程，尤其是在“一带一路”战略中，将轨道交通的发展提升到了国家战略的高度。在轨道交通场景中的移动通信系统，不仅涉及旅客信息服务，更加关系到列车的安全运行。然而，轨道交通场景的特殊结构一直对沿线移动通信系统设计和网络规划带来重重挑战。所以，作为移动通信系统设计、规划以及部署的重要基础，轨道交通场景的电波传播预测建模一直是工程电磁场理论的研究重点之一。新近出版的官科的专著《轨道交通场景电波传播建模理论与方法》（北京邮电大学出版社2016年1月第一版），致力于对轨道交通场景的电波传播建模理论和方法进行综合性的研究，在准确揭示电波传播特别是三大空间机制的基础上，为不同通信系统在轨道交通场景中的网络规划提供各具特色的电波传播预测模型，在当今世界高铁空间电波传播领域做了科学的理论创新。这是我国科技研究难能可贵的新收获和厚重成果。

　　官科博士系北京交通大学副教授。笔者看见他从儿时长大，了解他的学习研究经历。因为研究语言网络传播理论，我们常在一起讨论信息传播的基本和特殊规律，为其常有科研新得而击掌。他刚过而立之年，可以说是一位为国追梦的年轻学者。他曾分别获得国家公派和欧洲奖学金资助，硕士博士研究生期间赴德国、西班牙留学三年，致力于轨道交通、车载网络、第五代通信系统以及至高频通信中的电波传播与无线信道研究，是首届博士研究生国家奖学金获得者。2014年，荣获国际无线电科学联盟青年科学家奖，2015年作为团队成员之一又获得国家自然科学奖。

　　“自强首在储才，储才必先兴学”是交通大学前身之一南洋公学的立校之本。作为交大学子的官科，是这句话的忠实践行者。他坚信，民族自强，国家发展，没有人才，都是空谈。他一直努力储备才德，待国家民族需要之时，就可以投身时代，为国为民。本科期间，他成立学校辩论队，参加多项国际赛事，斩获亚太大专华语辩论公开赛最佳辩手等荣誉，为国家储备自己的思辨之才。同时，他积极参与理论学习性社团，在《中国青年研究》上发表论文《多元文化背景下高校学生组织工作创新》，为国家储备自己的思政之才。本科毕业，他选择保留研究生学籍两年，任高校辅导员。这两年中，他扎根基层、砥砺青春，以勤奋出色的工作获得了北京交通大学“优秀专职团干部”等称号，为国家储备自己的综合实干之才。结束工作后，官科重回课堂，以自己加倍的努力收获了首届博士研究生国家奖学金等八项分量十足的奖励，为国家储备自己的科技专业之人才。

　　怀着“求学海外，志在报国”的信念，官科在国家建设高水平大学公派研究生项目和欧洲奖学金的资助下，分别赴德国和西班牙进行了为期三年的联合研究。留学期间，他兼顾中欧双方的科研工作，平日里起早贪黑，周末假期大多在加班中度过。不眠不休的努力，不仅让他取得了在行业顶级期刊上发表多篇学术论文以及参与完成多项科研项目的成绩，也为他在国际同行中赢得了普遍的认可。官科并非天资过人，却能成长成才，其中原因在他给国内导师钟章队教授所写的邮件中可见一斑：“在学生看来，今日之公派留学和百十年前的洋务运动在精神上一脉相承。从留学英德最后为国慷慨捐躯的北洋水师的管带们，到后来赴日欧留学投身革命的国父们，再到庚子赔款回国报效的华人之光、两弹元勋们，历代学子只身孤悬海外，就是为了复兴中华，国回汉唐。中国梦、强国梦，从鸦片战争被打开国门的那一刻起，就从来没有在任何一个中国人心中停止过。只有将个人的发展融入到国家民族乃至世界的旋律中，才可能激荡出时代强音，不负韶华。”

　　正是这种强国梦的精神支撑，官科在海外勤学苦钻，在国内现场测试、加班思索，终有其成。

　　轨道交通，是指以轨道形式为主的交通模式，包括铁路、地铁、轻轨等多种类型。轨道交通具有运量大、速度快、安全、准点、保护环境、节约能源和用地等特点，作为全球公认的低能耗、少污染的“绿色交通”，轨道交通不仅直接关系到人们的出行、工作和生活，而且对实现国家和城市的可持续发展具有非常重要和深远的意义。中国已经成为世界高铁建设里程最长的国家，并且还计划在2040年在全国形成5纵7横的国家高速铁路网络大框架，使中国成为世界上第一个在本国形成高速铁路网的国家。除了在国内进行大规模建设，中国高铁还提速“出海”，快速走向国际舞台。当前，中国已经和50多个国家和地区建立起了高铁合作关系。作为我国的外交名片，高铁的出口，不仅能够加强国际交流与合作，扩大中国的影响力，还将有利于地区间经济的优势互补，促进中国制造业的转型和升级。

　　不论是对于以地铁为代表的城市轨道交通系统，还是以高铁为代表的区域间轨道交通系统，为了确保列车的安全运行，轨道交通移动通信网络必须确保在任何时刻都能提供可靠性、有效性、可维护性、安全性的“高可信”服务。否则，列车控制将存在安全隐患，严重威胁人们的生命和财产安全。因而，作为无线电通信系统设计、规划以及部署的重要基础，轨道交通场景的电波传播预测建模一直都是工程电磁场理论研究领域的重要方向之一。

　　多年来，尽管经过许多学者的努力，人们对轨道交通电波传播领域有了更深入的探究和认识，但是现有研究仍然在建模理论和方法的准确性、所研究的空间类型以及电波传播机制理解和分析上存在种种局限。官科作为创新团队的一员，在这十几年间，积极参与了著名铁路无线通信专家钟章队先生主持的一场场工程实践、一个个科研攻关，使青藏铁路成为亚洲第一条使用GSM-R通信系统的铁路，把Locotrol技术与GSM-R系统相结合，实现了我国非常重要的煤炭运输线路——大秦线的年运量从两亿顿提升到四亿吨，见证和参与了中国铁路发展通信工程的新历程。作者从实践到理论的深化，在西班牙马德里理工大学和德国布伦瑞克工业大学通信技术所严谨到近乎刻板的研究，为不同通信系统在轨道交通场景中的网络规划提供了各具特色的电波传播预测模型，解决了局限的问题，带给我们发展的新视角。

　　读罢此书，发现作者从电磁波能量约束的角度，将轨道交通的电波传播空间分为三大空间分别进行了新的研究。

　　针对开放空间，研究了面向真实轨道交通户外场景的电波传播确定性建模理论和方法。为各类通信系统在轨道交通场景的设计提供了高准确性的电波传播预测模型；为面向列空与安全的通信系统的网络规划提供了可靠的建模方法；为下一代带宽移动通信系统在轨道交通场景中的信道建模奠定了研究基础。针对半封闭空间，对轨道交通场景中横跨桥和车站对电波传播的影响进行了测量，在此基础上进行了经验性建模。通过实测证明模型可以有效地将这两类半封闭空间纳入到电波传播的预测中去。针对限定空间，作者提出了隧道中电波传播的完整模型架构，对基于分段的建模思想进行了整合和拓展，以形成对隧道中电波传播过程的整体性认识。针对无线电波在隧道中传播的最初阶段，作者对自由空间传播机制和多模态传播机制之间的分界点位置进行了准确的解析建模，提出了任意横截面隧道中第一分界点位置的普适模型，明确了隧道中近场区的电波传播机制。

　　作者通过多章节对轨道交通不同场景的电波传播建模研究和详细论述，在应用层面为通信系统在轨道交通场景中的设计提供了电波传播预测工具，在方法论层面为不同场景的电波传播建模提供了可移植和转化的方法，在认识论层面为不同空间的电波传播研究提供了可资借鉴的理论策略。本书在理论上对于提高轨道交通场景无线通信链路可靠性具有不可忽视的意义，为轨道交通场景无线电网络规划、有效实现安全列控信息可靠传输奠定了基础。

　　据了解，这本书的内容得益于作者深入的国际联合研究，其中一些章节以英文描述曾发表在国际学术期刊得到国际学术同行的认可。

　　此书虽然是现阶段我国轨道交通场景电波传播方面的创新收获，然而科学研究是无止境的。这一领域中仍然有许多后续研究需要深入，有不少后续问题需要解决，一些后续工作需要进一步完善。可喜的是，此书问世不久，作者就获得德国洪堡基金会外国科学家研究基金，成为一名年轻的“洪堡学者”。春暖花开的人间最美四月天，他怀着新的追求和梦想，飞赴德意志，去进行为期两年的科学研究。临行前夕，作者专程登门赠书，听取意见，与笔者长谈科研计划和进取愿景。华夏民族有这样一批栋梁之才，振兴中华跻身世界科技强国之梦，看来大有希望。

　　掩卷遐思，期待作者有更新的研究成果问世，也期待与作者展开更深入的合作，从语言网络传播和轨道交通场景电波传播入手，探索信息传播更一般的机制和规律，更好报效祖国、造福人类。

　　(作者系北京大学中文系教授、博士生导师，教育部人文社科重点研究基地中国语言研究中心主任。)

　　陈保亚