王志斌

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

1 國外高速鐵路雪深監(jiān)測系統(tǒng)概況

我國客運專線對于災害防護研究的基礎資料較少，相比之下，日本和歐洲的高速鐵路技術相對成熟，日本高速鐵路的發(fā)展已經(jīng)有近50年的歷史，日本是一個災害多發(fā)的國家，其北部緯度較高的地區(qū)，每年的雪害都比較嚴重，這些年來，對于災害的研究也比較透徹;在北歐緯度較高的地區(qū)，比如瑞典、芬蘭，冬季雪災也很嚴重，為了滿足鐵路安全運營的需要，也建立了一套較為完善的雪災防護系統(tǒng)。

國外鐵路對于雪災的應對是全方位的，包括車輛耐寒、耐雪構造的改進，站前建設防護，雪災監(jiān)測設備，道岔融雪，雪崩預測，凍雨監(jiān)測設備，機械化除雪設備等，并制定了完善的雪災運行管制辦法。

雪災監(jiān)測設備包括:降雪計、積雪深度計、自動控制部分以及除雪(融雪)設備等。表1是東日本公司大雪時列車運行控制標準。

表1 積雪深度與列車運行速度

2 哈大鐵路客運專線雪深監(jiān)測系統(tǒng)需求分析

哈大鐵路客運專線沿線地處我國東北三省，屬于降雪多發(fā)地區(qū)，存著潛在的雪災影響，有必要設置雪深監(jiān)測系統(tǒng)。

2.1 雪災危險性分析

根據(jù)收集的氣象部門資料，哈大鐵路客運專線沿線1971年至2000年最大積雪雪深統(tǒng)計見表2。

各地降雪初終期從11月開始至次年5月，跨度時間較長，氣溫較低，容易造成積雪，形成危害。

表2 哈大鐵路客運專線沿線各地積雪深度 cm

2.2 雪災分析

在冬季，下小雪對鐵路運輸并無大礙，但大雪或飛雪會嚴重影響運輸安全和運輸效率，而雪崩則可能造成鐵路安全事故?？偨Y多年來國內外鐵路受雪災影響主要包括由于一般大雪、濕雪、大風搬運造成的積雪堆積、黏附雪、雪崩、結凍、冰雪引起的線路空間障礙，大風卷起的飛雪等對軌道正線、道岔、車廂車體、軌旁設備、牽引供電系統(tǒng)造成的危害。表3為雪災危害分析。

表3 雪災危害分析

2.3 雪深監(jiān)控功能定位

根據(jù)表3對雪災危害的分析，雪深監(jiān)測子系統(tǒng)應具有實時監(jiān)測積雪深度、降雪量、降雪強度等雪災信息，并根據(jù)事先設置的預警門限，實時報警，提出行車管制預案，保證行車安全的功能。另外報警信息發(fā)送至工務維護部門，采取應對預案，進行行車管制，并由相應部門采取清除融化積雪等措施，保證客運專線高速、正點運行。

3 雪深監(jiān)測系統(tǒng)的總體功能

雪深監(jiān)測系統(tǒng)基本功能包括:信息采集、信息傳輸、數(shù)據(jù)處理、報警輸出、行車管制、設備維護及智能統(tǒng)計分析。

3.1 信息采集

主要采集監(jiān)測點的降雪量、積雪深度、積雪質量、降雪強度、融雪水量(降雪后自然條件下的融雪水量)、氣溫、風速風向。

3.2 信息傳輸

通過現(xiàn)場設置的數(shù)據(jù)傳輸設備及設置在臨近接入點的設備，將監(jiān)測到的雪量等信息傳送至防災數(shù)據(jù)處理中心。

3.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)基本的雪量、雪深和雪壓及其他氣象信息、線路信息和行車信息，對積雪進行綜合分析。

3.4 報警輸出、行車管制

根據(jù)采集及處理后的積雪信息，按照報警原則，以及根據(jù)雪災的特點，合理進行報警輸出。按照事先制定的行車管制辦法，將雪災對高速鐵路的影響降到最小。

(1)首列車的積雪深度報警門限及限速參考值如下:

9 cm≤軌面積雪深度＜17 cm時，限速245 km/h以下;

17 cm≤軌面積雪深度＜19 cm時，限速210 km/h以下;

19 cm≤軌面積雪深度＜22 cm時，限速160 km/h以下;

22 cm≤軌面積雪深度＜30 cm時，限速110 km/h以下;

軌面積雪深度≥30 cm時，停運。

(2)列車調度員利用CTC行調臺，以設置和取消臨時限速為手段，使列車自動限速運行;同時，也可以借助調度電話、CTC系統(tǒng)的調度命令無線傳輸功能，將強降雪臨時限速命令及時傳送至相應列車。

3.5 設備維護

系統(tǒng)具備自檢功能，網(wǎng)管功能，能夠實時監(jiān)測網(wǎng)絡設備的狀態(tài)、監(jiān)控單元的狀態(tài)，各傳感器的狀態(tài)。

3.6 智能統(tǒng)計分析

綜合考慮歷史數(shù)據(jù)的分析，結合線路情況、地形等分析積雪可能產(chǎn)生的影響，同時智能統(tǒng)計分析還包括對線路上實測的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，為今后的雪災監(jiān)測提供數(shù)據(jù)的積累。

4 雪深監(jiān)測點設置方案

根據(jù)哈大鐵路客運專線的線路平縱斷面資料，氣象要素等資料，結合以上通用布點原則，分析哈大鐵路客運專線雪災監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)測點布點原則。

一般根據(jù)積雪歷史數(shù)據(jù)，結合線路的特點和雪災系統(tǒng)的實施特點，進行綜合考慮選點。

積雪的歷史數(shù)據(jù)包括3種:有無降雪、降雪量、積雪深度，而降雪量和積雪深度更能反映該地區(qū)雪害的嚴重性。

線路勘測的平面圖、縱斷面圖，以及基站、車站的布置圖，都可以作為選點的輸入。

下面針對哈大鐵路客運專線積雪監(jiān)測，對選點的各個環(huán)節(jié)進行詳細的闡述。

(1)收集歷史積雪深度數(shù)據(jù)

收集了哈大鐵路客運專線沿線大連、營口、海城、鞍山、沈陽、鐵嶺、四平、長春和哈爾濱等城市的自1951年以來的最大積雪深度，如表4所示。這些城市中，沈陽、四平、長春、哈爾濱的積雪超過10 cm和超過15 cm年份很多，鞍山和長春超過20 cm積雪的年份很多，因此建議在長春、鞍山、沈陽、四平、哈爾濱等地，特別是長春和鞍山一帶多布置積雪深度計。

表4 沿線最大積雪深度統(tǒng)計

(2)收集線路信息

除降雪歷史數(shù)據(jù)外，還需要收集線路信息，包括:平面圖、縱斷面圖、基站、車站、深路塹、彎道、特殊地段等信息。這些信息對于雪災監(jiān)測的選點有重要的參考作用。

(3)選點分析過程

一般的，對于累年積雪深度都比較大的地區(qū)布點相對可以比較密集，一般選擇在供電和通信比較方便的監(jiān)控單元附近布置。而對于累年積雪相對較小的地區(qū)的布點需要仔細分析，以DK71+900點處的選點過程為例，該處軌面和路面的高差不大，

縱斷面圖如圖1所示。鐵路線路平面如圖2所示。結合實際線路現(xiàn)場三維地圖，HDKZ－30(DK71+900)處垂直于鐵路線方向的地形如圖3所示。平行于鐵路方向的地形如圖4所示。

圖1 設置點縱斷面

圖2 設置點平面

圖3 設置點地形圖一

圖4 設置點地形圖二

結合通信基站設置表，該點據(jù)基站較近。結合上述信息，分析如下。

該點處于鞍山至大石橋之間，盛行風向為東北風或北風，前方有山坡為迎風側，可能會形成風吹雪堆積，該處距離基站較近，供電和通信比較方便，因此選定該點作為積雪監(jiān)測點。

(4)選點原則

結合以上選點過程，得出哈大鐵路客運專線雪災監(jiān)測現(xiàn)場設備布點原則如下:歷史積雪深度小于最小積雪報警閾值的地區(qū)一般不需要監(jiān)測;歷史上經(jīng)常出現(xiàn)積雪深度20 cm以上的地區(qū)必須考慮積雪監(jiān)測;布點應考慮鐵路沿線供電和通信;容易大風搬運造成積雪的深路塹要重點布置;為方便與道岔融雪設備的聯(lián)動，可考慮設置在道岔區(qū)段附近;國家氣象部門在降雪量的觀測時是納入降水量觀測的，收集數(shù)據(jù)時需要注意降雪的季節(jié)性。

5 哈大鐵路客運專線雪深監(jiān)測系統(tǒng)構成方案

5.1 設備構成方案

雪災監(jiān)測系統(tǒng)由現(xiàn)場監(jiān)測設備、監(jiān)控單元設備、監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設備和監(jiān)控終端組成。

5.1.1 現(xiàn)場監(jiān)測設備

雪深現(xiàn)場監(jiān)測設備由激光雪深計、防雷模塊、信號隔離采集模塊、現(xiàn)場設備箱等組成。哈大鐵路客運專線沈大段共設置雪深計8處，沈哈段設置10處。

5.1.2 監(jiān)控單元

監(jiān)控單元主要由電源模塊、信號輸入模塊、信號傳輸模塊、防雷設備等組成，設置于通信GSM-R基站內的600 cm×600 cm×2 200 cm標準機柜內。

風雨雪傳感器、雪深計、地震傳感器等傳感器采集風、雨、雪、地震信息后傳輸給接口層，接口層將收到的信息傳輸給主機層中的主控計算機，主控機將信息處理加工后上傳至監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設備中的應用服務器。應用服務器根據(jù)規(guī)則處理報警、存儲和轉發(fā)信息。主控機可接受來自應用服務器的命令，實現(xiàn)其他系統(tǒng)接口和控制條件輸出。機柜中的UPS為整個系統(tǒng)供電，可支持電源電量監(jiān)測和管理功能。UPS下方是隔離變壓器(主要用于防浪涌)、空開、防雷和配電端子，為整個系統(tǒng)的電源輸入、信號輸入、電源輸出提供結構支持和防雷保護，系統(tǒng)電源輸入支持2路220VAC輸入，具有隔離變壓器保護。

同一監(jiān)控單元應具備同時接入多個不同種類監(jiān)測設備的功能。故雪災監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控單元可采取單獨設置或與其他監(jiān)測設備合用監(jiān)控單元的方式設置。

5.1.3 監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設備

雪深監(jiān)測系統(tǒng)是防災系統(tǒng)的子系統(tǒng)，與其他監(jiān)測子系統(tǒng)共用中心系統(tǒng)，具備雪災監(jiān)測的功能。哈大鐵路客運專線在沈陽、長春分別設置監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設備。監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設備由數(shù)據(jù)庫服務器、應用服務器、磁盤陣列、網(wǎng)絡交換機、網(wǎng)絡安全設備、維護終端、打印機、電源設備等組成，詳見圖5。

圖5 監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設備構造

數(shù)據(jù)庫服務器為雙機熱備方式，配1套磁盤陣列作為擴展存儲設備，內設防災安全監(jiān)控各功能子系統(tǒng)相關監(jiān)控數(shù)據(jù)表，存儲防災安全監(jiān)控各種信息，如風向風速信息、雨量信息、落物監(jiān)測報警信息、雪深信息等歷史記錄，以備查詢。數(shù)據(jù)庫服務器具備故障自動轉移功能，保證監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設備穩(wěn)定運行。

應用服務器負責采集監(jiān)控單元主機傳入監(jiān)測點狀態(tài)信息及設備狀態(tài)信息，將防災安全監(jiān)控各種數(shù)據(jù)、報警信息等歷史記錄存入數(shù)據(jù)庫服務器。應用服務器為雙機熱備方式，任一臺發(fā)生故障、任意網(wǎng)絡發(fā)生故障不影響系統(tǒng)正常運行，提高了整個系統(tǒng)的安全性和可靠性。

5.2 網(wǎng)絡構成方案

防災安全監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控單元(設置于沿線相關通信基站、車站、牽引變電所、AT所內)、網(wǎng)絡匯聚(車站通信機械室)、監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設備、調度所設備、工務終端設備等構成防災系統(tǒng)專用網(wǎng)絡，其間的聯(lián)網(wǎng)方式如下:

(1)防災監(jiān)控單元至現(xiàn)場信息監(jiān)測設備之間敷設的信號數(shù)字內屏蔽電纜傳輸現(xiàn)場監(jiān)測信息;

(2)監(jiān)控單元與臨近網(wǎng)絡匯聚點之間采用通信SDH MSTP傳輸系統(tǒng)提供的主備用1×10 M/100 Mbps標準以太網(wǎng)接口，主備用1×2 Mbps通道互聯(lián);

(3)網(wǎng)絡匯聚點功能由通信專業(yè)設備實現(xiàn)，匯聚臨近監(jiān)控單元通道;

(4)網(wǎng)絡匯聚點與防災安全監(jiān)控中心之間采用通信SDH MSTP傳輸系統(tǒng)提供的主備用1×10 M/100 Mbps標準以太網(wǎng)接口，主備用1×2 Mbps通道互聯(lián);

(5)調度所設備、工務終端設備通過通信SDH MSTP傳輸系統(tǒng)提供的主備用1×10 M/100 Mbps標準以太網(wǎng)接口，主備用1×2 Mbps通道互聯(lián)。

6 結語

客運專線鐵路雪深監(jiān)測系統(tǒng)是防災安全監(jiān)控系統(tǒng)的重要子系統(tǒng)之一;為確?？瓦\專線鐵路運行安全，有必要建設客運專線鐵路雪深監(jiān)測系統(tǒng)。哈大鐵路客運專線雪深監(jiān)測系統(tǒng)將是我國高速鐵路雪深監(jiān)控系統(tǒng)實施的首例工程，系統(tǒng)構建及實施應確保其高安全可靠性;應根據(jù)哈大鐵路客運專線雪深監(jiān)測系統(tǒng)實施及數(shù)據(jù)積累情況，盡快確定雪深監(jiān)測系統(tǒng)技術標準及設計規(guī)范，為其他客運專線鐵路雪深監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的建設提供依據(jù)。

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