齊峰 上海鐵路局上海高鐵維修段

高鐵防災(zāi)系統(tǒng)在城際鐵路的運(yùn)用實(shí)踐

齊峰 上海鐵路局上海高鐵維修段

以滬寧城際鐵路防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)用現(xiàn)狀為參照，結(jié)合國內(nèi)外其他高鐵線路的防災(zāi)預(yù)警措施，從風(fēng)速、雨量、異物侵限監(jiān)測(cè)三個(gè)方面介紹國內(nèi)防災(zāi)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展歷程、存在不足及發(fā)展前景。

高速鐵路；滬寧城際鐵路；防災(zāi)系統(tǒng)

1 當(dāng)前高鐵防災(zāi)系統(tǒng)的運(yùn)用情況

安全是所有交通運(yùn)輸方式順利運(yùn)營最核心、最關(guān)鍵、最根本的先決條件。高速鐵路由于列車高速度、高密度運(yùn)行、以客運(yùn)為主，與其它運(yùn)輸工具相比較其安全保障體系要求更加嚴(yán)密，對(duì)安全保障體系提出了更高的要求。高速鐵路發(fā)達(dá)的日本、法國、德國，都經(jīng)歷過嚴(yán)峻自然災(zāi)害的考驗(yàn)，均采用了先進(jìn)的災(zāi)害防護(hù)技術(shù)加強(qiáng)對(duì)災(zāi)害的防護(hù)。日本在新干線沿海岸線設(shè)置了地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，2011年發(fā)生“3·11”大地震時(shí)，以時(shí)速270km運(yùn)行在東京和青森以及福島與巖手之間的23趟列車全部安全停車。法國高速鐵路采用了以機(jī)車信號(hào)為主的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)，沿線設(shè)有防護(hù)開關(guān)和應(yīng)急電話。德國高速鐵路采用了新型防災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)MAS90，除可監(jiān)督線路裝備的運(yùn)用狀況外，還可識(shí)別和及時(shí)報(bào)告環(huán)境對(duì)行車安全的影響，以及移動(dòng)設(shè)備發(fā)生破損的情況。

截止2013年9月，我國高鐵總里程達(dá)到10463km，“四縱”干線基本成型。由于地域遼闊，地形復(fù)雜，加之全球氣候異常，近幾年鐵路運(yùn)輸頻頻遭到風(fēng)、雨、雪、地震、落物等災(zāi)害的侵襲，平均每年造成運(yùn)輸中斷100余次。為了能在災(zāi)害發(fā)生時(shí)提供有效預(yù)警，我國高鐵從首次開通至今對(duì)防災(zāi)系統(tǒng)的應(yīng)用研究從未中斷，經(jīng)過10余年從無到有的發(fā)展，已經(jīng)積累了相當(dāng)豐富的經(jīng)驗(yàn)，形成一套體系完善、設(shè)備先進(jìn)、穩(wěn)定可靠的災(zāi)害監(jiān)測(cè)體系。京津城際作為國內(nèi)第一條設(shè)計(jì)時(shí)速為350km的高速鐵路，首次提出并實(shí)施了客運(yùn)專線防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)的解決方案，京津城際防災(zāi)系統(tǒng)包括大風(fēng)監(jiān)測(cè)和異物侵限監(jiān)控兩個(gè)子系統(tǒng)，全線共設(shè)置12處風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)，5處異物侵限監(jiān)控點(diǎn)。京滬高鐵2011年設(shè)立地震監(jiān)控子系統(tǒng)，全線共計(jì)地震監(jiān)控點(diǎn)31處。甬臺(tái)溫、溫福線、鄭西線、福夏線、石太客運(yùn)專線、武廣客運(yùn)專線、合武客運(yùn)專線等也都陸續(xù)設(shè)置了防災(zāi)系統(tǒng)。

2 滬寧城際鐵路防災(zāi)系統(tǒng)

滬寧城際鐵路防災(zāi)系統(tǒng)主要由風(fēng)、雨以及異物侵限現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控單元，蘇州站監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理設(shè)備，各工務(wù)終端，上海調(diào)度所設(shè)備與傳輸網(wǎng)絡(luò)等組成。由風(fēng)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、雨量監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)以及異物侵限監(jiān)控子系統(tǒng)集成。

2.1 風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

滬寧城際鐵路設(shè)計(jì)時(shí)速300km/h，沿線7級(jí)（13.9m/s～17.1m/s）大風(fēng)時(shí)有發(fā)生，特大橋上風(fēng)速更高，風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)是本線不可缺少的行車安全防護(hù)設(shè)備。沿線主要城市所在區(qū)域年最大風(fēng)速（m/s）見表1。

表1 滬寧城際沿線主要城市所在區(qū)域年最大風(fēng)速統(tǒng)計(jì)情況

風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備、室內(nèi)采集模塊與上位機(jī)處理顯示模塊組成。現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備由風(fēng)速風(fēng)向計(jì)以及專用的接線盒、傳輸電纜構(gòu)成。風(fēng)速風(fēng)向計(jì)安裝在特大橋接觸網(wǎng)支柱上，為降低線桿和支架對(duì)檢測(cè)的影響采用“T”型安裝支架安裝，高度距軌面4.0m，并且兩個(gè)風(fēng)速計(jì)安裝在兩個(gè)不同的水平高度，伸出接觸網(wǎng)桿的架子長度為2.0m。每個(gè)布設(shè)點(diǎn)設(shè)置兩個(gè)風(fēng)速風(fēng)向儀是為了避免因單個(gè)風(fēng)速采集設(shè)備的誤差或漏報(bào)。滬寧城際鐵路采用了超聲波式風(fēng)速風(fēng)向計(jì)，該風(fēng)速風(fēng)向傳感器又名氣象變送器，同時(shí)具有風(fēng)速、風(fēng)向及雨量多重監(jiān)測(cè)功能，既節(jié)省成本更能減少維護(hù)工作量。

室內(nèi)采集模塊集成于通訊主機(jī)，通過網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)上送至應(yīng)用服務(wù)器。上位機(jī)處理顯示模塊由系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)，主要安裝在應(yīng)用服務(wù)器、工區(qū)終端和調(diào)度所終端。

系統(tǒng)功能包括大風(fēng)監(jiān)測(cè)報(bào)警和大風(fēng)監(jiān)測(cè)預(yù)警功能。大風(fēng)監(jiān)測(cè)報(bào)警可實(shí)現(xiàn)風(fēng)速風(fēng)向的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警，是風(fēng)速災(zāi)害子系統(tǒng)的基礎(chǔ)。目前，大風(fēng)監(jiān)測(cè)報(bào)警時(shí)限按風(fēng)速達(dá)到報(bào)警門限不大于9s報(bào)警設(shè)定；解除報(bào)警時(shí)限可按大風(fēng)降級(jí)后不大于6min設(shè)定；實(shí)際運(yùn)用中，積累更多沿線風(fēng)特征觀測(cè)數(shù)據(jù)后，可以在導(dǎo)向安全的原則下對(duì)該組數(shù)值進(jìn)行微調(diào)，盡量延長報(bào)警時(shí)限并縮短解除報(bào)警時(shí)限，目的是將運(yùn)營損失控制到最小。關(guān)于大風(fēng)監(jiān)測(cè)預(yù)警功能，目前防災(zāi)暫行標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速報(bào)警分為15km/h、20km/h、25km/h和30km/h四個(gè)級(jí)別，而當(dāng)風(fēng)速達(dá)到或超過30km/h時(shí)，要求列車不能進(jìn)入風(fēng)速區(qū)間。如果沒有風(fēng)速預(yù)測(cè)功能，可能會(huì)出現(xiàn)該區(qū)段發(fā)生大風(fēng)時(shí)列車卻已經(jīng)進(jìn)入該區(qū)段的現(xiàn)象，這會(huì)存在行車顛覆事故發(fā)生的可能性。

風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)共性的技術(shù)難點(diǎn)包括：風(fēng)速計(jì)如何布點(diǎn)、風(fēng)速預(yù)測(cè)、過濾列車瞬時(shí)風(fēng)、報(bào)警判定與解除，這需要在后期運(yùn)用中進(jìn)一步完善風(fēng)速預(yù)警、風(fēng)速布點(diǎn)、過濾列車瞬時(shí)風(fēng)等重要功能。

2.2 雨量監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

雨量對(duì)于高速列車行車而言危害并不大，尤其是當(dāng)高速鐵路建設(shè)選用無砟軌道以后，雨量對(duì)于直接影響行車的危害將更小，但是經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，由雨量間接帶來的災(zāi)害也是不容忽視的，因而基于該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)建立了滬寧城際鐵路防洪技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

雨量監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)主要采用了風(fēng)雨監(jiān)測(cè)集成功能的傳感器，該傳感器采用非機(jī)械式結(jié)構(gòu)的聲學(xué)原理測(cè)量降水，通過探測(cè)單獨(dú)雨滴的撞擊力，產(chǎn)生的信號(hào)與雨滴的大小成正比，然后將信號(hào)大小加起來轉(zhuǎn)換成累計(jì)的降雨量。

監(jiān)測(cè)方式分小時(shí)降雨量及24h降雨量+小時(shí)降雨量兩種，根據(jù)降雨對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的影響情況，分別制定了“小時(shí)降雨量”和“24h降雨量+小時(shí)降雨量”報(bào)警門限值。

系統(tǒng)具備雨量監(jiān)測(cè)報(bào)警功能之后，當(dāng)發(fā)生雨量報(bào)警，CTC通過防災(zāi)通信服務(wù)器接收到雨量報(bào)警信息并彈出提示，列車調(diào)度員查看防災(zāi)終端確認(rèn)雨量報(bào)警后利用調(diào)度電話及時(shí)向相應(yīng)列車的司機(jī)發(fā)布暴雨臨時(shí)限速命令；同時(shí)列車調(diào)度員借助CTC終端和臨時(shí)限速操作終端，以設(shè)置和取消臨時(shí)限速為手段，使列車自動(dòng)限速運(yùn)行。

2.3 異物侵限監(jiān)控子系統(tǒng)

由于異物侵限事件的發(fā)生具有突發(fā)性、無規(guī)律和不可預(yù)測(cè)等特點(diǎn)，我們借鑒國外發(fā)達(dá)國家的方式采用先進(jìn)技術(shù)監(jiān)測(cè)異物侵限事件，在列車到達(dá)侵限地點(diǎn)前發(fā)出報(bào)警，控制列車停車，并將侵限信息實(shí)時(shí)傳到行車調(diào)度中心，保證列車運(yùn)行安全，為下達(dá)行車控制、維修管理等指令提供依據(jù)，避免重大行車事故發(fā)生。目前主要針對(duì)公跨鐵、隧道口、公鐵并行三種地段進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元、基站處理單元、通訊處理單元、應(yīng)用層處理顯示單元四個(gè)部分組成，其主要組成部分為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，而通訊主機(jī)、應(yīng)用層設(shè)備與風(fēng)、雨共用。

公跨鐵現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元由雙電網(wǎng)傳感器、金屬防護(hù)網(wǎng)（承重網(wǎng)）、軌旁控制器、傳輸電纜等組成。雙電網(wǎng)傳感器相比國外紅外對(duì)射、視頻智能識(shí)別等方法具有抗干擾性較強(qiáng)、便于安裝、投資小的優(yōu)點(diǎn)。由于滬寧城際鐵路開通時(shí)間較早、上跨公路建成時(shí)間各異，現(xiàn)場(chǎng)雙電網(wǎng)監(jiān)測(cè)傳感器并不統(tǒng)一，主要要有懸臂式、掛籃式、L豎立式三種（見圖1）。

圖1 監(jiān)測(cè)傳感器的三種安裝樣式

懸臂式由于支架系統(tǒng)采用長1.5m的H型鋼架，導(dǎo)致自重過大（55kg），不利于高鐵風(fēng)險(xiǎn)的控制，目前本線只有三座橋采取該種方式設(shè)置，已列入整改范圍。掛籃式是在懸臂式基礎(chǔ)上改良之后的安裝手段，雖然已經(jīng)解決了自重過大的弊端，但仍有不足之處：第一，如果落物軌跡較高，很有可能翻越網(wǎng)片直接墜入線路；第二，沒有合理設(shè)置承重結(jié)構(gòu)，不利于檢查維護(hù)。豎立式是文件所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)安裝形式，由豎直監(jiān)測(cè)電網(wǎng)、水平承重網(wǎng)、“L”型支架等三部分組成。豎直監(jiān)測(cè)網(wǎng)高2m，可以攔截較高拋落物；水平承重網(wǎng)可以供檢修人員站立，避免直接站立于監(jiān)測(cè)電網(wǎng)導(dǎo)致誤報(bào)警。

隧道口監(jiān)測(cè)單元目前只在橫切鐵路上方設(shè)置了雙電網(wǎng)監(jiān)測(cè)器，沿線路兩側(cè)采用了預(yù)應(yīng)力錨桿、擋墻、被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)等傳統(tǒng)的保護(hù)措施，沒有能實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)預(yù)警功能的設(shè)備，建議后期條件成熟時(shí)設(shè)置光纖傳感器填補(bǔ)該項(xiàng)空白（見圖2）。光纜監(jiān)測(cè)方式是在沿線布設(shè)光纜，由源點(diǎn)發(fā)出光信號(hào)，經(jīng)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)后再返回源點(diǎn)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)通過光信號(hào)的衰減判斷是否發(fā)生侵限情況及危害程度，非常適合依托于鐵路沿線的全封閉防護(hù)柵欄與大面積被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)對(duì)滾石破網(wǎng)侵限進(jìn)行長期的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

圖2 光纖傳感器結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)有異物監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)功能通過基站的列控接口實(shí)現(xiàn)，當(dāng)一層電網(wǎng)斷線時(shí)，防災(zāi)系統(tǒng)只發(fā)出報(bào)警，不觸發(fā)列控、聯(lián)鎖系統(tǒng)；只有二層電網(wǎng)同時(shí)斷線時(shí)，系統(tǒng)認(rèn)定有異物侵限，并將異物侵限信息分兩路同時(shí)輸出，一路將信息傳到防災(zāi)終端顯示報(bào)警信息；另一路電路驅(qū)動(dòng)防災(zāi)機(jī)柜內(nèi)的繼電器落下，同時(shí)帶動(dòng)與之相連的列控設(shè)備端繼電器落下，使得異物侵入的區(qū)段防護(hù)信號(hào)機(jī)顯示禁止信號(hào)，將控制列車在相應(yīng)的閉塞分區(qū)外停車。這種控制方式雖然以導(dǎo)向安全為原則，但由于存在與列控系統(tǒng)的接口，且該接口結(jié)構(gòu)復(fù)雜，繼電器相互之間連接電纜太長，使系統(tǒng)發(fā)生故障的概率、故障發(fā)生時(shí)影響范圍增大，不利于系統(tǒng)升級(jí)、故障處理等日常養(yǎng)修工作。近期有專家提出將防災(zāi)異物子系統(tǒng)與列控系統(tǒng)分離的改進(jìn)方案，通過軌旁控制器將雙電網(wǎng)傳感器、上行軌道、下行軌道進(jìn)行連接，實(shí)時(shí)采集、顯示雙電網(wǎng)傳感器的狀態(tài)。無異物侵限時(shí)軌旁控制器的異物侵限報(bào)警繼電器勵(lì)磁吸起，此時(shí)防災(zāi)異物侵限子系統(tǒng)所防護(hù)在軌道電路區(qū)段視為空閑，如出現(xiàn)異物侵入導(dǎo)致雙電網(wǎng)斷線后，軌旁控制器的異物侵限報(bào)警繼電器失磁落下，此時(shí)相應(yīng)軌道電路區(qū)段視為占用，軌道電路紅光帶，信號(hào)系統(tǒng)自動(dòng)采集，該區(qū)段防護(hù)信號(hào)機(jī)顯示禁止信號(hào)。通過改進(jìn)，保證了兩個(gè)系統(tǒng)的獨(dú)立性和完整性，最大程度減小防災(zāi)施工對(duì)鐵路運(yùn)輸?shù)挠绊?，使故障判斷更直接，日常維修更簡(jiǎn)便。后期在實(shí)施階段還需重新確定防災(zāi)系統(tǒng)對(duì)軌道電路占用或者空閑狀態(tài)的確認(rèn)權(quán)，研發(fā)相應(yīng)的軌旁控制器，使系統(tǒng)更加完善。

2.4 未來發(fā)展空間

滬寧防災(zāi)系統(tǒng)作為一個(gè)集成系統(tǒng)，架構(gòu)時(shí)考慮集成系統(tǒng)包含子系統(tǒng)的不確定性，預(yù)留多種子系統(tǒng)的接入條件與接口。目前系統(tǒng)設(shè)計(jì)的災(zāi)害監(jiān)測(cè)有風(fēng)、雨、異物三種，后續(xù)監(jiān)測(cè)的災(zāi)害種類可能會(huì)添加雪深、軌溫、地震等監(jiān)測(cè)內(nèi)容。而防災(zāi)系統(tǒng)的拓寬應(yīng)用不只是局限于因外部環(huán)境影響對(duì)線路情況實(shí)施的監(jiān)測(cè)，隨著設(shè)備的逐漸完善我們可以嘗試對(duì)沿線隧道、長大橋梁、易沉降路基等基礎(chǔ)設(shè)備的形變位移數(shù)據(jù)實(shí)施監(jiān)控，使設(shè)備應(yīng)用范圍更加廣闊，線路運(yùn)營狀態(tài)更加安全可控，發(fā)揮滬寧城際鐵路多專業(yè)綜合管理模式的優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)束語

經(jīng)過十余年發(fā)展，我國高鐵防災(zāi)系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)具備相當(dāng)堅(jiān)實(shí)的研發(fā)基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)積累，源源不斷地新思維、新理念定能催生出更廣闊的前景。今后還應(yīng)結(jié)合我國高鐵自身特點(diǎn)，參照其他行業(yè)防災(zāi)經(jīng)驗(yàn)，聯(lián)合我國氣象、地震等專業(yè)研究機(jī)構(gòu)共同攻關(guān)，優(yōu)化完善，使之更加符合不同地域、不同速度的鐵路線路的安全需求，確保列車運(yùn)行安全。

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責(zé)任編輯：許耀元 陳娟
來稿日期：2014-01-27