李德倉 陳曉強,4 孟建軍▲ 胥如迅,4 祁文哲 張子建

（1.蘭州交通大學機電技術研究所 蘭州 730070；2.甘肅省物流及運輸裝備信息化工程技術研究中心 蘭州 730070；3.甘肅省物流與運輸裝備行業(yè)技術中心 蘭州 730070；4.蘭州交通大學機電工程學院 蘭州 730070）

0 引言

近年來，中國鐵路技術迅猛發(fā)展，目前已建成了世界上運營速度最快、里程最長的高速鐵路網(wǎng)。速度為200 km/h的動車組已經(jīng)在全國范圍內實現(xiàn)了大規(guī)模的商業(yè)化運營，而250 km/h和350 km/h速度級動車組技術也日臻完善[1]。根據(jù)中國鐵路總公司2020年統(tǒng)計公報數(shù)據(jù)，全國鐵路營業(yè)里程由121 000 km增加到146 300 km，增長20.9%；高鐵由19 800 km增加到37 900 km；復線率由53.5%增長到59.5%，電氣化率由61.8%增長到72.8%[2]；“四縱四橫”高鐵網(wǎng)建成，預計到2030年基本形成布局合理、覆蓋廣泛、層次分明、安全高效的“八縱八橫”鐵路網(wǎng)絡。中西部地區(qū)鐵路營業(yè)里程已經(jīng)達到了90 000 km，“一帶一路”戰(zhàn)略進一步推動了我國西部地區(qū)高速鐵路的發(fā)展。

隨著高速鐵路的大范圍建設和“八縱八橫”鐵路網(wǎng)絡的形成，以及列車運行速度的提高與高速列車車體輕量化發(fā)展趨勢，列車運行環(huán)境變得也越來越復雜，這就使得列車對運行環(huán)境變得更加敏感，復雜惡劣的運行環(huán)境（例如，高原高寒、強風沙荒漠、雷雨雪霜、地震、山洪、雪崩、滑坡、泥石流、落塌方等）嚴重影響了列車運行安全。

在我國軌道交通歷史上，因惡劣環(huán)境導致運行列車脫軌、傾覆事故并不鮮見。例如，1981年7月9日，因特大暴雨導致成昆鐵路運行的列車發(fā)生墜橋事故，造成200多人傷亡的重大事故；2007年，5806次旅客列車在南疆線上距離吐魯番70 km處突遇13級大風，導致列車9～19節(jié)車廂脫軌，造成重大經(jīng)濟損失，見圖1（a）[3]；2011年7月23日，因雷擊導致D3115次動車與D301次動車發(fā)生追尾脫軌墜落事故，造成40人死、200余人受傷的特大事故；成昆線利子依達溝1981年7月發(fā)生的特大泥石流造成列車傾覆，共死亡79人，傷147人，中斷行車15 d；2008年5月12日發(fā)生的汶川地震導致寶成鐵路109隧道發(fā)生列車脫軌，攜帶13節(jié)油罐的貨運列車爆炸燃燒并引起火災，見圖1（b）[4]；2020年3月30日，京廣線馬田墟至棲鳳渡站下行區(qū)間發(fā)生線路塌方，T179次列車運行至該區(qū)段時撞上塌方體，導致第2～6節(jié)車廂脫線傾覆，事故造成1名乘警死亡，120多人受傷，見圖1（c）[5]。

圖1 惡劣環(huán)境造成列車傾覆事故現(xiàn)場Fig.1 Harsh environment caused train overturning accident

我國幅員遼闊、地質復雜、氣候多樣，是世界上自然災害較為嚴重的國家之一。隨著我國鐵路路網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，鐵路沿線運輸生產(chǎn)環(huán)境更加復雜。特別是蘭新二線、青藏鐵路線，以及正在建設的川藏鐵路線，這3條鐵路沿線的惡劣環(huán)境類型較為復雜。其中，蘭州—新疆的蘭新二線全長1 142 km，是世界上海拔較高、線路較長、氣候較惡劣的高原鐵路，沿途有煙墩風區(qū)、百里風區(qū)、三十里風區(qū)、達坂城風區(qū)和安西風區(qū)5大風區(qū)，5大風區(qū)總長度約460 km；自蘭新二線投入運營后，因強風沙導致列車停輪、脫軌、傾覆等鐵路交通事故發(fā)生了多起，因風沙所致的列車脫軌和傾覆數(shù)量約100列，造成鐵路直接經(jīng)濟損失超過1 000萬元[6]。青藏線上的大風日較多，沿線年平均大風日為115～160 d，最大風速達到20～28 m/s，嚴重影響了列車的安全運行。正在建設的川藏線全長1 838 km，設計速度160～200 km/h，川藏線需要越過四川盆地、云貴高原、青藏高原3個臺階，沿途跨越多條江河和雪山高峰，集合了山嶺重丘、高原高寒、風沙荒漠、雷雨雪霜、泥石流、滑坡、落塌方等多種極端惡劣地理環(huán)境和氣候特征[7]。以川藏線為例，將復雜惡劣環(huán)境分為以下5種。

1）高海拔環(huán)境。川藏線全路段最高海拔達到4.4 km，最大落差超過3 km，八起八伏，總體爬升高度約4 km；橋梁和隧道工程占比達到總工程量的81%；其中，雅安至然烏段在山原面的高程，從西北部至東南部由4 km下降到3 km，下降高度超過1 km；山原面以下，由北至南河流逐漸深切形成連續(xù)不斷的峽谷，而嶺谷間高差甚至超過3 km；康定和瀘定段之間的線路，水平直線長度為50 km，垂向海拔高度差約為2 km，相當于垂向海拔高度差為0.04 km/km。安拉隧道的入口處海拔高度為3.3 km，隧道海拔最高點為4.3 km[8]。

2）高原高寒環(huán)境。川藏線主要線路基本位于海拔3 km以上，其主要地形為山地和高原，夏季最高溫度達40℃、冬季最低溫度達零下20℃；晝夜溫差最大達35℃左右；隧道內熱高溫甚至可達92℃。高寒的自然環(huán)境存在著天然隱患，主要表現(xiàn)為季節(jié)性變化的凍土和積雪；凍土和積雪會阻塞凍脹和融化沖擊等作用而破壞建筑物，伴隨著地震、強風、晝夜溫差、雨水等外界條件形成山洪、雪崩和冰川泥石流等自然災害[9]。

3）強風沙環(huán)境。川藏線穿過雅魯藏布江的兩側，沿線的地形受風的影響很大，風向基本上與河谷的方向一致，枯風季節(jié)從10月下旬到次年5月，最大風速可以達到12級，形成移動或半移動的沙丘；這些沙丘被路基阻擋后，會在大風季節(jié)重新聚集在路基的上風向和下風側，形成沙埋和風蝕，從而導致路基病害。受氣候因素和植被環(huán)境的控制，川藏鐵路的許多地區(qū)嚴重荒漠化，全線分布了20個風沙區(qū)。

4）地震環(huán)境。川藏線的雅安至林芝段位于青藏高原邊緣地區(qū)，沿線山高谷深，地層巖石復雜多變，地形被破壞，地震活動劇烈。此外，惡劣而復雜的氣候會對內部和外部動態(tài)地質產(chǎn)生強烈的影響，沿線地質災害的類型較多且非常復雜。川藏線穿過甘孜魯霍地震帶和雅魯藏布地震帶，地震設防烈度在8以上，地質構造運動活躍，地震頻發(fā)、烈度高、地應力高、斷層蠕變變形大；僅拉薩到林芝段就通過了18個斷層帶，歷史上發(fā)生過8次7級及以上的地震，15次5～7級的地震[9]。

5）其他地質災害環(huán)境。川藏線沿線地質復雜，不良地質極為發(fā)達，地下水和地表水豐富，包括孔隙水、基巖裂隙水、巖溶水、斷層帶水等，還有高溫熱水和低溫融雪；有蝕變巖、泥質巖、黏土巖、軟土、巖溶、鹽巖、石膏和古代火山巖等不良地質，由于極端的地質和風化現(xiàn)象，沿線泥石流、滑坡、崩塌等地質災害頻發(fā)[10]。

高海拔、高原高寒、強風沙、地震、山崩、滑坡、泥石流、落塌方、落石等復雜和惡劣環(huán)境會嚴重威脅列車運行安全。為了確保復雜環(huán)境下列車安全運行，不但要采取被動防災措施，更重要的是通過主動預防和控制方法確保行車安全。針對復雜惡劣環(huán)境下列車安全行車問題，許多學者和專家進行了大量研究和試驗，旨在為鐵路運營部門提供決策支持，避免或減少惡劣環(huán)境下鐵路交通事故的發(fā)生。

1 研究現(xiàn)狀及分析

1.1 惡劣環(huán)境下列車行車安全性

1.1.1 地震環(huán)境

地震環(huán)境下，為了確保列車安全運行，科研人員的研究主要聚焦于以下方面：①基于列車動力學性能指標，對不同速度等級下的列車進行動力學分析；②研究地震所引起的軌道結構大幅橫向振動，對列車安全運行的影響；③研究車體間抗蛇行減振器和車端減振器對地震情況下列車運行安全性的作用；④地震情況下供電系統(tǒng)相關設備的安全性保護研究；⑤列車在不同震級下的調度應急策略、鐵路預警系統(tǒng)和列車控制方法等方面的研究。

Xiao等[11]采用LSCF數(shù)值積分法對EI-Centro地震波數(shù)據(jù)進行處理，對不同地震烈度下橫向、垂向和橫-垂向地震波對高速列車的運行安全性進行分析，認為橫向地震波對列車脫軌占主導作用，地震烈度小于6度時對列車的行駛安全不會構成威脅，當?shù)卣鹆叶瘸^8度時，列車運行會處于危險狀態(tài)，并給出地震下高速列車安全運行及脫軌邊界。陽光武等[12]為了研究地震環(huán)境對高速列車速度的影響，以某類動車組為研究對象，建立了高速列車動力學模型，通過比較高速列車在不同速度水平下的動態(tài)性能指標，得出當?shù)卣鹆叶瘸^6度時，高速列車的所有動態(tài)指標均超過極限值，對高速列車的安全性構成了極大的威脅。魏峰等[13]針對地震作用下高速鐵路橋上行車的安全性問題，設計完成車輛-軌道-橋梁大型振動臺臺陣縮尺模型試驗，制作了1∶10比例的車輛、軌道及橋梁結構的模型，根據(jù)縮尺模型相似定理研究了不同地震強度下列車脫軌問題，并利用數(shù)值仿真方法建立CRH380BL高速列車-軌道-橋梁空間耦合動力學模型，通過對比分析試驗結果與數(shù)值仿真結果，驗證了數(shù)值分析模型的可靠性。李昊等[14]為了研究高速鐵路在地震作用下的運行安全和脫軌機理，使用了1個大型的6 m×6 m振動臺來模擬車輛軌道模型，根據(jù)振動臺模型試驗，建立了多自由度、多剛度的車輛軌道數(shù)值模型，并將振動模型試驗的結果與車輛軌道的數(shù)值計算結果進行了比較。試驗結果表明車輛軌跡數(shù)值模型具有一定的正確性。雷虎軍等[15]針對高速鐵路橋梁，開展非一致地震激勵下的列車-軌道-橋梁耦合振動及橋上列車的行車安全性研究。結果表明，雖然地震動空間變異性對列車行車安全性評判指標有一定的影響，但對列車過橋的安全車速閾值沒有明顯影響。

為保證行車安全和減少地震對路網(wǎng)運行的影響，不但進行鐵路地震預警監(jiān)測及處置系統(tǒng)研制，還要開展列車運行控制與調度管理一體化的研究。具體為：①研發(fā)和優(yōu)化鐵路地震預警系統(tǒng)。鐵路地震預警系統(tǒng)涉及地震環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、列控系統(tǒng)、車載地震系統(tǒng)、牽引供電系統(tǒng)、機車駕駛、通信、調度組織、鐵路局中心系統(tǒng)等，是多學科、相互交叉、復雜的防災預警系統(tǒng)；②智能分級控車模型和預警處置策略研究，對地震影響范圍內列車的運行，采用智能算法搭建數(shù)學模型，實現(xiàn)在不同地震級別下列車限速運行和列車緊急制動（不同速度等級下最大動力學性能指標見圖2[12]）；而對于地震影響范圍外列車的運行，構建高速鐵路地震預警處置與調度策略，便于地震后乘客疏散和行車組織的恢復。

圖2 不同速度等級下最大動力學性能指標Fig.2 Maximum dynamic performance index under different speed

1.1.2 泥石流環(huán)境

葉華祥[16]提出建立鐵路泥石流災害信息網(wǎng)絡，在泥石流形成和發(fā)生的各個階段，科學決策是否允許列車通行，對網(wǎng)絡的背景、組成、工作原理及開發(fā)中應注意的問題進行了探討。張迅[17]針對泥石流沖擊作用下橋上高速列車運行安全控制問題，以泥石流對橋梁墩臺的沖擊試驗為基礎，在時域和頻域上分別分析沖擊荷載的特征，建立了泥石流對橋墩作用的沖擊荷載譜，構建了泥石流沖擊荷載作用下的車橋系統(tǒng)動力分析模型，定量分析了泥石流沖擊荷載對列車橋上走行安全性的規(guī)律，給出了列車橋上行走的安全限界。Song等[18]通過分析川藏鐵路泥石流的類型、災害機理和運動過程，構建了川藏鐵路泥石流預警系統(tǒng)，將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)與參數(shù)的閾值進行比較，發(fā)布預警信息。Li等[19]構建了鐵路沿線山區(qū)泥石流監(jiān)測預警系統(tǒng)（見圖3）并分析了確定泥漿位置預警閾值0.9E和1.1E的方法。

圖3 山區(qū)鐵路沿線泥石流監(jiān)測預警系統(tǒng)Fig.3 The monitoring early-warning system composition of mountain area railway along debris flow

目前，針對泥石流環(huán)境下鐵路行車安全性方面的研究主要聚焦于2個方面：①泥石流沖擊鐵路線路和橋梁時相互作用模型；②鐵路沿線泥石流災害預警系統(tǒng)。若要確保泥石流環(huán)境下鐵路行車安全，需構建泥石流災害發(fā)生的預警模型，實現(xiàn)在不同泥石流工況下列車限速運行或列車緊急制動，并制定不同泥石流工況下行車安全保障措施。

1.1.3 高寒、雨雪、冰凍環(huán)境

制動夾鉗單元是列車基礎制動裝置的重要部件，在高寒潮濕氣候條件下，有時夾鉗被冰雪所覆蓋，甚至凍死，危及高速動車組的運行安全。德國克諾爾公司、中國鐵道科學研究院、中車四方車輛股份有限公司、中車長春軌道客車股份有限公司等對高速列車制動系統(tǒng)在高寒雨雪氣候條件下的適應性進行了多方面研究，取得了一定成效[20]。岳煜斐等[21]基于歐拉雙流體模型，利用商用CFD軟件FLUENT，對雨風條件下高速列車的氣動特性和運行穩(wěn)定性進行了三維仿真研究，分析了不同偏航角和暴雨強度下的氣動力和傾覆力矩的變化特征，并與無降雨條件下的相應結果進行了對比分析，得出受降雨影響，列車受到的阻力、側向力和傾覆力矩均不同程度增大，運行穩(wěn)定性降低的結論。Shao等[22]開展了基礎性的研究，并指出受降雨影響，列車所受的氣動升力、側向力和傾覆力矩均比僅有側風時大，在60 mm/h的降雨率下，當風速達到40 m/s時，列車的側向力和滾動力矩顯著增加。龔凱等[23]基于列車-軌道系統(tǒng)空間振動分析理論，考慮洪澇災害的影響，建立洪澇災害條件下列車-軌道系統(tǒng)空間振動分析模型，根據(jù)彈性系統(tǒng)動力學總勢能不變原理及形成系統(tǒng)矩陣的“對號入座”法則，建立空間振動矩陣方程，運用列車脫軌能量隨機分析理論，提出洪澇災害條件下列車脫軌全過程計算方法，分別對該條件下直線和曲線路段列車脫軌全過程進行計算和分析。研究結果表明，洪澇災害下貨車列車運行在曲線路段比直線路段更容易脫軌。

目前的研究僅針對高寒、雨雪、冰凍環(huán)境下列車制動系統(tǒng)適應性和列車運行穩(wěn)定性等方面開展研究。為了確保列車安全運行，高寒、雨雪、冰凍環(huán)境下自動化、智能化的列車運行安全監(jiān)控系統(tǒng)的研究是趨勢，通過多源監(jiān)控信息和信息智能監(jiān)控報警技術，實現(xiàn)高寒、雨雪、冰凍不同工況下行車安全監(jiān)控信息實時自動報警、快速應急響應、列車行車方案。

1.1.4 大風環(huán)境

1）風致下列車空氣動力學性能及臨界運行速度。大風是影響高速列車運行安全的外部復雜條件之一，我國沿海地區(qū)鐵路沿線的夏季臺風、西北部（如：蘭新二線）鐵路沿線的春秋季節(jié)大風都嚴重影響到高速列車的安全運行。隨著高速列車速度的不斷提高，其高速運行時產(chǎn)生的氣動升力、側滾力矩和傾覆力矩也逐漸增強，此時，若有強風作用于高速列車車體上，可能導致列車空氣阻力和側向力迅速增加，較弱的環(huán)境風則將影響乘客的舒適性，而較強的環(huán)境風則使列車運行姿態(tài)發(fā)生嚴重變化，直接威脅到列車的安全運行。

西南交通大學張繼業(yè)和張衛(wèi)華及其研究團隊在高速列車風致安全方面做了一系列工作，并且取得了大量研究成果[24-27]。為改善大風環(huán)境下（不同風向和風速）下列車運行的動力學性能，提高列車運行的平穩(wěn)性和安全性，通過車輛-軌道耦合動力學、空氣動力學、流體動力學、動態(tài)網(wǎng)絡技術等，采用數(shù)值計算、風洞試驗、在線實車試驗、理論分析、大渦模擬計算等多種方法，計算和確定了不同路況（橋梁、路堤和平地等）和不同風速作用下列車穩(wěn)態(tài)氣動載荷和非定常氣動載荷值、列車車體與輪對的運行姿態(tài)值、列車動力學參數(shù)的多目標優(yōu)化值、不同側風風速下高速列車運行的安全性指標和列車安全運行臨界速度值等。

中南大學以田紅旗和高廣軍為核心的研究團隊在列車風致安全方面也做了許多研究工作，并且取得了大量研究成果[28-32]。為改善大風環(huán)境下（不同風向和風速）下列車運行的動力學性能，提高列車運行平穩(wěn)性和安全性，針對不同側風環(huán)境下不同車型的列車在不同路況（路堤、平地和橋梁）的鐵路線路上行駛所受氣動性能展開全面分析和研究，詳細分析了風致下研究列車動力學所采用數(shù)值計算及實驗或試驗等各種方法的優(yōu)缺點，研究了不同環(huán)境（包括不同路況和不同環(huán)境風）下列車空氣動力學形成機理，得到并確定了不同車型的列車在不同路況下的安全運行閾值，并提出了防風措施；以蘭新鐵路線強側風環(huán)境下車輛的氣動特性為目標和實例，通過分塊積分法研究試驗列車所受側風帶來的氣動力，進一步對數(shù)值模擬與實車試驗結果展開對比與分析。計算結果表明，貨車的臨界傾覆風速比客車低，空棚車的臨界傾覆風速最低。

北京交通大學的任尊松、毛軍、郗艷紅等在列車風致安全方面也做了許多研究工作。任尊松等[33]基于Fluent和Simpack軟件計算側風環(huán)境下高速列車受到的載荷，并建立高速列車多體系統(tǒng)動力學模型，分析和研究側風對列車運行安全性的影響，并建立了不同強側風環(huán)境下列車最高安全運行速度曲線，見圖4；郗艷紅等[34]針對橫風作用下高速列車安全運行速度限值問題展開研究，以我國CRH型高速列車為目標，考慮列車本體和其它附屬設施的細部特征，對不同風速下列車運行時的氣動特性進行數(shù)值模擬，并給出了CRH3型列車在平地上運行時不同橫風下列車最大安全域值。

圖4 不同強側風風速下列車最高安全運行速度Fig.4 The highest safe operating speed of train under different strong crosswind wind speeds

同濟大學楊志剛等[35]采用LES方法研究側風環(huán)境下高速列車車體周圍表面所受的非定常流場特性和裙板對高速列車氣動性能的影響，得出側風環(huán)境下高速列車非定常氣動力峰值頻率為0.5～2 Hz，側風環(huán)境和無風環(huán)境這2種情況下高速列車底部安裝裙板對其安全運行影響有較大區(qū)別；Zhuang等[36]針對側風側偏角為30°和60°這2種典型情況，采用大渦模擬方法研究了側偏角對高速列車升力和側向力系數(shù)的影響，頻譜分析表明：隨時間變化的氣動力受多個能量頻率的支配，在較大的側偏角范圍內頻率變化范圍較大。

2）風致下列車運行姿態(tài)及速度控制。Li等[37]針對在強側風條件下高速列車的安全性問題，基于自適應預測控制理論，提出了1種新的主動控制策略，該策略將自適應控制與動態(tài)矩陣控制相結合，通過在線識別對預測控制器的參數(shù)進行實時調整，以增強控制算法的魯棒性，在此基礎上，還設計了校正控制算法，以基于受控目標的階躍響應來調節(jié)預測控制器的參數(shù)。仿真結果表明：所提出的控制策略可以在強側風條件下調整高速列車的運行姿態(tài)，提高了列車的運行安全性能。

李德倉等[38]依據(jù)Lyapunov穩(wěn)定性判據(jù)設計自適應魯棒控制器以適應高速列車自動駕駛控制，魯棒控制器能夠消除自動駕駛系統(tǒng)的抖振現(xiàn)象，也能夠降低各種不確定性，如大風、模型誤差和其他干擾造成的參數(shù)變化等。通過控制器消除對系統(tǒng)安全運行速度的跟蹤誤差，實現(xiàn)高速列車在不同外界條件（主要是風速）下，對給定的安全運行速度進行高精度追蹤，單位控制力曲線見圖5。

圖5 單位控制力曲線Fig.5 Unit control curve

3）大風檢測及預警系統(tǒng)。雷艷紅[39]為解決大風敏感區(qū)調度系統(tǒng)的可靠性問題，將列車調度系統(tǒng)與大風預警系統(tǒng)相結合，分析了無大風預警系統(tǒng)、大風預警系統(tǒng)向調度員發(fā)送信息和大風預警系統(tǒng)在緊急情況下直接向駕駛員發(fā)送信息這3種情況下調度系統(tǒng)的結構圖。根據(jù)模糊數(shù)學理論和系統(tǒng)可靠性分析理論，建立了大風預警系統(tǒng)中調度系統(tǒng)的可靠性模型。最后，根據(jù)各模塊的可靠性參數(shù)，計算了3種情況下調度系統(tǒng)的可靠性。對比分析了將大風預警系統(tǒng)接入調度系統(tǒng)后，調度系統(tǒng)可靠性的變化規(guī)律。

朱亮[40]為了提高我國高鐵監(jiān)控系統(tǒng)的功能和監(jiān)控水平，保障大風地區(qū)高鐵列車的安全，闡述了高鐵預警系統(tǒng)的發(fā)展狀況，從檢測系統(tǒng)設置、報警處置規(guī)則和流程等方面，分析預警技術發(fā)展的國內應用現(xiàn)狀和特點，設計高鐵大風預警系統(tǒng)，結合高鐵系統(tǒng)對預警系統(tǒng)的功能需求，對初始數(shù)據(jù)的準確評估、預警閾值的優(yōu)化、報警信息排除規(guī)則的優(yōu)化、列車定位、車地無線通信、車載接收和回執(zhí)等關鍵技術進行了研究。石紅國等[41]分析了有關列車在采取3種措施時的具體情況，即繞線、降速運行和進站待避；如果列車繞線運行，將增加乘客時間和繞行費用。以廣義費用損失最小為評估方法依據(jù)，采用拉開檔次法和混合蟻群遺傳算法求解計算模型，并在不同風速值下選擇列車運行方案。我國京津城際軌道交通防災安全監(jiān)控系統(tǒng)包括防風預警檢測子系統(tǒng)，在強風極端天氣時可以及時發(fā)出警報并提示降低行駛速度以確保列車運行安全[42]。

龔烔等[43]在研究分析國內外監(jiān)測與安全系統(tǒng)的基礎上，提出了以遠程監(jiān)測單元和地理信息系統(tǒng)為核心的監(jiān)測預警系統(tǒng)的設計方案。設計了包含現(xiàn)場層、遠程終端層、中央處理層和應用層4層系統(tǒng)架構，見圖6，并分析了其功能及相應的設計方法[43]。許平[44]針對青藏鐵路沿線特殊風環(huán)境下高鐵運行的安全性問題，運用先進的網(wǎng)絡通信和控制技術，對包括風速、路況、列車等相關信息融合的情況進行了研究，設計了青藏鐵路大風監(jiān)測預警與行車指揮系統(tǒng)，通過青藏鐵路沿線及所轄風區(qū)各測風站2年的實際應用，得到了青藏鐵路特殊風環(huán)境下列車防護運行的臨界速度，進一步確定了復雜環(huán)境下列車的速度臨界值，同時對系統(tǒng)的可靠性和可行性進行了論證。

圖6 鐵路大風監(jiān)測及預警系統(tǒng)Fig.6 Monitoring and early warning system of railway strong wind

馬韞娟等[45]針對我國鐵路沿線寒潮大風、短時雷雨大風和臺風大風等環(huán)境下高速鐵路動車組安全運行，建立不同類型短時風速預測模型，繪制強風環(huán)境下高速列車運行管制曲線圖，設計了我國客運專線高速列車動車組安全運行大風預警系統(tǒng)。Liu等[46]針對青藏鐵路沿線頻繁多變不確定性特殊風環(huán)境下高速列車安全運行問題，采用非平穩(wěn)時間序列法、基于時間序列分析理論、卡爾曼自適應濾波理論構建組合模型，實現(xiàn)短時風速預測體系，研究并設計了青藏鐵路高速列車運行安全保障系統(tǒng)。

大風是威脅列車運行安全的復雜環(huán)境之一，也是我國鐵路沿線最主要的自然災害，為了改善大風環(huán)境下高速列車的運行安全性能，研究者采用理論分析、數(shù)值計算、風洞試驗、在線實車試驗等綜合研究方法，對大風預警系統(tǒng)，不同風速和風向、不同路況、不同車型下車輛動力學特性及安全性能指標，車-橋動力學模型，氣動載荷、側滾力矩、傾覆力矩等展開研究。進一步研究的方向包括：①采用智能算法和軟件構建大風環(huán)境信息多源數(shù)據(jù)融合模型，解決面向大風環(huán)境的多源數(shù)據(jù)異構及數(shù)據(jù)缺失造成的不確定問題，提高列車運行復雜環(huán)境數(shù)據(jù)的準確性和真實性，對鐵路沿線大風環(huán)境進行決策判斷；②考慮不同風速和風向環(huán)境下列車運行模式與安全性之間的相互制約關系，構建列車運行控制與調度管理一體化模型，研究調度與列控系統(tǒng)的信息閉環(huán)及其參數(shù)匹配，使得不同大風環(huán)境下調度中心-列控系統(tǒng)的調度與控制達到最優(yōu)。

1.2 惡劣環(huán)境下鐵路安全行車措施

在惡劣環(huán)境下，現(xiàn)有的鐵路安全運行措施包括：①確定不同地震等級下鐵路的應急策略、地震監(jiān)測和預警系統(tǒng)；②建立鐵路事故（如泥石流）信息網(wǎng)絡，給出泥石流工況下列車在橋上的安全限界，確定列車是否過橋；③明確高速列車在復雜環(huán)境中的安全運行區(qū)域；④在大風環(huán)境中，引入限速或停車、設計適當?shù)牧熊囃庑?、設置風障和風屏，建立大風監(jiān)測預警系統(tǒng)等。

1.2.1 冰、雪、霜環(huán)境

針對冰、雪、霜災害對于鐵路運輸生產(chǎn)的危害，為確保列車安全運行，采取的措施主要包括[47-48]：①在橋梁、鐵路線路降雪量較大區(qū)域的道岔、車站接發(fā)車進路上的道岔、客運專線與城際鐵路設置融雪設備，或鐵軌溫度調節(jié)器；②電力機車上加裝具有除雪功能的受電弓滑板，或對電力機車和動車組采用雙受電弓，前面為除霜凍受電弓，專門用來刮除接觸網(wǎng)上的冰、雪、霜；③暴雪環(huán)境下，根據(jù)天氣情況采取停運部分列車等措施，同時，鐵路直屬站各個車站將啟動應急預案，確保列車安全運行；④建立大雪預警系統(tǒng)。

1.2.2 地震環(huán)境

為降低地震環(huán)境下列車脫軌、傾覆概率，采取的措施主要包括[49]：①建立地震預警檢測系統(tǒng)，沿線設置傳感器，地震發(fā)生時，傳感器檢測到地震波后上傳至中心系統(tǒng)，計算震源、震級確定后會受到波及的線路，再將預警信息發(fā)至列車車載系統(tǒng)；②在預報發(fā)震期內，在地震波到達之前實現(xiàn)減速或緊急停車；③軌道交通線路停運。

1.2.3 泥石流環(huán)境

根據(jù)泥石流環(huán)境，保障列車安全運行的措施有[50]：①建立泥石流預警監(jiān)測系統(tǒng)；②預警預報，在發(fā)生災害時傳遞天氣預報，評估未來災情。初步警報的降雨強度閾值設定為3～4 mm/10 min；中期預警的雨強閾值是通過分析局地降水資料和泥石流資料確定的，閾值為6 mm/10 min；超前預警閾值的確定方法與中期預警相同，閾值為10 mm/10 min；③人工巡查受不同條件限制，監(jiān)測泥石流的路段（或保護點）只能設在橋梁和渠道附近，如果監(jiān)測區(qū)域內的流量很高或正在上升，對列車安全運行不能保證時列車停運。

1.2.4 風沙環(huán)境

強風沙環(huán)境下，為避免列車脫軌和傾覆概率，采取的具體措施包括[51]：①根據(jù)不同的風速和風向，不同的路況（橋梁、路堤、路塹、直線、曲線、擋風墻等），不同的車輛（列車外型、車輛載重，車輛動力性能），以及風沙流對車窗以及列車運行穩(wěn)定性的影響等，設定不同的運行速度限值；②對列車外形進行合理的設計（如流線型頭形、流線型車身等），可以有效地提高列車在風環(huán)境中的氣動性能，包括降低列車的氣動阻力、控制車輛的氣動推進和降低列車通過時的壓力幅值；通過對側壁進行優(yōu)化設計，可以提高車輛的橫向氣動性能；③針對不同的風區(qū)，寬闊地帶、峽谷地帶、橋梁等，設立防風墻、防風屏障、防風柵、防風林等；④鐵路監(jiān)測預警及列車運行指揮系統(tǒng)的構建。設計沿線風信號短期預報模型，開發(fā)遠程實時風速記錄、傳輸和存儲模塊，搭建大風監(jiān)測預警和列車行車指揮系統(tǒng)應用平臺。

1.3 研究現(xiàn)狀總結

為改善復雜、惡劣環(huán)境下鐵路列車的運行安全性，國內外學者對復雜惡劣環(huán)境下高速列車運行安全性方面開展了大量的研究和試驗工作，通過研究惡劣環(huán)境對列車運行狀態(tài)的影響，從而提出應對策略和措施，研究概況總結見圖7。

圖7 研究概況Fig.7 Research overview

綜上所述,針對惡劣環(huán)境造成突發(fā)事件時列車運行安全性問題的研究較少涉及列車開行方案與運行計劃方面的研究，實際上，若因惡劣環(huán)境導致鐵路發(fā)生突發(fā)事件時，列車的開行方案與運行計劃二者之間是有著密切的耦合關系，但是針對這二者之間的協(xié)調問題，目前依靠調度員與列車司機通電話的方式實現(xiàn)，這就使得突發(fā)事件發(fā)生時難以實現(xiàn)列車運行圖實時調整與運行控制之間的緊密協(xié)同、難以快速進行全局優(yōu)化，導致無法快速滿意地調整，或者恢復運行圖[52]。因此，復雜惡劣環(huán)境下，如何確保路網(wǎng)上列車安全運行、避免或減少旅客滯留時間及突發(fā)事件的影響，以“安全、實時、智能、協(xié)同”為特點的鐵路列車運行智能管控方法是研究是亟需解決的問題，也是鐵路列車安全行車領域的研究熱點。

2 惡劣環(huán)境下列車安全運行智能管控

從現(xiàn)有研究來看，雖然針對復雜惡劣環(huán)境下列車安全性方面的研究取得了較好的成果，但是，針對復雜環(huán)境下鐵路列車運行智能控制方法、調度管理策略等方面還需要更深入的研究。

隨著我國“人工智能”和“交通強國”國家戰(zhàn)略的相繼提出，對復雜惡劣工況下列車安全運行、運行控制及調度管理等的相關基礎理論提出了更高要求。因此，基于安全條件下如何進一步提升鐵路運營及管理效率，如何使得列車運行實現(xiàn)智能管控成為未來鐵路控制與調度的核心問題。

列車安全運行智能管控是指運用先進的感知、傳輸、控制方法和技術，提升列車運行控制和調度智能化水平，深度融合列車運行控制和調度，實現(xiàn)路網(wǎng)整體運行效率全局最優(yōu)，全面提升及時應對突發(fā)事件能力，達到列車運行與調度一體化[52]。惡劣環(huán)境下鐵路列車運行智能管控一體化（控制與調度管理一體化架構）見圖8，運行控制與調度管理一體化主要研究內容見圖9。

圖8 運行控制與調度管理一體化架構示意圖Fig.8 Schematic diagram of the integrated architecture of operation control and dispatch management

圖9 運行控制與調度管理一體化主要研究內容與方向Fig.9 Main research content of the integrated architecture of operation control and dispatch management

隨著計算機、網(wǎng)絡通信技術和現(xiàn)代控制技術的發(fā)展與大量應用，在深入研究復雜惡劣環(huán)境下列車運行安全性的同時，編制不同環(huán)境下列車運行調整計劃，并將其融入到行車調度管理自動化系統(tǒng)里，依托信息采集裝置獲得列車運行的實時信息（包括列車運行環(huán)境信息、線路信息、設備狀態(tài)、列車實時位置及運行狀態(tài)等），自動制定列車運行計劃、自動進行運行調整、自動完成調度監(jiān)督與列車自動駕駛（automatic train operation,ATO）控制、自動統(tǒng)計和分析列車運行實績。

3 結束語

1）我國的科研人員針對惡劣環(huán)境下列車行車安全關鍵技術方面取得了重大突破和許多科研成果。以列車“安全、高效”運行為根本目的，采用理論分析、數(shù)值計算、在線實車試驗等綜合研究方法，研究和建立了不同環(huán)境、不同路況、不同車型的多種動力學模型、預測模型和安全性能指標，基于此，建立鐵路安全行車措施，最后得到了理論-技術-工程應用集成體系。

2）為改變傳統(tǒng)的調度員人工指令這種傳統(tǒng)方式帶來的效率低、出錯率高等不可控問題，基于復雜惡劣環(huán)境和列車運行相關基礎信息和數(shù)據(jù)，結合列車智能控制算法，通過構建基于事件和時間的列車運行調度調整模型、調度中心-列車ATO系統(tǒng)一體化構架與產(chǎn)生式通用模式，實現(xiàn)復雜環(huán)境下調度與作業(yè)過程的管控一體化，形成控制中心管理與列車運行自動控制的信息閉環(huán)，能夠提高復雜惡劣環(huán)境下高速列車安全運行的安全性和高效性。因此，根據(jù)我國惡劣環(huán)境下列車行車安全的發(fā)展現(xiàn)狀，惡劣環(huán)境下鐵路列車安全運行智能管控方法（控制與調度管理的模式化、自動化、同步化和一體化）的研究將成為目前需要深入研究的內容和方向。