暴學(xué)志 時(shí)佳斌 王智超 柴雪松 徐前文 于國(guó)丞 曹金玲

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 高速鐵路軌道系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081；3.廣東鐵路有限公司肇慶工務(wù)段， 廣東 肇慶 526040

隨著高速鐵路網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大以及重要高速鐵路線路以350 km/h達(dá)速運(yùn)行，列車運(yùn)行環(huán)境安全已成為高速鐵路安全營(yíng)運(yùn)的主要難題［1］。泥石流、滑坡、落石、人員等入侵線路是威脅列車運(yùn)行環(huán)境安全的主要行為［2］。高速鐵路運(yùn)行速度快，發(fā)生緊急情況時(shí)制動(dòng)距離遠(yuǎn)，無(wú)法快速控停車輛，一旦有異物、人員入侵線路，輕則導(dǎo)致列車停車，擾亂運(yùn)輸秩序，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致列車脫線，甚至造成重大人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失［3］。高速鐵路周界入侵監(jiān)測(cè)主要技術(shù)手段包括毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、振動(dòng)光纖、紅外熱成像、視頻圖像識(shí)別等［4］。目前監(jiān)測(cè)設(shè)備處于研發(fā)階段，未在線廣泛應(yīng)用。上線應(yīng)用前針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景、入侵行為、干擾因素對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備性能開(kāi)展充分測(cè)試是十分重要的。

周界入侵監(jiān)測(cè)設(shè)備性能測(cè)試方法主要有現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法、入侵模擬測(cè)試法和仿真分析法［5］。由于高速鐵路周界入侵行為發(fā)生概率較低，雨霧等干擾因素的發(fā)生具有時(shí)空不確定性，監(jiān)測(cè)設(shè)備無(wú)法在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。仿真分析方法雖然在經(jīng)濟(jì)性和人力消耗方面有較大優(yōu)勢(shì)，但受限于高速鐵路周界應(yīng)用場(chǎng)景復(fù)雜、入侵監(jiān)測(cè)技術(shù)廣泛、干擾因素多樣等問(wèn)題，該方法無(wú)法真實(shí)、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)設(shè)備性能。因此，一般以入侵模擬測(cè)試為手段開(kāi)展研究。

相關(guān)單位根據(jù)高速鐵路周界入侵監(jiān)測(cè)設(shè)備性能測(cè)試需求各自搭建測(cè)試環(huán)境。河南輝煌科技股份有限公司在廠區(qū)內(nèi)搭建了110 m單線有砟軌道測(cè)試環(huán)境；國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心在環(huán)行試驗(yàn)線上按不同場(chǎng)景安裝測(cè)試設(shè)備；中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司在中蘭鐵路寶臺(tái)山隧道口安裝周界入侵報(bào)警監(jiān)測(cè)設(shè)備。現(xiàn)有技術(shù)測(cè)試工況及測(cè)試環(huán)境差異較大，入侵行為、雨霧等干擾因素的模擬方法準(zhǔn)確性不足，難以對(duì)高速鐵路周界入侵監(jiān)測(cè)設(shè)備性能進(jìn)行充分測(cè)試。

本文通過(guò)分析高速鐵路運(yùn)行環(huán)境，提出高速鐵路周界入侵典型應(yīng)用場(chǎng)景、入侵行為及干擾因素，研究干擾因素及入侵行為的模擬方法。通過(guò)搭建測(cè)試環(huán)境，設(shè)計(jì)測(cè)試序列，開(kāi)展周界入侵監(jiān)測(cè)設(shè)備性能測(cè)試應(yīng)用，驗(yàn)證測(cè)試方法的科學(xué)性及高效性。

1 典型應(yīng)用場(chǎng)景

路基、橋梁、隧道連接組成完整貫通的鐵路線路，路基段周邊環(huán)境有山體、農(nóng)田、道路等，全段均有可能發(fā)生周界入侵的行為。鐵路橋梁一般建在河流、湖泊、海峽、山谷、農(nóng)田或其他障礙物上，橋面與環(huán)境面具有一定高度，兩端與路基或隧道連接，易發(fā)生入侵行為的地點(diǎn)主要是橋頭區(qū)段。隧道內(nèi)周界被襯砌結(jié)構(gòu)封閉，人員及異物入侵的主要可能地點(diǎn)是隧道口。

因此，鐵路周界易發(fā)生入侵的典型應(yīng)用場(chǎng)景主要為路基段、橋頭區(qū)段和隧道口。

2 測(cè)試方法

2.1 入侵行為

2.1.1 分類

根據(jù)中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司管內(nèi)在2021年5月—2022年4月發(fā)生的周界入侵事件數(shù)據(jù)分析可知，入侵事件以輕漂浮物、牲畜以及人員為主。因自然災(zāi)害引發(fā)的山體滑坡、崩塌落石等入侵次數(shù)雖然較少，但一旦發(fā)生，所產(chǎn)生的破壞性非常大，因此也列為周界入侵監(jiān)測(cè)的主要行為。

周界入侵監(jiān)測(cè)的主要行為包括人員（大型動(dòng)物）、落石、泥石流以及輕飄物入侵。人員入侵高速鐵路周界的行為主要是通過(guò)防護(hù)柵欄進(jìn)入，分為翻越防護(hù)柵欄、破壞柵欄和下挖鉆入三類；侵入線路后的主要行為有橫向穿越線路和沿線路行走兩類。

2.1.2 模擬方法

人員翻越柵欄：1號(hào)測(cè)試人員在柵欄外通過(guò)爬梯攀爬至防護(hù)柵欄頂部，上半身高于柵欄并做翻越狀，同時(shí)用繩索拉拽刺絲滾籠，拉拽幅度不小于0.1 m，拉拽次數(shù)不少于3次，完成后沿爬梯爬下。2號(hào)測(cè)試人員提前在柵欄內(nèi)遮擋板后等待，待1號(hào)測(cè)試人員完成拉拽并下爬時(shí)，2號(hào)測(cè)試人員從遮擋板后走出，并在附近活動(dòng)。

破壞柵欄入侵：1號(hào)測(cè)試人員在柵欄外手持不小于5 kg的大錘，敲擊柵欄不同部位3次。2號(hào)測(cè)試人員提前在柵欄內(nèi)遮擋板后等待，待1號(hào)測(cè)試人員完成敲擊后，2號(hào)測(cè)試人員從遮擋板后走出，并在附近活動(dòng)。

下挖鉆入入侵：1號(hào)測(cè)試人員在柵欄外用鐵鍬沿柵欄不同部位下挖，下挖深度不小于0.2 m。2號(hào)測(cè)試人員提前在柵欄內(nèi)遮擋板后等待，待1號(hào)測(cè)試人員完成下挖后，2號(hào)測(cè)試人員從遮擋板后走出，并在附近活動(dòng)。

橫穿線路：測(cè)試人員橫向穿越線路。

沿線路行走：測(cè)試人員在柵欄附近沿線路行走。

落石：采用化纖材料或低彈橡膠加工成正方體落石模型。參照TJ/GW 135—2015《線路障礙自動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)暫行技術(shù)條件》，落石模型直徑為0.2、0.3、0.4 m，表面涂覆或打磨做粗糙處理，測(cè)試人員在防區(qū)外手持落石模型拋入測(cè)試防區(qū)內(nèi)，模擬落石行為。

輕漂浮物：以彩鋼板為代表，在防區(qū)外將面積不小于1 m2的彩鋼板拋入防區(qū)內(nèi)，模擬輕飄物入侵行為。

泥石流：按照形成過(guò)程分為滑坡型和漫升型。對(duì)于滑坡型泥石流，在防區(qū)外將裝有大于1 m3模擬材料的料斗翻倒，模擬材料沿滑道滑入防護(hù)區(qū)內(nèi)。漫升型泥石流采用充氣袋充氣膨脹漫升的方法進(jìn)行模擬。

2.2 干擾因素

目前高速鐵路周界入侵監(jiān)測(cè)的方法按感知維度區(qū)分，主要有視頻監(jiān)控、雷達(dá)探測(cè)、熱成像探測(cè)、振動(dòng)光纖探測(cè)等［6］。圖像識(shí)別、雷達(dá)探測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展為高速鐵路周界安全檢測(cè)提供了基礎(chǔ)保障，但受典型惡劣天氣條件（雨、霧、風(fēng)、雪）和大范圍小目標(biāo)影響，造成入侵檢測(cè)誤報(bào)和漏報(bào)率顯著上升［7-9］，因此研究不同監(jiān)測(cè)技術(shù)的干擾因素，對(duì)優(yōu)化識(shí)別算法，掌握監(jiān)測(cè)設(shè)備性能邊界，提升監(jiān)測(cè)能力具有重要意義。

2.2.1 監(jiān)測(cè)能力

根據(jù)視頻 + 振動(dòng)光纖、視頻 + 激光雷達(dá)、視頻 +毫米波雷達(dá)三種周界入侵監(jiān)測(cè)技術(shù)的感知原理及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用環(huán)境，三種監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)主要干擾因素的監(jiān)測(cè)能力見(jiàn)表1。其中，○表示能夠監(jiān)測(cè)到。

表1 各監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)各干擾因素的監(jiān)測(cè)能力

2.2.2 模擬方法

雨：自然界降雨在不同時(shí)間、不同地域存在較大差別，可通過(guò)人工模擬方法近似模擬自然界降雨。模擬降雨系統(tǒng)由支架、控制開(kāi)關(guān)、水管路、噴頭組、抽水泵、水箱、控制器等構(gòu)成，采用下噴方式模擬，見(jiàn)圖1。選擇22 kW變頻水泵，可模擬200 m × 10 m范圍內(nèi)最大降雨強(qiáng)度150 mm/h。噴頭組由小、中、大三種噴頭組合，可以模擬直徑0.5 ～ 5.0 mm的雨滴。采用間隔2 m交錯(cuò)重疊和管路逐漸變細(xì)布置方式，降雨區(qū)內(nèi)雨強(qiáng)均勻性較好。

圖1 降雨模擬系統(tǒng)

霧：采用高壓制霧法模擬，模擬系統(tǒng)由水箱、過(guò)濾器、軟水器、高壓泵、控制系統(tǒng)、管路及噴頭組成，其中管路及噴頭布設(shè)在雨模擬系統(tǒng)立柱上。制霧原理為水源經(jīng)過(guò)濾器和軟水器過(guò)濾軟化后，高壓泵將水加壓至3 ～ 7 MPa，經(jīng)水管后輸送至終端霧化噴頭，經(jīng)噴頭霧化后噴出直徑3 ～ 25 μm的霧滴。通過(guò)調(diào)整開(kāi)啟的噴頭數(shù)量及管路水壓，模擬不同等級(jí)的霧。

風(fēng)：采用多臺(tái)變頻風(fēng)機(jī)組成風(fēng)機(jī)陣列的方式來(lái)模擬，利用測(cè)風(fēng)儀測(cè)量風(fēng)速。通過(guò)調(diào)整進(jìn)口風(fēng)量及距離模擬不同等級(jí)的風(fēng)。

雪：在低溫環(huán)境下采用多臺(tái)造雪機(jī)模擬。通過(guò)調(diào)節(jié)造雪機(jī)噴頭工作數(shù)量實(shí)現(xiàn)不同降雪等級(jí)的模擬。

光照：現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備全天候工作，白天和夜晚光照強(qiáng)度不同，因此須分別測(cè)試白天和夜晚的監(jiān)測(cè)性能。

車輛：線路上有列車通過(guò)及線路旁公路有汽車通過(guò)時(shí)，產(chǎn)生的振動(dòng)可能會(huì)對(duì)防護(hù)柵欄上布設(shè)的振動(dòng)光纖測(cè)試性能產(chǎn)生影響，導(dǎo)致誤報(bào)警。采用實(shí)際列車及汽車通過(guò)的方式進(jìn)行測(cè)試。

財(cái)政支出與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)關(guān)系研究——基于廣東省廣州市1978—2016年的實(shí)證分析林 江 王瓊瓊 姚翠齊13-25

植被：高速鐵路線路旁植被在風(fēng)作用下產(chǎn)生晃動(dòng)，可能會(huì)對(duì)毫米波雷達(dá)監(jiān)測(cè)性能產(chǎn)生影響，導(dǎo)致誤報(bào)警。采用在測(cè)試區(qū)種植植被或仿真植被的方式模擬。

小動(dòng)物：高速鐵路線路因貓、狗、飛鳥(niǎo)等小型動(dòng)物入侵線路，可能會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測(cè)設(shè)備誤報(bào)警。通過(guò)人工控制動(dòng)物模型在線路上行走或空中飛行的方式模擬。

2.2.3 模擬等級(jí)

根據(jù)監(jiān)測(cè)設(shè)備性能參數(shù)及高速鐵路運(yùn)行環(huán)境，干擾因素的模擬等級(jí)設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 干擾因素的模擬等級(jí)

2.3 測(cè)試場(chǎng)地

我國(guó)高速鐵路運(yùn)行線路以線間距5 m的雙線鐵路為主。為了真實(shí)模擬大部分高速鐵路運(yùn)行環(huán)境，測(cè)試場(chǎng)地設(shè)計(jì)為雙線軌道，軌道結(jié)構(gòu)包含有砟軌道和無(wú)砟軌道。

測(cè)試場(chǎng)地邊界設(shè)置混凝土刺絲滾籠防護(hù)柵欄，防護(hù)柵欄鄰近鐵路運(yùn)營(yíng)線路及公路，便于模擬列車及汽車通過(guò)時(shí)對(duì)振動(dòng)光纖的影響。

根據(jù)不同監(jiān)測(cè)設(shè)備性能參數(shù)，毫米波雷達(dá)監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度最長(zhǎng)，晴好天氣下監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度可達(dá)200 ～ 300 m，但在雨霧雪等惡劣天氣下，受雨霧雪等吸收反射作用，電波衰減明顯，監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度顯著下降［10-11］。結(jié)合國(guó)內(nèi)外已有測(cè)試場(chǎng)長(zhǎng)度分析可知，測(cè)試場(chǎng)地長(zhǎng)度不小于200 m時(shí)，可滿足周界入侵報(bào)警前端監(jiān)測(cè)設(shè)備在不同干擾因素下監(jiān)測(cè)性能測(cè)試的基本需求。

2.4 測(cè)試方案

根據(jù)不同技術(shù)類別監(jiān)測(cè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)范圍，將測(cè)試場(chǎng)分為視頻+振動(dòng)光纖測(cè)試區(qū)、視頻+激光雷達(dá)測(cè)試區(qū)、視頻+毫米波雷達(dá)測(cè)試區(qū)。針對(duì)不同測(cè)試區(qū)監(jiān)測(cè)設(shè)備的誤報(bào)和漏報(bào)情況，設(shè)計(jì)測(cè)試用例。

圖2 視頻+振動(dòng)光纖測(cè)試用例

視頻+激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)設(shè)備是對(duì)落石、輕飄浮物、泥石流、人員等異物侵入線路的行為進(jìn)行監(jiān)測(cè)報(bào)警。根據(jù)監(jiān)測(cè)最小落石（直徑0.2 m）的目標(biāo)，結(jié)合視頻+激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，防區(qū)長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為70 m。在不同位置組合各干擾因素及入侵行為設(shè)計(jì)測(cè)試用例，見(jiàn)圖3。

圖3 視頻+激光雷達(dá)測(cè)試用例

視頻+毫米波雷達(dá)監(jiān)測(cè)設(shè)備主要是對(duì)人員侵入線路進(jìn)行監(jiān)測(cè)報(bào)警，根據(jù)視頻+毫米波雷達(dá)監(jiān)測(cè)設(shè)備指標(biāo)，防區(qū)長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為200 m。在不同位置組合各干擾因素及入侵行為設(shè)計(jì)測(cè)試用例，見(jiàn)圖4。

圖4 視頻+毫米波雷達(dá)測(cè)試用例

3 測(cè)試環(huán)境搭建及應(yīng)用

3.1 場(chǎng)景搭建

為真實(shí)模擬高速鐵路運(yùn)行環(huán)境，選擇在國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心鄰近列車試驗(yàn)線路場(chǎng)地搭建測(cè)試環(huán)境，整體布置見(jiàn)圖5。測(cè)試區(qū)軌道長(zhǎng)度為210 m，最大寬度為15 m，雙線軌道，線間距5 m，軌道類型包含無(wú)砟軌道和有砟軌道。

圖5 測(cè)試環(huán)境布置

雨霧模擬區(qū)分兩段布設(shè)，毫米波雷達(dá)安裝桿附近布設(shè)長(zhǎng)度為25 m，激光雷達(dá)安裝桿附近布設(shè)長(zhǎng)度為75 m，測(cè)試區(qū)端頭18 m長(zhǎng)范圍內(nèi)的覆蓋寬度為8 m，其他區(qū)域?qū)挾葹? m。

在鄰近列車試驗(yàn)線、公路側(cè)及雨霧模擬區(qū)內(nèi)搭建混凝土刺絲滾籠防護(hù)柵欄。

3.2 測(cè)試應(yīng)用

視頻+振動(dòng)光纖測(cè)試設(shè)備共4套，布設(shè)及測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖6。針對(duì)誤報(bào)和漏報(bào)測(cè)試，組合不同入侵行為及干擾因素，共開(kāi)展測(cè)試用例510條。結(jié)果表明：各設(shè)備漏報(bào)率平均值為35.0%，最低為19.1%，最高為57.6%；誤報(bào)率平均值為8.6%，最低為2.6%，最高為11.8%。漏報(bào)率平均值白天為35.2%，夜晚為34.7%，表明視頻+振動(dòng)光纖技術(shù)對(duì)光照不敏感?？梢?jiàn)，由于各測(cè)試廠家過(guò)于考慮降低誤報(bào)率，導(dǎo)致漏報(bào)率較高，識(shí)別算法、報(bào)警策略仍需進(jìn)一步優(yōu)化。

圖6 視頻+振動(dòng)光纖布設(shè)及測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

視頻+激光雷達(dá)測(cè)試設(shè)備共6套，安裝及測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖7。針對(duì)誤報(bào)和漏報(bào)測(cè)試，組合不同入侵行為及干擾因素共開(kāi)展測(cè)試用例1 604條。結(jié)果表明：各設(shè)備漏報(bào)率平均值在晴好天氣時(shí)為7.9%，中雨時(shí)為33.6%，強(qiáng)濃霧時(shí)為98.0%；誤報(bào)率平均值為15.7%，最大為37.9%，最小為0.7%?？梢?jiàn)，晴好天氣下視頻+激光雷達(dá)可有效識(shí)別入侵行為，準(zhǔn)確率超過(guò)90%；雨、霧對(duì)監(jiān)測(cè)性能影響較大，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化硬件設(shè)備及識(shí)別算法，提高對(duì)雨霧干擾的濾除性能。

圖7 視頻+激光雷達(dá)設(shè)備安裝及測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

視頻+毫米波雷達(dá)測(cè)試設(shè)備共5套，安裝及測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖8。針對(duì)誤報(bào)和漏報(bào)測(cè)試，組合不同入侵行為及干擾因素共開(kāi)展測(cè)試用例610條。結(jié)果表明：各設(shè)備漏報(bào)率平均值最大為38.3%，最小為15.2%；無(wú)干擾條件下白天為6.3%，夜晚為7.1%；降雨工況下為49.8%，降霧工況下為24.0%；誤報(bào)率平均值為19.9%，最大為36.1%，最小為1.2%?？梢?jiàn)，無(wú)干擾條件下在200 m范圍內(nèi)視頻+毫米波雷達(dá)對(duì)人員入侵行為的識(shí)別性能較好，白天和夜晚差別不明顯；雨、霧對(duì)視頻+毫米波雷達(dá)監(jiān)測(cè)性能影響較大；各設(shè)備之間誤報(bào)率和漏報(bào)率區(qū)別明顯。

圖8 視頻+毫米波雷達(dá)設(shè)備安裝及測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)鐵路現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用場(chǎng)景，模擬高速鐵路運(yùn)行環(huán)境、線路周邊環(huán)境及入侵行為，研究提出了高速鐵路周界入侵監(jiān)測(cè)設(shè)備性能測(cè)試方法，搭建了測(cè)試環(huán)境并開(kāi)展測(cè)試應(yīng)用。結(jié)果表明，本文搭建的測(cè)試環(huán)境可定量模擬雨、霧、風(fēng)等干擾因素及人員、落石、泥石流等入侵行為，提出的測(cè)試方法能夠準(zhǔn)確評(píng)價(jià)周界入侵報(bào)警前端監(jiān)測(cè)設(shè)備在不同應(yīng)用場(chǎng)景及干擾因素下的監(jiān)測(cè)性能，具有科學(xué)高效的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)高速鐵路周界入侵監(jiān)測(cè)設(shè)備的研制及測(cè)評(píng)發(fā)揮了重要作用。