劉金鵬

(上海鐵路局 調(diào)度所，中國 上海200000)

0 研究背景

中國高速鐵路快速發(fā)展，高鐵運營里程已突破1萬公里，我國高鐵點多、線長、跨度大，高鐵線網(wǎng)遍布特大橋梁、長大隧道、公跨鐵。線路環(huán)境，天氣因素，地質(zhì)災(zāi)害與高鐵運行息息相關(guān)，任何一個環(huán)節(jié)發(fā)生問題，后果不堪設(shè)想。因此，防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)成為列車安全運行控制系統(tǒng)中不可缺少的組成部分，鐵路現(xiàn)有的安全監(jiān)測體系大多采用人工、間歇收集信息的方式，信息的準(zhǔn)確性、實時性較差，已經(jīng)不適應(yīng)高速鐵路日益發(fā)展的要求，很有必要對高速鐵路安全防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)深入剖析，優(yōu)化研究。

1 高鐵防災(zāi)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能與現(xiàn)狀

安全防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)是架構(gòu)于通信傳輸系統(tǒng)之上的一套集災(zāi)害信息采集、分析、處理和指導(dǎo)、輔助安全行車的平臺，主要是對危及高鐵安全的自然災(zāi)害（強風(fēng)、暴雨、大雪、地震）及突發(fā)性災(zāi)害（坍方落石、異物侵入限界、列車事故及設(shè)備故障等）進行監(jiān)測，并提供經(jīng)處理后的災(zāi)害預(yù)警信息、限速信息或停運信息等，為調(diào)度指揮中心運行計劃調(diào)整、下達行車管制、搶險救援、維修提供依據(jù)，保證高鐵列車運行安全。

安全防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)包含風(fēng)監(jiān)測、雨監(jiān)測、異物監(jiān)測子系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)備主要由室外風(fēng)速風(fēng)向計、雨量計、異物侵限等監(jiān)測設(shè)備，通信基站內(nèi)的監(jiān)控單元，中心的監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設(shè)備，以及防災(zāi)監(jiān)控終端、工務(wù)調(diào)度終端、維護終端等組成。以TFZh型防災(zāi)系統(tǒng)為例，其系統(tǒng)組成圖可由圖1說明。下面以滬杭高鐵線調(diào)度防災(zāi)監(jiān)控終端為例來分析其主要功能。

圖1 TFZh型鐵路防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)組成圖

1.1 風(fēng)監(jiān)測子系統(tǒng)主要功能

發(fā)生大風(fēng)超限報警后，風(fēng)監(jiān)測點實時顯示大風(fēng)報警狀態(tài)和實時風(fēng)速值，監(jiān)測點的顏色變?yōu)榇箫L(fēng)報警等級對應(yīng)指示顏色，監(jiān)測點彈出報警框并顯示限速區(qū)域和限速值，調(diào)度員依據(jù)其發(fā)布調(diào)度命令控制列車運行。當(dāng)瞬時風(fēng)速值連續(xù)10s均超過某一報警門限值時，報警升級；當(dāng)瞬時風(fēng)速值連續(xù)10min均低于當(dāng)前報警門限值時，報警降級或解除。

1.2 雨監(jiān)測子系統(tǒng)主要功能

當(dāng)雨量超過設(shè)定值時，發(fā)生雨量報警，工務(wù)和調(diào)度終端彈出雨量報警界面，顯示限速區(qū)段和限速建議值，調(diào)度員需根據(jù)限速建議對動車組進行限速。根據(jù)防災(zāi)系統(tǒng)管理辦法，在符合報警解除條件時，工務(wù)值班人員點擊工務(wù)終端上的雨量報警界面中“清除雨量報警按鈕”解除該監(jiān)測點當(dāng)前雨量報警，此時調(diào)度終端自動彈出雨量報警解除界面。

1.3 異物監(jiān)測子系統(tǒng)

異物侵入導(dǎo)致電網(wǎng)斷線，系統(tǒng)提示報警禁止行車，調(diào)度員扣車處理。根據(jù)防災(zāi)系統(tǒng)管理辦法，待上下行臨時通車具備操作條件時，調(diào)度員按壓上行（或下行）臨時通車按鈕，恢復(fù)行車?，F(xiàn)場維修人員清理完障礙物，對電網(wǎng)進行修復(fù)后，維修人員按下軌旁控制器內(nèi)現(xiàn)場恢復(fù)按鈕，現(xiàn)場恢復(fù)操作成功，調(diào)度員確定列車可以恢復(fù)正常運行時，按下調(diào)度恢復(fù)按鈕，調(diào)度恢復(fù)成功，異物侵限恢復(fù)正常。

2 高鐵防災(zāi)系統(tǒng)的不足與優(yōu)化

2.1 風(fēng)監(jiān)測子系統(tǒng)的不足與優(yōu)化

由于環(huán)境風(fēng)速具有突變性和不確定性，并且風(fēng)速儀設(shè)置有很大的局限性，因此大風(fēng)對高鐵運行的影響最為常見。發(fā)生大風(fēng)報警時，往往不是一處報警，而是好幾處報警點同時報警，這就需要調(diào)度員立即通知報警范圍里的列車限速運行，核對限速值和限速范圍，發(fā)布調(diào)度命令，設(shè)置列控限速命令。調(diào)度員在短時間內(nèi)完成一連串高強度工作，縱使有三頭六臂，也疲于應(yīng)對。再加上風(fēng)速升級和降級的不確定性以及運營中不利因素耦合的可能性，高鐵運營的風(fēng)險大大增加。

因此，要減少高鐵列車運行的安全風(fēng)險，就要求災(zāi)害信息傳送具有實時性。風(fēng)監(jiān)測子系統(tǒng)目前僅具備風(fēng)速報警提示功能，有必要對其進一步優(yōu)化完善，風(fēng)監(jiān)測子系統(tǒng)應(yīng)該納入列車運行控制系統(tǒng)（圖2）。當(dāng)發(fā)生大風(fēng)超限報警時，風(fēng)監(jiān)測子系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)速自動生成限速信息，并將限速值和限速范圍發(fā)送至調(diào)度集中系統(tǒng)（CTC）,CTC自動判斷限速范圍內(nèi)的列車運行速度，待列車速度降至限速范圍以內(nèi)時，自動擬定列控限速調(diào)度命令并傳輸至列控限速服務(wù)器（TSRS），TSRS負(fù)責(zé)校驗TSR命令并分發(fā)給列控中心（TCC）和無線閉塞中心（RBC）執(zhí)行，TCC控制應(yīng)答器將TSR信息傳給C2列車，RBC通過鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R）將TSR信息傳給C3列車，動車組ATP收到TSR信息后，實時控制列車運行。當(dāng)報警升級或降級時，列車安全運行控制系統(tǒng)自動判斷列車停運，降速或提速。以上這些控制流程要求在瞬間完成，調(diào)度員根據(jù)報警信息及時調(diào)整列車運行，并核對限速值和限速范圍。

圖2 列車運行控制系統(tǒng)

2.2 雨監(jiān)測子系統(tǒng)的不足與優(yōu)化

同理，雨量監(jiān)測子系統(tǒng)也納入列車運行控制系統(tǒng)，發(fā)生雨量報警后，根據(jù)小時降雨量生成的限速傳送至列控系統(tǒng)，自動控制列車限速運行。雨量報警解除后，列控系統(tǒng)應(yīng)具備自動識別線路允許速度的區(qū)段，并提供逐級提速控速功能。

此外，非高架區(qū)段及隧道區(qū)段軌道應(yīng)裝設(shè)積水量探測系統(tǒng)，當(dāng)某區(qū)段積水高于軌面時，立即反饋防災(zāi)安全系統(tǒng)，并確認(rèn)水面位置，當(dāng)積水未超過軌面100mm時，ATP控制列車禁止通過積水地段；當(dāng)積水超過軌面100mm時，反饋供電系統(tǒng)停止所在單元供電。

2.3 異物侵限子系統(tǒng)的不足與優(yōu)化

當(dāng)發(fā)生監(jiān)測終端異物侵限紅色報警信息后，軌道電路區(qū)段自動產(chǎn)生紅光帶，列車自動防護系統(tǒng)控制列車在紅色報警點前停車。在紅光帶取消后，設(shè)備恢復(fù)正常使用前，ATP自動控速120km/h越過報警點閉塞分區(qū)，并自動設(shè)置列控限速調(diào)度命令。設(shè)備恢復(fù)使用后，列車調(diào)度員將自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)中復(fù)原按鈕解鎖，使系統(tǒng)恢復(fù)到正常狀態(tài)，列控限速自動取消。

3 建議與對策

高鐵防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)納入列車運行控制系統(tǒng)，并加入防災(zāi)信息交互系統(tǒng)中（圖3），這樣不僅可以在惡劣天氣條件下縮短調(diào)度員應(yīng)急處置的寶貴時間，更重要的是防災(zāi)系統(tǒng)自動化控制列車運行安全。結(jié)合高速線網(wǎng)所在地區(qū)實際可能發(fā)生的災(zāi)害，還需建立更多有針對性的監(jiān)測、報警系統(tǒng)，采取對應(yīng)的預(yù)防措施，以便災(zāi)害的破壞降到最低或避免災(zāi)害的破壞。

圖3 防災(zāi)信息交互示意圖

3.1 建立牽引供電安全監(jiān)控系統(tǒng)

牽引供電系統(tǒng)由牽引變電子系統(tǒng)和接觸網(wǎng)子系統(tǒng)構(gòu)成。自然災(zāi)害及異物侵限嚴(yán)重影響牽引變電設(shè)施的安全，危及高速鐵路的運行；風(fēng)速變化對接觸網(wǎng)產(chǎn)生的影響直接關(guān)系到列車的安全運行，接觸網(wǎng)網(wǎng)壓的穩(wěn)定性也將影響列車的運行。因此，應(yīng)建立牽引供電安全監(jiān)控系統(tǒng)。

3.2 建立軌溫和路基監(jiān)測系統(tǒng)

由于軌溫與氣溫有緊密的聯(lián)系，應(yīng)選擇在線路條件不利的地點（如路基、道床、曲線、坡度等）設(shè)立鋼軌溫度傳感器，在橋梁較多地段或曲線較多地段，可根據(jù)實際情況適當(dāng)增設(shè)，同時設(shè)置氣象信息采集點，以便對比決策。

在軟土路基和滯洪路堤等重要地點設(shè)立路基監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)由測斜儀、沉降儀等傳感器，數(shù)據(jù)記錄與處理和信息顯示與傳輸三部分組成。當(dāng)傳感器受外界應(yīng)力變化時（如線路沉降），將變化信號傳輸至調(diào)度所，為列車運行提供決策依據(jù)。

3.3 建立長大橋梁和隧道監(jiān)測系統(tǒng)

除了自然災(zāi)害對橋梁的危害外，高速荷載對特大橋梁的穩(wěn)定性也有很大影響，所以需要對河流通航橋墩和橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)置橋墩防撞儀和加速度儀進行監(jiān)測，在公跨鐵和鐵路交叉處還需設(shè)置限界障礙檢測和橋墩防護工程。

在非特大災(zāi)害條件下(如爆炸、地震、山體滑坡等)，隧道災(zāi)害主要表現(xiàn)為火災(zāi)、水災(zāi)、空氣動力學(xué)問題和隧道侵限及結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問題。隧道災(zāi)害發(fā)展緩慢，對其長期的監(jiān)測必不可少。

3.4 設(shè)置地震監(jiān)測系統(tǒng)

充分利用國家地震網(wǎng)信息資源，在地震多發(fā)地區(qū)設(shè)置振動加速度傳感器和中心監(jiān)視設(shè)備，當(dāng)水平地震加速度達到警戒值時，加速度報警儀即發(fā)出警報，為震后列車運行管制提供數(shù)據(jù)，并為震后確定巡檢區(qū)間、巡檢方式及列車限速等提供依據(jù)。

3.5 建立車站防災(zāi)系統(tǒng)

大型車站應(yīng)設(shè)有自己的防災(zāi)中心，建立旅客導(dǎo)向信息系統(tǒng)。一旦發(fā)生緊急狀況，比如火災(zāi)，煙霧時，可及時自動采取滅火、排煙、隔離火源等措施，并有效地疏導(dǎo)旅客，對車站安全起到輔助作用，這也是列車運行管理系統(tǒng)中的一部分。

除了建立各種監(jiān)測系統(tǒng)外，還必須有應(yīng)急救援、事故處理、狀態(tài)恢復(fù)等設(shè)備和能力，以便事故損失降到最低程度。因此，進行全面系統(tǒng)的研究，提出適合自身的高速鐵路運營模式以及自然環(huán)境的安全監(jiān)控系統(tǒng)方案，仍是我國高速鐵路建設(shè)的一個重要課題。