哈大铁路客运专线雪深监测系统研究

王志斌

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

1 国外高速铁路雪深监测系统概况

我国客运专线对于灾害防护研究的基础资料较少，相比之下，日本和欧洲的高速铁路技术相对成熟，日本高速铁路的发展已经有近50年的历史，日本是一个灾害多发的国家，其北部纬度较高的地区，每年的雪害都比较严重，这些年来，对于灾害的研究也比较透彻;在北欧纬度较高的地区，比如瑞典、芬兰，冬季雪灾也很严重，为了满足铁路安全运营的需要，也建立了一套较为完善的雪灾防护系统。

国外铁路对于雪灾的应对是全方位的，包括车辆耐寒、耐雪构造的改进，站前建设防护，雪灾监测设备，道岔融雪，雪崩预测，冻雨监测设备，机械化除雪设备等，并制定了完善的雪灾运行管制办法。

雪灾监测设备包括:降雪计、积雪深度计、自动控制部分以及除雪(融雪)设备等。表1是东日本公司大雪时列车运行控制标准。

表1 积雪深度与列车运行速度

2 哈大铁路客运专线雪深监测系统需求分析

哈大铁路客运专线沿线地处我国东北三省，属于降雪多发地区，存着潜在的雪灾影响，有必要设置雪深监测系统。

2.1 雪灾危险性分析

根据收集的气象部门资料，哈大铁路客运专线沿线1971年至2000年最大积雪雪深统计见表2。

各地降雪初终期从11月开始至次年5月，跨度时间较长，气温较低，容易造成积雪，形成危害。

表2 哈大铁路客运专线沿线各地积雪深度 cm

2.2 雪灾分析

在冬季，下小雪对铁路运输并无大碍，但大雪或飞雪会严重影响运输安全和运输效率，而雪崩则可能造成铁路安全事故。总结多年来国内外铁路受雪灾影响主要包括由于一般大雪、湿雪、大风搬运造成的积雪堆积、黏附雪、雪崩、结冻、冰雪引起的线路空间障碍，大风卷起的飞雪等对轨道正线、道岔、车厢车体、轨旁设备、牵引供电系统造成的危害。表3为雪灾危害分析。

表3 雪灾危害分析

2.3 雪深监控功能定位

根据表3对雪灾危害的分析，雪深监测子系统应具有实时监测积雪深度、降雪量、降雪强度等雪灾信息，并根据事先设置的预警门限，实时报警，提出行车管制预案，保证行车安全的功能。另外报警信息发送至工务维护部门，采取应对预案，进行行车管制，并由相应部门采取清除融化积雪等措施，保证客运专线高速、正点运行。

3 雪深监测系统的总体功能

雪深监测系统基本功能包括:信息采集、信息传输、数据处理、报警输出、行车管制、设备维护及智能统计分析。

3.1 信息采集

主要采集监测点的降雪量、积雪深度、积雪质量、降雪强度、融雪水量(降雪后自然条件下的融雪水量)、气温、风速风向。

3.2 信息传输

通过现场设置的数据传输设备及设置在临近接入点的设备，将监测到的雪量等信息传送至防灾数据处理中心。

3.3 数据处理

根据基本的雪量、雪深和雪压及其他气象信息、线路信息和行车信息，对积雪进行综合分析。

3.4 报警输出、行车管制

根据采集及处理后的积雪信息，按照报警原则，以及根据雪灾的特点，合理进行报警输出。按照事先制定的行车管制办法，将雪灾对高速铁路的影响降到最小。

(1)首列车的积雪深度报警门限及限速参考值如下:

9 cm≤轨面积雪深度＜17 cm时，限速245 km/h以下;

17 cm≤轨面积雪深度＜19 cm时，限速210 km/h以下;

19 cm≤轨面积雪深度＜22 cm时，限速160 km/h以下;

22 cm≤轨面积雪深度＜30 cm时，限速110 km/h以下;

轨面积雪深度≥30 cm时，停运。

(2)列车调度员利用CTC行调台，以设置和取消临时限速为手段，使列车自动限速运行;同时，也可以借助调度电话、CTC系统的调度命令无线传输功能，将强降雪临时限速命令及时传送至相应列车。

3.5 设备维护

系统具备自检功能，网管功能，能够实时监测网络设备的状态、监控单元的状态，各传感器的状态。

3.6 智能统计分析

综合考虑历史数据的分析，结合线路情况、地形等分析积雪可能产生的影响，同时智能统计分析还包括对线路上实测的数据进行统计分析，为今后的雪灾监测提供数据的积累。

4 雪深监测点设置方案

根据哈大铁路客运专线的线路平纵断面资料，气象要素等资料，结合以上通用布点原则，分析哈大铁路客运专线雪灾监测系统现场监测点布点原则。

一般根据积雪历史数据，结合线路的特点和雪灾系统的实施特点，进行综合考虑选点。

积雪的历史数据包括3种:有无降雪、降雪量、积雪深度，而降雪量和积雪深度更能反映该地区雪害的严重性。

线路勘测的平面图、纵断面图，以及基站、车站的布置图，都可以作为选点的输入。

下面针对哈大铁路客运专线积雪监测，对选点的各个环节进行详细的阐述。

(1)收集历史积雪深度数据

收集了哈大铁路客运专线沿线大连、营口、海城、鞍山、沈阳、铁岭、四平、长春和哈尔滨等城市的自1951年以来的最大积雪深度，如表4所示。这些城市中，沈阳、四平、长春、哈尔滨的积雪超过10 cm和超过15 cm年份很多，鞍山和长春超过20 cm积雪的年份很多，因此建议在长春、鞍山、沈阳、四平、哈尔滨等地，特别是长春和鞍山一带多布置积雪深度计。

表4 沿线最大积雪深度统计

(2)收集线路信息

除降雪历史数据外，还需要收集线路信息，包括:平面图、纵断面图、基站、车站、深路堑、弯道、特殊地段等信息。这些信息对于雪灾监测的选点有重要的参考作用。

(3)选点分析过程

一般的，对于累年积雪深度都比较大的地区布点相对可以比较密集，一般选择在供电和通信比较方便的监控单元附近布置。而对于累年积雪相对较小的地区的布点需要仔细分析，以DK71+900点处的选点过程为例，该处轨面和路面的高差不大，

纵断面图如图1所示。铁路线路平面如图2所示。结合实际线路现场三维地图，HDKZ－30(DK71+900)处垂直于铁路线方向的地形如图3所示。平行于铁路方向的地形如图4所示。

图1 设置点纵断面

图2 设置点平面

图3 设置点地形图一

图4 设置点地形图二

结合通信基站设置表，该点据基站较近。结合上述信息，分析如下。

该点处于鞍山至大石桥之间，盛行风向为东北风或北风，前方有山坡为迎风侧，可能会形成风吹雪堆积，该处距离基站较近，供电和通信比较方便，因此选定该点作为积雪监测点。

(4)选点原则

结合以上选点过程，得出哈大铁路客运专线雪灾监测现场设备布点原则如下:历史积雪深度小于最小积雪报警阈值的地区一般不需要监测;历史上经常出现积雪深度20 cm以上的地区必须考虑积雪监测;布点应考虑铁路沿线供电和通信;容易大风搬运造成积雪的深路堑要重点布置;为方便与道岔融雪设备的联动，可考虑设置在道岔区段附近;国家气象部门在降雪量的观测时是纳入降水量观测的，收集数据时需要注意降雪的季节性。

5 哈大铁路客运专线雪深监测系统构成方案

5.1 设备构成方案

雪灾监测系统由现场监测设备、监控单元设备、监控数据处理设备和监控终端组成。

5.1.1 现场监测设备

雪深现场监测设备由激光雪深计、防雷模块、信号隔离采集模块、现场设备箱等组成。哈大铁路客运专线沈大段共设置雪深计8处，沈哈段设置10处。

5.1.2 监控单元

监控单元主要由电源模块、信号输入模块、信号传输模块、防雷设备等组成，设置于通信GSM-R基站内的600 cm×600 cm×2 200 cm标准机柜内。

风雨雪传感器、雪深计、地震传感器等传感器采集风、雨、雪、地震信息后传输给接口层，接口层将收到的信息传输给主机层中的主控计算机，主控机将信息处理加工后上传至监控数据处理设备中的应用服务器。应用服务器根据规则处理报警、存储和转发信息。主控机可接受来自应用服务器的命令，实现其他系统接口和控制条件输出。机柜中的UPS为整个系统供电，可支持电源电量监测和管理功能。UPS下方是隔离变压器(主要用于防浪涌)、空开、防雷和配电端子，为整个系统的电源输入、信号输入、电源输出提供结构支持和防雷保护，系统电源输入支持2路220VAC输入，具有隔离变压器保护。

同一监控单元应具备同时接入多个不同种类监测设备的功能。故雪灾监测系统监控单元可采取单独设置或与其他监测设备合用监控单元的方式设置。

5.1.3 监控数据处理设备

雪深监测系统是防灾系统的子系统，与其他监测子系统共用中心系统，具备雪灾监测的功能。哈大铁路客运专线在沈阳、长春分别设置监控数据处理设备。监控数据处理设备由数据库服务器、应用服务器、磁盘阵列、网络交换机、网络安全设备、维护终端、打印机、电源设备等组成，详见图5。

图5 监控数据处理设备构造

数据库服务器为双机热备方式，配1套磁盘阵列作为扩展存储设备，内设防灾安全监控各功能子系统相关监控数据表，存储防灾安全监控各种信息，如风向风速信息、雨量信息、落物监测报警信息、雪深信息等历史记录，以备查询。数据库服务器具备故障自动转移功能，保证监控数据处理设备稳定运行。

应用服务器负责采集监控单元主机传入监测点状态信息及设备状态信息，将防灾安全监控各种数据、报警信息等历史记录存入数据库服务器。应用服务器为双机热备方式，任一台发生故障、任意网络发生故障不影响系统正常运行，提高了整个系统的安全性和可靠性。

5.2 网络构成方案

防灾安全监控系统监控单元(设置于沿线相关通信基站、车站、牵引变电所、AT所内)、网络汇聚(车站通信机械室)、监控数据处理设备、调度所设备、工务终端设备等构成防灾系统专用网络，其间的联网方式如下:

(1)防灾监控单元至现场信息监测设备之间敷设的信号数字内屏蔽电缆传输现场监测信息;

(2)监控单元与临近网络汇聚点之间采用通信SDH MSTP传输系统提供的主备用1×10 M/100 Mbps标准以太网接口，主备用1×2 Mbps通道互联;

(3)网络汇聚点功能由通信专业设备实现，汇聚临近监控单元通道;

(4)网络汇聚点与防灾安全监控中心之间采用通信SDH MSTP传输系统提供的主备用1×10 M/100 Mbps标准以太网接口，主备用1×2 Mbps通道互联;

(5)调度所设备、工务终端设备通过通信SDH MSTP传输系统提供的主备用1×10 M/100 Mbps标准以太网接口，主备用1×2 Mbps通道互联。

6 结语

客运专线铁路雪深监测系统是防灾安全监控系统的重要子系统之一;为确保客运专线铁路运行安全，有必要建设客运专线铁路雪深监测系统。哈大铁路客运专线雪深监测系统将是我国高速铁路雪深监控系统实施的首例工程，系统构建及实施应确保其高安全可靠性;应根据哈大铁路客运专线雪深监测系统实施及数据积累情况，尽快确定雪深监测系统技术标准及设计规范，为其他客运专线铁路雪深监测监控系统的建设提供依据。

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