高铁防灾系统在城际铁路的运用实践

齐峰 上海铁路局上海高铁维修段

高铁防灾系统在城际铁路的运用实践

齐峰 上海铁路局上海高铁维修段

以沪宁城际铁路防灾监控系统的运用现状为参照，结合国内外其他高铁线路的防灾预警措施，从风速、雨量、异物侵限监测三个方面介绍国内防灾监测技术的发展历程、存在不足及发展前景。

高速铁路；沪宁城际铁路；防灾系统

1 当前高铁防灾系统的运用情况

安全是所有交通运输方式顺利运营最核心、最关键、最根本的先决条件。高速铁路由于列车高速度、高密度运行、以客运为主，与其它运输工具相比较其安全保障体系要求更加严密，对安全保障体系提出了更高的要求。高速铁路发达的日本、法国、德国，都经历过严峻自然灾害的考验，均采用了先进的灾害防护技术加强对灾害的防护。日本在新干线沿海岸线设置了地震监测系统，2011年发生“3·11”大地震时，以时速270km运行在东京和青森以及福岛与岩手之间的23趟列车全部安全停车。法国高速铁路采用了以机车信号为主的列车自动控制系统，沿线设有防护开关和应急电话。德国高速铁路采用了新型防灾报警系统MAS90，除可监督线路装备的运用状况外，还可识别和及时报告环境对行车安全的影响，以及移动设备发生破损的情况。

截止2013年9月，我国高铁总里程达到10463km，“四纵”干线基本成型。由于地域辽阔，地形复杂，加之全球气候异常，近几年铁路运输频频遭到风、雨、雪、地震、落物等灾害的侵袭，平均每年造成运输中断100余次。为了能在灾害发生时提供有效预警，我国高铁从首次开通至今对防灾系统的应用研究从未中断，经过10余年从无到有的发展，已经积累了相当丰富的经验，形成一套体系完善、设备先进、稳定可靠的灾害监测体系。京津城际作为国内第一条设计时速为350km的高速铁路，首次提出并实施了客运专线防灾安全监控系统的解决方案，京津城际防灾系统包括大风监测和异物侵限监控两个子系统，全线共设置12处风速监测点，5处异物侵限监控点。京沪高铁2011年设立地震监控子系统，全线共计地震监控点31处。甬台温、温福线、郑西线、福夏线、石太客运专线、武广客运专线、合武客运专线等也都陆续设置了防灾系统。

2 沪宁城际铁路防灾系统

沪宁城际铁路防灾系统主要由风、雨以及异物侵限现场监测设备，现场监控单元，苏州站监控数据处理设备，各工务终端，上海调度所设备与传输网络等组成。由风监测子系统、雨量监测子系统以及异物侵限监控子系统集成。

2.1 风速风向监测子系统

沪宁城际铁路设计时速300km/h，沿线7级（13.9m/s～17.1m/s）大风时有发生，特大桥上风速更高，风速风向监测子系统是本线不可缺少的行车安全防护设备。沿线主要城市所在区域年最大风速（m/s）见表1。

表1 沪宁城际沿线主要城市所在区域年最大风速统计情况

风速风向监测子系统主要由现场采集设备、室内采集模块与上位机处理显示模块组成。现场采集设备由风速风向计以及专用的接线盒、传输电缆构成。风速风向计安装在特大桥接触网支柱上，为降低线杆和支架对检测的影响采用“T”型安装支架安装，高度距轨面4.0m，并且两个风速计安装在两个不同的水平高度，伸出接触网杆的架子长度为2.0m。每个布设点设置两个风速风向仪是为了避免因单个风速采集设备的误差或漏报。沪宁城际铁路采用了超声波式风速风向计，该风速风向传感器又名气象变送器，同时具有风速、风向及雨量多重监测功能，既节省成本更能减少维护工作量。

室内采集模块集成于通讯主机，通过网络将监测到的数据上送至应用服务器。上位机处理显示模块由系统软件实现，主要安装在应用服务器、工区终端和调度所终端。

系统功能包括大风监测报警和大风监测预警功能。大风监测报警可实现风速风向的实时监测报警，是风速灾害子系统的基础。目前，大风监测报警时限按风速达到报警门限不大于9s报警设定；解除报警时限可按大风降级后不大于6min设定；实际运用中，积累更多沿线风特征观测数据后，可以在导向安全的原则下对该组数值进行微调，尽量延长报警时限并缩短解除报警时限，目的是将运营损失控制到最小。关于大风监测预警功能，目前防灾暂行标准风速报警分为15km/h、20km/h、25km/h和30km/h四个级别，而当风速达到或超过30km/h时，要求列车不能进入风速区间。如果没有风速预测功能，可能会出现该区段发生大风时列车却已经进入该区段的现象，这会存在行车颠覆事故发生的可能性。

风速风向监测子系统共性的技术难点包括：风速计如何布点、风速预测、过滤列车瞬时风、报警判定与解除，这需要在后期运用中进一步完善风速预警、风速布点、过滤列车瞬时风等重要功能。

2.2 雨量监测子系统

雨量对于高速列车行车而言危害并不大，尤其是当高速铁路建设选用无砟轨道以后，雨量对于直接影响行车的危害将更小，但是经统计分析，由雨量间接带来的灾害也是不容忽视的，因而基于该系统监测数据为依据建立了沪宁城际铁路防洪技术标准。

雨量监测子系统主要采用了风雨监测集成功能的传感器，该传感器采用非机械式结构的声学原理测量降水，通过探测单独雨滴的撞击力，产生的信号与雨滴的大小成正比，然后将信号大小加起来转换成累计的降雨量。

监测方式分小时降雨量及24h降雨量+小时降雨量两种，根据降雨对基础设施的影响情况，分别制定了“小时降雨量”和“24h降雨量+小时降雨量”报警门限值。

系统具备雨量监测报警功能之后，当发生雨量报警，CTC通过防灾通信服务器接收到雨量报警信息并弹出提示，列车调度员查看防灾终端确认雨量报警后利用调度电话及时向相应列车的司机发布暴雨临时限速命令；同时列车调度员借助CTC终端和临时限速操作终端，以设置和取消临时限速为手段，使列车自动限速运行。

2.3 异物侵限监控子系统

由于异物侵限事件的发生具有突发性、无规律和不可预测等特点，我们借鉴国外发达国家的方式采用先进技术监测异物侵限事件，在列车到达侵限地点前发出报警，控制列车停车，并将侵限信息实时传到行车调度中心，保证列车运行安全，为下达行车控制、维修管理等指令提供依据，避免重大行车事故发生。目前主要针对公跨铁、隧道口、公铁并行三种地段进行监测。

系统由现场监测单元、基站处理单元、通讯处理单元、应用层处理显示单元四个部分组成，其主要组成部分为现场监测设备，而通讯主机、应用层设备与风、雨共用。

公跨铁现场监测单元由双电网传感器、金属防护网（承重网）、轨旁控制器、传输电缆等组成。双电网传感器相比国外红外对射、视频智能识别等方法具有抗干扰性较强、便于安装、投资小的优点。由于沪宁城际铁路开通时间较早、上跨公路建成时间各异，现场双电网监测传感器并不统一，主要要有悬臂式、挂篮式、L竖立式三种（见图1）。

图1 监测传感器的三种安装样式

悬臂式由于支架系统采用长1.5m的H型钢架，导致自重过大（55kg），不利于高铁风险的控制，目前本线只有三座桥采取该种方式设置，已列入整改范围。挂篮式是在悬臂式基础上改良之后的安装手段，虽然已经解决了自重过大的弊端，但仍有不足之处：第一，如果落物轨迹较高，很有可能翻越网片直接坠入线路；第二，没有合理设置承重结构，不利于检查维护。竖立式是文件所规定的标准安装形式，由竖直监测电网、水平承重网、“L”型支架等三部分组成。竖直监测网高2m，可以拦截较高抛落物；水平承重网可以供检修人员站立，避免直接站立于监测电网导致误报警。

隧道口监测单元目前只在横切铁路上方设置了双电网监测器，沿线路两侧采用了预应力锚杆、挡墙、被动防护网等传统的保护措施，没有能实现监测预警功能的设备，建议后期条件成熟时设置光纤传感器填补该项空白（见图2）。光缆监测方式是在沿线布设光缆，由源点发出光信号，经各监测点后再返回源点，各监测点通过光信号的衰减判断是否发生侵限情况及危害程度，非常适合依托于铁路沿线的全封闭防护栅栏与大面积被动柔性防护网对滚石破网侵限进行长期的自动监测。

图2 光纤传感器结构图

现有异物监测子系统功能通过基站的列控接口实现，当一层电网断线时，防灾系统只发出报警，不触发列控、联锁系统；只有二层电网同时断线时，系统认定有异物侵限，并将异物侵限信息分两路同时输出，一路将信息传到防灾终端显示报警信息；另一路电路驱动防灾机柜内的继电器落下，同时带动与之相连的列控设备端继电器落下，使得异物侵入的区段防护信号机显示禁止信号，将控制列车在相应的闭塞分区外停车。这种控制方式虽然以导向安全为原则，但由于存在与列控系统的接口，且该接口结构复杂，继电器相互之间连接电缆太长，使系统发生故障的概率、故障发生时影响范围增大，不利于系统升级、故障处理等日常养修工作。近期有专家提出将防灾异物子系统与列控系统分离的改进方案，通过轨旁控制器将双电网传感器、上行轨道、下行轨道进行连接，实时采集、显示双电网传感器的状态。无异物侵限时轨旁控制器的异物侵限报警继电器励磁吸起，此时防灾异物侵限子系统所防护在轨道电路区段视为空闲，如出现异物侵入导致双电网断线后，轨旁控制器的异物侵限报警继电器失磁落下，此时相应轨道电路区段视为占用，轨道电路红光带，信号系统自动采集，该区段防护信号机显示禁止信号。通过改进，保证了两个系统的独立性和完整性，最大程度减小防灾施工对铁路运输的影响，使故障判断更直接，日常维修更简便。后期在实施阶段还需重新确定防灾系统对轨道电路占用或者空闲状态的确认权，研发相应的轨旁控制器，使系统更加完善。

2.4 未来发展空间

沪宁防灾系统作为一个集成系统，架构时考虑集成系统包含子系统的不确定性，预留多种子系统的接入条件与接口。目前系统设计的灾害监测有风、雨、异物三种，后续监测的灾害种类可能会添加雪深、轨温、地震等监测内容。而防灾系统的拓宽应用不只是局限于因外部环境影响对线路情况实施的监测，随着设备的逐渐完善我们可以尝试对沿线隧道、长大桥梁、易沉降路基等基础设备的形变位移数据实施监控，使设备应用范围更加广阔，线路运营状态更加安全可控，发挥沪宁城际铁路多专业综合管理模式的优势。

3 结束语

经过十余年发展，我国高铁防灾系统的技术应用已经具备相当坚实的研发基础和经验积累，源源不断地新思维、新理念定能催生出更广阔的前景。今后还应结合我国高铁自身特点，参照其他行业防灾经验，联合我国气象、地震等专业研究机构共同攻关，优化完善，使之更加符合不同地域、不同速度的铁路线路的安全需求，确保列车运行安全。

[1]张卫军.防灾安全监控系统在高速铁路中的应用[J].铁道通信信号.2010 (8).

[2]李涛.高速铁路防灾系统建设的思考[J].内蒙古科技与经济.2011(7).

[3]邢建鑫.高速铁路防灾系统的应用实践[J].世界轨道交通.2011(11).

[4]王彤.高速铁路防灾安全监控系统的研究与开发[J].中国铁路.2009(8).

责任编辑：许耀元 陈娟
来稿日期：2014-01-27