客運專線、高速鐵路異物侵限監(jiān)測方案優(yōu)化

趙樹學

（鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251）

目前，我國客運專線、高速鐵路異物侵限監(jiān)測技術正處于起步、發(fā)展的關鍵階段。因此，構建一個安全、可靠、完善的異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)尤為重要。下面結合國內已開通異物侵限監(jiān)測建設方案的案例，對如何優(yōu)化客運專線、高速鐵路異物侵限監(jiān)測建設方案談一點自己的看法，供讀者參考。

1 異物侵限監(jiān)測手段分析與選擇

1.1 異物侵限監(jiān)測手段

目前可供客運專線、高速鐵路異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)選擇的監(jiān)測手段主要包括雙電網(wǎng)、傾角傳感、紅外對射、視頻內容分析、光柵放射譜和監(jiān)測雷達技術等方法。

1.1.1 雙電網(wǎng)監(jiān)控方式

該方式為采用電纜實回線的通斷來監(jiān)測有無異物侵限的監(jiān)控方式，在國內已經(jīng)有多條線路使用。如京津、鄭西、武廣、滬寧等高鐵線路。其優(yōu)點是監(jiān)測可靠，誤報少。該技術在法國、日本和西班牙都有應用。

1.1.2 傾角傳感技術

傾角傳感技術是比較新型的技術。當傳感器受到異物沖撞導致傾角傳感器（或其所依附的結構）發(fā)生角度改變，直接控制電平信號的通斷（或輸出角度變化值供軟件判斷），來實現(xiàn)報警功能。此方案的優(yōu)點是監(jiān)測可靠，誤報少。但為了達到防護范圍的要求，存在安裝傳感器數(shù)量較多、結構復雜的缺點。

1.1.3 紅外對射技術

紅外對射方式為非接觸式。具有安裝方便、易于維護、成本適中的特點。但易受外界干擾影響，誤報較高，在室外環(huán)境使用有一定的局限性，一般用于安防系統(tǒng)。

1.1.4 視頻內容分析技術

視頻內容分析技術通常是在劃定區(qū)域內監(jiān)測異物，如果有異物則產(chǎn)生報警。但由于對視頻內容分析的背景參照物要求較高，且對外界條件變化敏感，所以實施難度較大，誤報較高，各路局工務部門在山體滑坡監(jiān)測中有應用案例。

1.1.5 光纖光柵探測技術

光纖光柵是利用紫外暴光技術在光纖芯中引起折射的周期性變化而形成的。光纖光柵中折射率分布的周期性結構，導致某一特定波長光的反射，從而形成光纖光柵的反射譜。反射光的波長對溫度、應力和應變敏感，當環(huán)境溫度、應力或應變發(fā)生變化時，光纖光柵反射光的峰值波長漂移，通過對波長漂移量的度量可以實現(xiàn)對溫度、應力和應變的感測。目前主要用于重要橋梁基礎位移，但在現(xiàn)有的國內外高鐵異物監(jiān)控少有應用案例。

1.1.6 監(jiān)測雷達技術

監(jiān)測雷達方式屬于非接觸式，是利用監(jiān)測雷達實時探測落物的距離和速度，通過數(shù)據(jù)處理計算出落物落點的大概位置，為判斷落物是否侵限提供準確的信息。落物侵限監(jiān)測雷達具有監(jiān)測范圍廣（＞100 m），安裝及維護方便的優(yōu)點。

1.2 異物侵限監(jiān)測手段的選擇

綜上所述，實際上用于異物監(jiān)控的手段主要有非接觸式和接觸式。

非接觸式監(jiān)控包括紅外對射、視頻內容分析、光纖光柵探測技術和監(jiān)測雷達技術。

非接觸式監(jiān)控方式存在一個共同的技術難題，即受到外界干擾容易誤報。例如遇到天氣變化、浮沉、漂浮物和大雨等現(xiàn)象，都會不同程度的出現(xiàn)誤報。

接觸式雙電網(wǎng)監(jiān)控方式是將雙電網(wǎng)傳感器直接串聯(lián)到繼電器控制回路，最直接、最簡單、最成熟、最可靠。該方法在國內外已有大量應用，系統(tǒng)的可靠性主要集中在施工工藝上，容易控制。

異物侵限監(jiān)測作為行車安全設備，監(jiān)測手段的可靠性、無誤報漏報是實際工程中選擇的重要因素。通過以上分析可知，工程中建議采用國內外應用廣泛、成熟可靠的雙電網(wǎng)傳感器監(jiān)測方式。

2 異物侵限監(jiān)測網(wǎng)安裝方式與優(yōu)化

2.1 異物侵限監(jiān)測網(wǎng)安裝方式

根據(jù)公跨鐵公路橋防撞墻設置情況，目前可供異物侵限監(jiān)測網(wǎng)選擇的安裝方式主要包括：水平安裝監(jiān)測網(wǎng)、與防拋網(wǎng)結合垂直安裝監(jiān)測網(wǎng)和L型安裝監(jiān)測網(wǎng)等。

2.1.1 水平安裝監(jiān)測網(wǎng)

目前，已開通運營的高速鐵路和客運專線鐵路防災異物侵限監(jiān)測網(wǎng)均采用水平安裝方式。異物侵限監(jiān)測網(wǎng)平行于橋面安裝于公路橋防撞墻上，每單元由水平部分和側翼部分組成。水平部分為1 000 mm×1 500 mm，側翼部分為1 000 mm×500 mm，水平部分與側翼部分夾角為135°。

采用水平安裝異物侵限監(jiān)測網(wǎng)主要問題是單元荷重比較大（需要考慮一定程度的冗余荷載，滿足對監(jiān)測網(wǎng)的安裝和維護。目前一般按滿足160 kg的荷載要求進行設計，其中100 kg荷載為維修人員的附加荷載）。此種方式對橋梁的剪切力矩較大，施工及維護存在一定的難度。

2.1.2 與防拋網(wǎng)結合垂直安裝監(jiān)測網(wǎng)

采用與橋梁防拋網(wǎng)相同的安裝方案。異物侵限監(jiān)測網(wǎng)與橋梁防拋網(wǎng)結合安裝，橋梁防拋網(wǎng)設置于內側（遠離鐵路側），異物侵限網(wǎng)設置于外側（靠近鐵路側）。異物侵限監(jiān)測網(wǎng)與橋梁防拋網(wǎng)為豎直平面結構。

本方案安裝方式簡單、維護方便，對橋梁結構基本無影響，但由于與公路橋面較近，必須考慮防破壞措施，以免影響防災異物侵限監(jiān)控系統(tǒng)正常使用及系統(tǒng)可靠性。另外，由于與橋梁防拋網(wǎng)結合安裝，橋梁防拋網(wǎng)與異物侵限監(jiān)測網(wǎng)產(chǎn)權不同，維護界面難以分清，會帶來工程實施難度大、日后使用及維護不便等一系列問題。

2.1.3 L型安裝監(jiān)測網(wǎng)

采用L型安裝監(jiān)測網(wǎng)，異物侵限監(jiān)測網(wǎng)和橋梁防拋網(wǎng)分別獨立安裝。異物侵限監(jiān)測網(wǎng)采用L形結構，與橋梁防拋網(wǎng)間距按600 mm安裝（主要考慮安裝與維護距離）。

本方案最大特點是采用安裝件與監(jiān)測網(wǎng)分離的組裝式結構。一是維修荷載不直接作用于監(jiān)測網(wǎng)上，監(jiān)測網(wǎng)單元荷載在保證一定強度下可以很輕；二是采用組裝式結構及很輕的監(jiān)測網(wǎng)會帶來安裝及維修上的便利；三是不與橋梁防拋網(wǎng)結合安裝（相距600 mm），與防拋網(wǎng)產(chǎn)權、維護界面清晰，防破壞性較好，安全可靠性較高。

2.2 監(jiān)測網(wǎng)安裝方式選擇

通過上述3種安裝方式詳細分析，建議后續(xù)工程項目選擇L型安裝異物侵限監(jiān)測網(wǎng)。

3 異物侵限監(jiān)測范圍分析與計算

異物侵限監(jiān)測網(wǎng)防護范圍是當前工程項目難以確定的問題，目前普遍采用了定性估算防護網(wǎng)設置長度，這樣做顯然是不科學的。下面通過詳細的理論分析與計算，給出監(jiān)測網(wǎng)防護長度，從而確定監(jiān)測網(wǎng)設置范圍。

3.1 侵限異物情況分析

公跨鐵防撞護欄在機動車不超速的情況下，防撞護欄可以完全吸收機動車的動能，可以避免機動車沖出防撞護欄。換句話說，規(guī)范設計的防撞護欄已具備了對碰撞能量的吸收能力。

依據(jù)《公路交通安全設施設計規(guī)范》（JTG D81-2006）等相關規(guī)范標準，防撞護欄的防護能力遠遠大于輕機動車的碰撞動能，輕機動車在按設計規(guī)范設計的橋梁上與防撞護欄發(fā)生碰撞，是不足以破環(huán)防撞護欄的。對于SB級指標，如果輕機動車達到280 kJ的法向碰撞能量，汽車需要具備203 km/h的速度，一般情況下不會出現(xiàn)這種狀況。

由此可見，需要分析和計算的是重機動車在超速狀態(tài)下發(fā)生碰撞，導致防撞護欄不足以對其進行防護，從而沖出護欄的情況。

3.2 沖出防撞護欄后剩余速度的計算

以重機動車超速10％時的剩余速度計算，SB級護欄的法向吸收能力為280 kJ，重機動車超速10％時，速度為88 km/h，機動車質量為10 t，碰撞角度為20°，則防護欄法向方向的速度為（見圖1）：

法向方向的動能為：

沖破防撞護欄過程中被吸收280 kJ，剩余法向能量為69 kJ，假設機動車沖出時的方向不變，對應的法向速度vvo為：

總速度vo為（與護欄走向成20°角）：

實際情況中，機動車碰撞過程不能完全按照質點運動進行理想化，更多的情況是發(fā)生翻滾和變形，而翻滾、多次碰撞及變形過程會吸收大量的動能，從推算橋方向防護范圍的目的看，以質點理想化機動車是最不利的情況。因此，重機動車超速10％時，角度保持20°，最嚴酷的情況是破壞護欄后剩余速度為10.9 m/s。

3.3 機動車沖出防撞護欄后墜落到地面的時間計算

超速重機動車沖出防撞護欄后拋物線墜落過程，垂直方向是初速度為零的自由落體運動，墜落到地面的時間只與橋高有關，這里以10 m和15 m兩種橋高計算。

解出：

t10=1.43（s）；

t15=1.75（s）

3.4 機動車沖出防撞護欄后水平墜落距離的計算

水平墜落距離D=vo×t，于是，

D10=vo×t10=10.9×1.43=15.6（m）

D15=vo×t15=10.9×1.75=19（m）

俯視時，墜落軌跡為一條直線，該直線與橋走向成20°角。

3.5 水平方向異物侵限監(jiān)測網(wǎng)的防護范圍建議

3.5.1 異物侵限監(jiān)測范圍的確定

當公跨鐵橋走向與鐵軌走向成90°角時，監(jiān)測范圍參見圖2。

考慮機動車沖出防撞護欄時，異物侵限監(jiān)測范圍為：

其中，機動車來車方向Dp為水平墜落距離D在橋方向上的投影，機動車去車方向仍按照既有規(guī)定外軌外側5 m，于是：

L=D×cos20°+13.1575

當軌道與橋走向垂直，10 m和15 m橋高時的監(jiān)測范圍為：

L10=27.82（m）

L15=31（m）

3.5.2 一般情況的監(jiān)測范圍的確定

軌道走向和橋走向有可能不是直角交叉，包括圖3所示的兩種情況。

對于圖3中（a）情況，顯然，與直角交叉相比，需要在機動車來車方向增加監(jiān)測距離。不難解出，在機動車來車方向側，監(jiān)測范圍向限界外延伸范圍為：

同理，對于圖3中（b）情況，可以在機動車來車方向減少監(jiān)測距離，限界外延監(jiān)測距離為：

如果均以來車方向與軌道走向的夾角來計算，則圖3中（b）情況為鈍角，可以把上述兩個公式合并為：

總的監(jiān)測范圍為：

3.5.3 結論

（1）橋高10 m時，不同角度下的監(jiān)測外延距離和總距離參見表1。

表1 橋高10 m時，不同角度下的監(jiān)測外延距離和總距離

（2）橋高15 m時，不同角度下的監(jiān)測外延距離和總距離參見表2。

表2 橋高15 m時，不同角度下的監(jiān)測外延距離和總距離

4 結束語

通過分析與論證不難得出,目前在我國客運專線、高速鐵路異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)中以監(jiān)控機動車為主要目標、輔助防護大件的散落物，采用雙電網(wǎng)傳感器監(jiān)測手段、L型安裝方式的建設方案是最優(yōu)的建設方案。

隨著我國客運專線、高速鐵路異物侵限監(jiān)測網(wǎng)的應用和發(fā)展,還應特別關注監(jiān)測雷達技術、光纖光柵探測技術等在相關領域應用與發(fā)展，只有不斷深化研究，并不斷地加以完善及運用，才能推動異物侵限監(jiān)測網(wǎng)在客運專線、高速鐵路上更好地應用和發(fā)展，使之更好地為鐵路運輸安全生產(chǎn)服務。

[1] TB10621-2009/J971-2009 高速鐵路設計規(guī)范（試行）[S].[2] JTG D81-2006 公路交通安全設施設計規(guī)范[S].

[3] TB10063-2007/J774-2008 鐵路工程設計防火規(guī)范[S].