淺議高速鐵路防災系統(tǒng)的不足與優(yōu)化

劉金鵬

(上海鐵路局 調度所，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，高鐵線網遍布特大橋梁、長大隧道、公跨鐵。線路環(huán)境，天氣因素，地質災害與高鐵運行息息相關，任何一個環(huán)節(jié)發(fā)生問題，后果不堪設想。因此，防災安全監(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，信息的準確性、實時性較差，已經不適應高速鐵路日益發(fā)展的要求，很有必要對高速鐵路安全防災監(jiān)控系統(tǒng)深入剖析，優(yōu)化研究。

1 高鐵防災系統(tǒng)的結構功能與現(xiàn)狀

安全防災監(jiān)控系統(tǒng)是架構于通信傳輸系統(tǒng)之上的一套集災害信息采集、分析、處理和指導、輔助安全行車的平臺，主要是對危及高鐵安全的自然災害（強風、暴雨、大雪、地震）及突發(fā)性災害（坍方落石、異物侵入限界、列車事故及設備故障等）進行監(jiān)測，并提供經處理后的災害預警信息、限速信息或停運信息等，為調度指揮中心運行計劃調整、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。

安全防災監(jiān)控系統(tǒng)包含風監(jiān)測、雨監(jiān)測、異物監(jiān)測子系統(tǒng)。系統(tǒng)設備主要由室外風速風向計、雨量計、異物侵限等監(jiān)測設備，通信基站內的監(jiān)控單元，中心的監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設備，以及防災監(jiān)控終端、工務調度終端、維護終端等組成。以TFZh型防災系統(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度防災監(jiān)控終端為例來分析其主要功能。

圖1 TFZh型鐵路防災安全監(jiān)控系統(tǒng)組成圖

1.1 風監(jiān)測子系統(tǒng)主要功能

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

1.2 雨監(jiān)測子系統(tǒng)主要功能

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

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

2 高鐵防災系統(tǒng)的不足與優(yōu)化

2.1 風監(jiān)測子系統(tǒng)的不足與優(yōu)化

由于環(huán)境風速具有突變性和不確定性，并且風速儀設置有很大的局限性，因此大風對高鐵運行的影響最為常見。發(fā)生大風報警時，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)布調度命令，設置列控限速命令。調度員在短時間內完成一連串高強度工作，縱使有三頭六臂，也疲于應對。再加上風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，高鐵運營的風險大大增加。

因此，要減少高鐵列車運行的安全風險，就要求災害信息傳送具有實時性。風監(jiān)測子系統(tǒng)目前僅具備風速報警提示功能，有必要對其進一步優(yōu)化完善，風監(jiān)測子系統(tǒng)應該納入列車運行控制系統(tǒng)（圖2）。當發(fā)生大風超限報警時，風監(jiān)測子系統(tǒng)根據(jù)風速自動生成限速信息，并將限速值和限速范圍發(fā)送至調度集中系統(tǒng)（CTC）,CTC自動判斷限速范圍內的列車運行速度，待列車速度降至限速范圍以內時，自動擬定列控限速調度命令并傳輸至列控限速服務器（TSRS），TSRS負責校驗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，調度員根據(jù)報警信息及時調整列車運行，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)段軌道應裝設積水量探測系統(tǒng)，當某區(qū)段積水高于軌面時，立即反饋防災安全系統(tǒng)，并確認水面位置，當積水未超過軌面100mm時，ATP控制列車禁止通過積水地段；當積水超過軌面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，設備恢復正常使用前，ATP自動控速120km/h越過報警點閉塞分區(qū)，并自動設置列控限速調度命令。設備恢復使用后，列車調度員將自然災害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)中復原按鈕解鎖，使系統(tǒng)恢復到正常狀態(tài)，列控限速自動取消。

3 建議與對策

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

圖3 防災信息交互示意圖

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)和接觸網子系統(tǒng)構成。自然災害及異物侵限嚴重影響牽引變電設施的安全，危及高速鐵路的運行；風速變化對接觸網產生的影響直接關系到列車的安全運行，接觸網網壓的穩(wěn)定性也將影響列車的運行。因此，應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，應選擇在線路條件不利的地點（如路基、道床、曲線、坡度等）設立鋼軌溫度傳感器，在橋梁較多地段或曲線較多地段，可根據(jù)實際情況適當增設，同時設置氣象信息采集點，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。當傳感器受外界應力變化時（如線路沉降），將變化信號傳輸至調度所，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構設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置限界障礙檢測和橋墩防護工程。

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

3.4 設置地震監(jiān)測系統(tǒng)

充分利用國家地震網信息資源，在地震多發(fā)地區(qū)設置振動加速度傳感器和中心監(jiān)視設備，當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 建立車站防災系統(tǒng)

大型車站應設有自己的防災中心，建立旅客導向信息系統(tǒng)。一旦發(fā)生緊急狀況，比如火災，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，還必須有應急救援、事故處理、狀態(tài)恢復等設備和能力，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的一個重要課題。