高速磁浮交通環(huán)境與災害監(jiān)測預警系統(tǒng)方案研究

侯圣杰 劉先愷 湯凱誼 劉孜學 王富斌

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司， 山東 青島 266000；2.中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

在2019年由中共中央、國務院頒布的《交通強國建設(shè)綱要》中明確指出“到2035年基本建成交通強國，達到全國主要城市3小時覆蓋的目標”，并提出要強化前沿關(guān)鍵科技研發(fā)，其中，“時速600公里級高速磁懸浮交通系統(tǒng)的技術(shù)儲備研發(fā)”被列為了重點[1]。目前，輪軌鐵路最高速度在400 km/h左右[2]，已經(jīng)無法滿足“主要城市3小時覆蓋”的需求目標，需要速度更快的交通制式做支撐。另一方面，600 km/h高速磁浮填補了航空和輪軌高速鐵路之間的速度空白，可助力形成速度梯度層級完善、高效、靈活便捷的多維立體交通構(gòu)架，對于豐富我國交通運輸速度譜系具有重大的技術(shù)和經(jīng)濟意義。

國外開展高速磁浮的研究較早，自20世紀60年代起，德國、日本、英國、美國、加拿大、法國等國家相繼開始籌劃磁浮交通系統(tǒng)的研發(fā)[3]。其中，德國Transrapid(TR)高速磁浮系統(tǒng)于2003年在上海開通示范運營，最高試驗速度505 km/h、運營速度430 km/h[4-5]。我國在高速磁浮領(lǐng)域已經(jīng)經(jīng)歷了近20年的持續(xù)研究和技術(shù)積累，在2021年取得的重大創(chuàng)新突破。7月20日，由中國中車承擔研制、具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的我國600 km/h高速磁浮交通系統(tǒng)在青島成功下線，另外，針對工程產(chǎn)業(yè)化，中車四方股份公司在國家高速列車技術(shù)創(chuàng)新中心建成了專業(yè)的高速磁浮集成實驗中心和試制中心，聯(lián)合國內(nèi)協(xié)作單位，構(gòu)建了包含車輛、牽引供電、運控通信、線路軌道在內(nèi)全系統(tǒng)仿真、試驗平臺，搭建了從核心零部件、關(guān)鍵系統(tǒng)到系統(tǒng)集成的國產(chǎn)化產(chǎn)業(yè)鏈，這標志著我國已經(jīng)掌握了高速磁浮成套技術(shù)和工程化的能力。

隨著高速磁浮交通關(guān)鍵裝備的逐漸成型，意味著高速磁浮交通的研究不再僅僅是“紙上談兵”，國產(chǎn)化600 km/h級高速磁浮的工程應用即將成為現(xiàn)實。為保證高速磁浮交通的順利商業(yè)運營，配套的監(jiān)測和預警系統(tǒng)需要同步開展研究。一方面，強風、大霧、暴雨雪、地震等極端天氣及自然災害等對軌道交通的安全運行存在影響，一旦發(fā)生諸如軌道梁、車輛在強風等極端天氣下出現(xiàn)失穩(wěn)等狀況，將會危及乘客生命安全[6-7]。另一方面，在磁浮線路尤其是長大干線中，線路跨度范圍大，環(huán)境復雜多變，沿線若遇地質(zhì)災害，將對沿線橋梁、軌道等基礎(chǔ)設(shè)施健康狀態(tài)造成危害，并威脅運營安全[8]。相較于輪軌高速鐵路，600 km/h級高速磁浮交通列車運行速度更快，對運行環(huán)境與沿線災害更加敏感，因此，本文研究了一種適用于高速磁浮交通的運行環(huán)境與災害監(jiān)測預警系統(tǒng)。

1 監(jiān)測需求分析

高速磁浮運行速度快、自動化程度高，基于安全保障及系統(tǒng)完整性的考慮，有必要對高速磁浮系統(tǒng)需求及主要運用環(huán)境和系統(tǒng)參數(shù)進行綜合分析，結(jié)合高速磁浮的運營場景，建立高速磁浮交通系統(tǒng)應對災害與線路環(huán)境異常的監(jiān)測預警系統(tǒng)，提高高速磁浮交通系統(tǒng)自動運行及主動防護的智能化水平，保障列車安全運行，降低事故發(fā)生概率，提高應急救援效率。

本文以中國中車承擔研制的600 km/h級高速磁浮交通系統(tǒng)為研究對象，根據(jù)CJJ/T 310-2021《高速磁浮交通設(shè)計標準》[9]，高速磁浮車輛對其主要運用環(huán)境提出了下列監(jiān)測要求，如表1所示。

表1 高速磁浮車輛主要運用環(huán)境監(jiān)測要求表

綜合分析高速磁浮系統(tǒng)需求及主要運用環(huán)境和系統(tǒng)參數(shù)，高速磁浮交通環(huán)境與災害綜合監(jiān)測預警系統(tǒng)的監(jiān)測對象可分為兩大類：列車運行環(huán)境和基礎(chǔ)設(shè)施，如表2所示。

表2 監(jiān)測對象分類表

針對600 km/h高速磁浮的運用環(huán)境指標(環(huán)境溫度、相對濕度、最大風速、最大降雨、線上積雪、線路結(jié)冰、地震烈度、地理條件等)，結(jié)合列車高速行進中氣象、異物侵限及周界入侵、地質(zhì)災害等可能對行車安全構(gòu)成影響的因素，梳理列車運行環(huán)境監(jiān)測對象包括：氣象(風、降雨、氣溫)、降雪及軌面結(jié)冰、地質(zhì)災害(滑坡及泥石流、危巖落石)、地震、異物侵限、周界入侵等。以上監(jiān)測對象對列車高速行駛有直接影響，在監(jiān)測過程中應做到實時監(jiān)測，在技術(shù)條件成熟情況下可超前預報及提前預警，從而確保列車行車安全。

高速磁浮基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測內(nèi)容主要包括：基礎(chǔ)設(shè)施沉降監(jiān)測、道岔及軌道梁監(jiān)測(檢測)。以上監(jiān)測屬于長期監(jiān)測，并定期對監(jiān)測內(nèi)容進行分析，從而對基礎(chǔ)設(shè)施健康程度進行評估，保證高速磁浮長期運營安全。

2 技術(shù)方案

2.1 監(jiān)測預警技術(shù)的可行性

針對前文提出的各項監(jiān)測對象，結(jié)合當前技術(shù)發(fā)展趨勢及高速鐵路應用情況，分別對各項監(jiān)測對象進行技術(shù)可行性分析。

(1)氣象(風、降雨、氣溫)

高速鐵路中采用超聲波多合一氣象傳感器對風速、風向、降雨、大氣溫度進行實時監(jiān)測、實時報警。在鐵路及氣象科研方面，當前可采用加密布設(shè)風速、風向傳感器并通過長期觀測數(shù)據(jù)積累開展預測算法研究，已取得的成果顯示，可對區(qū)域風速、風向?qū)崿F(xiàn)超前預報。

(2)強降雪及結(jié)冰

采用激光及多光譜測量技術(shù)可對設(shè)定區(qū)域的積雪及結(jié)冰厚度，進行實時檢測及報警，其中雪深監(jiān)測在高速鐵路中已成熟應用，路面結(jié)冰監(jiān)測在航空、公路交通中也有應用。

(3)地質(zhì)災害(滑坡、泥石流、危巖落石)

地質(zhì)災害發(fā)生后的實時報警，預警存在誤報的可能。國土部門地災監(jiān)測技術(shù)應用成熟，高速及普速鐵路部分線路及工點均有試點應用。

(4)地震

采用P波超前預報，可實現(xiàn)實時監(jiān)測預警，已列入高速鐵路設(shè)計規(guī)范，高速鐵路地震監(jiān)測預警系統(tǒng)與牽引變電、信號系統(tǒng)實現(xiàn)預警報警聯(lián)動。

(5)異物侵限

高速鐵路系統(tǒng)采用雙電網(wǎng)觸發(fā)報警方式監(jiān)測上跨鐵路的道路橋梁異物侵限。

當前人工智能技術(shù)不斷發(fā)展，已有應用實驗表明，可在線路周邊布設(shè)高清攝像機，通過視頻圖像智能分析技術(shù)，完成對線路限界特定內(nèi)障礙物的實時檢測分析、報警，但當前技術(shù)存在一定誤報。

(6)周界入侵

當前可行的技術(shù)手段包括：紅外、激光對射；電子圍欄、振動光纖、AI視頻分析, 但單一化的安全防護手段在實際運用中漏報率和誤報率較高。

(7)沉降監(jiān)測

高速鐵路系統(tǒng)可采用靜力水準儀對基礎(chǔ)設(shè)施(路基、橋梁、隧道)沉降變形進行監(jiān)測，實現(xiàn)毫米級變形自動測量，通過后臺可及時發(fā)布預警和報警信息。

(8)道岔及軌道梁檢測

采用振動、位移、加速度等傳感器可對道岔及軌道梁變形、振動等進行長期觀測，但針對高速磁浮缺少實際應用測試。

綜上，現(xiàn)有監(jiān)測技術(shù)及已應用的技術(shù)方案可部分適用于高速磁浮交通系統(tǒng)。其中，軌面結(jié)冰、異物侵限與高速磁浮車輛懸浮間隙(一般為8～12 mm)直接相關(guān)，不能照搬高速鐵路相關(guān)技術(shù)方案，需對現(xiàn)有技術(shù)進行集成創(chuàng)新。

2.2 系統(tǒng)方案及構(gòu)成

根據(jù)我國高速磁浮交通系統(tǒng)的研發(fā)進程，當前我國600 km/h高速磁浮交通系統(tǒng)還處于線路試驗階段，尚無工程化應用示范線路，故本文以青島高速磁浮集成實驗中心試驗線為研究對象，并開展本系統(tǒng)方案研究與設(shè)計。

高速磁浮交通環(huán)境與災害監(jiān)測預警系統(tǒng)由中心平臺、現(xiàn)場監(jiān)測子系統(tǒng)和傳輸網(wǎng)絡組成，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

(1)中心平臺

中心系統(tǒng)主要包括硬件設(shè)備(應用服務器、數(shù)據(jù)庫服務器、AI工作站、核心交換機、網(wǎng)絡通信設(shè)備、監(jiān)測終端、顯示大屏等)與軟件系統(tǒng)(操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、業(yè)務應用軟件等)。

中心平臺設(shè)置于運控中心，服務器及網(wǎng)絡設(shè)備設(shè)置于運控機房。

(2)監(jiān)測子系統(tǒng)

本項目考慮試驗線的實際建設(shè)情況，結(jié)合功能展示需求及效果，將監(jiān)測子系統(tǒng)分為：室外監(jiān)測、室外試驗和室內(nèi)試驗3種類別，如表3所示。

表3 監(jiān)測子系統(tǒng)分類表

室外監(jiān)測類子系統(tǒng)將監(jiān)測設(shè)備(傳感器)置于實驗線的室外線路旁(包括庫內(nèi)線路)及線路上，通過監(jiān)測設(shè)備在線監(jiān)測。

室外試驗類子系統(tǒng)將監(jiān)測設(shè)備(傳感器)置于實驗線的室外線路旁，通過現(xiàn)場試驗實現(xiàn)對監(jiān)測功能的演示及實時展示。

室內(nèi)試驗類子系統(tǒng)將監(jiān)測設(shè)備(傳感器)置于室內(nèi)，通過室內(nèi)擬等方式進行監(jiān)測功能的演示。

(3)傳輸網(wǎng)絡

傳輸網(wǎng)絡主要包括骨干通信網(wǎng)絡和現(xiàn)場數(shù)據(jù)接入網(wǎng)絡。

① 骨干通信網(wǎng)絡

骨干通信網(wǎng)絡實現(xiàn)現(xiàn)場采集匯聚的數(shù)據(jù)傳輸至運控中心，由匯聚核心交換機和光纜組成，組網(wǎng)采用星型組網(wǎng)方式。

② 現(xiàn)場數(shù)據(jù)接入網(wǎng)絡

現(xiàn)場數(shù)據(jù)接入網(wǎng)絡包括有線接入和無線接入兩種。

其中，現(xiàn)場氣象(風、降雨、氣溫、降雪及冰)監(jiān)測、道岔監(jiān)測、異物侵限監(jiān)測等傳感器數(shù)據(jù)通過RS-485協(xié)議匯聚于現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器，并通過接入層交換機接入骨干傳輸網(wǎng)絡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)回傳。周界入侵監(jiān)測系統(tǒng)中的傳感光纜直接在骨干光纜分歧處熔接，接入骨干傳輸網(wǎng)絡。位于機房內(nèi)的地震監(jiān)測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)線接入核心交換機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸

模擬地災監(jiān)測、沉降監(jiān)測現(xiàn)場傳感網(wǎng)組網(wǎng)，設(shè)置無線自組網(wǎng)，通過無線主站接入骨干傳輸網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)回傳。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新

(1)中心軟件平臺

該軟件平臺實現(xiàn)高速磁浮道岔及軌道梁監(jiān)測、周界報警、地質(zhì)災害、橋梁沉降、氣象監(jiān)測等多專業(yè)的監(jiān)測數(shù)據(jù)匯聚，并支持利用智能分析、大數(shù)據(jù)處理等手段對信息進行深度融合，采用直方圖、曲線、2.5D立體圖像、實時視頻等可視化方式對信息進行多元展示。

(2)軌面積雪結(jié)冰監(jiān)測

本系統(tǒng)采用遙感式的監(jiān)測方式，針對高速磁浮運行環(huán)境對軌面結(jié)冰和積雪的指標要求，通過對當前可行技術(shù)手段進行分析。由于受限于遙感式軌面?zhèn)鞲衅鳒y量量程，提出以遙感式冰雪厚度傳感器與激光雪深計進行組合，根據(jù)水的多相態(tài)對不同波長光的吸收也不同，導致其光譜屬性發(fā)生改變的光學原理，實現(xiàn)軌面的冰和雪狀況檢測與區(qū)分，然后采用光電子/激光測距技術(shù)，并研究設(shè)計融合分析算法，實現(xiàn)各種天氣狀況下遠距離、毫米級精度的冰雪深度測量。

(3)異物侵限監(jiān)測報警

在各種天氣和氣候條件下，針對在路基地段可能威脅到列車正常行駛的落石、闖入人員等各類異物，采用激光雷達掃描、智能視頻識別、系統(tǒng)聯(lián)動控制等多傳感融合技術(shù)實現(xiàn)異物入侵自動監(jiān)測，利用前端設(shè)備內(nèi)置的算法實現(xiàn)對侵限異物的快速、準確識別，同時對告警目標進行定位、跟蹤、放大，并快速傳遞告警信息。

(4)道岔及軌道梁檢測

系統(tǒng)包括軌道梁及道岔多斷面位移、加速度動態(tài)響應監(jiān)測，基于時頻分析技術(shù)和歷程數(shù)據(jù)統(tǒng)計，可實現(xiàn)軌道梁及道岔工作狀態(tài)、統(tǒng)計指標的的精確監(jiān)控及異常振動預警。通過后臺分析軟件可實現(xiàn)軌道及道岔梁的受力狀態(tài)，結(jié)構(gòu)應力分析。結(jié)合車輛運行數(shù)據(jù)可實現(xiàn)車軌相互作用、懸浮狀態(tài)及耦合作用分析，為車輛系統(tǒng)、懸浮導向系統(tǒng)及軌道系統(tǒng)試驗、設(shè)計及改進提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 實施與部署

3.1 高速磁浮試驗線

本文研究的高速磁浮交通環(huán)境與災害綜合監(jiān)測預警系統(tǒng)擬在高速磁浮集成實驗中心開展試驗研究，在實驗中心已建成高速磁浮試驗線，試驗線全長664.608 m，其中室外軌道長406.45 m，如圖2所示。

圖2 高速磁浮集成實驗中心試驗線圖

該試驗線定位為高速磁浮線路試驗平臺，可進行高速磁浮各子系統(tǒng)在不同工況下的綜合測試及驗證，為方便試驗工作的開展，試驗線與高速磁懸浮制造及檢修維護基地有機銜接。

3.2 總體平面布置

本文結(jié)合高速磁浮集成實驗中心的現(xiàn)場條件、考慮各項監(jiān)測預警功能的實現(xiàn)等因素，研制并部署建立了高速磁浮交通環(huán)境與災害綜合監(jiān)控預警樣機系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測報警、災害或事件預警、數(shù)據(jù)存儲及圖形化展示等功能。

經(jīng)過現(xiàn)場踏勘調(diào)研，本項目中各子系統(tǒng)的總體平面布置如圖3所示。

圖3 總體平面布置示意圖

(1)氣象監(jiān)測系統(tǒng)

風、雨、溫度監(jiān)測設(shè)備設(shè)置在線路末端電力箱變房屋附近，降雪、結(jié)冰監(jiān)測設(shè)備設(shè)置在軌旁變電站附近，均采用立桿方式安裝。

(2)周界入侵監(jiān)測系統(tǒng)

熱成像攝像頭采用立桿方式安裝設(shè)置在軌旁變電站附近；光纖沿線路兩側(cè)軌旁柵欄敷設(shè)。

(3)異物入侵監(jiān)測系統(tǒng)

異物入侵監(jiān)測設(shè)備設(shè)置在線路末端防撞墻上，通過支架固定。

(4)軌道梁及道岔監(jiān)測系統(tǒng)

軌道梁及道岔監(jiān)測設(shè)備分別設(shè)置在道岔梁、道岔梁前后各1孔混凝土梁，共3孔梁作為監(jiān)測點。

(5)地質(zhì)災害監(jiān)測系統(tǒng)、沉降監(jiān)測系統(tǒng)、地震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備均設(shè)置在運控中心機房內(nèi)。

4 結(jié)束語

本文首先根據(jù)600 km/h級高速磁浮車輛對其主要運用環(huán)境提出的要求，對系統(tǒng)監(jiān)測需求進行了分析，梳理出了高速磁浮列車運行環(huán)境監(jiān)測對象以及基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測對象。進一步根據(jù)監(jiān)測需求，制定了1套由中心平臺、監(jiān)測子系統(tǒng)和傳輸網(wǎng)絡3部分構(gòu)成的系統(tǒng)架構(gòu)，提出了中心平臺的詳細設(shè)備構(gòu)成以及骨干通信網(wǎng)絡的組網(wǎng)方式和無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡接入方式，并對系統(tǒng)中涉及的關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新進行了闡述。針對高速磁浮集成實驗中心的現(xiàn)場條件提出了現(xiàn)場實施方案。根據(jù)該方案，可以有效將本文提出的監(jiān)測和預警系統(tǒng)在實驗中心進行部署，為系統(tǒng)功能驗證和高速磁浮列車運行的聯(lián)調(diào)聯(lián)試提供有效支撐。