客運(yùn)專線、高速鐵路異物侵限監(jiān)測(cè)方案優(yōu)化

趙樹學(xué)

（鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251）

目前，我國(guó)客運(yùn)專線、高速鐵路異物侵限監(jiān)測(cè)技術(shù)正處于起步、發(fā)展的關(guān)鍵階段。因此，構(gòu)建一個(gè)安全、可靠、完善的異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)尤為重要。下面結(jié)合國(guó)內(nèi)已開通異物侵限監(jiān)測(cè)建設(shè)方案的案例，對(duì)如何優(yōu)化客運(yùn)專線、高速鐵路異物侵限監(jiān)測(cè)建設(shè)方案談一點(diǎn)自己的看法，供讀者參考。

1 異物侵限監(jiān)測(cè)手段分析與選擇

1.1 異物侵限監(jiān)測(cè)手段

目前可供客運(yùn)專線、高速鐵路異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選擇的監(jiān)測(cè)手段主要包括雙電網(wǎng)、傾角傳感、紅外對(duì)射、視頻內(nèi)容分析、光柵放射譜和監(jiān)測(cè)雷達(dá)技術(shù)等方法。

1.1.1 雙電網(wǎng)監(jiān)控方式

該方式為采用電纜實(shí)回線的通斷來(lái)監(jiān)測(cè)有無(wú)異物侵限的監(jiān)控方式，在國(guó)內(nèi)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(diǎn)是監(jiān)測(cè)可靠，誤報(bào)少。該技術(shù)在法國(guó)、日本和西班牙都有應(yīng)用。

1.1.2 傾角傳感技術(shù)

傾角傳感技術(shù)是比較新型的技術(shù)。當(dāng)傳感器受到異物沖撞導(dǎo)致傾角傳感器（或其所依附的結(jié)構(gòu)）發(fā)生角度改變，直接控制電平信號(hào)的通斷（或輸出角度變化值供軟件判斷），來(lái)實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。此方案的優(yōu)點(diǎn)是監(jiān)測(cè)可靠，誤報(bào)少。但為了達(dá)到防護(hù)范圍的要求，存在安裝傳感器數(shù)量較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)。

1.1.3 紅外對(duì)射技術(shù)

紅外對(duì)射方式為非接觸式。具有安裝方便、易于維護(hù)、成本適中的特點(diǎn)。但易受外界干擾影響，誤報(bào)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(nèi)容分析技術(shù)

視頻內(nèi)容分析技術(shù)通常是在劃定區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)異物，如果有異物則產(chǎn)生報(bào)警。但由于對(duì)視頻內(nèi)容分析的背景參照物要求較高，且對(duì)外界條件變化敏感，所以實(shí)施難度較大，誤報(bào)較高，各路局工務(wù)部門在山體滑坡監(jiān)測(cè)中有應(yīng)用案例。

1.1.5 光纖光柵探測(cè)技術(shù)

光纖光柵是利用紫外暴光技術(shù)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(jié)構(gòu)，導(dǎo)致某一特定波長(zhǎng)光的反射，從而形成光纖光柵的反射譜。反射光的波長(zhǎng)對(duì)溫度、應(yīng)力和應(yīng)變敏感，當(dāng)環(huán)境溫度、應(yīng)力或應(yīng)變發(fā)生變化時(shí)，光纖光柵反射光的峰值波長(zhǎng)漂移，通過(guò)對(duì)波長(zhǎng)漂移量的度量可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、應(yīng)力和應(yīng)變的感測(cè)。目前主要用于重要橋梁基礎(chǔ)位移，但在現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外高鐵異物監(jiān)控少有應(yīng)用案例。

1.1.6 監(jiān)測(cè)雷達(dá)技術(shù)

監(jiān)測(cè)雷達(dá)方式屬于非接觸式，是利用監(jiān)測(cè)雷達(dá)實(shí)時(shí)探測(cè)落物的距離和速度，通過(guò)數(shù)據(jù)處理計(jì)算出落物落點(diǎn)的大概位置，為判斷落物是否侵限提供準(zhǔn)確的信息。落物侵限監(jiān)測(cè)雷達(dá)具有監(jiān)測(cè)范圍廣（＞100 m），安裝及維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。

1.2 異物侵限監(jiān)測(cè)手段的選擇

綜上所述，實(shí)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(duì)射、視頻內(nèi)容分析、光纖光柵探測(cè)技術(shù)和監(jiān)測(cè)雷達(dá)技術(shù)。

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

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(jiǎn)單、最成熟、最可靠。該方法在國(guó)內(nèi)外已有大量應(yīng)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(cè)作為行車安全設(shè)備，監(jiān)測(cè)手段的可靠性、無(wú)誤報(bào)漏報(bào)是實(shí)際工程中選擇的重要因素。通過(guò)以上分析可知，工程中建議采用國(guó)內(nèi)外應(yīng)用廣泛、成熟可靠的雙電網(wǎng)傳感器監(jiān)測(cè)方式。

2 異物侵限監(jiān)測(cè)網(wǎng)安裝方式與優(yōu)化

2.1 異物侵限監(jiān)測(cè)網(wǎng)安裝方式

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

2.1.1 水平安裝監(jiān)測(cè)網(wǎng)

目前，已開通運(yùn)營(yíng)的高速鐵路和客運(yùn)專線鐵路防災(zāi)異物侵限監(jiān)測(cè)網(wǎng)均采用水平安裝方式。異物侵限監(jiān)測(cè)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(cè)翼部分組成。水平部分為1 000 mm×1 500 mm，側(cè)翼部分為1 000 mm×500 mm，水平部分與側(cè)翼部分夾角為135°。

采用水平安裝異物侵限監(jiān)測(cè)網(wǎng)主要問(wèn)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(duì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)的安裝和維護(hù)。目前一般按滿足160 kg的荷載要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中100 kg荷載為維修人員的附加荷載）。此種方式對(duì)橋梁的剪切力矩較大，施工及維護(hù)存在一定的難度。

2.1.2 與防拋網(wǎng)結(jié)合垂直安裝監(jiān)測(cè)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(cè)網(wǎng)與橋梁防拋網(wǎng)結(jié)合安裝，橋梁防拋網(wǎng)設(shè)置于內(nèi)側(cè)（遠(yuǎn)離鐵路側(cè)），異物侵限網(wǎng)設(shè)置于外側(cè)（靠近鐵路側(cè)）。異物侵限監(jiān)測(cè)網(wǎng)與橋梁防拋網(wǎng)為豎直平面結(jié)構(gòu)。

本方案安裝方式簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)基本無(wú)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(zāi)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(jié)合安裝，橋梁防拋網(wǎng)與異物侵限監(jiān)測(cè)網(wǎng)產(chǎn)權(quán)不同，維護(hù)界面難以分清，會(huì)帶來(lái)工程實(shí)施難度大、日后使用及維護(hù)不便等一系列問(wèn)題。

2.1.3 L型安裝監(jiān)測(cè)網(wǎng)

采用L型安裝監(jiān)測(cè)網(wǎng)，異物侵限監(jiān)測(cè)網(wǎng)和橋梁防拋網(wǎng)分別獨(dú)立安裝。異物侵限監(jiān)測(cè)網(wǎng)采用L形結(jié)構(gòu)，與橋梁防拋網(wǎng)間距按600 mm安裝（主要考慮安裝與維護(hù)距離）。

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

2.2 監(jiān)測(cè)網(wǎng)安裝方式選擇

通過(guò)上述3種安裝方式詳細(xì)分析，建議后續(xù)工程項(xiàng)目選擇L型安裝異物侵限監(jiān)測(cè)網(wǎng)。

3 異物侵限監(jiān)測(cè)范圍分析與計(jì)算

異物侵限監(jiān)測(cè)網(wǎng)防護(hù)范圍是當(dāng)前工程項(xiàng)目難以確定的問(wèn)題，目前普遍采用了定性估算防護(hù)網(wǎng)設(shè)置長(zhǎng)度，這樣做顯然是不科學(xué)的。下面通過(guò)詳細(xì)的理論分析與計(jì)算，給出監(jiān)測(cè)網(wǎng)防護(hù)長(zhǎng)度，從而確定監(jiān)測(cè)網(wǎng)設(shè)置范圍。

3.1 侵限異物情況分析

公跨鐵防撞護(hù)欄在機(jī)動(dòng)車不超速的情況下，防撞護(hù)欄可以完全吸收機(jī)動(dòng)車的動(dòng)能，可以避免機(jī)動(dòng)車沖出防撞護(hù)欄。換句話說(shuō)，規(guī)范設(shè)計(jì)的防撞護(hù)欄已具備了對(duì)碰撞能量的吸收能力。

依據(jù)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D81-2006）等相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，防撞護(hù)欄的防護(hù)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輕機(jī)動(dòng)車的碰撞動(dòng)能，輕機(jī)動(dòng)車在按設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)的橋梁上與防撞護(hù)欄發(fā)生碰撞，是不足以破環(huán)防撞護(hù)欄的。對(duì)于SB級(jí)指標(biāo)，如果輕機(jī)動(dòng)車達(dá)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(huì)出現(xiàn)這種狀況。

由此可見(jiàn)，需要分析和計(jì)算的是重機(jī)動(dòng)車在超速狀態(tài)下發(fā)生碰撞，導(dǎo)致防撞護(hù)欄不足以對(duì)其進(jìn)行防護(hù)，從而沖出護(hù)欄的情況。

3.2 沖出防撞護(hù)欄后剩余速度的計(jì)算

以重機(jī)動(dòng)車超速10％時(shí)的剩余速度計(jì)算，SB級(jí)護(hù)欄的法向吸收能力為280 kJ，重機(jī)動(dòng)車超速10％時(shí)，速度為88 km/h，機(jī)動(dòng)車質(zhì)量為10 t，碰撞角度為20°，則防護(hù)欄法向方向的速度為（見(jiàn)圖1）：

法向方向的動(dòng)能為：

沖破防撞護(hù)欄過(guò)程中被吸收280 kJ，剩余法向能量為69 kJ，假設(shè)機(jī)動(dòng)車沖出時(shí)的方向不變，對(duì)應(yīng)的法向速度vvo為：

總速度vo為（與護(hù)欄走向成20°角）：

實(shí)際情況中，機(jī)動(dòng)車碰撞過(guò)程不能完全按照質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)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(guò)程會(huì)吸收大量的動(dòng)能，從推算橋方向防護(hù)范圍的目的看，以質(zhì)點(diǎn)理想化機(jī)動(dòng)車是最不利的情況。因此，重機(jī)動(dòng)車超速10％時(shí)，角度保持20°，最嚴(yán)酷的情況是破壞護(hù)欄后剩余速度為10.9 m/s。

3.3 機(jī)動(dòng)車沖出防撞護(hù)欄后墜落到地面的時(shí)間計(jì)算

超速重機(jī)動(dòng)車沖出防撞護(hù)欄后拋物線墜落過(guò)程，垂直方向是初速度為零的自由落體運(yùn)動(dòng)，墜落到地面的時(shí)間只與橋高有關(guān)，這里以10 m和15 m兩種橋高計(jì)算。

解出：

t10=1.43（s）；

t15=1.75（s）

3.4 機(jī)動(dòng)車沖出防撞護(hù)欄后水平墜落距離的計(jì)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(shí)，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(cè)網(wǎng)的防護(hù)范圍建議

3.5.1 異物侵限監(jiān)測(cè)范圍的確定

當(dāng)公跨鐵橋走向與鐵軌走向成90°角時(shí)，監(jiān)測(cè)范圍參見(jiàn)圖2。

考慮機(jī)動(dòng)車沖出防撞護(hù)欄時(shí)，異物侵限監(jiān)測(cè)范圍為：

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

L=D×cos20°+13.1575

當(dāng)軌道與橋走向垂直，10 m和15 m橋高時(shí)的監(jiān)測(cè)范圍為：

L10=27.82（m）

L15=31（m）

3.5.2 一般情況的監(jiān)測(cè)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(duì)于圖3中（a）情況，顯然，與直角交叉相比，需要在機(jī)動(dòng)車來(lái)車方向增加監(jiān)測(cè)距離。不難解出，在機(jī)動(dòng)車來(lái)車方向側(cè)，監(jiān)測(cè)范圍向限界外延伸范圍為：

同理，對(duì)于圖3中（b）情況，可以在機(jī)動(dòng)車來(lái)車方向減少監(jiān)測(cè)距離，限界外延監(jiān)測(cè)距離為：

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

總的監(jiān)測(cè)范圍為：

3.5.3 結(jié)論

（1）橋高10 m時(shí)，不同角度下的監(jiān)測(cè)外延距離和總距離參見(jiàn)表1。

表1 橋高10 m時(shí)，不同角度下的監(jiān)測(cè)外延距離和總距離

（2）橋高15 m時(shí)，不同角度下的監(jiān)測(cè)外延距離和總距離參見(jiàn)表2。

表2 橋高15 m時(shí)，不同角度下的監(jiān)測(cè)外延距離和總距離

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析與論證不難得出,目前在我國(guó)客運(yùn)專線、高速鐵路異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中以監(jiān)控機(jī)動(dòng)車為主要目標(biāo)、輔助防護(hù)大件的散落物，采用雙電網(wǎng)傳感器監(jiān)測(cè)手段、L型安裝方式的建設(shè)方案是最優(yōu)的建設(shè)方案。

隨著我國(guó)客運(yùn)專線、高速鐵路異物侵限監(jiān)測(cè)網(wǎng)的應(yīng)用和發(fā)展,還應(yīng)特別關(guān)注監(jiān)測(cè)雷達(dá)技術(shù)、光纖光柵探測(cè)技術(shù)等在相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用與發(fā)展，只有不斷深化研究，并不斷地加以完善及運(yùn)用，才能推動(dòng)異物侵限監(jiān)測(cè)網(wǎng)在客運(yùn)專線、高速鐵路上更好地應(yīng)用和發(fā)展，使之更好地為鐵路運(yùn)輸安全生產(chǎn)服務(wù)。

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

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