哈大鐵路客運專線雪深監(jiān)測系統(tǒng)研究

王志斌

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300251)

1 國外高速鐵路雪深監(jiān)測系統(tǒng)概況

我國客運專線對于災(zāi)害防護研究的基礎(chǔ)資料較少，相比之下，日本和歐洲的高速鐵路技術(shù)相對成熟，日本高速鐵路的發(fā)展已經(jīng)有近50年的歷史，日本是一個災(zāi)害多發(fā)的國家，其北部緯度較高的地區(qū)，每年的雪害都比較嚴重，這些年來，對于災(zāi)害的研究也比較透徹;在北歐緯度較高的地區(qū)，比如瑞典、芬蘭，冬季雪災(zāi)也很嚴重，為了滿足鐵路安全運營的需要，也建立了一套較為完善的雪災(zāi)防護系統(tǒng)。

國外鐵路對于雪災(zāi)的應(yīng)對是全方位的，包括車輛耐寒、耐雪構(gòu)造的改進，站前建設(shè)防護，雪災(zāi)監(jiān)測設(shè)備，道岔融雪，雪崩預(yù)測，凍雨監(jiān)測設(shè)備，機械化除雪設(shè)備等，并制定了完善的雪災(zāi)運行管制辦法。

雪災(zāi)監(jiān)測設(shè)備包括:降雪計、積雪深度計、自動控制部分以及除雪(融雪)設(shè)備等。表1是東日本公司大雪時列車運行控制標準。

表1 積雪深度與列車運行速度

2 哈大鐵路客運專線雪深監(jiān)測系統(tǒng)需求分析

哈大鐵路客運專線沿線地處我國東北三省，屬于降雪多發(fā)地區(qū)，存著潛在的雪災(zāi)影響，有必要設(shè)置雪深監(jiān)測系統(tǒng)。

2.1 雪災(zāi)危險性分析

根據(jù)收集的氣象部門資料，哈大鐵路客運專線沿線1971年至2000年最大積雪雪深統(tǒng)計見表2。

各地降雪初終期從11月開始至次年5月，跨度時間較長，氣溫較低，容易造成積雪，形成危害。

表2 哈大鐵路客運專線沿線各地積雪深度 cm

2.2 雪災(zāi)分析

在冬季，下小雪對鐵路運輸并無大礙，但大雪或飛雪會嚴重影響運輸安全和運輸效率，而雪崩則可能造成鐵路安全事故。總結(jié)多年來國內(nèi)外鐵路受雪災(zāi)影響主要包括由于一般大雪、濕雪、大風(fēng)搬運造成的積雪堆積、黏附雪、雪崩、結(jié)凍、冰雪引起的線路空間障礙，大風(fēng)卷起的飛雪等對軌道正線、道岔、車廂車體、軌旁設(shè)備、牽引供電系統(tǒng)造成的危害。表3為雪災(zāi)危害分析。

表3 雪災(zāi)危害分析

2.3 雪深監(jiān)控功能定位

根據(jù)表3對雪災(zāi)危害的分析，雪深監(jiān)測子系統(tǒng)應(yīng)具有實時監(jiān)測積雪深度、降雪量、降雪強度等雪災(zāi)信息，并根據(jù)事先設(shè)置的預(yù)警門限，實時報警，提出行車管制預(yù)案，保證行車安全的功能。另外報警信息發(fā)送至工務(wù)維護部門，采取應(yīng)對預(yù)案，進行行車管制，并由相應(yīng)部門采取清除融化積雪等措施，保證客運專線高速、正點運行。

3 雪深監(jiān)測系統(tǒng)的總體功能

雪深監(jiān)測系統(tǒng)基本功能包括:信息采集、信息傳輸、數(shù)據(jù)處理、報警輸出、行車管制、設(shè)備維護及智能統(tǒng)計分析。

3.1 信息采集

主要采集監(jiān)測點的降雪量、積雪深度、積雪質(zhì)量、降雪強度、融雪水量(降雪后自然條件下的融雪水量)、氣溫、風(fēng)速風(fēng)向。

3.2 信息傳輸

通過現(xiàn)場設(shè)置的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備及設(shè)置在臨近接入點的設(shè)備，將監(jiān)測到的雪量等信息傳送至防災(zāi)數(shù)據(jù)處理中心。

3.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)基本的雪量、雪深和雪壓及其他氣象信息、線路信息和行車信息，對積雪進行綜合分析。

3.4 報警輸出、行車管制

根據(jù)采集及處理后的積雪信息，按照報警原則，以及根據(jù)雪災(zāi)的特點，合理進行報警輸出。按照事先制定的行車管制辦法，將雪災(zāi)對高速鐵路的影響降到最小。

(1)首列車的積雪深度報警門限及限速參考值如下:

9 cm≤軌面積雪深度＜17 cm時，限速245 km/h以下;

17 cm≤軌面積雪深度＜19 cm時，限速210 km/h以下;

19 cm≤軌面積雪深度＜22 cm時，限速160 km/h以下;

22 cm≤軌面積雪深度＜30 cm時，限速110 km/h以下;

軌面積雪深度≥30 cm時，停運。

(2)列車調(diào)度員利用CTC行調(diào)臺，以設(shè)置和取消臨時限速為手段，使列車自動限速運行;同時，也可以借助調(diào)度電話、CTC系統(tǒng)的調(diào)度命令無線傳輸功能，將強降雪臨時限速命令及時傳送至相應(yīng)列車。

3.5 設(shè)備維護

系統(tǒng)具備自檢功能，網(wǎng)管功能，能夠?qū)崟r監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的狀態(tài)、監(jiān)控單元的狀態(tài)，各傳感器的狀態(tài)。

3.6 智能統(tǒng)計分析

綜合考慮歷史數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合線路情況、地形等分析積雪可能產(chǎn)生的影響，同時智能統(tǒng)計分析還包括對線路上實測的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，為今后的雪災(zāi)監(jiān)測提供數(shù)據(jù)的積累。

4 雪深監(jiān)測點設(shè)置方案

根據(jù)哈大鐵路客運專線的線路平縱斷面資料，氣象要素等資料，結(jié)合以上通用布點原則，分析哈大鐵路客運專線雪災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)測點布點原則。

一般根據(jù)積雪歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合線路的特點和雪災(zāi)系統(tǒng)的實施特點，進行綜合考慮選點。

積雪的歷史數(shù)據(jù)包括3種:有無降雪、降雪量、積雪深度，而降雪量和積雪深度更能反映該地區(qū)雪害的嚴重性。

線路勘測的平面圖、縱斷面圖，以及基站、車站的布置圖，都可以作為選點的輸入。

下面針對哈大鐵路客運專線積雪監(jiān)測，對選點的各個環(huán)節(jié)進行詳細的闡述。

(1)收集歷史積雪深度數(shù)據(jù)

收集了哈大鐵路客運專線沿線大連、營口、海城、鞍山、沈陽、鐵嶺、四平、長春和哈爾濱等城市的自1951年以來的最大積雪深度，如表4所示。這些城市中，沈陽、四平、長春、哈爾濱的積雪超過10 cm和超過15 cm年份很多，鞍山和長春超過20 cm積雪的年份很多，因此建議在長春、鞍山、沈陽、四平、哈爾濱等地，特別是長春和鞍山一帶多布置積雪深度計。

表4 沿線最大積雪深度統(tǒng)計

(2)收集線路信息

除降雪歷史數(shù)據(jù)外，還需要收集線路信息，包括:平面圖、縱斷面圖、基站、車站、深路塹、彎道、特殊地段等信息。這些信息對于雪災(zāi)監(jiān)測的選點有重要的參考作用。

(3)選點分析過程

一般的，對于累年積雪深度都比較大的地區(qū)布點相對可以比較密集，一般選擇在供電和通信比較方便的監(jiān)控單元附近布置。而對于累年積雪相對較小的地區(qū)的布點需要仔細分析，以DK71+900點處的選點過程為例，該處軌面和路面的高差不大，

縱斷面圖如圖1所示。鐵路線路平面如圖2所示。結(jié)合實際線路現(xiàn)場三維地圖，HDKZ－30(DK71+900)處垂直于鐵路線方向的地形如圖3所示。平行于鐵路方向的地形如圖4所示。

圖1 設(shè)置點縱斷面

圖2 設(shè)置點平面

圖3 設(shè)置點地形圖一

圖4 設(shè)置點地形圖二

結(jié)合通信基站設(shè)置表，該點據(jù)基站較近。結(jié)合上述信息，分析如下。

該點處于鞍山至大石橋之間，盛行風(fēng)向為東北風(fēng)或北風(fēng)，前方有山坡為迎風(fēng)側(cè)，可能會形成風(fēng)吹雪堆積，該處距離基站較近，供電和通信比較方便，因此選定該點作為積雪監(jiān)測點。

(4)選點原則

結(jié)合以上選點過程，得出哈大鐵路客運專線雪災(zāi)監(jiān)測現(xiàn)場設(shè)備布點原則如下:歷史積雪深度小于最小積雪報警閾值的地區(qū)一般不需要監(jiān)測;歷史上經(jīng)常出現(xiàn)積雪深度20 cm以上的地區(qū)必須考慮積雪監(jiān)測;布點應(yīng)考慮鐵路沿線供電和通信;容易大風(fēng)搬運造成積雪的深路塹要重點布置;為方便與道岔融雪設(shè)備的聯(lián)動，可考慮設(shè)置在道岔區(qū)段附近;國家氣象部門在降雪量的觀測時是納入降水量觀測的，收集數(shù)據(jù)時需要注意降雪的季節(jié)性。

5 哈大鐵路客運專線雪深監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成方案

5.1 設(shè)備構(gòu)成方案

雪災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)由現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備、監(jiān)控單元設(shè)備、監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設(shè)備和監(jiān)控終端組成。

5.1.1 現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備

雪深現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備由激光雪深計、防雷模塊、信號隔離采集模塊、現(xiàn)場設(shè)備箱等組成。哈大鐵路客運專線沈大段共設(shè)置雪深計8處，沈哈段設(shè)置10處。

5.1.2 監(jiān)控單元

監(jiān)控單元主要由電源模塊、信號輸入模塊、信號傳輸模塊、防雷設(shè)備等組成，設(shè)置于通信GSM-R基站內(nèi)的600 cm×600 cm×2 200 cm標準機柜內(nèi)。

風(fēng)雨雪傳感器、雪深計、地震傳感器等傳感器采集風(fēng)、雨、雪、地震信息后傳輸給接口層，接口層將收到的信息傳輸給主機層中的主控計算機，主控機將信息處理加工后上傳至監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設(shè)備中的應(yīng)用服務(wù)器。應(yīng)用服務(wù)器根據(jù)規(guī)則處理報警、存儲和轉(zhuǎn)發(fā)信息。主控機可接受來自應(yīng)用服務(wù)器的命令，實現(xiàn)其他系統(tǒng)接口和控制條件輸出。機柜中的UPS為整個系統(tǒng)供電，可支持電源電量監(jiān)測和管理功能。UPS下方是隔離變壓器(主要用于防浪涌)、空開、防雷和配電端子，為整個系統(tǒng)的電源輸入、信號輸入、電源輸出提供結(jié)構(gòu)支持和防雷保護，系統(tǒng)電源輸入支持2路220VAC輸入，具有隔離變壓器保護。

同一監(jiān)控單元應(yīng)具備同時接入多個不同種類監(jiān)測設(shè)備的功能。故雪災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控單元可采取單獨設(shè)置或與其他監(jiān)測設(shè)備合用監(jiān)控單元的方式設(shè)置。

5.1.3 監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設(shè)備

雪深監(jiān)測系統(tǒng)是防災(zāi)系統(tǒng)的子系統(tǒng)，與其他監(jiān)測子系統(tǒng)共用中心系統(tǒng)，具備雪災(zāi)監(jiān)測的功能。哈大鐵路客運專線在沈陽、長春分別設(shè)置監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設(shè)備。監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設(shè)備由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、磁盤陣列、網(wǎng)絡(luò)交換機、網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備、維護終端、打印機、電源設(shè)備等組成，詳見圖5。

圖5 監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設(shè)備構(gòu)造

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器為雙機熱備方式，配1套磁盤陣列作為擴展存儲設(shè)備，內(nèi)設(shè)防災(zāi)安全監(jiān)控各功能子系統(tǒng)相關(guān)監(jiān)控數(shù)據(jù)表，存儲防災(zāi)安全監(jiān)控各種信息，如風(fēng)向風(fēng)速信息、雨量信息、落物監(jiān)測報警信息、雪深信息等歷史記錄，以備查詢。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器具備故障自動轉(zhuǎn)移功能，保證監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設(shè)備穩(wěn)定運行。

應(yīng)用服務(wù)器負責(zé)采集監(jiān)控單元主機傳入監(jiān)測點狀態(tài)信息及設(shè)備狀態(tài)信息，將防災(zāi)安全監(jiān)控各種數(shù)據(jù)、報警信息等歷史記錄存入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。應(yīng)用服務(wù)器為雙機熱備方式，任一臺發(fā)生故障、任意網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障不影響系統(tǒng)正常運行，提高了整個系統(tǒng)的安全性和可靠性。

5.2 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成方案

防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控單元(設(shè)置于沿線相關(guān)通信基站、車站、牽引變電所、AT所內(nèi))、網(wǎng)絡(luò)匯聚(車站通信機械室)、監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設(shè)備、調(diào)度所設(shè)備、工務(wù)終端設(shè)備等構(gòu)成防災(zāi)系統(tǒng)專用網(wǎng)絡(luò)，其間的聯(lián)網(wǎng)方式如下:

(1)防災(zāi)監(jiān)控單元至現(xiàn)場信息監(jiān)測設(shè)備之間敷設(shè)的信號數(shù)字內(nèi)屏蔽電纜傳輸現(xiàn)場監(jiān)測信息;

(2)監(jiān)控單元與臨近網(wǎng)絡(luò)匯聚點之間采用通信SDH MSTP傳輸系統(tǒng)提供的主備用1×10 M/100 Mbps標準以太網(wǎng)接口，主備用1×2 Mbps通道互聯(lián);

(3)網(wǎng)絡(luò)匯聚點功能由通信專業(yè)設(shè)備實現(xiàn)，匯聚臨近監(jiān)控單元通道;

(4)網(wǎng)絡(luò)匯聚點與防災(zāi)安全監(jiān)控中心之間采用通信SDH MSTP傳輸系統(tǒng)提供的主備用1×10 M/100 Mbps標準以太網(wǎng)接口，主備用1×2 Mbps通道互聯(lián);

(5)調(diào)度所設(shè)備、工務(wù)終端設(shè)備通過通信SDH MSTP傳輸系統(tǒng)提供的主備用1×10 M/100 Mbps標準以太網(wǎng)接口，主備用1×2 Mbps通道互聯(lián)。

6 結(jié)語

客運專線鐵路雪深監(jiān)測系統(tǒng)是防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)的重要子系統(tǒng)之一;為確保客運專線鐵路運行安全，有必要建設(shè)客運專線鐵路雪深監(jiān)測系統(tǒng)。哈大鐵路客運專線雪深監(jiān)測系統(tǒng)將是我國高速鐵路雪深監(jiān)控系統(tǒng)實施的首例工程，系統(tǒng)構(gòu)建及實施應(yīng)確保其高安全可靠性;應(yīng)根據(jù)哈大鐵路客運專線雪深監(jiān)測系統(tǒng)實施及數(shù)據(jù)積累情況，盡快確定雪深監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)標準及設(shè)計規(guī)范，為其他客運專線鐵路雪深監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)提供依據(jù)。

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