淺議高速鐵路防災(zāi)系統(tǒng)的不足與優(yōu)化

劉金鵬

(上海鐵路局 調(diào)度所，中國(guó) 上海200000)

0 研究背景

中國(guó)高速鐵路快速發(fā)展，高鐵運(yùn)營(yíng)里程已突破1萬(wàn)公里，我國(guó)高鐵點(diǎn)多、線長(zhǎng)、跨度大，高鐵線網(wǎng)遍布特大橋梁、長(zhǎng)大隧道、公跨鐵。線路環(huán)境，天氣因素，地質(zhì)災(zāi)害與高鐵運(yùn)行息息相關(guān)，任何一個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生問(wèn)題，后果不堪設(shè)想。因此，防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)成為列車安全運(yùn)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(cè)體系大多采用人工、間歇收集信息的方式，信息的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性較差，已經(jīng)不適應(yīng)高速鐵路日益發(fā)展的要求，很有必要對(duì)高速鐵路安全防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)深入剖析，優(yōu)化研究。

1 高鐵防災(zāi)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能與現(xiàn)狀

安全防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)是架構(gòu)于通信傳輸系統(tǒng)之上的一套集災(zāi)害信息采集、分析、處理和指導(dǎo)、輔助安全行車的平臺(tái)，主要是對(duì)危及高鐵安全的自然災(zāi)害（強(qiáng)風(fēng)、暴雨、大雪、地震）及突發(fā)性災(zāi)害（坍方落石、異物侵入限界、列車事故及設(shè)備故障等）進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并提供經(jīng)處理后的災(zāi)害預(yù)警信息、限速信息或停運(yùn)信息等，為調(diào)度指揮中心運(yùn)行計(jì)劃調(diào)整、下達(dá)行車管制、搶險(xiǎn)救援、維修提供依據(jù)，保證高鐵列車運(yùn)行安全。

安全防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)包含風(fēng)監(jiān)測(cè)、雨監(jiān)測(cè)、異物監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)備主要由室外風(fēng)速風(fēng)向計(jì)、雨量計(jì)、異物侵限等監(jiān)測(cè)設(shè)備，通信基站內(nèi)的監(jiān)控單元，中心的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理設(shè)備，以及防災(zāi)監(jiān)控終端、工務(wù)調(diào)度終端、維護(hù)終端等組成。以TFZh型防災(zāi)系統(tǒng)為例，其系統(tǒng)組成圖可由圖1說(shuō)明。下面以滬杭高鐵線調(diào)度防災(zāi)監(jiān)控終端為例來(lái)分析其主要功能。

圖1 TFZh型鐵路防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)組成圖

1.1 風(fēng)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)主要功能

發(fā)生大風(fēng)超限報(bào)警后，風(fēng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)顯示大風(fēng)報(bào)警狀態(tài)和實(shí)時(shí)風(fēng)速值，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的顏色變?yōu)榇箫L(fēng)報(bào)警等級(jí)對(duì)應(yīng)指示顏色，監(jiān)測(cè)點(diǎn)彈出報(bào)警框并顯示限速區(qū)域和限速值，調(diào)度員依據(jù)其發(fā)布調(diào)度命令控制列車運(yùn)行。當(dāng)瞬時(shí)風(fēng)速值連續(xù)10s均超過(guò)某一報(bào)警門限值時(shí)，報(bào)警升級(jí)；當(dāng)瞬時(shí)風(fēng)速值連續(xù)10min均低于當(dāng)前報(bào)警門限值時(shí)，報(bào)警降級(jí)或解除。

1.2 雨監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)主要功能

當(dāng)雨量超過(guò)設(shè)定值時(shí)，發(fā)生雨量報(bào)警，工務(wù)和調(diào)度終端彈出雨量報(bào)警界面，顯示限速區(qū)段和限速建議值，調(diào)度員需根據(jù)限速建議對(duì)動(dòng)車組進(jìn)行限速。根據(jù)防災(zāi)系統(tǒng)管理辦法，在符合報(bào)警解除條件時(shí)，工務(wù)值班人員點(diǎn)擊工務(wù)終端上的雨量報(bào)警界面中“清除雨量報(bào)警按鈕”解除該監(jiān)測(cè)點(diǎn)當(dāng)前雨量報(bào)警，此時(shí)調(diào)度終端自動(dòng)彈出雨量報(bào)警解除界面。

1.3 異物監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

異物侵入導(dǎo)致電網(wǎng)斷線，系統(tǒng)提示報(bào)警禁止行車，調(diào)度員扣車處理。根據(jù)防災(zāi)系統(tǒng)管理辦法，待上下行臨時(shí)通車具備操作條件時(shí)，調(diào)度員按壓上行（或下行）臨時(shí)通車按鈕，恢復(fù)行車。現(xiàn)場(chǎng)維修人員清理完障礙物，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行修復(fù)后，維修人員按下軌旁控制器內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)按鈕，現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)操作成功，調(diào)度員確定列車可以恢復(fù)正常運(yùn)行時(shí)，按下調(diào)度恢復(fù)按鈕，調(diào)度恢復(fù)成功，異物侵限恢復(fù)正常。

2 高鐵防災(zāi)系統(tǒng)的不足與優(yōu)化

2.1 風(fēng)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的不足與優(yōu)化

由于環(huán)境風(fēng)速具有突變性和不確定性，并且風(fēng)速儀設(shè)置有很大的局限性，因此大風(fēng)對(duì)高鐵運(yùn)行的影響最為常見(jiàn)。發(fā)生大風(fēng)報(bào)警時(shí)，往往不是一處報(bào)警，而是好幾處報(bào)警點(diǎn)同時(shí)報(bào)警，這就需要調(diào)度員立即通知報(bào)警范圍里的列車限速運(yùn)行，核對(duì)限速值和限速范圍，發(fā)布調(diào)度命令，設(shè)置列控限速命令。調(diào)度員在短時(shí)間內(nèi)完成一連串高強(qiáng)度工作，縱使有三頭六臂，也疲于應(yīng)對(duì)。再加上風(fēng)速升級(jí)和降級(jí)的不確定性以及運(yùn)營(yíng)中不利因素耦合的可能性，高鐵運(yùn)營(yíng)的風(fēng)險(xiǎn)大大增加。

因此，要減少高鐵列車運(yùn)行的安全風(fēng)險(xiǎn)，就要求災(zāi)害信息傳送具有實(shí)時(shí)性。風(fēng)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)目前僅具備風(fēng)速報(bào)警提示功能，有必要對(duì)其進(jìn)一步優(yōu)化完善，風(fēng)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)應(yīng)該納入列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（圖2）。當(dāng)發(fā)生大風(fēng)超限報(bào)警時(shí)，風(fēng)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)速自動(dòng)生成限速信息，并將限速值和限速范圍發(fā)送至調(diào)度集中系統(tǒng)（CTC）,CTC自動(dòng)判斷限速范圍內(nèi)的列車運(yùn)行速度，待列車速度降至限速范圍以內(nèi)時(shí)，自動(dòng)擬定列控限速調(diào)度命令并傳輸至列控限速服務(wù)器（TSRS），TSRS負(fù)責(zé)校驗(yàn)TSR命令并分發(fā)給列控中心（TCC）和無(wú)線閉塞中心（RBC）執(zhí)行，TCC控制應(yīng)答器將TSR信息傳給C2列車，RBC通過(guò)鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM-R）將TSR信息傳給C3列車，動(dòng)車組ATP收到TSR信息后，實(shí)時(shí)控制列車運(yùn)行。當(dāng)報(bào)警升級(jí)或降級(jí)時(shí)，列車安全運(yùn)行控制系統(tǒng)自動(dòng)判斷列車停運(yùn)，降速或提速。以上這些控制流程要求在瞬間完成，調(diào)度員根據(jù)報(bào)警信息及時(shí)調(diào)整列車運(yùn)行，并核對(duì)限速值和限速范圍。

圖2 列車運(yùn)行控制系統(tǒng)

2.2 雨監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的不足與優(yōu)化

同理，雨量監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)也納入列車運(yùn)行控制系統(tǒng)，發(fā)生雨量報(bào)警后，根據(jù)小時(shí)降雨量生成的限速傳送至列控系統(tǒng)，自動(dòng)控制列車限速運(yùn)行。雨量報(bào)警解除后，列控系統(tǒng)應(yīng)具備自動(dòng)識(shí)別線路允許速度的區(qū)段，并提供逐級(jí)提速控速功能。

此外，非高架區(qū)段及隧道區(qū)段軌道應(yīng)裝設(shè)積水量探測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)某區(qū)段積水高于軌面時(shí)，立即反饋防災(zāi)安全系統(tǒng)，并確認(rèn)水面位置，當(dāng)積水未超過(guò)軌面100mm時(shí)，ATP控制列車禁止通過(guò)積水地段；當(dāng)積水超過(guò)軌面100mm時(shí)，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(dāng)發(fā)生監(jiān)測(cè)終端異物侵限紅色報(bào)警信息后，軌道電路區(qū)段自動(dòng)產(chǎn)生紅光帶，列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)控制列車在紅色報(bào)警點(diǎn)前停車。在紅光帶取消后，設(shè)備恢復(fù)正常使用前，ATP自動(dòng)控速120km/h越過(guò)報(bào)警點(diǎn)閉塞分區(qū)，并自動(dòng)設(shè)置列控限速調(diào)度命令。設(shè)備恢復(fù)使用后，列車調(diào)度員將自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中復(fù)原按鈕解鎖，使系統(tǒng)恢復(fù)到正常狀態(tài)，列控限速自動(dòng)取消。

3 建議與對(duì)策

高鐵防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)納入列車運(yùn)行控制系統(tǒng)，并加入防災(zāi)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(diào)度員應(yīng)急處置的寶貴時(shí)間，更重要的是防災(zāi)系統(tǒng)自動(dòng)化控制列車運(yùn)行安全。結(jié)合高速線網(wǎng)所在地區(qū)實(shí)際可能發(fā)生的災(zāi)害，還需建立更多有針對(duì)性的監(jiān)測(cè)、報(bào)警系統(tǒng)，采取對(duì)應(yīng)的預(yù)防措施，以便災(zāi)害的破壞降到最低或避免災(zāi)害的破壞。

圖3 防災(zāi)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(wǎng)子系統(tǒng)構(gòu)成。自然災(zāi)害及異物侵限嚴(yán)重影響牽引變電設(shè)施的安全，危及高速鐵路的運(yùn)行；風(fēng)速變化對(duì)接觸網(wǎng)產(chǎn)生的影響直接關(guān)系到列車的安全運(yùn)行，接觸網(wǎng)網(wǎng)壓的穩(wěn)定性也將影響列車的運(yùn)行。因此，應(yīng)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(cè)系統(tǒng)

由于軌溫與氣溫有緊密的聯(lián)系，應(yīng)選擇在線路條件不利的地點(diǎn)（如路基、道床、曲線、坡度等）設(shè)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(shí)際情況適當(dāng)增設(shè)，同時(shí)設(shè)置氣象信息采集點(diǎn)，以便對(duì)比決策。

在軟土路基和滯洪路堤等重要地點(diǎn)設(shè)立路基監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)由測(cè)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(dāng)傳感器受外界應(yīng)力變化時(shí)（如線路沉降），將變化信號(hào)傳輸至調(diào)度所，為列車運(yùn)行提供決策依據(jù)。

3.3 建立長(zhǎng)大橋梁和隧道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

除了自然災(zāi)害對(duì)橋梁的危害外，高速荷載對(duì)特大橋梁的穩(wěn)定性也有很大影響，所以需要對(duì)河流通航橋墩和橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)置橋墩防撞儀和加速度儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在公跨鐵和鐵路交叉處還需設(shè)置限界障礙檢測(cè)和橋墩防護(hù)工程。

在非特大災(zāi)害條件下(如爆炸、地震、山體滑坡等)，隧道災(zāi)害主要表現(xiàn)為火災(zāi)、水災(zāi)、空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題和隧道侵限及結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問(wèn)題。隧道災(zāi)害發(fā)展緩慢，對(duì)其長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)必不可少。

3.4 設(shè)置地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

充分利用國(guó)家地震網(wǎng)信息資源，在地震多發(fā)地區(qū)設(shè)置振動(dòng)加速度傳感器和中心監(jiān)視設(shè)備，當(dāng)水平地震加速度達(dá)到警戒值時(shí)，加速度報(bào)警儀即發(fā)出警報(bào)，為震后列車運(yùn)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(zāi)系統(tǒng)

大型車站應(yīng)設(shè)有自己的防災(zāi)中心，建立旅客導(dǎo)向信息系統(tǒng)。一旦發(fā)生緊急狀況，比如火災(zāi)，煙霧時(shí)，可及時(shí)自動(dòng)采取滅火、排煙、隔離火源等措施，并有效地疏導(dǎo)旅客，對(duì)車站安全起到輔助作用，這也是列車運(yùn)行管理系統(tǒng)中的一部分。

除了建立各種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)外，還必須有應(yīng)急救援、事故處理、狀態(tài)恢復(fù)等設(shè)備和能力，以便事故損失降到最低程度。因此，進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究，提出適合自身的高速鐵路運(yùn)營(yíng)模式以及自然環(huán)境的安全監(jiān)控系統(tǒng)方案，仍是我國(guó)高速鐵路建設(shè)的一個(gè)重要課題。