公跨營(yíng)運(yùn)高鐵立交橋異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)重難點(diǎn)分析

陳榮超

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司鄭州分院，鄭州 450001)

1 概述

近年來國(guó)內(nèi)公路建設(shè)進(jìn)程突飛猛進(jìn)，不可避免會(huì)有越來越多的公路與高速鐵路交叉。高速鐵路與公路交叉跨越時(shí)，為確保高速鐵路結(jié)構(gòu)安全和運(yùn)營(yíng)安全，根據(jù)《鐵路安全管理?xiàng)l例》新建、改建高速公路、一級(jí)公路或者城市道路中的快速路，需要與鐵路交叉的，應(yīng)當(dāng)設(shè)置立體交叉設(shè)施，并優(yōu)先選擇下穿鐵路的方案[1]。

鄭西高鐵2010年已正式開通運(yùn)營(yíng)，地處豫西丘陵山區(qū)，55%為高架橋、22%為隧道、23%為路基地段[2]。通常公路與高鐵交叉會(huì)選擇在高鐵橋梁段下穿，但受限制于鄭西高鐵路基段較長(zhǎng)及公路規(guī)劃線位等因素制約，國(guó)道234線鄭州境內(nèi)國(guó)道310以南段（滎陽(yáng)喬樓至崔廟段）改建工程上跨鄭西高鐵立交工程（簡(jiǎn)稱該工程）只能采用上跨鐵路方案。該工程為鄭州局管轄范圍內(nèi)首次上跨運(yùn)營(yíng)高鐵立交橋，也是國(guó)內(nèi)首次干線公路上跨營(yíng)運(yùn)高鐵路基段[3]。

鄭西高鐵現(xiàn)狀存在眾多異物侵限監(jiān)測(cè)點(diǎn)，但都為隨鄭西高鐵同步修建，不同于隨高鐵同步修建的異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在營(yíng)運(yùn)高鐵既有系統(tǒng)上增加異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)更高、設(shè)計(jì)難度更大。

2 工程概況

該工程位于鄭西高鐵鐵路里程K599+478.5處，鞏義南站和鄭州西站之間，建成后如圖1所示。鄭西高鐵即徐蘭高速鐵路鄭西段，設(shè)計(jì)速度350 km/h；國(guó)道234線為國(guó)內(nèi)一級(jí)公路，設(shè)計(jì)速度80 km/h。

圖1 國(guó)道234上跨鄭西高鐵立交航拍Fig.1 Aerial photo of the National Highway No.234 Overpass over Zhengzhou-Xi'an High-speed Railway

為確保高速鐵路行車安全，根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]等相關(guān)規(guī)定、規(guī)范要求，在該公跨鐵立交橋上安裝異物侵限監(jiān)控裝置，監(jiān)測(cè)機(jī)動(dòng)車、大型貨物因故越過護(hù)欄（防撞墻）、護(hù)網(wǎng)（防拋網(wǎng)）而侵入高速鐵路限界并控制列車運(yùn)行[5]；并設(shè)置視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)該公跨鐵立交橋進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

鄭西高鐵全線設(shè)有災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，洛陽(yáng)龍門站老信息機(jī)房設(shè)有數(shù)據(jù)處理設(shè)備1套，鄭州鐵路局調(diào)度指揮中心設(shè)有列車調(diào)度監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)終端1套，鄭州鐵路局調(diào)度指揮中心設(shè)有工務(wù)調(diào)度監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)終端1套，鄭州東高鐵基礎(chǔ)設(shè)施段設(shè)有監(jiān)測(cè)維護(hù)終端1套，鄭州鐵路局鄭州通信段網(wǎng)管中心設(shè)有監(jiān)測(cè)維護(hù)終端1套。

距該工程約0.7 km處既有鄭西高鐵鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communications for Railway，GSM-R）通信基站（鐵路里程K600+180）1座，該基站內(nèi)既有安全監(jiān)控單元機(jī)柜1架，該機(jī)柜已接有3處異物侵限監(jiān)測(cè)報(bào)警點(diǎn)。

該工程異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置、安全監(jiān)控單元、數(shù)據(jù)處理設(shè)備、調(diào)度所等監(jiān)測(cè)終端設(shè)備、信號(hào)列控接口設(shè)備、通信傳輸設(shè)備及通信網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成[6]。

圖2 災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成示意Fig.2 Schematic diagram of disaster monitoring system composition

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置主要為監(jiān)測(cè)電網(wǎng)和軌旁控制器，監(jiān)測(cè)電網(wǎng)安裝在上跨橋兩側(cè)，軌旁控制器依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境安裝在路基水泥基礎(chǔ)上；安全監(jiān)控單元就近設(shè)置在GSM-R基站內(nèi)；數(shù)據(jù)處理設(shè)備設(shè)置在信息機(jī)房；監(jiān)測(cè)終端設(shè)置在鐵路局調(diào)度指揮中心、高鐵基礎(chǔ)設(shè)施段、通信段等不同部門。

軌旁控制器至安全監(jiān)控單元、安全監(jiān)控單元至信號(hào)列控中心之間通過信號(hào)電纜傳輸監(jiān)測(cè)信息[7]，數(shù)據(jù)處理設(shè)備到監(jiān)測(cè)終端等通過通信傳輸網(wǎng)傳輸監(jiān)測(cè)信息。

當(dāng)發(fā)生異物侵限撞擊監(jiān)測(cè)電網(wǎng)，使雙電網(wǎng)傳感器發(fā)生斷裂，現(xiàn)場(chǎng)異物侵限信息通過軌旁控制器傳給基站安全監(jiān)控單元。基站安全監(jiān)控單元接收并確認(rèn)異物侵限信息后，將異物侵限信息分兩路同時(shí)輸出：一路通過以太網(wǎng)通道傳至信息機(jī)房的數(shù)據(jù)處理設(shè)備對(duì)信息進(jìn)行處理并將信息傳到監(jiān)測(cè)終端設(shè)備顯示報(bào)警信息；另一路通過鐵路信號(hào)電纜傳給列控中心，觸發(fā)列控系統(tǒng)，通過軌道電路繼電器的落下直接使得異物侵入的區(qū)段防護(hù)信號(hào)機(jī)顯示禁止信號(hào)[8]。向信號(hào)列控系統(tǒng)、聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)送控制命令，通過信號(hào)列控系統(tǒng)、聯(lián)鎖系統(tǒng)使列車自動(dòng)停車，并向列車調(diào)度員發(fā)出異物侵限報(bào)警信息。

3 重難點(diǎn)分析

3.1 既有系統(tǒng)上修改設(shè)備難度大、風(fēng)險(xiǎn)高

該工程新增設(shè)備的接入需對(duì)既有設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)修改，需在既有系統(tǒng)設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造。此時(shí)，既要保證最大限度地減少對(duì)既有設(shè)備的干擾和影響，又要保證設(shè)備接入后系統(tǒng)設(shè)備功能的完備和安全高效。

例如：新增異物侵限監(jiān)測(cè)設(shè)備納入列控系統(tǒng)后，需要對(duì)既有的接口電路及相關(guān)信號(hào)設(shè)備進(jìn)行修改，會(huì)對(duì)既有設(shè)備安全造成很大影響；同時(shí)在保證設(shè)備接入后發(fā)生異物侵限時(shí)信號(hào)系統(tǒng)能夠及時(shí)、快速、準(zhǔn)確的反應(yīng)，確保列車運(yùn)行安全的基礎(chǔ)上，盡量減少對(duì)既有接口電路及相關(guān)信號(hào)設(shè)備的修改內(nèi)容。

3.2 專業(yè)間接口復(fù)雜

異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，除了系統(tǒng)自身各個(gè)設(shè)備安裝調(diào)試外，還需要根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況進(jìn)行信號(hào)專業(yè)的防災(zāi)與信號(hào)列控接口設(shè)計(jì)，通信專業(yè)的傳輸通道、綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，電力專業(yè)的配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，房建專業(yè)的機(jī)房環(huán)境改造設(shè)計(jì)，橋梁專業(yè)的電網(wǎng)預(yù)埋件預(yù)留、保護(hù)管安裝等土建設(shè)計(jì)，需要多個(gè)專業(yè)協(xié)調(diào)配合。

3.3 工程環(huán)境復(fù)雜

鄭西高鐵的鐵路等級(jí)高，對(duì)工程設(shè)計(jì)的制約因素多，例如：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝、線纜敷設(shè)時(shí)緊挨鐵路通信光纜、信號(hào)電纜、電力電纜、接觸網(wǎng)等，需要考慮鐵路營(yíng)業(yè)線在用設(shè)備、設(shè)施的防護(hù)或改造；橋梁轉(zhuǎn)體前必須提前將線纜引下保護(hù)管、監(jiān)測(cè)電網(wǎng)等安裝固定到位，需要結(jié)合土建情況及周邊條件精確計(jì)算各項(xiàng)參數(shù)；需配置和修改的設(shè)備眾多并且分布分散，例如：監(jiān)測(cè)終端分布在鐵路局調(diào)度指揮中心、高鐵基礎(chǔ)設(shè)施段、鄭州通信段網(wǎng)管中心等處，需要合理考慮同步實(shí)施條件，減少對(duì)既有系統(tǒng)的不良影響。

3.4 施工條件復(fù)雜

該工程會(huì)引起鄭西高鐵既有通信、信號(hào)、信息、防災(zāi)系統(tǒng)的調(diào)整或改造，對(duì)鄭西高鐵運(yùn)營(yíng)有較大影響；幾乎所有施工都要在“天窗點(diǎn)”內(nèi)完成，尤其是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝、線纜敷設(shè)等需在鄭西高鐵封閉網(wǎng)內(nèi)實(shí)施，施工作業(yè)面小，工期壓力大；該工程異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接入既有系統(tǒng)后，各處監(jiān)測(cè)終端需在短時(shí)間內(nèi)、不同地點(diǎn)、同時(shí)進(jìn)行軟件數(shù)據(jù)修改和試驗(yàn)，要求設(shè)備廠家、施工單位、設(shè)備管理單位、設(shè)計(jì)單位等必須積極配合相互協(xié)作，實(shí)施難度大，設(shè)計(jì)過程中必須充分考慮施工條件因素。

4 解決措施

4.1 深入調(diào)查既有情況，征求各方意見

在設(shè)計(jì)前期要深入調(diào)查研究。例如：周邊既有自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)置情況，通信傳輸系統(tǒng)、信號(hào)列控系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)、集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、防災(zāi)系統(tǒng)的既有設(shè)備利用狀況和網(wǎng)管運(yùn)行情況，區(qū)間基站、信息機(jī)房、信號(hào)機(jī)械室的空間利用狀況、電源預(yù)留情況以及改造條件，各個(gè)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)終端、監(jiān)測(cè)維護(hù)終端的數(shù)據(jù)修改條件等。

將該工程對(duì)既有系統(tǒng)造成的影響因素考慮充分，多方論證與審核。與工務(wù)部、電務(wù)部、通信段、信息技術(shù)所、高鐵基礎(chǔ)設(shè)施段等各個(gè)相關(guān)設(shè)備維管部門溝通、協(xié)調(diào)，擬定安全合理的修改方案，以對(duì)既有鄭西高鐵造成的影響降到最小。

4.2 新增與既有異物侵限監(jiān)測(cè)點(diǎn)在同一軌道區(qū)段時(shí)，需進(jìn)行結(jié)合處理與聯(lián)動(dòng)控制

本次新增異物侵限監(jiān)測(cè)點(diǎn)鐵路里程為K599+478.5，在鄭西高鐵中繼站2管轄的信號(hào)區(qū)間閉塞分區(qū)內(nèi)，下行線落在5991BG，上行線落在5998BG。5991BG和5998BG軌道區(qū)段內(nèi)已有異物侵限監(jiān)測(cè)點(diǎn)各1處，分別在鐵路里程K598+900、K599+881處，分布情況如圖3所示。

圖3 該工程異物侵限監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布示意Fig.3 Schematic diagram of the distribution of foreign object intrusion monitoring points in the project

由于該工程新增的異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需接入既有信號(hào)系統(tǒng)，若按照常規(guī)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，需要在列控中心增設(shè)獨(dú)立的防災(zāi)接口，對(duì)既有信號(hào)聯(lián)鎖及列控軟件進(jìn)行修改，做多次仿真試驗(yàn)。

本著節(jié)約投資、降低工程實(shí)施難度、確保既有運(yùn)營(yíng)鐵路安全的原則，在對(duì)既有設(shè)備使用情況詳細(xì)調(diào)查、充分征求設(shè)備管理單位意見的基礎(chǔ)上，結(jié)合信號(hào)基本電路防護(hù)原則，通過設(shè)計(jì)優(yōu)化，將新增設(shè)的異物侵限繼電器串接在對(duì)應(yīng)軌道區(qū)段相應(yīng)的接收電路及列控采集電路中。將新增異物侵限點(diǎn)的處理電路與既有處理電路相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)對(duì)同一區(qū)段不同異物侵限監(jiān)測(cè)點(diǎn)的同步防護(hù)和聯(lián)動(dòng)控制，避免了列控中心、無線閉塞中心、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)等軟件的修改，減少對(duì)既有運(yùn)營(yíng)設(shè)備的多次掛載試驗(yàn)和反復(fù)修改。

4.3 安全監(jiān)控單元獨(dú)立新設(shè)，降低施工難度和風(fēng)險(xiǎn)

該工程臨近基站內(nèi)已有安全監(jiān)控單元機(jī)柜1架，該監(jiān)控單元已接有3處報(bào)警點(diǎn)。若按照常規(guī)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，新增異物侵限監(jiān)測(cè)報(bào)警點(diǎn)后，需要對(duì)既有監(jiān)控單元擴(kuò)展板件，再重新調(diào)試接入既有防災(zāi)系統(tǒng)中。1個(gè)“天窗點(diǎn)”內(nèi)完成施工難度較大，稍有不慎還會(huì)破壞既有報(bào)警點(diǎn)的邏輯關(guān)系，實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)較高。

通過研究鄭西高鐵既有自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組網(wǎng)方式，以及既有基站內(nèi)的設(shè)備布置、空間剩余和電源預(yù)留情況等，提出新增安全監(jiān)控單元1架，將新增異物侵限監(jiān)測(cè)報(bào)警點(diǎn)單獨(dú)部署于該監(jiān)控單元，不對(duì)既有監(jiān)控單元進(jìn)行改造。

配套擴(kuò)容通信傳輸系統(tǒng)設(shè)備板件，為該監(jiān)控單元單獨(dú)提供了2×2 M（FE接口）專用數(shù)據(jù)上傳通道，同時(shí)新敷設(shè)信號(hào)電纜到信號(hào)室。并將新增安全監(jiān)控單元在“天窗點(diǎn)”外提前安裝到位和加電調(diào)試，大大降低施工難度，避免對(duì)既有監(jiān)測(cè)點(diǎn)及設(shè)備造成不良影響。

4.4 視頻監(jiān)控結(jié)合整體綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)改造計(jì)劃提前謀劃

鄭西高鐵既有綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)使用模擬標(biāo)清攝像機(jī)。若按照常規(guī)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，新增工程也應(yīng)與既有標(biāo)準(zhǔn)保持一致，使用模擬標(biāo)清攝像機(jī)。但通過與設(shè)備維管部門溝通了解鄭西高鐵有綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的改造計(jì)劃，改造后將采用網(wǎng)絡(luò)數(shù)字系統(tǒng)。

為了與改造計(jì)劃相匹配，避免該工程處的二次改造，提出采用網(wǎng)絡(luò)數(shù)字定焦槍型攝像機(jī)。利用為安全監(jiān)控單元擴(kuò)容的傳輸系統(tǒng)設(shè)備板件來新增專用FE接口數(shù)據(jù)通道，將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)直接傳輸?shù)皆趯?duì)應(yīng)高鐵站通信機(jī)械室內(nèi)新增的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器、管理服務(wù)器、磁盤陣列等后臺(tái)設(shè)備中。并通過新增的后臺(tái)設(shè)備實(shí)現(xiàn)與既有系統(tǒng)的兼容調(diào)用，納入鄭西高鐵既有綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，后期改造實(shí)施時(shí)該高鐵站通信機(jī)械室也能利用新增的后臺(tái)設(shè)備，減少重復(fù)改造。

4.5 設(shè)計(jì)過程中統(tǒng)籌協(xié)調(diào)鐵路部門，同步實(shí)施多項(xiàng)工作

針對(duì)該工程涉及鐵路設(shè)備多、維管單位接口多、工程環(huán)境和施工條件復(fù)雜等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)過程中多次組織設(shè)計(jì)、施工方案研討會(huì)，協(xié)調(diào)各站段、處室，溝通代建單位、代管單位、施工及設(shè)備廠家，合理制定指導(dǎo)性施工組織設(shè)計(jì)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及具體施工步驟，充分利用“天窗點(diǎn)”，盡可能在一個(gè)“天窗點(diǎn)”內(nèi)完成多項(xiàng)工作。確定合理的“要點(diǎn)”次數(shù)，將安全監(jiān)控單元提前安裝到位并加電調(diào)試、監(jiān)控點(diǎn)提前接入視頻系統(tǒng)、各處終端同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)修改和試驗(yàn)等，盡可能減少對(duì)鐵路運(yùn)輸?shù)母蓴_，減少施工工期。

5 結(jié)語(yǔ)

本文依托于國(guó)道234線鄭州境內(nèi)國(guó)道310以南段（滎陽(yáng)喬樓至崔廟段）改建工程上跨鄭西高鐵立交工程，主要分析了干線公路上跨營(yíng)運(yùn)高鐵立交工程的異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)，并提出解決措施。該工程異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2021年1月順利通過竣工驗(yàn)收，對(duì)后續(xù)國(guó)道234線上跨鄭西高鐵立交橋順利驗(yàn)收、投入運(yùn)營(yíng)使用起到了重要作用，得到鐵路等部門的充分肯定。

該工程為鄭州局管轄范圍內(nèi)首次上跨運(yùn)營(yíng)高鐵立交橋的異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。對(duì)鄭西高鐵行車調(diào)度指揮系統(tǒng)提供有效的支撐，對(duì)本專業(yè)技術(shù)進(jìn)步有一定的借鑒和促進(jìn)作用。