異物侵限監(jiān)控子系統(tǒng)防護有效性研究

■ 杜廣宇

異物侵限監(jiān)控子系統(tǒng)是防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，主要設(shè)置在公跨鐵橋、隧道口、公鐵并行等有異物侵入發(fā)生的危險地段。高速鐵路列車運行速度高，運行前方出現(xiàn)超限異物時僅憑司機人工減速停車，受嘹望距離和列車緊急制動距離的限制，很難保證列車在異物點前方停車，保障列車運行安全。因此，相關(guān)規(guī)范要求對于高速鐵路列車運行速度大于160 km/h區(qū)段應(yīng)設(shè)置異物侵限監(jiān)控子系統(tǒng)。

1 異物侵限監(jiān)控子系統(tǒng)防護原理及不足

異物侵限監(jiān)控子系統(tǒng)中的異物監(jiān)測傳感器與列車控制系統(tǒng)相聯(lián)，一旦異物傳感器監(jiān)測到異物侵限事件時，異物侵限監(jiān)控子系統(tǒng)立刻通過異物繼電器向列車控制系統(tǒng)發(fā)出報警信息，并切斷異物點所在區(qū)段的軌道繼電器，列車控制系統(tǒng)視異物所在軌道區(qū)段被占用，即異物所在區(qū)段發(fā)紅碼，并向其后方區(qū)段依次發(fā)升級碼序，列車收到碼序后自動停車。

高速運行的列車觸發(fā)緊急制動后，列車受自身慣性，必然經(jīng)過一個緊急制動距離才能完全停止下來。如圖1，當列車未到達異物監(jiān)測點，且列車與異物之間的距離大于緊急制動距離Ze時，此刻發(fā)生異物侵限，通過接受異物侵限監(jiān)控子系統(tǒng)的報警信息，可以保證列車在異物前方停車。同理，整列車（車長lc）完全經(jīng)過異物監(jiān)測點后，異物監(jiān)測點發(fā)生異物侵限也不會影響列車運行安全。相反，列車運行至lc、Ze區(qū)域，而恰好此刻有異物侵限發(fā)生時，則異物侵限監(jiān)控子系統(tǒng)雖會報警，但也無法保證列車安全，故lc+Ze是異物侵限監(jiān)控子系統(tǒng)的危險范圍，稱為異物侵限監(jiān)控子系統(tǒng)的防護無效區(qū)（簡稱無效區(qū)）。無效區(qū)的存在導(dǎo)致異物侵限監(jiān)控子系統(tǒng)不可能百分之百保證列車運行安全，其防護性能只能是一個概率。將發(fā)生碰撞的概率定義為P碰，異物侵限監(jiān)控子系統(tǒng)的防護有效性定義為P有效性=1-P碰。

2 異物點未設(shè)置侵限監(jiān)控系統(tǒng)時與列車碰撞概率分析

鐵路線由車站和站間區(qū)間組成，假設(shè)研究的鐵路線全長為L，線上有m個車站，站間區(qū)間的長度為D（見圖2）。因車站可以存放列車，故認為區(qū)間上發(fā)生異物侵限事件后僅影響本區(qū)間運行的列車，對其他區(qū)間無影響。假設(shè)站間區(qū)間內(nèi)有n個異物侵限監(jiān)測點，包括公跨鐵橋、隧道口、公鐵并行地段，每個異物監(jiān)測點發(fā)生異物侵限事件（專指異物擊穿雙層監(jiān)測網(wǎng)進入鐵路限界的事件）的概率為p，則不發(fā)生異物侵限事件的概率為q=1-p。

根據(jù)《技規(guī)》可知，區(qū)間高柱信號機的嘹望距離要求達到1 000 m，矮柱信號機嘹望距離要求達到200 m，CRH1、CRH2、CRH3、CRH5型動車組的緊急制動距離在1 582 m以上。侵限異物多為不發(fā)光物體，因此，列車高速運行時司機對異物的嘹望距離（特別是夜間）不能滿足列車緊急制動距離的要求。在未設(shè)置異物侵限監(jiān)控子系統(tǒng)時，列車前方發(fā)生異物侵限，列車幾乎必然會與其發(fā)生碰撞。

圖1 異物監(jiān)測點防護無效區(qū)范圍

圖2 車站、區(qū)間異物侵限分布示意圖

為了便于研究，假設(shè)列車運行在第i個區(qū)間Di上任意位置的概率是相等的，即服從均勻分布。同時區(qū)間Di上的ni個異物點將區(qū)間均分為ni+1個部分（見圖3）。

列車在沒有完全通過第n個異物危險點之前都存在與侵限異物碰撞的可能性，則無異物監(jiān)測點發(fā)生列車與異物碰撞的概率為pDi-無：

則一列車運行通過整條異物危險點未設(shè)置異物侵限監(jiān)控子系統(tǒng)的線路，列車與侵限異物碰撞的概率為p線-無：

3 異物點設(shè)置侵限監(jiān)控子系統(tǒng)后與列車碰撞概率分析

同樣條件下，當裝設(shè)異物侵限監(jiān)控子系統(tǒng)后，列車只有進入lc+Ze時才存在與超限異物碰撞的危險（見圖4），這時列車區(qū)間D上與異物碰撞的概率為pDi-有：

在實際條件下，異物點之間的距離非等距離分布，2個異物點之間的距離可能小于lc+Ze，這種情況下會使pDi-有的值變小。考慮最不利條件，認為危險點之間的距離都≥lc+Ze，且各異物點發(fā)生墜落的事件與列車運行無關(guān)（相互獨立），由此得到在裝設(shè)異物侵限子系統(tǒng)后，一列車通過整條線路被侵限異物碰撞的概率為p線-有：

對于雙線自動閉塞線路有：

針對上述2種情況的異物侵限監(jiān)控子系統(tǒng)防護有效性分別為：

4 安裝異物侵限監(jiān)控子系統(tǒng)前后比較

在區(qū)間Di上設(shè)置異物侵限監(jiān)控子系統(tǒng)前后列車通過區(qū)間Di被異物碰撞的概率比定義為改善率：

由式（10）可知，當列車車長越短、制動距離越小、異物危險點越少、區(qū)間越長時，設(shè)置異物侵限監(jiān)控子系統(tǒng)后改善效果越顯著。

選取動車組長度214 m、緊急制動距離1 865 m、站間區(qū)間長度50 km為參數(shù)，計算得到改善率見表1。

圖3 無異物侵限監(jiān)控時多個異物侵限危險范圍示意圖

圖4 有異物侵限監(jiān)控時多個異物侵限危險范圍示意圖

表1 改善率列表

表1中顯示設(shè)置異物侵限監(jiān)控子系統(tǒng)后，可有效降低列車與侵限異物碰撞的概率。因此，在高速鐵路上設(shè)置異物侵限監(jiān)控子系統(tǒng)十分必要。同時也應(yīng)知道，當異物危險點的數(shù)量增加后，異物侵限監(jiān)控子系統(tǒng)的防護性能逐漸變差。

5 全線異物侵限監(jiān)控子系統(tǒng)防護性

上述討論的是一列車通過線路異物侵限監(jiān)控子系統(tǒng)防護的有效性，在實際應(yīng)用中更關(guān)心某條鐵路在運營1年內(nèi)出現(xiàn)侵限異物危及行車安全的可能性，選定一些典型參數(shù)進行研究，參數(shù)選取如下：

（1）假設(shè)線路全長1 000 km。

（2）統(tǒng)計國內(nèi)時速250～350 km車站站間距，計算得到車站平均間距58 km，即1 000 km的線路約包含站間區(qū)間17個。

（3）CRH1、CRH2、CRH3、CRH5型動車組中8輛編組最長214 m。

（4）緊急制動距離按CRH1、CRH2、CRH3、CRH5型動車組中最長的考慮，為1 865 m。

（5）全線異物點的數(shù)量分別按表2中數(shù)據(jù)考慮。

（6）線路考慮每天單方向運行列車數(shù)量52列，全年合計k=18 980列。

則該線設(shè)置異物侵限監(jiān)控子系統(tǒng)前，發(fā)生異物與列車碰撞的概率為p線-無雙年；設(shè)置異物侵限監(jiān)控子系統(tǒng)后，發(fā)生異物與列車碰撞的概率為p線-有雙年：

其對應(yīng)異物監(jiān)控系統(tǒng)的防護有效性為：

（7）異物危險點發(fā)生侵限事件的概率是個較難確定的值，考慮到絕大部分異物危險點站前工程都會進行處理，因此假設(shè)危險點發(fā)生侵限事件的概率分別選取1×10-4（萬分之一）、1×10-5（十萬分之一）、1×10-6（百萬分之一）、1×10-7（千萬分之一）。

（8）為了方便計算，只考慮全線同時只出現(xiàn)一處異物點侵限的情況（其他情況也可類比分析），式（4）簡化為：

將相關(guān)參數(shù)帶入式（15），計算結(jié)果見表3。

表3顯示異物點發(fā)生異物侵限的概率對整條線路的概率影響很大，即使單點概率很小，由于全年運行車輛數(shù)量龐大，故全線發(fā)生異物侵入與車輛碰撞的概率也較高。

表2 全線異物點數(shù)量 個

表3 設(shè)置異物侵限監(jiān)控子系統(tǒng)前后異物與列車碰撞概率

6 各因素與p線-有雙年-有效的關(guān)系

6.1 異物侵限概率p與p線-有雙年-有效的關(guān)系

假設(shè)p變化范圍為1×10-5～5×10-9，全線異物點102處 ，其他參數(shù)取典型參數(shù)，計算結(jié)果見圖5。

異物侵限概率的大小對異物監(jiān)控系統(tǒng)的防護性能影響很大，若想將p線-有雙年-有效保證在90%以內(nèi)，異物點對于每輛通過的列車其發(fā)生侵限事件的概率要控制在千萬分之一以內(nèi)。

6.2 全年通行列車數(shù)量m與p線-有雙年-有效的關(guān)系

選取p為5×10-8，全線異物點102處，全年運行車輛5 000～18 980列，p線-有雙年-有效與車流量成線性變化，減少通行列車對數(shù)可以提高p線-有雙年-有效。圖6分別繪制了在同等運力條件下，8輛編組和16輛編組的p線-有雙年-有效。將列車進行重聯(lián)（16列編組）運行，相應(yīng)減少了列車開行對數(shù)，有助于提高異物侵限監(jiān)控子系統(tǒng)的防護性能。

6.3 全線異物監(jiān)測點數(shù)量與p線-有雙年-有效的關(guān)系

圖7為不同異物點數(shù)量時的異物防護有效性。

異物侵限概率p為1×10-5，全線異物點數(shù)量從17增至204處，其他參數(shù)仍取典型參數(shù)，可見，異物侵限監(jiān)控子系統(tǒng)的防護性能隨異物點數(shù)量的增加而迅速變差。

7 結(jié)論

通過上述研究得到如下結(jié)論：

圖5 異物侵限概率p與p線-有雙年-有效的關(guān)系

圖6 不同編組長度與異物防護有效性關(guān)系圖

圖7 不同異物點數(shù)量與異物防護有效性關(guān)系圖

（1）高速鐵路在有異物侵入危險的地點設(shè)置異物侵限監(jiān)控子系統(tǒng)，能大幅降低超限異物與運行列車碰撞的概率，減少異物侵限對列車運行的威脅，提高行車安全。

（2）高速運行的列車制動距離內(nèi)突然出現(xiàn)的異物侵限事件，異物監(jiān)控子系統(tǒng)能通過列控系統(tǒng)使列車減速，但不能完全避免異物與列車碰撞。這是異物侵限監(jiān)控子系統(tǒng)本身所不可克服的不足。

（3）當異物的異物侵限概率很小時，防護有效性與異物點異物侵限概率之間近似線性變化，但防護性能隨異物點異物侵限概率的增加而迅速降低，異物監(jiān)控系統(tǒng)的性能迅速惡化。

（4）相同條件下，減少列車開行對數(shù)可提高異物防護性能，兩者基本成線性變化。

（5）異物點數(shù)量對異物防護性能的影響很大，應(yīng)盡量減少異物點數(shù)量，當異物點數(shù)量過多時，異物監(jiān)控系統(tǒng)的性能大大降低。

（6）為進一步提高異物侵限監(jiān)控子系統(tǒng)防護性能，需確立全局意識，在站前鐵路工程設(shè)計中采取措施，盡量消除異物侵限發(fā)生的可能性。如鐵路線路盡量上跨公路（減少公跨鐵）、隧道口加強明洞延伸（防止落石）、在公鐵并行地段鐵路與公路留出足夠距離等。

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