高速磁浮交通環境與災害監測預警系統方案研究

侯圣杰 劉先愷 湯凱誼 劉孜學 王富斌

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司， 山東 青島 266000；2.中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

在2019年由中共中央、國務院頒布的《交通強國建設綱要》中明確指出“到2035年基本建成交通強國，達到全國主要城市3小時覆蓋的目標”，并提出要強化前沿關鍵科技研發，其中，“時速600公里級高速磁懸浮交通系統的技術儲備研發”被列為了重點[1]。目前，輪軌鐵路最高速度在400 km/h左右[2]，已經無法滿足“主要城市3小時覆蓋”的需求目標，需要速度更快的交通制式做支撐。另一方面，600 km/h高速磁浮填補了航空和輪軌高速鐵路之間的速度空白，可助力形成速度梯度層級完善、高效、靈活便捷的多維立體交通構架，對于豐富我國交通運輸速度譜系具有重大的技術和經濟意義。

國外開展高速磁浮的研究較早，自20世紀60年代起，德國、日本、英國、美國、加拿大、法國等國家相繼開始籌劃磁浮交通系統的研發[3]。其中，德國Transrapid(TR)高速磁浮系統于2003年在上海開通示范運營，最高試驗速度505 km/h、運營速度430 km/h[4-5]。我國在高速磁浮領域已經經歷了近20年的持續研究和技術積累，在2021年取得的重大創新突破。7月20日，由中國中車承擔研制、具有完全自主知識產權的我國600 km/h高速磁浮交通系統在青島成功下線，另外，針對工程產業化，中車四方股份公司在國家高速列車技術創新中心建成了專業的高速磁浮集成實驗中心和試制中心，聯合國內協作單位，構建了包含車輛、牽引供電、運控通信、線路軌道在內全系統仿真、試驗平臺，搭建了從核心零部件、關鍵系統到系統集成的國產化產業鏈，這標志著我國已經掌握了高速磁浮成套技術和工程化的能力。

隨著高速磁浮交通關鍵裝備的逐漸成型，意味著高速磁浮交通的研究不再僅僅是“紙上談兵”，國產化600 km/h級高速磁浮的工程應用即將成為現實。為保證高速磁浮交通的順利商業運營，配套的監測和預警系統需要同步開展研究。一方面，強風、大霧、暴雨雪、地震等極端天氣及自然災害等對軌道交通的安全運行存在影響，一旦發生諸如軌道梁、車輛在強風等極端天氣下出現失穩等狀況，將會危及乘客生命安全[6-7]。另一方面，在磁浮線路尤其是長大干線中，線路跨度范圍大，環境復雜多變，沿線若遇地質災害，將對沿線橋梁、軌道等基礎設施健康狀態造成危害，并威脅運營安全[8]。相較于輪軌高速鐵路，600 km/h級高速磁浮交通列車運行速度更快，對運行環境與沿線災害更加敏感，因此，本文研究了一種適用于高速磁浮交通的運行環境與災害監測預警系統。

1 監測需求分析

高速磁浮運行速度快、自動化程度高，基于安全保障及系統完整性的考慮，有必要對高速磁浮系統需求及主要運用環境和系統參數進行綜合分析，結合高速磁浮的運營場景，建立高速磁浮交通系統應對災害與線路環境異常的監測預警系統，提高高速磁浮交通系統自動運行及主動防護的智能化水平，保障列車安全運行，降低事故發生概率，提高應急救援效率。

本文以中國中車承擔研制的600 km/h級高速磁浮交通系統為研究對象，根據CJJ/T 310-2021《高速磁浮交通設計標準》[9]，高速磁浮車輛對其主要運用環境提出了下列監測要求，如表1所示。

表1 高速磁浮車輛主要運用環境監測要求表

綜合分析高速磁浮系統需求及主要運用環境和系統參數，高速磁浮交通環境與災害綜合監測預警系統的監測對象可分為兩大類：列車運行環境和基礎設施，如表2所示。

表2 監測對象分類表

針對600 km/h高速磁浮的運用環境指標(環境溫度、相對濕度、最大風速、最大降雨、線上積雪、線路結冰、地震烈度、地理條件等)，結合列車高速行進中氣象、異物侵限及周界入侵、地質災害等可能對行車安全構成影響的因素，梳理列車運行環境監測對象包括：氣象(風、降雨、氣溫)、降雪及軌面結冰、地質災害(滑坡及泥石流、危巖落石)、地震、異物侵限、周界入侵等。以上監測對象對列車高速行駛有直接影響，在監測過程中應做到實時監測，在技術條件成熟情況下可超前預報及提前預警，從而確保列車行車安全。

高速磁浮基礎設施監測內容主要包括：基礎設施沉降監測、道岔及軌道梁監測(檢測)。以上監測屬于長期監測，并定期對監測內容進行分析，從而對基礎設施健康程度進行評估，保證高速磁浮長期運營安全。

2 技術方案

2.1 監測預警技術的可行性

針對前文提出的各項監測對象，結合當前技術發展趨勢及高速鐵路應用情況，分別對各項監測對象進行技術可行性分析。

(1)氣象(風、降雨、氣溫)

高速鐵路中采用超聲波多合一氣象傳感器對風速、風向、降雨、大氣溫度進行實時監測、實時報警。在鐵路及氣象科研方面，當前可采用加密布設風速、風向傳感器并通過長期觀測數據積累開展預測算法研究，已取得的成果顯示，可對區域風速、風向實現超前預報。

(2)強降雪及結冰

采用激光及多光譜測量技術可對設定區域的積雪及結冰厚度，進行實時檢測及報警，其中雪深監測在高速鐵路中已成熟應用，路面結冰監測在航空、公路交通中也有應用。

(3)地質災害(滑坡、泥石流、危巖落石)

地質災害發生后的實時報警，預警存在誤報的可能。國土部門地災監測技術應用成熟，高速及普速鐵路部分線路及工點均有試點應用。

(4)地震

采用P波超前預報，可實現實時監測預警，已列入高速鐵路設計規范，高速鐵路地震監測預警系統與牽引變電、信號系統實現預警報警聯動。

(5)異物侵限

高速鐵路系統采用雙電網觸發報警方式監測上跨鐵路的道路橋梁異物侵限。

當前人工智能技術不斷發展，已有應用實驗表明，可在線路周邊布設高清攝像機，通過視頻圖像智能分析技術，完成對線路限界特定內障礙物的實時檢測分析、報警，但當前技術存在一定誤報。

(6)周界入侵

當前可行的技術手段包括：紅外、激光對射；電子圍欄、振動光纖、AI視頻分析, 但單一化的安全防護手段在實際運用中漏報率和誤報率較高。

(7)沉降監測

高速鐵路系統可采用靜力水準儀對基礎設施(路基、橋梁、隧道)沉降變形進行監測，實現毫米級變形自動測量，通過后臺可及時發布預警和報警信息。

(8)道岔及軌道梁檢測

采用振動、位移、加速度等傳感器可對道岔及軌道梁變形、振動等進行長期觀測，但針對高速磁浮缺少實際應用測試。

綜上，現有監測技術及已應用的技術方案可部分適用于高速磁浮交通系統。其中，軌面結冰、異物侵限與高速磁浮車輛懸浮間隙(一般為8～12 mm)直接相關，不能照搬高速鐵路相關技術方案，需對現有技術進行集成創新。

2.2 系統方案及構成

根據我國高速磁浮交通系統的研發進程，當前我國600 km/h高速磁浮交通系統還處于線路試驗階段，尚無工程化應用示范線路，故本文以青島高速磁浮集成實驗中心試驗線為研究對象，并開展本系統方案研究與設計。

高速磁浮交通環境與災害監測預警系統由中心平臺、現場監測子系統和傳輸網絡組成，系統總體架構如圖1所示。

圖1 系統總體架構圖

(1)中心平臺

中心系統主要包括硬件設備(應用服務器、數據庫服務器、AI工作站、核心交換機、網絡通信設備、監測終端、顯示大屏等)與軟件系統(操作系統、數據庫、業務應用軟件等)。

中心平臺設置于運控中心，服務器及網絡設備設置于運控機房。

(2)監測子系統

本項目考慮試驗線的實際建設情況，結合功能展示需求及效果，將監測子系統分為：室外監測、室外試驗和室內試驗3種類別，如表3所示。

表3 監測子系統分類表

室外監測類子系統將監測設備(傳感器)置于實驗線的室外線路旁(包括庫內線路)及線路上，通過監測設備在線監測。

室外試驗類子系統將監測設備(傳感器)置于實驗線的室外線路旁，通過現場試驗實現對監測功能的演示及實時展示。

室內試驗類子系統將監測設備(傳感器)置于室內，通過室內擬等方式進行監測功能的演示。

(3)傳輸網絡

傳輸網絡主要包括骨干通信網絡和現場數據接入網絡。

① 骨干通信網絡

骨干通信網絡實現現場采集匯聚的數據傳輸至運控中心，由匯聚核心交換機和光纜組成，組網采用星型組網方式。

② 現場數據接入網絡

現場數據接入網絡包括有線接入和無線接入兩種。

其中，現場氣象(風、降雨、氣溫、降雪及冰)監測、道岔監測、異物侵限監測等傳感器數據通過RS-485協議匯聚于現場數據采集器，并通過接入層交換機接入骨干傳輸網絡，實現數據回傳。周界入侵監測系統中的傳感光纜直接在骨干光纜分歧處熔接，接入骨干傳輸網絡。位于機房內的地震監測數據通過網線接入核心交換機，實現數據傳輸

模擬地災監測、沉降監測現場傳感網組網，設置無線自組網，通過無線主站接入骨干傳輸網，實現數據回傳。

2.3 關鍵技術與創新

(1)中心軟件平臺

該軟件平臺實現高速磁浮道岔及軌道梁監測、周界報警、地質災害、橋梁沉降、氣象監測等多專業的監測數據匯聚，并支持利用智能分析、大數據處理等手段對信息進行深度融合，采用直方圖、曲線、2.5D立體圖像、實時視頻等可視化方式對信息進行多元展示。

(2)軌面積雪結冰監測

本系統采用遙感式的監測方式，針對高速磁浮運行環境對軌面結冰和積雪的指標要求，通過對當前可行技術手段進行分析。由于受限于遙感式軌面傳感器測量量程，提出以遙感式冰雪厚度傳感器與激光雪深計進行組合，根據水的多相態對不同波長光的吸收也不同，導致其光譜屬性發生改變的光學原理，實現軌面的冰和雪狀況檢測與區分，然后采用光電子/激光測距技術，并研究設計融合分析算法，實現各種天氣狀況下遠距離、毫米級精度的冰雪深度測量。

(3)異物侵限監測報警

在各種天氣和氣候條件下，針對在路基地段可能威脅到列車正常行駛的落石、闖入人員等各類異物，采用激光雷達掃描、智能視頻識別、系統聯動控制等多傳感融合技術實現異物入侵自動監測，利用前端設備內置的算法實現對侵限異物的快速、準確識別，同時對告警目標進行定位、跟蹤、放大，并快速傳遞告警信息。

(4)道岔及軌道梁檢測

系統包括軌道梁及道岔多斷面位移、加速度動態響應監測，基于時頻分析技術和歷程數據統計，可實現軌道梁及道岔工作狀態、統計指標的的精確監控及異常振動預警。通過后臺分析軟件可實現軌道及道岔梁的受力狀態，結構應力分析。結合車輛運行數據可實現車軌相互作用、懸浮狀態及耦合作用分析，為車輛系統、懸浮導向系統及軌道系統試驗、設計及改進提供基礎數據。

3 實施與部署

3.1 高速磁浮試驗線

本文研究的高速磁浮交通環境與災害綜合監測預警系統擬在高速磁浮集成實驗中心開展試驗研究，在實驗中心已建成高速磁浮試驗線，試驗線全長664.608 m，其中室外軌道長406.45 m，如圖2所示。

圖2 高速磁浮集成實驗中心試驗線圖

該試驗線定位為高速磁浮線路試驗平臺，可進行高速磁浮各子系統在不同工況下的綜合測試及驗證，為方便試驗工作的開展，試驗線與高速磁懸浮制造及檢修維護基地有機銜接。

3.2 總體平面布置

本文結合高速磁浮集成實驗中心的現場條件、考慮各項監測預警功能的實現等因素，研制并部署建立了高速磁浮交通環境與災害綜合監控預警樣機系統，實現數據采集、監測報警、災害或事件預警、數據存儲及圖形化展示等功能。

經過現場踏勘調研，本項目中各子系統的總體平面布置如圖3所示。

圖3 總體平面布置示意圖

(1)氣象監測系統

風、雨、溫度監測設備設置在線路末端電力箱變房屋附近，降雪、結冰監測設備設置在軌旁變電站附近，均采用立桿方式安裝。

(2)周界入侵監測系統

熱成像攝像頭采用立桿方式安裝設置在軌旁變電站附近；光纖沿線路兩側軌旁柵欄敷設。

(3)異物入侵監測系統

異物入侵監測設備設置在線路末端防撞墻上，通過支架固定。

(4)軌道梁及道岔監測系統

軌道梁及道岔監測設備分別設置在道岔梁、道岔梁前后各1孔混凝土梁，共3孔梁作為監測點。

(5)地質災害監測系統、沉降監測系統、地震監測系統監測系統設備均設置在運控中心機房內。

4 結束語

本文首先根據600 km/h級高速磁浮車輛對其主要運用環境提出的要求，對系統監測需求進行了分析，梳理出了高速磁浮列車運行環境監測對象以及基礎設施監測對象。進一步根據監測需求，制定了1套由中心平臺、監測子系統和傳輸網絡3部分構成的系統架構，提出了中心平臺的詳細設備構成以及骨干通信網絡的組網方式和無線數據網絡接入方式，并對系統中涉及的關鍵技術與創新進行了闡述。針對高速磁浮集成實驗中心的現場條件提出了現場實施方案。根據該方案，可以有效將本文提出的監測和預警系統在實驗中心進行部署，為系統功能驗證和高速磁浮列車運行的聯調聯試提供有效支撐。