高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展研究

摘要：高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)是保證高速列車運(yùn)營安全的重要裝備之一。該文基于中國高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀，分析了國外災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)情況和技術(shù)水平，闡述了中國高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展歷程、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系、關(guān)鍵技術(shù)等內(nèi)容，探討了系統(tǒng)當(dāng)前存在的問題，提出了發(fā)展方向和技術(shù)創(chuàng)新建議。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.08.018

中圖分類號：TP 3；U 298" " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2024）08-00-03

Research on the Development of High Speed Railway Disaster Monitoring System Technology

WANG Xinyu， LI Zhihong

（China Railway Electrification Bureau Group Co.， Ltd.， Beijing 100036，China）

Abstract： The high-speed railway disaster monitoring system is one of the important equipment to ensure the safe operation of high-speed trains. This article is based on the current situation of China's high-speed railway disaster monitoring system construction， analyzes the construction and technical level of foreign disaster monitoring systems， elaborates on the development history， technical standard system， key technologies， and other contents of China's high-speed railway disaster monitoring system， explores the current problems of the system， and proposes development directions and technical innovation suggestions.

Keywords： high-speed railway; natural disasters and foreign object intrusion monitoring system

0" "引言

自2009年底武廣高速鐵路客運(yùn)專線開通，我國鐵路發(fā)展步入高速鐵路時(shí)代，為確保高速列車的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，鐵路災(zāi)害監(jiān)測防護(hù)部門廣泛深入開展關(guān)鍵技術(shù)研究，逐步形成了符合我國高速鐵路運(yùn)營需求的高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)（全稱：高速鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)）[1]。系統(tǒng)運(yùn)用信息化、分布式計(jì)算、智能傳感器等技術(shù)，對高速鐵路沿線的風(fēng)速風(fēng)向、雨量、積雪深度、地震以及上跨鐵路橋梁的異物侵限等信息進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測及數(shù)據(jù)處理，按預(yù)設(shè)的報(bào)警閾值和行車管制預(yù)案分級下達(dá)列車運(yùn)行限速指令，為保障行車安全提高運(yùn)輸效率提供科學(xué)決策支持。

1" "國外現(xiàn)狀

法國、德國、日本等高速鐵路技術(shù)發(fā)達(dá)國家，較早開始在鐵路沿線自然災(zāi)害對高速運(yùn)行列車的影響研究，并根據(jù)各自國家的地理環(huán)境特點(diǎn)，結(jié)合鐵路運(yùn)營管理模式建設(shè)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)。

1.1 法國

法國高速鐵路在列車自動控制系統(tǒng)中[2]，除速度自動控制之外，還增加了自然環(huán)境和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)，對風(fēng)、雨、雪進(jìn)行監(jiān)測，為列車自動控制提供參考。但其災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)由諸多獨(dú)立運(yùn)行的監(jiān)測子系統(tǒng)構(gòu)成，并未整合在一起[3]。其風(fēng)監(jiān)測子系統(tǒng)運(yùn)用在線監(jiān)測的實(shí)時(shí)風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓以及相對濕度等數(shù)據(jù)，采用流體力學(xué)計(jì)算方法將監(jiān)測點(diǎn)的風(fēng)速信息預(yù)測外推至沿線各點(diǎn)，解算不同行車時(shí)速等級的風(fēng)速閾值曲線CWC，進(jìn)一步計(jì)算高速鐵路行車安全的分級減速曲線；其異物侵限監(jiān)測子系統(tǒng)通過前端傳感器對侵入鐵路限界的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測；其地震報(bào)警子系統(tǒng)通過在沿線設(shè)置地震傳感器，實(shí)現(xiàn)相鄰連續(xù)多點(diǎn)的地震動加速度監(jiān)測報(bào)警，并通過與國家地震部門確認(rèn)，向信號系統(tǒng)發(fā)出控車命令。

1.2 德國

德國高速鐵路自然災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)，在風(fēng)監(jiān)測上多采用擋風(fēng)墻的方式進(jìn)行主動防御，重視隧道、地震等險(xiǎn)情的監(jiān)測。例如，“MAS90”[4]型防災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，通過車地?zé)o線通信的方式將行車控制、故障監(jiān)測、診斷以及維護(hù)一體化集成，將線路固定裝備和行車設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境對行車安全的影響統(tǒng)一管理。系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在全線不同區(qū)域設(shè)置中央控制單元（SZE），實(shí)現(xiàn)中央控制單元、現(xiàn)場記錄報(bào)警單元（MRE）以及行車設(shè)備之間的信息和命令交換。

1.3 日本

日本新干線在災(zāi)害監(jiān)測領(lǐng)域十分重視信息集成管理和數(shù)據(jù)共享，其將災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)納入綜合運(yùn)輸管理系統(tǒng)（COSMOS）進(jìn)行集成管理，實(shí)現(xiàn)了對沿線的風(fēng)、雨、雪深、異物侵限、地震、洪水及軌溫異常等災(zāi)害的全面監(jiān)測，災(zāi)害監(jiān)測及報(bào)警信息全部匯總至中央調(diào)度控制室，當(dāng)有災(zāi)害報(bào)警或突發(fā)事件時(shí)，立即發(fā)布報(bào)警信息并可聯(lián)動相關(guān)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對運(yùn)行列車的分級控制。在地震監(jiān)測預(yù)警方面，實(shí)現(xiàn)了與海岸地震監(jiān)測點(diǎn)的信息交互和共享，并進(jìn)一步與日本氣象廳地震監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)互聯(lián)互通，最大限度地實(shí)現(xiàn)地震監(jiān)測預(yù)警臺站的聯(lián)合運(yùn)用。

2" "國內(nèi)現(xiàn)狀

2.1 系統(tǒng)建設(shè)情況

截至2017年底，我國高速鐵路運(yùn)營里程已突破2.5萬千米，災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)同高速鐵路同步投入使用，針對影響高速鐵路列車運(yùn)行安全的沿線風(fēng)、雨、雪、地震等自然災(zāi)害及上跨鐵路的道路橋梁的異物侵限提供技術(shù)防護(hù)，系統(tǒng)各部分組成如圖1所示。

2014年之前建設(shè)的災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)由現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備、監(jiān)控單元、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理設(shè)備、監(jiān)測終端及傳輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，并與信號、牽引變電等系統(tǒng)聯(lián)動，線路中心系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。按線建設(shè)的災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理設(shè)備彼此之間沒有聯(lián)通，系統(tǒng)硬件資源、監(jiān)測數(shù)據(jù)信息無法共享；不同設(shè)備廠家的組網(wǎng)方案、軟件平臺存在不一致性等導(dǎo)致占用空間大、建設(shè)成本高、運(yùn)營維護(hù)困難等問題。

在2014～2016年，災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)開始了路局中心建設(shè)工作，以滬昆高鐵湖南段、貴州東段和云南段災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)工程項(xiàng)目為依托，分別建設(shè)了廣鐵集團(tuán)、成都局、昆明局災(zāi)害監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)，2017～2018年以石濟(jì)客專和京沈客專遼寧段災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)工程項(xiàng)目為依托，建設(shè)了濟(jì)南局、沈陽局災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)鐵路局中心系統(tǒng)。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)體系

國內(nèi)鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)從設(shè)計(jì)、產(chǎn)品、工程實(shí)施到運(yùn)營維護(hù)的全過程已基本形成，在原中國鐵路總公司的統(tǒng)籌規(guī)劃下，近幾年陸續(xù)頒布了設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收、產(chǎn)品技術(shù)條件以及運(yùn)營維護(hù)管理等系列規(guī)范，完整的專業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系已基本形成，系統(tǒng)在工程建設(shè)、運(yùn)用過程中逐步進(jìn)入穩(wěn)定、優(yōu)化、合理運(yùn)用的關(guān)鍵時(shí)期。災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系如圖3所示。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)在傳感、通信、數(shù)據(jù)處理、信息化等技術(shù)基礎(chǔ)上，融合氣象、地震等專業(yè)學(xué)科，將這些數(shù)據(jù)信息經(jīng)鐵路通信承載網(wǎng)可靠傳輸至鐵路局中心設(shè)備，經(jīng)過鐵路局中心系統(tǒng)設(shè)備不同功能的服務(wù)器處理、存儲，生成災(zāi)害監(jiān)測、報(bào)警、預(yù)警信息并在監(jiān)測業(yè)務(wù)、監(jiān)測維護(hù)終端顯示，從而構(gòu)建成完整的鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)。

2.3.1 災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

（1）現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備（感知控制層）：包括現(xiàn)場采集設(shè)備、傳輸設(shè)備、監(jiān)控單元等。主要由現(xiàn)場風(fēng)速風(fēng)向、雨量、雪深、地震計(jì)、異物侵限電網(wǎng)傳感器以及現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸單元/現(xiàn)場控制器組成，傳感器通過自動感知外部物理信息并轉(zhuǎn)換為電信號傳輸至現(xiàn)場監(jiān)控單元設(shè)備，現(xiàn)場監(jiān)控單元通過監(jiān)控主機(jī)完成對現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的預(yù)處理并上傳至鐵路局中心設(shè)備。

（2）鐵路局中心系統(tǒng)（應(yīng)用層）：包括鐵路局中心系統(tǒng)、維護(hù)終端、客戶端設(shè)備等。通過中間軟件實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備和應(yīng)用軟件之間的物理隔離和無縫連接，進(jìn)行海量現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的高效匯聚、處理、存儲以及向各監(jiān)測終端的分配應(yīng)用。

2.3.2 災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

（1）現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備：運(yùn)用自動感知技術(shù)、傳感器設(shè)計(jì)、嵌入式技術(shù)、控制技術(shù)等。

（2）鐵路局中心系統(tǒng)：運(yùn)用數(shù)據(jù)處理技術(shù)（包括中間件與數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)、海量數(shù)據(jù)存儲與計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘等）、控制技術(shù)、信息安全技術(shù)等。

3" "系統(tǒng)升級建議

目前，災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)還存在諸多問題有待解決，例如，雨監(jiān)測系統(tǒng)存在雨量計(jì)采集偏差、無效報(bào)警、關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化替代等[5]；雪深監(jiān)測系統(tǒng)存在系統(tǒng)設(shè)置數(shù)量不足、標(biāo)準(zhǔn)劃分不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)葐栴}；異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)存在L型支架、電網(wǎng)墜落隱患等。

（1）大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用研究。①建設(shè)并充分利用鐵路局中心系統(tǒng)，規(guī)范基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建設(shè)并控制數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，對鐵路局管轄范圍內(nèi)的災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行資源整合。②進(jìn)一步加強(qiáng)鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測業(yè)務(wù)平臺建設(shè)，基于開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、多元化的設(shè)計(jì)原則，實(shí)現(xiàn)不同子系統(tǒng)的接入和系統(tǒng)數(shù)據(jù)的交互共享、深度挖掘和綜合利用，形成一套開放性的綜合型災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)用平臺。③深化設(shè)計(jì)階段布點(diǎn)評估，設(shè)計(jì)階段可充分利用當(dāng)?shù)貧庀缶值臍v史數(shù)據(jù)和地理信息，對監(jiān)測點(diǎn)的選點(diǎn)進(jìn)行評估，通過更復(fù)雜的數(shù)據(jù)收集、分析等方法優(yōu)化選點(diǎn)過程中人工干預(yù)占比。

（2）災(zāi)備及故障遷移技術(shù)的應(yīng)用研究。目前，無論是線路中心系統(tǒng)還是鐵路局中心系統(tǒng)，災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)在應(yīng)用層的服務(wù)器設(shè)備均采用雙機(jī)熱備方式，但存儲未備份。中心系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)一步對數(shù)據(jù)的備份存儲以及故障遷移等技術(shù)方案進(jìn)行深入論證、研究。

（3）國產(chǎn)化技術(shù)的應(yīng)用研究。隨著國產(chǎn)化技術(shù)在工業(yè)檢測、控制及信息化領(lǐng)域的應(yīng)用，既有災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備在設(shè)備底層邏輯、基礎(chǔ)硬件、核心算法軟件、服務(wù)器設(shè)備及通信系統(tǒng)等領(lǐng)域，存在國產(chǎn)化升級的需求，包括全國產(chǎn)化傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電能回饋等技術(shù)的應(yīng)用。

4" "結(jié)束語

災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)作為中國高鐵的重要組成部分，為充分發(fā)揮其輔助行車安全的作用，應(yīng)廣泛借鑒國外相關(guān)行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)及先進(jìn)技術(shù)，緊密聯(lián)系中國高速鐵路的業(yè)務(wù)需求，開展鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)領(lǐng)域及相關(guān)業(yè)務(wù)的高效融合應(yīng)用，最大限度地利用災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)平臺及數(shù)據(jù)優(yōu)勢，最終達(dá)到提升安全水平、提高運(yùn)營效率、優(yōu)化服務(wù)質(zhì)量的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1] 高速鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)總體技術(shù)方案（暫行）（鐵科技〔2013〕35號）[Z]．

[2] 劉巖．高速鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)可靠性研究[D]．北京：中國鐵道科學(xué)研究院，2015．

[3] 鄧寶東．沈丹客運(yùn)專線防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)研究[D]．成都：西南交通大學(xué)，2011．

[4] 中國鐵道科學(xué)研究院．國外高速鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)研研究報(bào)告[R]．2013．

[5] 范紅衛(wèi)．高速鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)化研究[J]．上海鐵道科技，2018（1）：34-35．

作者簡介：王昕煜（1982—），男 ，遼寧阜新人，高級工程師，研究生，研究方向?yàn)殍F路弱電安全監(jiān)測領(lǐng)域。

李芝宏（1988—），男 ，陜西商洛人，高級工程師，研究生，研究方向?yàn)殍F路弱電安全監(jiān)測領(lǐng)域。