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结合沪宁城际铁路浅谈高铁防灾系统的运用与发展
安全是是所有交通运输方式顺利运营最核心、最关键、最根本的先决条件。高速铁路由于列车高速度、高密度运行、以客运为主，与其它运输工具相比较其安全保障体系要求更加严密，对安全保障体系提出了更高的要求。高速铁路发达的日本、法国、德国，以及依靠技术引进的西班牙、韩国和我国台湾高速铁路，都经历过严峻自然灾害的考验，为了将灾害损失程度降至最小，均采用了先进的灾害防护技术加强对灾害的有效防护。日本除在沿线(大部分在变电所)设臵加速度报警检测仪及显示用地震仪外，东北、上越、长野新干线还沿海岸线设臵地震监测系统，以便提前检测到40 Gal以上的地震波。2011年日本发生“3〃11”大地震时，以270公里时速运行在东京和青森以及福岛与岩手之间的23趟列车全部安全停车。法国高速铁路采用了以机车信号为主的列车自动控制系统。法国高速铁路沿线设有防护开关和应急电话，法铁还和国家地震局在地中海线设臵了地震监测系统。但与日本不同的是，法国防灾安全监控由诸多独立运行的监测系统构成，各监测系统并未进行综合。德国高速铁路采用了新型防灾报警系统MAS90，除可监督线路装备的运用状况外，还可识别和及时报告环境对行车安全的影响，以及移动设备发生破损的情况。
截止2013年9月26日，我国已经拥有全世界最大规模以及最高运营速度的高速铁路网，高铁总里程达到10463公里，“四纵”干线基本成型。由于地域辽阔，地形复杂，加之全球气候异常，近几年铁路运输频频遭到风、雨、雪、地震、落物等灾害的侵袭，平均每年造成运输中断100余次，相关事故案例比比皆是：2011年11月6日北京局津山线k367+200处一辆重型水泥罐车由上跨桥坠入线路中断行车3小时45分。2007年2月28日，由乌鲁木齐开往阿克苏的5807 次旅客列车，行至南疆线珍珠泉至红山渠间K42+300 时，因大风造成机后9至1 9位车辆脱轨，事故造成3名 旅客死亡，两名旅客重伤，32名旅客轻伤，南疆线被 迫中断行车9小时。2008年5月12日汶川地震，成都铁路局穿红线 K52+459柿子坪大桥支座螺栓剪断，连接断裂、桥梁 移位，线路变形。为了应对上述各种自然灾害，我国高铁防灾系统经过10余年应用实践从无到有的积累了相当丰富的经验，形成一套体系完善、设备先进、稳定可靠的灾害监测体系，已经可以有效应对，风、雨、雪、洪水、地震、侵限异物等自然灾害，实现预警防护功能。京津城际作为国内第一条高标准、设计时速为350公里的高速铁路，首次提出并实施了客运专线防灾安全监控系统的解决方案，并于2008年7月30日通过铁道部会同科技司、建设司、安监司、鉴定中心在北京组织召开的技术评审。京津城际防灾系统包括大风监测和异物侵限监控两个子系统，全线共设臵12处风监测点，5处异物侵限监控点。石太客运专线因为地处山区，因此，除了有大风监测和异物侵限监测外，还有雨量监测。京沪高铁2011年6月13日首次设立地震监控子系统，全线共计地震监控点31处，一旦监测到地表不规则震动，可直接向列车供电系统、信号系统发出指令，在第一时间使得列车降速乃至停车。在提供远程实时监测与报警的同时，实现所触发事件的完整记录，为地震研究工作者提供了宝贵的一手资料。目前国内参与防灾系统研制的厂商主要有佳讯飞鸿、世纪瑞尔、辉煌科技，以及江苏今创安达交
通信息技术公司，今创安达中标了甬台温 线、温福线、郑西线、福厦线，世纪瑞尔中标了石太客运专线、武广客运专线等，辉煌科技中标了海南东环线，佳讯飞鸿产品已经在合武线客运专线得到了应用。
沪宁城际铁路防灾系统提供方为河南辉煌公司，该系统由风、雨以及异物侵限现场监测设备，现场监控单元，苏州站监控数据处理设备，各工务终端，上海调度所设备与传输网络等组成。由风监测子系统、雨量监测子系统以及异物侵限监控子系统集成，以下将对三个子系统进行详细介绍。风速风向监测子系统
沪宁城际铁路设计时速300Km/h，根据气象资料显示长三角地区，7级（13.9~17.1m/s）大风时有发生，特大桥之上风速更高，风速风向监测子系统是本线不可或缺行车安全防护设备。系统主要由现场采集设备、室内采集模块与上位机处理显示模块组成。
现场采集设备由风速风向计以及专用的接线盒、传输电缆构成。风速风向计安装在特大桥接触网支柱上，为降低线杆和支架对检测的影响采用“T”型安装支架安装，高度距轨面4m，并且两个风速计安装在两个不同的水平高度，伸出接触网杆的架子长度为2.0m；接线盒采用抱箍式安装在接触网支柱底部；传输电缆可埋入桥上两侧的电缆沟再进入通信基站。每个布设点设臵两个风速风向仪是为了避免因单个风速采集设备的误差或漏报。目前国内外的风速风向计设备种类很多，主要分为三杯式、螺旋桨式、超声波式与热场式四种。国外运营的高速铁路主要使用的是螺旋桨式与超声波式、我国京津城际使用的是热场式，乌鲁木齐局主要使用螺旋桨式，我国气象部门主要使用螺旋桨式与三杯式。螺旋桨式与三杯式由于维护量大不适用于高铁天窗修的管理模式。热场式测量精度较高、测量范围大，但是对外部温差精度要求较高，当温度偏低时，有一定的误差。沪宁城际铁路最终采用了超声波式风速风向计，该风速风向传感器又名气象变送器，同时具有风速、风向及雨量多重监测功能，既节省成本更能减少维护工作量。为适应复杂、恶劣的环境，风向计的密封施工等级要求达到了IP66。室内采集模块集成于通讯主机，和现场风速风向计相连用于采集风速风向实时数据，通过网络将监测到的数据上送至应用服务器。上位机处理显示模块由系统软件实现，主要安装在应用服务器、工区终端、调度所终端。应用服务器接收、分析、处理、转发、存储各监测点上报的实时风速风向数据，工区终端与调度所终端用于显示风速风向数据和查询历史风速风向数据。
系统功能包括大风监测报警功能、大风监测预警功能。大风监测报警功能即风速风向实时监测报警功能，是风速灾害子系统的基础功能。大风监测报警时限目前按风速达到报警门限不大于9秒钟报警设定；解除报警时限可按大风降级后不大于6分钟设定；实际运用中，积累更多沿线风特征观测数据后，可以在导向安全的原则下对该组数值进行微调，尽量延长报警时限并缩短解除报警时限，将运营损失控制到最小。关于大风监测预警功能，目前防灾暂行标准风速报警分为四个级别，15，20，25，30km/h的风速对于行车速度都有限制要求，而当风速达到或超过30Km/h时，要求列车不能进入风速区间。如果没有风速预测功能，有可能会发生该区段发生大风时而列车又已经
进入该区段，此情况依然存在行车颠覆事故的可能性。要杜绝此类情况的发生，只有对于风速进行准确预测，并实时通过行车指挥调度系统或列控临时限速终端对于行车进行控制。目前我们针对风速预测研究需要实现实现实时准确监测、划分预测区域与模型，推算风速预测并试验、与CTC或列控系统联调试验等步骤。
风速风向监测子系统共性的技术难点包括：风速计如何布点、风速预测、过滤列车瞬时风、报警判定与解除，后期运用中还需与相关科研部门合作进行攻关研究，进一步完善风速预警、风速布点、过滤列车瞬时风等重要功能。
雨量监测子系统
雨量对于高速列车行车而言危害并不大，尤其是当高速铁路建设选用无砟轨道以后，雨量对于直接影响行车的危害将为更低，但是对于统计分析其他由雨量间接带来的灾害有很大的帮助，沪宁城际铁路防洪技术标准的制定就以该系统监测数据为基础。
关于监测点的布设前文已经讲到，我们采用了风雨监测集成功能的传感器，而且绝大多数监测点都是同址设臵。目前，国内气象部门使用较多的是翻斗式雨量计与虹吸式雨量计，我们选用的集成雨量计采用非机械式结构的声学原理测量降水，通过探测单独雨滴的撞击力，产生的信号与雨滴的大小成正比，然后再将每一滴雨滴的信号大小加起来转换成累计的降雨量。传统的雨量计相比对降水测量更加精细，能够测量累计降雨量，降雨强度和降雨持续时间--都是实时的，测量原理消除了因灌入，阻塞，内壁潮湿和蒸发等原因所带来的误差。
监测方式分小时降雨量及24小时降雨量+小时降雨量两种，根据降雨对基础设施的影响情况，分别制定了“小时降雨量”和“24小时降雨量+小时降雨量”报警门限值。系统具备雨量监测报警功能之后，当发生雨量报警，CTC通过防灾通信服务器接收到雨量报警信息并弹出提示，列车调度员查看防灾终端确认雨量报警后利用调度电话及时向相应列车的司机发布暴雨临时限速命令；同时列车调度员借助CTC终端和临时限速操作终端，以设臵和取消临时限速为手段，使列车自动限速运行。
异物侵限监控子系统
由于异物侵限事件的发生具有突发性、无规律和不可预测等特点，我们借鉴国外发达国家的方式采用先进技术监测异物侵限事件，在列车到达侵限地点前发出报警，控制列车停车，并将侵限信息实时传到行车调度中心，保证列车运行安全，为下达行车控制、维修管理等指令提供依据，避免重大行车事故发生。目前主要针对公跨铁、隧道口、公铁并行三种地段进行监测。
系统由现场监测单元、基站处理单元、通讯处理单元、应用层处理显示单元四个分组成，其主要组成部分为现场监测设备，而通讯主机、应用层设备与风、雨共用。现场监测单元由双电网传感器、金属防护网（承重网）、轨旁控制器、传输电缆等组成。双电网传感器相比国外红外对射、视频智能识别等方法具有抗干扰性较强、便于安装、投资小的优点。由于沪宁城际铁路开通时间较早、上跨公路建成时间各异，现场双电网监测传感器并不统一，主要要有悬臂式、挂篮式、L竖立式三种。
悬臂式 挂篮式 竖立式
悬臂式由于支架系统采用H型钢架，导致自重过大，不适用于高铁安全标准，目前只有三座桥采取该种方式设臵，已列入整改范围。挂篮式是在悬臂式基础上改良之后安装手段，虽然已经解决了自重过大的弊端，但有不足之处：第一，如果落物轨迹较高，很有可能跨越网片直接坠入线路；第二，没有合理设臵承重结构，不利于检查维护。最后一种竖立式是运技基础„2010‟739号文件所规定的标准安装，有竖直监测电网、水平承重网、“L”型支架等三部分组成。竖直监测网高2米，可以拦截高抛落物；水平承重网可以供检修人员站立，避免直接站立于监测电网导致误报警，很好地弥补了挂篮式网片的弊端。隧道口监测单元目前只在横切铁路上方设臵了双电网监测器，沿线路两侧采用了预应力锚杆、挡墙、被动防护网等传统的保护措施，没有实现监测预警功能的设备，建议后期条件成熟时设臵光纤传感器填补该项空白。光缆监测方式是在沿线布设光缆，由源点发出光信号，经各监测点后再返回源点，各监测点通过光信号的衰减判断是否发生侵限情况及危害程度，非常适合依托于铁路沿线的全封闭防护栅栏与大面积被动柔性防护网对滚石破网侵限进行长期的自动监测。根据铁路防护栅栏的受力特点，可选择使用光纤光栅振动传感器进行监测，当防护栅栏受到滚石撞击时，撞击位臵可根据不同振动传感器感受冲击信号的时间先后来判定，受到损伤的程度由振动传感器感测的冲击幅度和冲击距离来综合判断。
现有异物监测子系统功能通过基站的列控接口实现，选用了简单、稳定、可靠的继电器接口；且考虑到现场环境恶劣，防灾机柜离列控设备地点距离远，在基站防灾机柜中安装有异物设备继电器，并在车站或中继站的列控设备端设臵异物设备监测继电器（此继电器被防灾机柜内的继电器驱动），继电器之间直接采用传输电缆连接。当一层电网断线时，防灾系统只发出报警，不触发列控、联锁系统；只有二层电网同时断线时，系统认定有异物侵限，并将异物侵限信息分两路同时输出，一路通过以太网通道传至办公楼的防灾监控数据处理设备对信息进行处理并将信息传到防灾终端显示报警信息；另一路驱动电路将驱动防灾机柜内的继电器落下，同时带动与之相连的列控设备端继电器落下，使得异物侵入的区段防护信号机显示禁止信号，将控制列车在相应的闭塞分区外停车，从而保证行车安全。这种控制方式虽然以导向安全为原则，但由于存在与列经系统的接口，且该接口结构复杂复杂，继电器相互之间连接电缆太长，使整个系统故障概率增大、故障影响范围扩大化，不利于系统升级、故障处理等日常养修工作。近期有专家通过对福厦、厦深高铁防灾系统的研究，提出了将防灾异物子系统与列控系统分离的改进方案，通过轨旁控制器将双电网传感器、上行轨道、下行轨道进行连接，实时采集、显示双电网传感器的状态，并接受基站设备的指令。无异物侵限时轨旁控制器的异物侵限报警继电器励磁吸起，此时防灾异物侵限子系统所防护在轨道电路区段视为空闲，如出现异物侵入导致双电网断线后，轨旁控制器的异物侵限报警继电器失磁落下，此时防灾异物侵限子系统所防护在轨道电路区段视为占用，轨道电路红光带，信号系统自动采集，该区段防护信号机显示禁止信号；由于轨旁控制器直接与上、下行轨道相连，直接反映轨道区间的状态，减少了关联点，若可以更直接、更快捷的判断故障。通过以上改进，保证了两个系统的独立性和完整性，最大程度减小防灾施工对铁路运输的影响，使检修更加简便。具体到实施阶段还需要在设计中重新确定防灾系统对轨道电路占用或者空闲状态的确认权，研发相应的轨旁控制器的，才能更加完善。
沪宁防灾系统作为一个集成系统，架构时考虑集成系统包含子系统的不确定性，预留多种子系统的接入条件与接口。目前系统设计的灾害监测有风、雨、异物、三种，沪宁城际在后续监测的灾害种类可能会添加雪深、轨温、地震等灾害监测内容。而防灾系统的拓宽应用不光是对外部环境对线路的监测，随着设备的逐渐完善我们可以尝试对沿线隧道、长大桥梁、易沉降路基等基础设备实施实时监控，使设备状态安全可控，并发挥沪宁城际铁路多专业综合管理模式的优势。
虽然还不能尽善尽美，但经过十年发展我国高铁防灾系统从是管理模式到技术应用已经具有相当坚实的研发基础和经验积累，源源不断地新思维、新理念定能催生出更广阔得前景。进一步的发展需要还结合我国高铁自身特点，参照其他行业防灾经验，联合我国气象、地震等专业研究机构共同攻关，使之更加符合不同地域、不同速度的线路的安全需求，最终形成具有世界领先水平的高铁防灾安全监控系统研发应用平台。
高速铁路防灾安全监控系统是铁路信息化的一个新领域，与列车运行安全密切相关，具有实时性强、可靠性高、涉及面广、专业性强、优化周期长等特点，因此系统建设总体思路是借鉴客运专线运营调度、客运服务、动车组管理等系统建设方式，充分体现“先进、成熟、经济、适用、可靠”的十字方针，通过引进消化国外防灾安全监控系统的先进技术和成熟经验，结合我国高速铁路的运营特点，参照我国核电站、三峡大坝、管道运输等其他行业防灾经验，联合我国气象、地震等专业研究机构共同攻关，实行自主创新，大胆探索，建立符合我国高速铁路要求，具有世界先进水平的防灾安全监控系统，对保障高速
高速铁路防灾安全监控系统是一 项跨专业的系统工程，涉及到工务、信 号、通信、供电、信息等多个部门。以工务为牵头 单位，按照专业相近的原则，将系统设 备划归有关单位管理，各设备单位作为 第一具体责任人，对系统负管理责任。各设备管理单位针对设备的特点制定了运用管理办法和日常检查制度。综上所述，高速铁路防灾安全监 控系统是伴随着高铁的开通运营而出现 的新生事物，难免存在缺点和不足。在运营初期，系统多次发生故障报警，但系统一直坚持一个原则，即故障导向安全。不过，故障毕竟影响了列车的运行秩序，系统还需进一步完善。同时，系统功能还需进一步拓展，扩大灾害监测范围和项目，使高铁安全时刻处在有效监控之中。未来几年内，我国将大规模修建、开通运营高速铁路，借鉴京津城际、石太客运专线防灾系统的经验，不断探索建设符合中国高速铁路特点的安全保障体系是贯彻以人为本理念、切实保障人民生命财产安全的具体体现。
