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高速铁路运行安全检测监测与监控技术
文 / 何华武2016-06-23 09:37

前言:

截至2012年底,我国运营高铁里程达9 356 km,在建高铁有序、高效推进,已成为世界上高铁发展最快、规模最大的国家。高铁建设对构建综合交通体系,提高铁路客货运输能力,促进区域和城乡持续、协调发展,推进生态文明建设等作用巨大。 高铁是复杂的巨系统,任何子系统和设施、设备受自然和人为的作用,可能出现病害或故障,一旦防控环节处置不当,都可能对高铁运行品质和安全产生影响或 危及运行安全,极端情况下甚至车毁人亡,后果不堪设想。

高铁安全涉及从勘察设计、施工建造、调试验收到运营维护、检测监测、风险防控、应急处置的全过程。建设阶段要确保工程设施和设备质量,把隐患解决在运营之前。运营阶段要有效掌控固定设施、移动装备的运行状态和变化规律,形成安全风险识别、研判、防控、整除构成的闭路循环,最大限度地防控安全风险。 针对威胁高铁运行的安全风险,充分利用各种检测、监测与监控技术,加强设施和设备、列车运行、外部环境等的安全检测、监测与监控,掌握设备运行状态,采取针对性的防控和处置措施,是确保高铁运行安全的重要技术支撑。同时,研究成果也对提升高铁勘察设计、施工建造、设备研制、建设管理水平起重要作用。


1、高铁综合检测

  高铁普遍采用综合检测列车进行固定设施的安全检测。我国先后研发了0号、CRH380A-001、CRH380B-002专用高速综合检测列车,加装改造了CRH2-010A、061C、068C、150C等高速综合检测列车。 综合检测列车应用当今先进检测技术,实现多项目、高速度、高精度的综合检测,每10~15 d对高铁线路固定设施检测一遍,成为保证运行安全不可缺少的重要装备。新一代CRH380A-001、CRH380B-002综合检测列车集成了轨道、弓网、动力学、通信、信号和综合系统6大系统(见图1),能够满足350 km/h等级高速综合检测。

  1.1 检测系统

  (1)轨道检测。

  具有轨距、轨向、高低、水平、三角坑等轨道几何参数检测功能。采用捷联式检测系统结构;解决了轨道长波不平顺毫米级精度检测难题;采用多维惯性基准技术实现了大半径曲线精确测量。

  (2)弓网检测。

  具有接触网几何参数、弓网动态作用、接触线磨耗和受流参数检测功能。突破高速图像处理算法,提出非线性摄像机标定模型;实现接触网几何参数与弓网动态作用参数测量的合成。

  (3) 轮轨动力学检测。

  包括车体加速度、轮轨作用力检测,测力轮对高精度连续测量,通过列车动态响应特性评价轨道平顺性。

  (3) 轮轨动力学检测。

  (4)通信检测。

  具有GSM-R场强覆盖、应用业务服务质量检测及评定功能,沿线电磁环境干扰检测和分析功能。

  (5)信号检测。

  具有轨道电路、应答器、车载ATP等技术参数检测功能。建立了轨道电路、应答器传输模型,实现轨道电路、应答器信号采集和实时分析;解决了动态无接触方式无砟轨道补偿电容状态检测难题。

  (6)综合系统。

  具有检测列车精确定位和监测信息实时传输等功能。系统利用多种定位技术实现精确定位,实现了各检测系统的空间同步、时空校准、数据交换和集中监控。

  1.2 检测数据分析处理系统

  建立了综合检测数据分析处理平台,实现数据集中存储管理,通过综合分析研究,评价基础设施的运用状态,预测基础设施状态变化趋势和演变规律,提出养护维修建议(见图2)。

  1.3 基础设施专业检测

  为满足线路限界、轨道状态、钢轨探伤、接触网等检测需要,配置了轨道检查车、钢轨探伤车、限界检查车、接触网检查车、电务检查车等适合各专业检测的专用检测装备。
 

2、牵引供电检测监测

  通过高速接触网悬挂参数、弓网运行参数、接触网悬挂、腕臂结构、附属线索和零部件的检测,动车组受电弓滑板状态及接触网特殊断面和地点的实时监测,接触网运行参数和供电设备参数的在线检测等,实现对牵引供电系统的综合检测监测,为供电设备的故障分析、养护维修提供技术依据。

  2.1 接触网安全巡检(CCVM) 通过便携式视频采集设备,完成指定区段接触网状态检测,分析接触悬挂部件技术状态。

  2.2 接触网运行状态检测(CCLM) 具备接触网动态几何参数测量(动态拉出值、接触线高度、线岔和锚段关节处接触线的相互位置)、接触网主要弓网受流参数测量(弓网离线火花、硬点)、接触网绝缘子的绝缘状态测量等功能。实现接触网状态的动态检测。

  2.3 接触网悬挂状态检测(CCHM) 具备接触线几何参数、接触网接触悬挂、绝缘部件、线路开关、拉线、横跨、上跨桥及线夹、吊弦、定位管等技术状态检测功能(见图3)。

  2.4 受电弓滑板监测(CPVM) 在车站、动车组出入库区域、车站咽喉区安装受电弓滑板监测装置,监测动车组受电弓滑板的技术状态,及时发现运营动车组受电弓滑板的异常状态(见图4)。

  2.5 接触网及供电设备地面监测(CCGM) 在接触网特殊断面(如定位点、隧道出入口)及牵引变电所设置监测设备,监测接触网张力、振动、抬升 量、线索温度、补偿位移,监测供电设备的绝缘状态、电缆头温度等参数。

  2.6 系统建设规划 首先,对已有分散检测、监测设备进行功能完善、技术集成,形成分层分布式结构,使之成为具有综合处理功能的检测与监测平台,指导供电设备的日常维护和维修。第二,对各检测、监测数据库进行综合分析、专家诊断,成为具有开放式设计构架,能兼容接入其他智能检测、监测设备,保障供电设备安全运行。

  2.7 综合SCADA系统 主要由控制中心(CCR)、远动终端(RTU)和通信网络构成,覆盖沿线牵引变电所、分区所、AT所、开闭所和电力配电所。 系统对电气化铁路现场设备进行监视和控制,实现设备状态的信息采集、故障分析、设备控制以及故障报警等功能,高铁SCADA系统纳入综合调度系统,在线实时监控设备运行状态,以保障供电设备安全运行、故障及时有效处理。


3、通信信号监测预警

  3.1 GSM-R系统安全监测技术

  铁路GSM-R系统除承载调度语音通信、无线调度命令和车次号信息的传送外,300 km/h及以上的高铁还承载了CTCS-3级列控业务。

  (1)GSM-R网管监测。GSM-R网管可实现安全管理、配置管理、告警管理、故障管理等功能,实时监测系统设备的工作状态,并实现设备故障定位(见图5)。

  (2)GSM-R系统接口监测。对GSM-R网络重要接口进行实时监测,跟踪网络接口的信令和业务数据,提供GSM-R在线用户监测、网络状况监测、网络异常事件分析、历史数据查询和综合报表生成等功能,实现CTCS-3级列控数据传输业务的信令和数据的跟踪。

  3.2 信号系统安全监测技术

  (1)信号系统集中监测。高铁设置了全程联网的信号集中监测系统,具有自诊断、检测、报警、信息储存、状态再现等功能。 CBI(计算机联锁)、TCC(列控中心)、RBC(无线闭塞中心)以及ZPW2000轨道电路分别配置各自的电务维修机,实时显示设备工作状态、自诊断信息以及设备运行、操作信息及记录。 信号集中监测系统对道岔转撤机、信号机、轨道电路、信号电缆、电源屏等信号设备进行实时监测(见图6),与ZPW2000轨道电路及CBI、TCC、RBC等设备的维修机以通信接口方式连接,获取其监测信息,是防控行车安全风险、加强设备管理的重要行车设备。 信号集中监测系统把传感器、现场总线、计算机网络通讯、数据库及软件工程融为一体,对信号设备实现不间断的自动实时监测,记录信号设备的运行状态,为掌握设备的当前状态和事故分析提供依据。当信号设备出现异常时,可及时进行报警,防止因设备故障或违章操作影响安全。

  (2)列控系统运行状态安全监测。列控车载设备是保障高速列车安全运行的关键设备,通过列控设备动态监测系统(DMS)可实现对列控车载设备的实时监测。 DMS由列控车载信息采集装置、地面数据中心和查询终端组成,实时采集列控车载设备(ATP)、地面应答器、轨道电路和RBC信息,对列控车载设备进行在线监测,及时指导设备故障处理与维护。

  3.3 列车追踪接近预警系统 当同一线路上前、后列车距离达到接近预警条件时,列车追踪接近预警系统报警并提示司机采取相应措施。系统采用以卫星定位为主,以应答器编号信息等作为校验手段确定动车组运行位置,利用GSM-R/GPRS网络作为传输平台,实现动车组追踪接近预警功能(见图7)。 经过系统方案研究、设备研发和仿真试验,在京沪高铁及汉宜线进行实车试验验证后,正在沪宁、武广高铁试用考核,成熟后扩大应用。

4、列车运行状态监控

  4.1 运行状态监控系统

  系统以信息网络技术为平台,以现场总线、故障诊断、无线传输、专家系统、数据库等技术为手段,以动车组运营安全为目标,实现主要设备的状态监测、数据采集、网络传输、故障处理、远程监控、安全防护等功能,确保列车运行安全。 系统从3个层面实现对动车组的安全监控,分别为车载监控、远程监控以及地面监控。

  (1)车载监控系统。主要监测动车组性能、功能及主要部件的运用状态,进行故障诊断,显示故障发生的部位和功能,实现动车组运行跟踪监控及故障报警。车载监控系统具有信息采集、信息处理、综合判断、故障安全恢复及故障数据存储等功能,提高了动车组运营安全性,便于运用和维修作业。通过布设于动车组重要部件和关键设备的各类传感器,实时监测速度、压力、应力、电流、电压、温度等参数和列车走行部、牵引传动和制动等系统的运行状态,网络控制系统将列车主要监测设备连为一个整体。根据各类传感器的检测、监测信息进行综合诊断,确定故障等级,提示司机采取排除故障的方式,必要时提示紧急制动,实现故障隔离和故障导向安全目的。

  (2)远程监控系统。车载信息采集设备采集车载网络控制系统中的运行状态数据及故障报警信息,将动车组运行位置、速度、牵引、制动、轴温等安全信息及客服设施信息,利用GSM-R/GPRS无线传输网络实现车载信息落地和远程传输,实时掌握动车组状态及故障情况,实现运营动车组安全状态的远程监控(见图8)。通过远程监控实现地面中心实时掌握动车组故障情况及工作状态,为故障的应急处置提供技术支持,也为动车组安全运营及高效检修提供技术保障。

  (3)地面监控系统。在车载监控和远程监控的基础上,正在积极推进动车组运行安全地面监控系统研究,在高铁进出站、动车所进出库等咽喉地段安装地面监控系统,综合识别途经动车组的图像、声音和温度等,判断动车组运行是否正常,确保动车组运行安全。

  4.2 动车组运用维护

  (1)动车组运用维护体系。动车组实行预防性维修体系,分定期维修和状态维修两种,对重点设备如轮对进行定期探伤,确保动车组性能和运行安全。

  (2)动车组运用维护信息管理系统。系统以运用、维修、技术、物流4类业务为主线,包括调度、作业、技术、设备、安全、质量管理和动态监控等应用子系统,分为配属、履历、大部件、计划和故障5大模块,形成覆盖铁道部、铁路局、动车段、运用所及主机厂的四级框架体系(见图9)。 目前,动车组运用维护信息管理系统已在铁道部、12个铁路局、7个动车(客车)段、31个运用所及4个主机厂实施运用,基本覆盖全路的动车组运用检修信息共享及技术管理平台,实现了动车组全路调配运用和网 络化维修管理,为动车组安全运用和维护提供了技术支撑。

  (3)动车组轮轴探伤。轮轴探伤是动车组检修最为重要的内容之一,车轮主要缺陷分布为径向、周向和斜向。研究表明,径向缺陷扩展速度快,几千到几万公 里就可能崩裂;周向缺陷几万公里可形成较大辋裂。 目前,已建成较为完善的轮对探伤体系。空心轴探伤:结合专项修每6万~40万km进行探伤;LY:踏面诊断装置,每次入库动态检测轮对;LU:轮辋轮辐径向、周向缺陷探伤,每18万~24万km在线检测;LA:功能同LU,高级修时落轮检测。只要严格按周期、按量值要求探伤,可有效预防缺陷轮对上线运行。
 

5、线路基础设施监测

  5.1 轨道结构状态监测

  (1)无缝线路钢轨受力状态在线监测。存在断轨、胀轨风险的严寒、高温地区,可通过对无缝线路钢轨温度、位移、应力等参数的监测,对无缝线路钢轨受力状态进行分析预警。

  (2)道岔和伸缩调节器运用状态监测。通过对钢轨纵向力、纵向位移、尖轨及心轨转换状态、密贴状态、几何形位的在线监测,确保道岔和伸缩调节器运用安全。

  5.2 路基沉降变形监测

  对路基工后沉降仍未稳定的软弱地基地段和不同结构物过渡段设置沉降观测点,实时监测路基变形,为线路行车安全及路基病害治理提供依据。

  5.3 复杂结构桥梁健康监测

  复杂结构、特殊结构桥梁建立监测系统,对结构变形、振动特性、温度、支座、基础沉降等参数进行监测,为线路行车安全提供保障(见图10)。

  5.4 特长隧道安全监测

  特长隧道设置防灾救援监控系统,对隧道内通风、照明、消防设备进行监控,复杂地质隧道设置衬砌结构变形安全监测系统,对隧道衬砌变形及运用状态进行监测。

  5.5 大型客站结构健康监测 通过对复杂结构的物理力学性能进行无损监测,实时监控结构的整体行为,对其服役状态、可靠性和承载能力进行评估,在突发事件或结构使用状况异常时触发预警信号,为结构维修养护及异常情况的应急抢险提供依据。 结构健康监测主要包括外部荷载作用和结构反应两部分。外部荷载作用主要为地面加速度、风环境及结构表面风压等,结构反应主要为结构应力、变形、振动加速度、表面温度、表面裂缝等。目前,针对北京站无站台柱雨棚、上海虹桥站超长梁等开展了结构健康监测试验应用。 
 

6、环境与灾害监测预警

  我国是世界上自然灾害最为严重的国家之一。灾害种类多、分布地域广、发生频率高、造成损失重。如何最大限度地预防和减少各类自然灾害对高铁安全的影响,是铁路技术创新必须长期关注的一项重大课题。

  6.1 综合视频监视

  系统对重点监视目标和重点治安防范区域进行实时 监视,具有视频图像的实时监视、存储、回访、云镜控制、视频分发/转发等功能。

  6.2 大风监测报警

  在风速超过15 m/s的地区设置风速风向监测点,桥梁、高路堤等区段监测点平均 间距5~10 km,山区垭口、河谷等区段平均间距1~5 km。风速风向计安装高度为轨面以上4 m。 根据实时监测风速的分析处理,为动车组运行提供大风报警信息。环境风速≤20 m/s,运行速度≤300 km/h;环境风速≤25 m/s,运行速度≤200 km/h;环境风速≤30 m/s,运行速度≤120 km/h;环境风速 >30 m/s,严禁动车组进入风区。 6.3 雨量监测报警 沿线设置雨量监测点,布设间距一般15~25 km,可根据沿线地形、地貌及地质条件进行调整,对高路堤、深路堑、隧道口等特殊地段应重点考虑。 艰险山区铁路易发生滑坡、泥石流及危岩落石的地段配套设置地面雨量监测系统,提供降水量实时监测及报警信息。 6.4 雪深监测报警 在降雪频繁,积雪深度较大的地段设置雪深监测点,提供积雪深度实时监测信息,重点考虑对深路堑、风吹雪地段的监测。

  6.5 上跨铁路桥异物侵限监测报警

  在上跨铁路桥设置异物侵限监测报警系统,监测到侵入铁路限界的异物时发出报警信息并触发列控系统动作。

  6.6 地震监测报警

  我国是世界上地震活动最强烈和地震灾害最严重的国家之一,陆地大部分地区位于地震烈度Ⅵ度以上区域;50%的国土面积位于Ⅶ度以上高烈度区域,地震及其诱发次生灾害对铁路运行安全构成很大危害。 我国铁路建设在做好高铁抗震设计的同时,构建先进可靠的地震安全监测预警系统,进一步提高防震、预警和减灾技术水平。针对高铁地震预警技术开展了大量研究,按线推进高铁地震预警系统建设。 在京津高铁沿线设置6处地震监测点,每个监测点装设两套强震监测设备,数据处理设备设置在永乐中心,监控中心设置在北京调度所京津调度台。在京沪高铁沿线设置31处地震监测点,每个监测点设两套强震监测设备,数据处理设备分别设在天津西、济南西、蚌埠南、南京南车站,监控中心设在北京、上海调度所。地震监控系统监测到40gal及以上地震动加速度时,通过触发与牵引供电系统的接口,使地震影响范围内的牵引变电所停止供电,通过触发与列控系统的接口,控制地震影响范围内的列车进行紧急制动,并向监控中心发出报警信息。 为进一步完善高铁地震监控系统技术,2012年2月22日,铁道部、中国地震局共同签署了“关于共同推进高速铁路地震安全战略合作协议”。会议明确,中国地震局加快推进地震监测预警信息服务能力建设,为高速铁路地震监测预警系统提供预警信息,铁道部加快推进地震紧急自动处置系统建设,提升高速铁路应对地震灾害能力。

  6.7 高速列车防脱线技术

  随着列车运行速度的提高,列车与轨道的动态相互作用及空气动力效应显著加剧,轮轨关系更加复杂,高速列车一旦发生脱轨,巨大的能量将造成灾难性的后果。尽管高铁在动车组、基础设施以及运行管理上采取了更加安全可靠的技术措施,但由于各种复杂的运行条件,特别是地震动力作用,高速列车的脱轨事故仍有发生。 在最大程度地减少列车脱轨事故发生的同时,如何在脱轨事故一旦发生后确保动车组脱轨不脱线,避免引发灾难性的危害,是一项极其重要的安全防控措施。 借鉴国外防脱线技术和经验,铁道部正在开展高速动车组防脱线安全技术研究,以最大程度地减少列车脱线造成的危害。

  (1)防脱线措施研究。通过对列车最不利工况的运行模拟研究,确定了列车脱轨等异常荷载对钢轨倾翻的动力作用,提出了提高钢轨抗倾翻能力的技术措施和适合我国防脱线安全装置。

  (2)提高钢轨抗倾翻能力研究。包括高铁无砟轨道和有砟轨道既有扣件条件下钢轨的抗倾翻能力研究,列车脱轨等异常荷载对钢轨倾翻作用研究,加强钢轨抗倾翻能力的技术措施研究等。

  6.8 地质灾害监测报警系统

  山区铁路地质复杂,滑坡、泥石流、崩塌落石等地质灾害发育。在全球气候变化背景下,极端天气事件发生的几率进一步增大,局部强降雨引发的山洪、滑坡和泥石流等地质灾害将更趋频繁。 为提高铁路地质灾害的防治水平,需进一步完善艰险山区铁路洪水、滑坡、泥石流、崩塌落石等地质灾害监测报警系统。
 

7、结束语

  目前,我国已是高速铁路大国,但运营时间不长,运营经验尚在不断积累,加之投运规模快速扩充,充分用好各种检测、监测、监控技术,千方百计做好高铁安全风险防控是我们的首要工作。铁路部门要深刻认识高铁安全管理特点,全力推进安全技术创新,不断完善高铁安全技术体系建设,增强科技保高铁运行安全的能力,确保高速铁路持续安全稳定运行。 高速铁路运行安全检测监测与监控技术 高铁运行安全风险源识别、研判、防控,是确保高铁运行安全的重要技术支撑。从高铁综合检测、牵引供电检测监测、通信信号监测预警、列车运行状态监控、线路基础设施监测及环境与灾害监测预警等方面,全面介绍我国高铁运行安全检测、监测与监控关键技术,提出要不断完善高铁安全技术体系建设,增强科技保高铁运行安全的能力。c

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