异物侵限监控子系统防护有效性研究

■ 杜广宇

异物侵限监控子系统是防灾安全监控系统的重要组成部分，主要设置在公跨铁桥、隧道口、公铁并行等有异物侵入发生的危险地段。高速铁路列车运行速度高，运行前方出现超限异物时仅凭司机人工减速停车，受嘹望距离和列车紧急制动距离的限制，很难保证列车在异物点前方停车，保障列车运行安全。因此，相关规范要求对于高速铁路列车运行速度大于160 km/h区段应设置异物侵限监控子系统。

1 异物侵限监控子系统防护原理及不足

异物侵限监控子系统中的异物监测传感器与列车控制系统相联，一旦异物传感器监测到异物侵限事件时，异物侵限监控子系统立刻通过异物继电器向列车控制系统发出报警信息，并切断异物点所在区段的轨道继电器，列车控制系统视异物所在轨道区段被占用，即异物所在区段发红码，并向其后方区段依次发升级码序，列车收到码序后自动停车。

高速运行的列车触发紧急制动后，列车受自身惯性，必然经过一个紧急制动距离才能完全停止下来。如图1，当列车未到达异物监测点，且列车与异物之间的距离大于紧急制动距离Ze时，此刻发生异物侵限，通过接受异物侵限监控子系统的报警信息，可以保证列车在异物前方停车。同理，整列车（车长lc）完全经过异物监测点后，异物监测点发生异物侵限也不会影响列车运行安全。相反，列车运行至lc、Ze区域，而恰好此刻有异物侵限发生时，则异物侵限监控子系统虽会报警，但也无法保证列车安全，故lc+Ze是异物侵限监控子系统的危险范围，称为异物侵限监控子系统的防护无效区（简称无效区）。无效区的存在导致异物侵限监控子系统不可能百分之百保证列车运行安全，其防护性能只能是一个概率。将发生碰撞的概率定义为P碰，异物侵限监控子系统的防护有效性定义为P有效性=1-P碰。

2 异物点未设置侵限监控系统时与列车碰撞概率分析

铁路线由车站和站间区间组成，假设研究的铁路线全长为L，线上有m个车站，站间区间的长度为D（见图2）。因车站可以存放列车，故认为区间上发生异物侵限事件后仅影响本区间运行的列车，对其他区间无影响。假设站间区间内有n个异物侵限监测点，包括公跨铁桥、隧道口、公铁并行地段，每个异物监测点发生异物侵限事件（专指异物击穿双层监测网进入铁路限界的事件）的概率为p，则不发生异物侵限事件的概率为q=1-p。

根据《技规》可知，区间高柱信号机的嘹望距离要求达到1 000 m，矮柱信号机嘹望距离要求达到200 m，CRH1、CRH2、CRH3、CRH5型动车组的紧急制动距离在1 582 m以上。侵限异物多为不发光物体，因此，列车高速运行时司机对异物的嘹望距离（特别是夜间）不能满足列车紧急制动距离的要求。在未设置异物侵限监控子系统时，列车前方发生异物侵限，列车几乎必然会与其发生碰撞。

图1 异物监测点防护无效区范围

图2 车站、区间异物侵限分布示意图

为了便于研究，假设列车运行在第i个区间Di上任意位置的概率是相等的，即服从均匀分布。同时区间Di上的ni个异物点将区间均分为ni+1个部分（见图3）。

列车在没有完全通过第n个异物危险点之前都存在与侵限异物碰撞的可能性，则无异物监测点发生列车与异物碰撞的概率为pDi-无：

则一列车运行通过整条异物危险点未设置异物侵限监控子系统的线路，列车与侵限异物碰撞的概率为p线-无：

3 异物点设置侵限监控子系统后与列车碰撞概率分析

同样条件下，当装设异物侵限监控子系统后，列车只有进入lc+Ze时才存在与超限异物碰撞的危险（见图4），这时列车区间D上与异物碰撞的概率为pDi-有：

在实际条件下，异物点之间的距离非等距离分布，2个异物点之间的距离可能小于lc+Ze，这种情况下会使pDi-有的值变小。考虑最不利条件，认为危险点之间的距离都≥lc+Ze，且各异物点发生坠落的事件与列车运行无关（相互独立），由此得到在装设异物侵限子系统后，一列车通过整条线路被侵限异物碰撞的概率为p线-有：

对于双线自动闭塞线路有：

针对上述2种情况的异物侵限监控子系统防护有效性分别为：

4 安装异物侵限监控子系统前后比较

在区间Di上设置异物侵限监控子系统前后列车通过区间Di被异物碰撞的概率比定义为改善率：

由式（10）可知，当列车车长越短、制动距离越小、异物危险点越少、区间越长时，设置异物侵限监控子系统后改善效果越显著。

选取动车组长度214 m、紧急制动距离1 865 m、站间区间长度50 km为参数，计算得到改善率见表1。

图3 无异物侵限监控时多个异物侵限危险范围示意图

图4 有异物侵限监控时多个异物侵限危险范围示意图

表1 改善率列表

表1中显示设置异物侵限监控子系统后，可有效降低列车与侵限异物碰撞的概率。因此，在高速铁路上设置异物侵限监控子系统十分必要。同时也应知道，当异物危险点的数量增加后，异物侵限监控子系统的防护性能逐渐变差。

5 全线异物侵限监控子系统防护性

上述讨论的是一列车通过线路异物侵限监控子系统防护的有效性，在实际应用中更关心某条铁路在运营1年内出现侵限异物危及行车安全的可能性，选定一些典型参数进行研究，参数选取如下：

（1）假设线路全长1 000 km。

（2）统计国内时速250～350 km车站站间距，计算得到车站平均间距58 km，即1 000 km的线路约包含站间区间17个。

（3）CRH1、CRH2、CRH3、CRH5型动车组中8辆编组最长214 m。

（4）紧急制动距离按CRH1、CRH2、CRH3、CRH5型动车组中最长的考虑，为1 865 m。

（5）全线异物点的数量分别按表2中数据考虑。

（6）线路考虑每天单方向运行列车数量52列，全年合计k=18 980列。

则该线设置异物侵限监控子系统前，发生异物与列车碰撞的概率为p线-无双年；设置异物侵限监控子系统后，发生异物与列车碰撞的概率为p线-有双年：

其对应异物监控系统的防护有效性为：

（7）异物危险点发生侵限事件的概率是个较难确定的值，考虑到绝大部分异物危险点站前工程都会进行处理，因此假设危险点发生侵限事件的概率分别选取1×10-4（万分之一）、1×10-5（十万分之一）、1×10-6（百万分之一）、1×10-7（千万分之一）。

（8）为了方便计算，只考虑全线同时只出现一处异物点侵限的情况（其他情况也可类比分析），式（4）简化为：

将相关参数带入式（15），计算结果见表3。

表3显示异物点发生异物侵限的概率对整条线路的概率影响很大，即使单点概率很小，由于全年运行车辆数量庞大，故全线发生异物侵入与车辆碰撞的概率也较高。

表2 全线异物点数量 个

表3 设置异物侵限监控子系统前后异物与列车碰撞概率

6 各因素与p线-有双年-有效的关系

6.1 异物侵限概率p与p线-有双年-有效的关系

假设p变化范围为1×10-5～5×10-9，全线异物点102处 ，其他参数取典型参数，计算结果见图5。

异物侵限概率的大小对异物监控系统的防护性能影响很大，若想将p线-有双年-有效保证在90%以内，异物点对于每辆通过的列车其发生侵限事件的概率要控制在千万分之一以内。

6.2 全年通行列车数量m与p线-有双年-有效的关系

选取p为5×10-8，全线异物点102处，全年运行车辆5 000～18 980列，p线-有双年-有效与车流量成线性变化，减少通行列车对数可以提高p线-有双年-有效。图6分别绘制了在同等运力条件下，8辆编组和16辆编组的p线-有双年-有效。将列车进行重联（16列编组）运行，相应减少了列车开行对数，有助于提高异物侵限监控子系统的防护性能。

6.3 全线异物监测点数量与p线-有双年-有效的关系

图7为不同异物点数量时的异物防护有效性。

异物侵限概率p为1×10-5，全线异物点数量从17增至204处，其他参数仍取典型参数，可见，异物侵限监控子系统的防护性能随异物点数量的增加而迅速变差。

7 结论

通过上述研究得到如下结论：

图5 异物侵限概率p与p线-有双年-有效的关系

图6 不同编组长度与异物防护有效性关系图

图7 不同异物点数量与异物防护有效性关系图

（1）高速铁路在有异物侵入危险的地点设置异物侵限监控子系统，能大幅降低超限异物与运行列车碰撞的概率，减少异物侵限对列车运行的威胁，提高行车安全。

（2）高速运行的列车制动距离内突然出现的异物侵限事件，异物监控子系统能通过列控系统使列车减速，但不能完全避免异物与列车碰撞。这是异物侵限监控子系统本身所不可克服的不足。

（3）当异物的异物侵限概率很小时，防护有效性与异物点异物侵限概率之间近似线性变化，但防护性能随异物点异物侵限概率的增加而迅速降低，异物监控系统的性能迅速恶化。

（4）相同条件下，减少列车开行对数可提高异物防护性能，两者基本成线性变化。

（5）异物点数量对异物防护性能的影响很大，应尽量减少异物点数量，当异物点数量过多时，异物监控系统的性能大大降低。

（6）为进一步提高异物侵限监控子系统防护性能，需确立全局意识，在站前铁路工程设计中采取措施，尽量消除异物侵限发生的可能性。如铁路线路尽量上跨公路（减少公跨铁）、隧道口加强明洞延伸（防止落石）、在公铁并行地段铁路与公路留出足够距离等。

[1] 铁建设［2005］140号．新建时速200～250 km客运专线铁路设计暂行规定[S]．北京：中国铁道出版社，2005

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[3] 运技基础［2010］739号．高速铁路防灾安全监控系统：公跨铁立交桥异物侵限监测方案[S]，2010

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[6] 庄楚强，吴亚森．应用数理统计基础[M]．广州：华南理工大学出版社，1992