高速铁路自然灾害及异物侵限监测系统可靠性分析与优化研究

李晓宇，刘敬辉

（中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道科学技术研究发展中心，北京 100081）

高速铁路的列车运行速度高达300～350 km/h，列车在高速运行时可能遇到的灾害种类很多，主要包括：大风、暴雨、大雪、雷电、冰冻、地震、路基沉降、滑坡及泥石流、异物侵限等，不仅容易导致列车晚点、停运等情况发生，严重时还将诱发列车脱轨、线路损坏等事故，危及旅客生命财产安全。

以日本、法国、德国为代表的国外高速铁路，均建立了比较完善的高速铁路防灾系统，并制定了相关检修办法和运用管理规范，取得了良好的防灾减灾效果。我国铁路部门一直把确保旅客生命财产和行车安全放在首位，同样建立了高速铁路自然灾害及异物侵限监测系统（简称防灾系统），在保障高速铁路运营安全方面发挥了重要作用。

众多专家、学者也对如何更为有效地发挥防灾系统的安全保障作用开展了大量研究。刘俊、包云、王瑞等[1-3]在阐述日本铁路综合防灾系统建设情况的基础上，提出完善大风监测报警系统、构建大雪防灾系统、试点建设地震早期报警系统等建设我国铁路综合防灾系统的建议；王俊、沈志凌、令狐勇生等[4-6]在总结国内外防灾安全监控系统方案的基础上，提出了我国高速铁路防灾安全监控系统设计方案；郭治国[7]开展了铁路防灾安全监控系统在沪宁高速铁路的应用研究，指出沪宁高速铁路防灾系统是架构于通信传输系统之上的一套集风、雨、异物侵限等灾害信息采集、分析、处理和指导、辅助安全行车的平台。但由于多种原因，我国各条高速铁路防灾系统的技术水平以及设备等还存在差异，有必要针对相关系统的可靠性开展优化分析，促进高速铁路防灾系统运用管理水平的提高。

1 防灾系统可靠性影响因素分析

为合理、有效地确定影响高速铁路防灾系统可靠性的主要因素，首先有必要充分了解我国高速铁路防灾系统的构成及主要功能，在此基础上明确具体分析对象和指标参数等情况。

1.1 防灾系统构成及主要功能

我国高速铁路防灾系统包括5个子系统，即风监测子系统、雨量监测子系统、雪深监测子系统、地震监控子系统和异物侵限监控子系统[8]，系统构成见图1，现场监测设备见图2。

图1 高速铁路防灾系统构成

图2 高速铁路防灾系统现场监测设备

1.1.1 风监测子系统

风监测子系统主要监测线路沿线风速、风向信息，由现场监测点、监控单元、监控数据处理设备、监控终端和信息传输通道等构成。其中，现场监测点包括1台或多台风速风向计以及相关接口和配件；监控数据处理设备由应用服务器、数据库服务器、存储设备、核心网络交换机以及相关通信接口等组成。

1.1.2 雨量监测子系统

雨量监测子系统主要监测线路沿线降雨量信息，由现场监测点、监控单元、监控数据处理设备、监控终端、信息传输通道等部分构成。其中，现场监测点包括1台或多台雨量计以及相关接口和配件；监控单元负责雨量信息的计算、转发；监控数据处理设备收集监控单元发送的监测信息、报警信息，存储数据；监控终端为行车指挥、维修、救援部门显示雨量实时数据及报警信息。

1.1.3 雪深监测子系统

雪深监测子系统主要监测线路沿线降雪量信息，由现场监测点、监控单元、监控数据处理设备、监控终端、信息传输通道等部分构成。其中，现场监测点由雪深计、通信接口、传输设备以及相关配件组成；监控单元由监控主机模块、雪深数据采集板、现场控制器模块以及其他相关通信接口组成；监控数据处理设备由应用服务器、数据库服务器、磁盘阵列、核心网络交换机以及相关通信接口等组成；监控终端由监测报警显示设备、音响报警设备、控制主机及相关通信接口组成。

1.1.4 地震监控子系统

地震监控子系统主要监测线路沿线地震信息，目前预警功能尚在开发完善中。地震监控子系统由现场监测点、监控单元、监控数据处理设备、监控终端、信息传输通道等部分构成。其中，现场监测点包括1台或多台强震仪以及相关接口和配件；监控单元由监控主机模块、地震数据采集板、现场控制器模块、与列控系统接口、与牵引变电接口以及其他相关通信接口组成；监控数据处理设备由应用服务器、数据库服务器、磁盘阵列、核心网络交换机以及相关通信接口等组成；监控终端由监测报警显示设备、音响报警设备、控制主机及相关通信接口组成。

1.1.5 异物侵限监控子系统

异物侵限监控子系统主要监测线路沿线异物侵限情况，由现场监测设备、监控单元、监控数据处理设备、监控终端及传输通道构成。其中，现场监测设备主要由异物监测设备、报警发生设备、现场试验设备组成；监控单元主要由主控模块、数据采集模块、继电器组合组成；监控数据处理设备主要由应用服务器、数据库服务器、存储设备、核心网络设备组成；监控终端主要由监控主机、报警音响设备组成，分为调度终端、维护终端等。

根据上述分析，可以按照我国高速铁路防灾系统的构成及主要功能，将各层级监测设备细分为现场监测设备、监控单元、监控数据处理设备、监控终端等，并将系统运用故障率、设备故障报警率确定为衡量防灾系统运用可靠性的2项关键指标参数。通过统计分析各层级监测设备的系统运用故障和设备故障报警情况，研究得到影响高速铁路防灾系统可靠性的主要因素。

1.2 基于统计数据的可靠性影响因素

针对多家铁路局集团公司管内典型高速铁路开展防灾系统运用情况调研，从铁路局集团公司用户终端收集1个年度周期内系统运用故障和设备故障报警数据，应用统计分析方法，分别以各层级监测设备为对象，以次/月为单位，计算得到相应防灾系统的运用故障率和设备故障报警率（见表1）。

表1 典型高速铁路防灾系统某年度内运用情况 次/月

由表1可以看出，部分线路的现场监测设备与监控单元设备故障报警情况较多，一定程度上影响和制约相关防灾系统的运用效果。其中，线路3的设备故障报警率高是因为报警信息主要是设备自检信息（如A、B网络切换等），而非实际的故障信息。

进一步，通过对铁路局集团公司防灾系统运用管理部门发放调研表的方式，收集防灾系统在运用过程中出现的主要故障类型及其在一定时期内的发生频次数据。根据现场防灾系统设备发生故障报警的数据统计分析，得到其主要影响因素有：UPS电源故障、数据采集板故障、异物双电网传感器故障、通信网络故障以及雷击等，这些因素导致的防灾系统运用故障情况在现场屡有发生。

但值得注意的是，不同线路防灾设备的具体故障情况存在一定差异，例如，对于线路1，其防灾系统的工务终端界面显示设备故障报警主要包括风单元通信故障（约占51.8%）、雨单元通信故障（约占14.4%）、异物单电网故障（约占11.4%）、脱离监控（约占5.8%）、终端网络异常报警（约占4.2%）等，多为间歇性报警；而线路2防灾系统的工务终端界面显示设备故障报警主要包括气象数据异常（约占68.1%）、终端通信中断（约占9.9%）、监控主机单套故障（约占6.8%）、异物单电网故障（约占6.2%）等。

此外，不同调研时期的数据对比显示，同一线路的防灾系统经过一段时间运用，系统设备在磨合与调整后其故障发生频率有所减少，运用状况将会得到一定程度的改善。

2 防灾系统典型问题及原因分析

防灾系统在各条高速铁路线路上均有应用，不同线路的防灾系统在运用过程中出现的问题不尽相同。在调研收集不同线路防灾系统现场运用问题的基础上，总结提炼其中的共性典型问题，并深入剖析发生原因，将对优化完善现有防灾系统具有较强的现场针对性和实践指导价值。

2.1 现场典型问题

（1）现场风监测点布局无法充分覆盖线路所有大风区段。例如，线路局部沟谷等风速较大地段未设置风速仪或者设置密度不足，造成防护限速区间过大，列车经过大风监测点约6 min后，大风监测点显示大风限速300 km/h，18 s后风速达到停运，轨道电路变红，10 min后逐渐恢复常速。

（2）大风报警的门限值规定、预警功能以及应急的时效性不够合理。经统计，在实际运用中，一般限速报警风速仅持续1～4 min，往往调度所发布限速命令后，列车运行至监测点时风速已正常，无法满足结合本线大风特征及时调整报警时限和解除报警时限的报警、预警和控车要求。

（3）异物侵限监控多次发生误报或系统自身故障影响列车正常运行的情况。例如，系统故障导致CTC轨道电路短路，干扰列车正常行车秩序，特别是轨道电路红光带，在没有处理的情况下，反复出现自动消失后数小时又变红的现象。工务部门现场检查防异物双电网，确认实际无异物侵限，联同厂家进一步检查发现基站防灾监控单元1处端子保险管烧断，造成中继站的上行继电器落下发生红光带，更换保险管后恢复正常。

（4）防灾系统各厂商设备制式及数据格式不兼容，监控终端界面不统一。例如，某行调台管辖2条及以上高速铁路，由于此问题导致需设置多个防灾监控终端。

（5）防灾系统设备通信故障持续报警、中断间歇报警发生较多。此外，工务终端无效设备故障报警偏多，且报警声音不明显、不易被及时发现。例如，某厂家软件多次出现传感器通信异常、网络通信状态等故障报警，经确认大部分为设备自检信息，极易将自检信息与真正故障信息混淆。

（6）防灾施工线缆问题。防灾备用电缆方面，由于异物侵限电缆为特殊路径的专用电缆，一旦电缆出现故障将对正常行车产生较大影响；防灾电缆径路方面，由于防灾系统电缆径路多处于农田内，存在一定的防护隐患。

（7）防灾系统防雷存在一定隐患。例如，部分现场监测设备、轨旁控制器、基站内安装的电源防雷及数据防雷单元，当遭到雷击致使防雷装置受损时，虽然能够保护内部结构不受损坏，但影响系统的正常使用，特别是轨旁控制器，多次因防雷装置受损而影响行车。

（8）部分防灾上道设备的标定、检定较为困难，一些防灾系统备品备件配置不足。

2.2 原因分析

（1）防灾系统现场监测点布局方案尚未经过长期、充分的试验论证，无法提供科学、合理的布点数据支撑，导致设计规范的相关要求不够具体和细化，在实际应用时不能实现与线路实际情况的紧密结合。

（2）大风预警在世界范围内是一项技术难题。在短时间内对瞬时强风作出准确预测并及时控车，对构建预测模型的合理性和精准度都有极高要求。目前国内外已有一些探索性的研究和尝试。马韫娟等[9]利用基于最小二乘法的线性回归方程对强风（阵风）系数进行计算，可为行车指挥控制系统提供较为合理的速度限制指令信息，或为启动应急预案提供决策依据；王楠等[10]采用失效模式及影响分析法（FMEA）对大风监测系统中影响可靠性的关键环节进行研究，通过创建随机模型检验了大风监测系统的运行规律。建议采取试点的方式，在部分大风区段或者通过风洞开展相关科学试验，尽快实现这方面技术上的突破，在积累1个完整风季的气象数据基础上，研发具备大风预警功能的风监测子系统，并且预警时间、风速时距、预测误差等指标均须满足一定的技术要求。

（3）异物侵限系统采用的部分型号继电器，当电缆混线时可能造成原本防灾故障落下的继电器错误吸起，不符合故障导向安全原则，可考虑采用偏极继电器。此外，还可能由于传感器故障造成异物侵限设备故障报警，因此，需进一步研发改进相关传感器的可靠性。

（4）由于防灾系统总体上线运用时间较短，设备研发周期紧张，加上早期系统顶层规划不够完善，相关技术规范要求不足，导致不同厂商的设备制式及数据格式兼容性较差，用户界面不够统一。

（5）防灾系统的现场监测设备、信号防雷、信号隔离器故障有时会引起监控单元通信故障持续报警，由于网络不稳定引起监控终端通信中断间歇报警，在市电中断时也会出现监控终端通信中断报警。另外，还存在监控主机主板故障或与主板相连的网线接头松动，以及基站内监控主机死机导致出现监控主机故障持续报警的情况，基站通信网络通道故障或监控单元程序死机也会引起间歇报警。对于工务终端无效设备故障报警偏多的情况，经现场检测发现，无效的设备报警多发生在监控单元，监控单元对于自身状态及各接入模块（风雨传感器、UPS等）的故障判断不准确；工务终端对于设备故障报警级别设置偏低，界面提示不明显。

（6）对于防灾备用电缆，可按照1∶1设置不同的备用电缆，以保证设备电缆绝缘下降或故障时及时倒换；对于防灾电缆径路，考虑将电缆径路的埋深设计不小于1.2 m，并对电缆采取相应防护措施。

（7）防灾系统在防雷设计方面的早期技术规范要求不够具体，应进一步完善各子系统技术条件中的相关防雷要求，在设备外部宜增设防雷设施，同时明确防雷设施本身的技术性能要求。

（8）防灾系统部分设备缺乏定期检查、检测和标定，主要是前期相关标准规范不健全造成的，在设备运用初期关系不大，但到中后期可能就难以保证现场监测采集得到的数据的真实性和精确度。因此，有必要尽快研究制定防灾系统主要设备的标定、检定标准规范，加强对系统主要设备的定期检查、检测和标定，降低系统发生故障的频率。同时，通过科学优化设备检修维护周期，健全完善系统备品备件管理制度办法，解决部分备品备件配置不足、不及时的问题。

3 防灾系统优化方向和措施建议

综合考虑防灾系统的可靠性影响因素、典型问题及原因分析情况，有针对性地从防灾系统的设计和建设、运用和维护2方面提出改进完善的优化方向和措施建议。

3.1 系统设计和建设

（1）针对防灾系统前期顶层设计较为薄弱的现状，需要进一步细化完善防灾系统技术方案及相关技术条件，研究构建统一完备的防灾系统技术标准体系，严格产品设备准入和认证，对系统主要设备实行准入、检测和认证制度。

（2）针对部分防灾系统工程建设质量不能全面达标可控的问题，需要定期关注和跟踪防灾技术进展，及时修订防灾系统设计规范、施工和验收标准，既使设计单位在设计时有据可依，也有利于加强对系统设计、施工建设、竣工验收各阶段的审查验收力度，保障防灾系统的工程建设质量。

（3）针对部分防灾设备报警准确性不稳定的情况，需要进一步强化防灾系统产品源头质量，创新系统研发机制，充分集中利用设备供应商、高校及有关科研院所的优势力量，优化完善系统各层级监测设备的软、硬件功能和监测点布局配置、防雷设计等方案，积极引入和应用新型传感器等高新技术设备，研发新一代高可靠性防灾产品，提升系统报警准确性。从现场运用情况来看，系统设备故障主要集中在大风监测设备、异物侵限双电网、系统防雷单元及电源（含UPS）等方面，应重点加以研究解决[11]。

（4）针对不同厂商的设备制式及数据格式兼容性较差的现象，应在防灾系统的设计、建设阶段即充分考虑各种资源的统筹分配和共享，深度对接铁路用户的实际需求，严格规范不同厂商的系统设备制式及数据格式要求。

3.2 系统运用和维护

（1）针对防灾系统在现场运用维护时技术保障能力较为薄弱的现状，需要进一步优化专业分工管理。建议根据防灾系统特点，推行工、电、供一体化融合的多专业协作管理模式，提高防灾系统的运用维护管理效率，增强现场运用维护技术保障能力。

（2）针对防灾系统部分设备标定、检定较为困难，备品备件配置不足等问题，需要进一步优化防灾系统运用维护管理办法，科学优化设备检修维护周期，健全完善系统备品备件等相关配套管理制度办法，加强对系统主要设备的定期检查、检测和标定，量化相关指标，配齐相应专业维护工具。

（3）针对现有防灾系统报警、预警、控车方式的可操作性和时效性不足的情况，需要根据风、雨、雪、地震、异物侵限各监测子系统的特点，进一步优化和完善报警、预警、控车方式，如大风报警的阈值规定、预警功能以及应急的时效性研究，大风、异物侵限报警后的控车流程优化研究，地震监控触发记录启动值优化、提前预警功能及快速控车技术研究，雪深单点报警方式合理性评估研究，雪深监测报警阈值及限速规则优化研究等。

4 结论

（1）将系统运用故障率、设备故障报警率确定为衡量高速铁路防灾系统运用可靠性的2项关键指标参数。基于现场防灾系统的报警、控车、故障数据统计分析，现场监测设备与监控单元设备故障报警为影响和制约防灾系统运用效果的2个主要设备层级，可靠性主要影响因素包括：UPS电源故障、数据采集板故障、异物双电网传感器故障、通信网络故障以及雷击等，分析结果与现场实际情况相符。

（2）不同线路防灾系统的具体故障情况存在一定差异，主要故障类型和发生比例略有不同；同一线路的防灾系统经过一段时间的运用，系统设备在磨合与调整后其故障发生频率有所减少，运用状况将会得到一定程度的改善。

（3）研究总结了不同线路防灾系统在现场运用过程中存在的8项共性典型问题，并深入剖析了发生原因，对优化完善现有防灾系统具有较强的现场针对性和实践指导价值。

（4）针对防灾系统前期顶层设计较为薄弱、工程建设质量不能全面达标可控、部分设备报警准确性不稳定、现场运用维护管理存在实际困难等现状，从防灾系统的设计和建设、运用和维护2方面提出改进完善的优化方向和措施建议。