公跨营运高铁立交桥异物侵限监测系统重难点分析

陈荣超

(中铁第五勘察设计院集团有限公司郑州分院，郑州 450001)

1 概述

近年来国内公路建设进程突飞猛进，不可避免会有越来越多的公路与高速铁路交叉。高速铁路与公路交叉跨越时，为确保高速铁路结构安全和运营安全，根据《铁路安全管理条例》新建、改建高速公路、一级公路或者城市道路中的快速路，需要与铁路交叉的，应当设置立体交叉设施，并优先选择下穿铁路的方案[1]。

郑西高铁2010年已正式开通运营，地处豫西丘陵山区，55%为高架桥、22%为隧道、23%为路基地段[2]。通常公路与高铁交叉会选择在高铁桥梁段下穿，但受限制于郑西高铁路基段较长及公路规划线位等因素制约，国道234线郑州境内国道310以南段（荥阳乔楼至崔庙段）改建工程上跨郑西高铁立交工程（简称该工程）只能采用上跨铁路方案。该工程为郑州局管辖范围内首次上跨运营高铁立交桥，也是国内首次干线公路上跨营运高铁路基段[3]。

郑西高铁现状存在众多异物侵限监测点，但都为随郑西高铁同步修建，不同于随高铁同步修建的异物侵限监测系统，在营运高铁既有系统上增加异物侵限监测系统风险更高、设计难度更大。

2 工程概况

该工程位于郑西高铁铁路里程K599+478.5处，巩义南站和郑州西站之间，建成后如图1所示。郑西高铁即徐兰高速铁路郑西段，设计速度350 km/h；国道234线为国内一级公路，设计速度80 km/h。

图1 国道234上跨郑西高铁立交航拍Fig.1 Aerial photo of the National Highway No.234 Overpass over Zhengzhou-Xi'an High-speed Railway

为确保高速铁路行车安全，根据《高速铁路设计规范》[4]等相关规定、规范要求，在该公跨铁立交桥上安装异物侵限监控装置，监测机动车、大型货物因故越过护栏（防撞墙）、护网（防抛网）而侵入高速铁路限界并控制列车运行[5]；并设置视频监控系统，对该公跨铁立交桥进行实时监控。

郑西高铁全线设有灾害监测系统，洛阳龙门站老信息机房设有数据处理设备1套，郑州铁路局调度指挥中心设有列车调度监测业务终端1套，郑州铁路局调度指挥中心设有工务调度监测业务终端1套，郑州东高铁基础设施段设有监测维护终端1套，郑州铁路局郑州通信段网管中心设有监测维护终端1套。

距该工程约0.7 km处既有郑西高铁铁路数字移动通信系统（Global System for Mobile Communications for Railway，GSM-R）通信基站（铁路里程K600+180）1座，该基站内既有安全监控单元机柜1架，该机柜已接有3处异物侵限监测报警点。

该工程异物侵限监测系统构成如图2所示。由现场监测装置、安全监控单元、数据处理设备、调度所等监测终端设备、信号列控接口设备、通信传输设备及通信网络等构成[6]。

图2 灾害监测系统构成示意Fig.2 Schematic diagram of disaster monitoring system composition

现场监测装置主要为监测电网和轨旁控制器，监测电网安装在上跨桥两侧，轨旁控制器依据现场环境安装在路基水泥基础上；安全监控单元就近设置在GSM-R基站内；数据处理设备设置在信息机房；监测终端设置在铁路局调度指挥中心、高铁基础设施段、通信段等不同部门。

轨旁控制器至安全监控单元、安全监控单元至信号列控中心之间通过信号电缆传输监测信息[7]，数据处理设备到监测终端等通过通信传输网传输监测信息。

当发生异物侵限撞击监测电网，使双电网传感器发生断裂，现场异物侵限信息通过轨旁控制器传给基站安全监控单元。基站安全监控单元接收并确认异物侵限信息后，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信息机房的数据处理设备对信息进行处理并将信息传到监测终端设备显示报警信息；另一路通过铁路信号电缆传给列控中心，触发列控系统，通过轨道电路继电器的落下直接使得异物侵入的区段防护信号机显示禁止信号[8]。向信号列控系统、联锁系统发送控制命令，通过信号列控系统、联锁系统使列车自动停车，并向列车调度员发出异物侵限报警信息。

3 重难点分析

3.1 既有系统上修改设备难度大、风险高

该工程新增设备的接入需对既有设备进行相应修改，需在既有系统设备的基础上进行改造。此时，既要保证最大限度地减少对既有设备的干扰和影响，又要保证设备接入后系统设备功能的完备和安全高效。

例如：新增异物侵限监测设备纳入列控系统后，需要对既有的接口电路及相关信号设备进行修改，会对既有设备安全造成很大影响；同时在保证设备接入后发生异物侵限时信号系统能够及时、快速、准确的反应，确保列车运行安全的基础上，尽量减少对既有接口电路及相关信号设备的修改内容。

3.2 专业间接口复杂

异物侵限监测系统的设计，除了系统自身各个设备安装调试外，还需要根据项目实际情况进行信号专业的防灾与信号列控接口设计，通信专业的传输通道、综合视频监控系统设计，电力专业的配电系统设计，房建专业的机房环境改造设计，桥梁专业的电网预埋件预留、保护管安装等土建设计，需要多个专业协调配合。

3.3 工程环境复杂

郑西高铁的铁路等级高，对工程设计的制约因素多，例如：现场设备安装、线缆敷设时紧挨铁路通信光缆、信号电缆、电力电缆、接触网等，需要考虑铁路营业线在用设备、设施的防护或改造；桥梁转体前必须提前将线缆引下保护管、监测电网等安装固定到位，需要结合土建情况及周边条件精确计算各项参数；需配置和修改的设备众多并且分布分散，例如：监测终端分布在铁路局调度指挥中心、高铁基础设施段、郑州通信段网管中心等处，需要合理考虑同步实施条件，减少对既有系统的不良影响。

3.4 施工条件复杂

该工程会引起郑西高铁既有通信、信号、信息、防灾系统的调整或改造，对郑西高铁运营有较大影响；几乎所有施工都要在“天窗点”内完成，尤其是现场设备安装、线缆敷设等需在郑西高铁封闭网内实施，施工作业面小，工期压力大；该工程异物侵限监测系统接入既有系统后，各处监测终端需在短时间内、不同地点、同时进行软件数据修改和试验，要求设备厂家、施工单位、设备管理单位、设计单位等必须积极配合相互协作，实施难度大，设计过程中必须充分考虑施工条件因素。

4 解决措施

4.1 深入调查既有情况，征求各方意见

在设计前期要深入调查研究。例如：周边既有自然灾害及异物侵限监测系统设置情况，通信传输系统、信号列控系统、计算机联锁系统、集中监测系统、防灾系统的既有设备利用状况和网管运行情况，区间基站、信息机房、信号机械室的空间利用状况、电源预留情况以及改造条件，各个监测业务终端、监测维护终端的数据修改条件等。

将该工程对既有系统造成的影响因素考虑充分，多方论证与审核。与工务部、电务部、通信段、信息技术所、高铁基础设施段等各个相关设备维管部门沟通、协调，拟定安全合理的修改方案，以对既有郑西高铁造成的影响降到最小。

4.2 新增与既有异物侵限监测点在同一轨道区段时，需进行结合处理与联动控制

本次新增异物侵限监测点铁路里程为K599+478.5，在郑西高铁中继站2管辖的信号区间闭塞分区内，下行线落在5991BG，上行线落在5998BG。5991BG和5998BG轨道区段内已有异物侵限监测点各1处，分别在铁路里程K598+900、K599+881处，分布情况如图3所示。

图3 该工程异物侵限监测点分布示意Fig.3 Schematic diagram of the distribution of foreign object intrusion monitoring points in the project

由于该工程新增的异物侵限监测系统需接入既有信号系统，若按照常规项目经验，需要在列控中心增设独立的防灾接口，对既有信号联锁及列控软件进行修改，做多次仿真试验。

本着节约投资、降低工程实施难度、确保既有运营铁路安全的原则，在对既有设备使用情况详细调查、充分征求设备管理单位意见的基础上，结合信号基本电路防护原则，通过设计优化，将新增设的异物侵限继电器串接在对应轨道区段相应的接收电路及列控采集电路中。将新增异物侵限点的处理电路与既有处理电路相结合，以实现对同一区段不同异物侵限监测点的同步防护和联动控制，避免了列控中心、无线闭塞中心、计算机联锁系统等软件的修改，减少对既有运营设备的多次挂载试验和反复修改。

4.3 安全监控单元独立新设，降低施工难度和风险

该工程临近基站内已有安全监控单元机柜1架，该监控单元已接有3处报警点。若按照常规项目经验，新增异物侵限监测报警点后，需要对既有监控单元扩展板件，再重新调试接入既有防灾系统中。1个“天窗点”内完成施工难度较大，稍有不慎还会破坏既有报警点的逻辑关系，实施风险较高。

通过研究郑西高铁既有自然灾害及异物侵限监测系统的组网方式，以及既有基站内的设备布置、空间剩余和电源预留情况等，提出新增安全监控单元1架，将新增异物侵限监测报警点单独部署于该监控单元，不对既有监控单元进行改造。

配套扩容通信传输系统设备板件，为该监控单元单独提供了2×2 M（FE接口）专用数据上传通道，同时新敷设信号电缆到信号室。并将新增安全监控单元在“天窗点”外提前安装到位和加电调试，大大降低施工难度，避免对既有监测点及设备造成不良影响。

4.4 视频监控结合整体综合视频监控系统改造计划提前谋划

郑西高铁既有综合视频监控系统使用模拟标清摄像机。若按照常规项目经验，新增工程也应与既有标准保持一致，使用模拟标清摄像机。但通过与设备维管部门沟通了解郑西高铁有综合视频监控系统的改造计划，改造后将采用网络数字系统。

为了与改造计划相匹配，避免该工程处的二次改造，提出采用网络数字定焦枪型摄像机。利用为安全监控单元扩容的传输系统设备板件来新增专用FE接口数据通道，将监控数据直接传输到在对应高铁站通信机械室内新增的存储转发服务器、管理服务器、磁盘阵列等后台设备中。并通过新增的后台设备实现与既有系统的兼容调用，纳入郑西高铁既有综合视频监控系统中，后期改造实施时该高铁站通信机械室也能利用新增的后台设备，减少重复改造。

4.5 设计过程中统筹协调铁路部门，同步实施多项工作

针对该工程涉及铁路设备多、维管单位接口多、工程环境和施工条件复杂等特点，设计过程中多次组织设计、施工方案研讨会，协调各站段、处室，沟通代建单位、代管单位、施工及设备厂家，合理制定指导性施工组织设计。结合现场实际情况及具体施工步骤，充分利用“天窗点”，尽可能在一个“天窗点”内完成多项工作。确定合理的“要点”次数，将安全监控单元提前安装到位并加电调试、监控点提前接入视频系统、各处终端同时进行数据修改和试验等，尽可能减少对铁路运输的干扰，减少施工工期。

5 结语

本文依托于国道234线郑州境内国道310以南段（荥阳乔楼至崔庙段）改建工程上跨郑西高铁立交工程，主要分析了干线公路上跨营运高铁立交工程的异物侵限监测系统设计的重难点，并提出解决措施。该工程异物侵限监测系统于2021年1月顺利通过竣工验收，对后续国道234线上跨郑西高铁立交桥顺利验收、投入运营使用起到了重要作用，得到铁路等部门的充分肯定。

该工程为郑州局管辖范围内首次上跨运营高铁立交桥的异物侵限监测系统设计。对郑西高铁行车调度指挥系统提供有效的支撑，对本专业技术进步有一定的借鉴和促进作用。