高速铁路运行安全检测监测与监控技术_何华武.pdf

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1、- 1 - 本 刊 特 稿 CHINESE RAILWAYS 2013/03 高速铁路运行安全检测监测与监控技术 何华武 0 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

2、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，形成安全风险源识别、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。 高速铁路运行安全 检测监测与监控技术 何

3、华武：铁道部，总工程师，中国工程院院士，北京，100844 摘 要：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。 关键词：高速铁路；安全技术；综合检测；监 测；监控 - 2 - 本 刊 特 稿高速铁路运行安全检测监测与监控技术 何华武 CHINESE RAILWAYS 2013/03 1 高铁综合检测 高 铁 普 遍 采 用 综

4、 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1015 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

5、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。 （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

6、）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

7、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。 图1 高速综合检测系统组成 图2 综合检测数据分析

8、系统 轨道检测 轨道几何尺寸 扣件状态 曲线半径 弓网检测 弓网接触力 重向加速度 燃弧率 动力学检测 轮轨力 车辆动态响应 构架载荷 通信检测 场强覆盖 服务质量 电磁环境 信号检测 应答器 轨道电路 补偿电容 牵引回流 车载ATP 综合系统 空间同步 时空校准 数据网络与集中监控 数据综合处理 视频监测 - 3 - 本 刊 特 稿 CHINESE RAILWAYS 2013/03 高速铁路运行安全检测监测与监控技术 何华武 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

9、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

10、，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

11、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）。 图3 接触网悬挂状态检测 图4 受电弓滑板监测 图5 GSM-R网管监测界面 - 4 - 本 刊 特 稿高速铁路运行安全检

12、测监测与监控技术 何华武 CHINESE RAILWAYS 2013/03 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

13、 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

14、。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 （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）、

15、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

16、。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 图6 信号设备监测示意图 图7 列车追踪预警系统示意图 尖轨密贴 尖轨斥离 环境温度 环境湿度振动加速度心轨密贴心轨斥离 转辙机转换力 保持力 转辙机工作电流 工作电压 转辙机转换阻力 钢轨温度 GPS/北斗卫星 GPS基准站 车载预警单元 应答器组 CSM-R网络 预警服务器 M-GRIS 预警服务器 - 5 - 本 刊 特 稿 CHINESE RAILWAYS 2013/03 高速铁路运行安全检测监测与监控技术 何华武 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