高速铁路安全监控和信息传输系统的研究

中国铁路208/2004 CHINESE RAILWAYS

高速铁路安全监控和信息传输系统的研究路旅客列车运行的安全性，是全世界铁路部门均予以特别重视的问题。即便如此，国际上旅客列车被飓风吹翻的事故亦时有发生。1986年12月，日本山阳线余部桥梁上发生大风吹翻桥上列车的严重事故。1981年6月，印度比哈尔邦首府巴特那附近约40 km处的铁桥上，发生严重的列车出轨事故，9节车厢中的7节掉入巴格马蒂河中，死亡多达数百人。两起事故的调查表明，导致列车倾翻的直接原因是列车过桥时遇到飓风的袭击。2002年9月９日夜印度比哈尔邦又出现严重的列车出轨事故，造成100余人死亡，另有200多人受伤。由此可见，对于日益提速的铁路运营系统，特别是对于高速铁路列车自身安全预警及铁路合理的总调度系统，如何建立安全可靠、实时准确的铁路安全监控和信息传输体系，是铁路研究人员所面临的一项相当艰巨的任务。

1国内外高速铁路安全监测系统研究现状

1.1国外研究现状

世界各国在建设高速铁路之前，就把确保旅客生命财产和行车安全放在首位，把安全技术作为高速铁路的先导型核心技术加以系统研究，并在实际运用中不断完善。日本新干线运行30余年，以高安全性著称。其早期的列车运营管理自动化系统(C O M T A R C)包括行车调度、车辆调度、旅客调度、电力调度、通信信号调度以及设备(线路)调度，其中的设备调度除负责线路的管理和维修保养外，还收集沿线气象、地震等信息，防止灾害的发生并指挥修复与救援工作。其典型的安全监测系统为气象信息系统(MICOS)及智能地震预警系统(UREDAS)。法国高速铁路创造了当前世界上轮轨系交通的最高试验速度5 15.3km/h，以机车信号为主的列车自动控制系统由T V M-3 0 0逐步发展为T V M-4 0 0、T V M-4 3 0。在T V M-430系统中，增加了设备监测和报警子系统，进一步强化了列车运行安全的保障功能，其主要内容为接触网电压监测、热轴监测、降雨监测、降雪监测、大风监测、立交桥下落物监测等。德国亦在高速线上采用了防灾报警系统(MAS90)，除可监督线路装备的运用状态外，还可识别和及时报告环境对行车安全的影响。总之，国外的铁路运营体系都采用了铁路智能运输系统(RITS)，它是智能运输系统(ITS)技术在铁路运输领域的应用和发展。在欧美各国，RITS的研制与开发已有20余年的历史，产生了一批有代表性的系统，如北美铁路的“先进列车控制系统”（ATCS）、法国铁路的“连续实时追踪自动化系统”（ASTREE）、欧洲铁路的“全欧列车控制系统”（ETCS）等，其配套的安全监控系统相当完善。

1.2我国研究现状在我国，人们的防灾减灾意识仍需不断加强，加之铁路安全监控属边缘学科，对于铁路安全防灾的研究仍停留在局部性和理论性研究阶段，尚未形成全局和动态性的良性局面，铁路已有的安全监测体系已经不适应高速铁路日益提速的要求。如：对雨量、洪水、风雪等自然灾害的监测和对轨温、长大隧道、桥梁、列车等设备状态的监测，大多采用人工、间歇收集信息的方式，信息的准确性、实时性差，不适于高速铁路的要求。因此，进行全面系统的研究，提出适合自身的高速铁路运营模式以及自然环境的安全监控系统方案，是我国高速铁路建设的一个重要环节。

2高速铁路安全监控系统的特点高速铁路由于列车速度高、密度大，因此，对行车安全保障体系提出

赵望达：中南大学土木建筑学院，教授，湖南长沙，410075摘　要：从研究国内外安全监控系统模式以及高速铁路的安全监控系统的特点入手，建立由单一传感器向上层辐射的安全监测子系统。提出以智能轨枕为载体，以CAN总线为传输媒介的高速铁路安全监控和信息传输系统，并在该领域进行了一些尝试性研究。

关键词：安全监控；信息传输；智能

传感器；CAN总线

铁8/2004 CHINESE RAILWAYS21中国铁路技术创新了更高的要求，其特点主要表现在以下几个方面。

(1)列车与地面的信息自动交换、实时传输。当列车运行速度超过160km/h后，司机对于地面的信号显示和线路状态难以辨认，此时要求信号和线路状态等更多的信息从地面转移到车上，实现地面与列车间更大容量的信息实时传输与自动交换。

(2)行车调度统一指挥、安全信息实时处理和列车运行自动控制。普速铁路的行车追踪间隔一般为6～10min，而高速铁路的最小行车追踪间隔可达3 min。在如此高的行车密度下，要求建立安全信息实时监测、传输、处理与决策控制中心，统一调度指挥，以保证列车的运行安全。

(3)维持轨道的高平顺性、高稳定性。列车以高速度运行，轨面上微小的不平顺，都可能引起列车的强烈振动，使得列车运行的舒适、平稳、安全性降低，甚至恶化。轨道的高平顺性依赖于轨道的高稳定性，也依赖于路基的高稳定性和均匀性，应该采取对路基、轨道高稳定性进行动态监测的措施。

(4)关键设备的运用状态实时自诊断。高密度行车要求设备不间断运行，因此列车、供电、通信信号等关键设备必须具有自诊断功能，并能将信息及时传送到行车指挥中心及安全信息处理中心，以保证行车安全。

3构建高速铁路安全监控子系统

3.1灾害监测系统

3.1.1风监测系统

强风对铁路的影响主要表现在输电线路和接触网的振动与摆动，以及大跨度桥梁的“风振”，此外侧风对高架桥上运行的列车也构成威胁。风向风速计的设置一般要结合其他探测设备(如雨量探测)综合考虑，便于维修，并安装在无遮掩、宽敞的场所。监测的数据应能代表该地域实际风量，设备的运行应满足该地自然环境条件的要求。在铁路沿线的特大桥、车站及易受大风影响的区段，特别是空旷地带风期长、风力强劲的风口要设置风向风速计，其位置应设于距线路中心水平距离2.5～4.5 m、距轨面垂直高度5～7 m处。如需要，还可在桥梁上设置监测垂直地面纵向风速的超声波风向风速计。

3.1.2雨量及洪水监测系统

雨量及洪水监测系统由数据采集设备、监测终端设备以及监测主机设备构成。数据采集设备主要包括雨量计、水位仪、防撞监视仪、冲刷测量仪、洪水测量仪等。雨量计应设置在沿线五年一遇日最大降水量大于100 mm的区间；位于山坡山脚地带的填土路基，有可能发生滑坡、泥石流或路基下沉的路堑、路堤、隧道入口等处；综合维修基地(工务段)或车站所在地附近。雨量计应每间隔约25 km设置一个，安装高度应在1～4 m。

3.1.3地震监测系统

地震监测系统由振动加速度传感器（ADX210、ADX202）和中心监视设备两部分组成。振动加速度传感器检测加速度值和P波，具有自动报警、显示加速度波形功能，同时能够分析处理监测数据。

依据《铁路工程抗震设计规范》(GBJ 111-87)规定，位于地震烈度大于等于Ⅶ度地区的结构物，应进行抗震设计，因此在地震烈度大于等于Ⅶ度地区就要设地震监测系统。沿线地震仪应根据《中国地震烈度区划图》，在沿线地震烈度大于等于Ⅶ度的线路区段设置，一般考虑设在牵引变电所内，以利于及时断电响应。特定地点的P波检测仪应根据《中国及邻区地震震中分布图》，在历史上震级超过7.0级且距线路400 km范围内大震震中位置附近，选取地表基岩处设置。

3.2固定设备安全监控系统

3.2.1轨温监测系统

轨温的升高使无缝线路钢轨的纵向应力加大，超过一定标准时会导致胀轨跑道事故，对行车安全有极大的危害。现场设置钢轨及大气温度传感器，建立轨温监测报警系统，实时掌握钢轨温度，确定轨温控制标准，科学地进行轨温预报，进一步为行车指挥提供决策依据。轨温监测系统由以下几部分组成：设置在现场的钢轨温度传感器DS18B20，大气温度、湿度传感器；设置在养路工区(工务段)的信息处理器、显示器，道床状态信息输入设备(报警器、记录仪等)。钢轨温度传感器设置地点，一般情况下每隔70km设置一处轨温监测装置。在桥梁较多地段或曲线较多地段，可根据实际情况适当增设。同时在线路选定地点附近，设气信息采集点，以便对比决策。

3.2.2牵引供电安全监控系统

牵引供电安全监控系统包括牵引变电、接触网2个子系统。牵引变电系统包括牵引变电所、分区所、开闭所和自耦变压器等，是向接触网输送电能的供电设施，其中分布着充油设备，且大多为无人值班的场所。因此，自然灾害及外界侵入物的袭击将严重影响供电设施的安全，危及高速铁路的运行。接触网系统包括支柱与基础、支持装置及接触悬挂。其中接触悬挂直接与机车受电弓衔接，向机车提供电源，因此风速的变化对其产生的影响直接关系到列车的安全运行。同时，接触网末端电压的降低也将影响列车的运行与组织。

3.3车载故障监测及自诊断系统

各国高速铁路都具有较完善的车载故障监测和自诊断系统，目的是迅速识别和提示运行中发生的故障，以便及高速铁路安全监控和信息传输系统的研究赵望达中国铁路228/2004CHINESE RAILWAYS技术创新高速铁路安全监控和信息传输系统的研究赵望达时排除。同时将运行过程中所发生故障的相关数据进行记录、贮存。某些影响行车安全的重要故障信息通过列车上设置的故障信息集中及发送装置，传送到地面安全监控系统，由调度中心处理。列车自诊断的主要项目有牵引与制动控制系统、走行部的安全性、与旅客相关的设施状态等，这部分内容一般都纳入高速列车的研制与生产中。

3.4其他安全监控子系统

在轨枕中嵌入能检测出多种行车安全信息的微型传感器以及带C A N总线接口的智能装置，将轨枕视为监测多种行车安全信息的载体，经过安全监测中心的数据分析及处理，综合判断行车安全状态，及时发现行车安全事故并报警。一般将此类轨枕称之为智能轨枕。在智能轨枕中埋设的多种微型传感器能检测轨枕在运动着的机车或车辆作用下的振动特性、音频特性、应力应变、行车速度和载重量等行车安全参数。根据这些安全参数的分析处理，可以得出轨道的应力应变、减载率、车轮悬浮、轮轨的安全状况，应用人工智能和模式识别，综合判断出是否出现了脱轨、超偏载及垂下品等异常状态。

4 CAN总线通信技术与高速铁路安全监测传输系统

4.1 CAN总线的应用概况

C A N(C o n t r o l l e r A r e aNetwork)即控制器局域网络，是一种典型的现场总线，最初是1986年由德国Bosch公司为汽车监控系统而设计的一种串行通信总线。由于它具有布线简单、低成本、易开发、实时性好、抗噪声性能好等优点，现在它的应用范围不再局限于汽车行业，已经扩展到了工程工业、机械工业、纺织机械、机器人、数控机床、医疗器械等领域。

4.2 CAN总线特性分析

4.2.1响应时间

考虑到及时应急措施的实时准确性，响应时间必须在500 ms以下，执

行器响应时间必须在1 0 m s以下，CAN总线数据传输速率都在μs级内，因此可以满足通信速率要求。

4.2.2传输距离

高速铁路安全监测报警系统应根据实际需要合理选用，必要的监测区段，一般距离不超过50 km，每区段可以内部细分监测点的数目。选用两级通信子网即可满足具体要求，调度中心与列车控制室可以接在主干网上，一级CAN总线连接智能数据采集节点和中继器。中继器用来延长CAN的传输距离，使之达到信息中转的目的。这样CAN总线传输距离可远远超过10 km，能够达到高速铁路安全监测报警系统所需的传输距离。

4.2.3系统的可靠度

因为每一区段距离长，总线应能较好地抑制加在收发器上较大的共模电压，同时应该具备适应铁路沿线各种恶劣环境，如电磁干扰、雷击等。CAN与RS485一样采用平衡发送差分接受，抗共模干扰强。同时CAN智能节点与中继器采用高速光隔实现信号隔离，大大提高了抗干扰能力，因此能够适应高速铁路沿线的恶劣环境。

4.2.4系统构造的复杂度和易维护性

CAN总线在几种现场总线中结构最简单，但功能很强，而且硬件和软件开发难度不大，扩展性和可维护性好。

5结论

（1）高速铁路安全监控和信息传输系统研究是一个具有综合性、学科交叉性极强的研究方向。它涉及到计算机、自动化、电子信息、通信以及安全工程等多学科的知识和技术，需要一个跨学科的研究梯队来长期规划，并从理论和试验两个方面同时进行研究，以构建一个综合性的安全保障体系。

（2）研究和应用先进的智能传感器技术，如采用数字式的温度传感器D S 1 8 B 2 0，数字加速度传感器ADX210以及智能湿度传感器等，是实现安全监测的首要保证。

（3）现场总线是综合运用微处理器技术、网络技术、通信技术和自动控制技术的产物。CAN是惟一具有国际标准的现场总线，被公认为是几种最有前途的现场总线之一。因此，将C A N总线技术用于高速铁路安全监测报警系统有望成为研究热点。

（4）结合CAN总线对智能轨枕进行深入的研究，是一个具有广阔前景的研究方向，但必须得到铁路各级部门的支持和协助。

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"责任编辑陈晓云

"收稿日期2004-04-23