德国法国日本高速铁路防灾安全监控系统简介.doc

. 德国高速铁路防灾安全监控系统简介    德国高速铁路属客、货混运型，且隧道约占线路长度的1/3。因此，隧道的行车安全成为德国高速铁路安全保障的重点。德铁制定了非常严格有效的防措施。例如：禁止无加固和防护措施的货物列车或装有危险货物的列车驶入隧道；尽可能减少客、贷列车在隧道交会，并要求限速运行；专门制造了两列隧道救援列车，随车带有医疗卫生救助设备，并同地方政府共同组织消防、救援队，当出现意外事故时，能与时进行抢救。此外，在高速新线上也采用了新型防灾报警系统MAS90，除可监督线路装备的运用状况外，还可识别和与时报告环境对行车安全的影响，以与移动设备发生破损的情况。该警报系统在全线南、北、中段设有中央控制单元(SZE)，相互连通；每个SZE又连接若干设在沿线总站信号楼的各种报警和记录单元(MRE)，并与之进行信息和命令交换。MRE承受安装在沿线的探测报警仪器采集的信息。这些探测报警仪器主要有：HOA903型热轴探测器；LSMA隧道气流报警器(在长度大于1.5 km的隧道安装)；WMA风测量仪(在所有桥梁上安装)；BMA火灾报警仪；沿线设置防护开关；隧道口坍方报警信号装置(EMA)；隧道两端与隧道每1 000 m(早期600 m)设置应急(NR)，仅需扳动手柄就可打开箱，紧急呼叫的信息具有绝对优先权。德国的计算机辅助列车监控(或称行车调度LZB)系统，可起到安全调度功能。图为德国新建高速铁路防灾报警系统配置示意图。                                          图 德国新建高速铁路防灾报警系统配置图 探测设备：HOA热轴探测设备；WMA风力测量报警设备；LSMA气流报警设备；BMA火灾报警设备；EMA塌方报警设备；Whz道岔加热设备。处理设备：ZSE集中控制单元；MRE报警显示和记录装置。BFA、BFB、BFC：车站A、B、C。 法国高速铁路防灾安全监控系统简介    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515.3 km/h，运营最高速度达到300320 km/h。虽然发生过行车事故，但未造成旅客伤亡，这应归功于其无所不包的安全保障技术。法国高速铁路采用了以机车信号为主的列车自动控制系统。在型号为，TVM430的列车自动控制系统(ATC)中，除完成列车速度自动控制外，增加了设备状态和自然环境检测、报警子系统，进一步强化了列车安全运行的保障功能。包括列车自动检测(轮轴不转或防滑系统双重故障，万向节的失衡和断裂，转向架的稳定性能检测)、接触网电压检测、热轴检测、降雨监测、降雪监测、大风监测、立交桥下落物监测7个子系统装置。法国高速铁路沿线设有防护开关和应急，法铁还和国家地震局在地中海线设置了地震监测系统。                                     图  新干线安全设备控制关系示意图 英法海底隧道的安全工程，是作为一个特殊问题考虑的。隧道总长50.5 km，海下部分长38 km，从设计到建成投入运营的各个阶段中，突出考虑了隧道火警与紧急安全救援系统。首先确定了可能出现的主要危险项目：地震、洪水(涌水)、停电、运送危险物品、火车相撞、列车脱轨、火灾、恐怖活动与综合危险等。为防止以上灾害的发生，从设计、防灾装备、材料选择、供电、通风系统、通讯、调度指挥诸方面作了仔细的安排。如在50 km的隧道，安装了31个火情检测设备对隧道的空气质量连续进行分析，一旦发生火情可起动自动灭火系统，并与车上互通信息，确保发生紧急情况下的旅客安全。此外还备有火灾发生后旅客可在2。3 min安全撤离措施，着火车厢采取灭火、与火源隔离、将车辆撤离火场等措施。海峡隧道高速铁路是一条客货混运线路，为此增添了新的设施。如运送汽车采用特种穿梭列车运送车辆和乘务人员；列车采用特殊防火材料制造，即使在高温下也无；癣和不放或少放有毒气体。通道设置正常通风和事故(火灾)紧急通风两套系统，并具有适应隧道风流向和风压瞬变的调节特性。这些措施都是建立在过去事故的经验与其分析研究基础上的。在海峡隧道工程的每一个设计和施工阶段，都要进行安全方面的评估。所以当1996年隧道穿梭列车上的汽车发生严重火灾时，无人员伤亡并很快控制了局势，但是这次重大事件也暴露了很多应变中的问题。日本高速铁路防灾安全监控系统简介     日本是一个灾害多发国家，台风、暴雨、大雪、地震等自然灾害频繁。新干线自1964年10月开业至今，保持着无一乘客伤亡的优异成绩。每天运行列车750列，运送旅客75万人次以上，列车晚点平均小于1min，首先应归功于日臻完善的防灾安全保障体系。(一)沿线灾害监测与管制措施1.地震监测与运行管制日本是一个多地震国家，除在沿线(大部分在变电所)设置加速度报警检测仪与显示用地震仪外，东北、上越、长野新干线还沿海岸线设置地震监测系统，以便提前检测到40 Gal以上的地震波。东海道和山阳新干线由于距东海与关东地震区很近，则采用了更为先进的“地震P波早期监测警报系统(UrEDAS)”，利用沿线地震报警仪(设定40 Gal)和M(震级)(距震中心距)图，对运行管制区域进行判断和管制。图1为日本地震信息系统示意图，图2、图3为发生地震时的列车运行管制围和过程。表1。表3为发生地震时的列车运行管制规则。                                            图1  日本地震信息系统示意图图2  甲、乙、丙、丁所代表的围                                                                                  图3  日本地震发生时的处理过程框图2.风速监测和运行管制在易发生强风与突然大风的高架桥、河川等地安装风向风速仪，其信息在中央调度所的显示盘上或CRT上显示(Cathod Ray Tube是调度员和信息处理系统的电脑互相交换情报的人。机装置)。日本对列车运行进行管制的风速值，全部为瞬时风速值。管制标准各地区不尽相同，在设置了挡风墙的地段，对强风进行运行管制的标准可适当放宽。 表1  地震发生时列车运行规则(东海道新干线)地震强度行  车  规  则停    车限  速  运  行甲在规定的区间停车在规定的区间限速70 km/h以下，特例30 km/h以下乙在规定的区间停车在规定的区间限速70 km/h以下，特例30 km/h以下丙/在规定的区间限速70 km/h以下，特例30 km/h以下丁/ 注：(1)“地震强度”是UrEDAS早期监测系统判定的地震烈度。(2)“特例”是指以下情况之一：连续雨量达120 mm以上降雨时发生地震；气温上升，轨温达50以上时发生地震；日落以后(包括浓雾)时发生地震(地震强度丙时除外)。(3)甲、乙、丙、丁系根据震级震中距关系曲线划分的为恢复行车而采取相应措施的4档规定：甲停车后对全线巡检；乙停车后对部分区间巡检；丙停车后，从70 km/h逐步提速；J无停车后规定。表2  发生地震时列车运行规则与其他(山阳新干线) 感震器最大值/Gal判定震度运行规则紧  急  巡检提    速停车限    速地面巡检添乘巡检30 km/h70 km/h70 km/h40<803以下* 感震器监管围70 km/h以下，但判定震度未明确前30 kin/h以下，特例30 kin/h以下 无；特例时同“限速”区间 设备电气设备4以上 感震器监管围30 km/h以下，但有设备与电气人员添乘70 km/h以下，特例30 kin/h以下 特例时同“限速”区间设备电气设备电气设备40<1203以下 同上 同上设备电气设备电气设备4感震器监管围感震器监管围，有设备、电气人员添乘70 km/h以下，特例30 km/h以下停车区间的特定地点同上设备电气设备电气设备5以上同上同上停车区间同上设备电气设备电气设备120 同上同上同上同上设备电气设备电气设备注：“其他”是指工程施工或灾害注意地点，根据养路工长或电力区长的报告确定限速值。“设备电气”指提速时有设备与电气人员添乘。“特例”是指以下情况之一：连续雨量达120 mm以上降雨时发生地震；日落以后(包括浓雾)发生地震，但“*”行的情况除外；气温上升，轨温达50cI=以上时发生地震。此表摘自“日本新干线安全对策概要”(1999年12月日文版)。防止强风灾害，是铁道行业的重要课题。与强风相关的问题与其相互关系见图4。人们关心的是强风可能造成列车的脱轨倾覆，在弯道行驶的车辆主要受到重力、横向振动力、离心力和风压力的影响，它们的合力若落在左右车轮与钢轨接触点之则不会倾覆；合力若正好通过接触点，此时称之为临界倾覆状态，记为危险率D=1.O，见图5；挡风墙fl-算时考虑安全系数，则取D=0.8。 表3  发生地震时列车停车后的运行规则(东北、上越、长野新干线) Gal值(沿线)行  车规则紧急巡检停  车限  速徒步巡检添乘巡检80 Gal以下根据调度员的命令恢复运行无无80Gal以上,120 Gal以下 超过80 Gal的感震器点两端12 km围，开始供电后30 km/h以下；有设备、电力人员添乘70 kin/h以下。但以下情况30 km/h以下：有碴轨道区间钢轨温度55以上时发生地震；日落(包括浓雾、大雪)后发生地震时特别规定的区间(实行地面巡检的除外)无对限速区间进行添乘巡检120 Gal以上超过120 Gal时，在感震器动作点与相邻感震器间超过120伽的感震器与相邻感震器间，地面巡检完后70 km/h以下，但以下情况30 km/h以下：有碴轨道轨温55以上时发生地震  对停车区间进行徒步巡检对限速区间进行添乘巡检                                              图4  关于强风对策研究项目关联框图                       图5  列车受力示意图日本东北新干线长553 k孟，设置了47段大风限速区间；上越新干线长334 km，设置了21段大风限速区间。在这些限制区设置了风速计，根据风速等级逐级限制车速，警报标准如表4所示。近年来，由于增设挡风墙、不断改善车辆断面而逐渐降低了对列车限速的要求。  表4  强风时列车运行管制规则(东北、上越、长野新干线) 风速/m·s-1一般  区  间设置一定标准的挡风墙区间20风速<25列车限速160 km/h以下不限速25风速<30列车限速70 km/h以下；也可视具体情况停运列车限速160 km/h以下30风速<35停  运列车限速70 km/h以下；也可视具体情况停运风速35停  运停  运 注：网速指瞬时风速；此表摘自“日本新干线安全对策附属资料”(1999年9月日文版)。3.雨量监测与运行管制在沿线路堑、填土和隧道出入口等降雨易造成灾害地区，装设雨量计。时雨量和连续雨量超过规定值时，在工务段和地区调度所报警。关于集中暴雨的运行管制可分为在指定的区间、里程行车速度管制和停车管制。图6为日本雨量报警系统构成示意图。降雨警报标准与列车运行管制措施的规定见表5和表6                                              图6  雨量报警系统构成示意图表5  日本东海道新干线降雨警报标准与列车运行管制措施           mm运行管制连续雨量(24 h累计)时雨量连续雨量+时雨量雨量报告备  注警戒第3种10011025/每l h一次 第2种12013030110+20每O.5 h一次每34 h巡检一次第1种14035120+25每2 h巡检一次限速运行170 km/hB区域/40140+30或160+2每O.5 h一次实时地面巡检，适当添乘巡检A区域/45150+30或180+270 km/hB区域/45150+32或180+2停止    运行一般区间/50150+40每10 min一次连续降雨时B区域紧急巡检。一时的集中豪雨，要注意地点紧急巡检高架桥、无碴桥/70150+60注：第3种警戒是指在预先确定的区间，以与指定在设备保养上要注意的地点进行定时的巡检警戒。第2种警戒是指在第3种警戒对象以外的土工结构物和隧道洞口附近进行周期性的巡检警戒。第1种警戒是指在第2种警戒对象以外的预先指定的区间或认为有可能受灾的地点进行周期性的巡检警。警戒：雨量达到颁布标准，基本没有发生灾害的可能，能预测出灾害的部分前兆，需要警戒。限速运行：雨量达到颁布标准，经验说明没有灾害的发生，无异常降雨，有发生轻微灾害的可能       性，要考虑限速运行。停止运行：雨量达到颁布标准，有发生灾害的可能性，需要停止运行。B区域：连续雨量150mm以上，并时雨量达40mm的时巡检区间；其他的A区域。时雨量达50mm时的巡检区间称之为“要注意地点”。表6  日本其他各线因降雨而停止列车运行的规定线  区    容东海道(1)时雨量达50 mm时：(2)连续雨量达150 mm以上，时雨量达40 mm时；(3)根据养路人员的报告或其他原因，认为有必要停止列车运行时山  阳(1)时雨量达55 mm时；(2)连续雨量达190mm以上，时雨量达40 mm时，或连续雨量达250 mm以上，时雨量达20mm时；(3)连续雨量达350mm时；(4)根据养路人员报告或其他原因，认为有必要停止列车运行时东北上越(1)时雨量达5060mm以上时；(2)连续降雨量达200mm以上，时雨量达50mm时：(3)连续降雨量达250 mm以上时；(4)桥梁梁下水位达停运水位时；(5)认为上游漂浮物有危与桥梁安全时或有严重冲刷时；(6)因其他原因认为有必要停止列车运行时 注：此表摘自“日本新干线安全对策资料集”(正文第二稿，1999年9月)。有些线路事故如坍方、滑坡，是不能仅靠监测小时雨量和连续雨量而能够预测到的，其原因是长时间连续阴雨，使保水性很强的粘性土路堤中的地下水位异常上升，导致路堤与地基失稳，随着基底破坏发生滑移。鉴于这种情况，日本在以往的小时雨量、连续雨量之外，又引入了一个新的指标：累计雨量，即48h以的连续或间断降雨量。其警戒标准：历史上发生过降雨破坏史例的，取破坏时最小降雨量的90%作为发令标准值；无破坏历史的，取过去10年间511月最大累计降雨量的90%作为发令标准值。4.河川水位监测(洪水)与运行管制在认为必要的河流上安装水位计，对水位上升进行监视和行车管制。日本通常雨量、河川水位、长轨温度监测报警统一在地区调度所显示。5.轨温监测与运行管制无缝线路长钢轨在炎热夏季随轨温升高，其纵向压力将增大，加之大型养路机械作业后道床阻力下降，造成无缝线路保持稳定的安全储备降低。为了保证行车安全，要对列车运行速度进行管制。管制的依据主要为钢轨温度和有碴道床的横向阻力。日本新干线无缝线路钢轨锁定温度的确定原则是：使得可能出现的最高、最低轨温与锁定温度之差不大于40。同时要求有碴轨道道床纵向阻力不低于8 826 N/m。因此，可保持道床稳定的最高轨温约为60，最低约为-10。此外，从轨排刚度考虑，保证30%安全率的最低压屈强度为882.6 kN。轨温达64时的钢轨纵向力接近882.6 kN，因此，确定64为列车停止运行温度；对最低压屈强度留有20%安全率的纵向力，相对应的轨温约为60，规定以70 km/h慢行。再者，由于线路不断受到列车荷载作用，维修作业反复进行，因而有可能使钢轨锁定温度发生变化或道床阻力下降。为保证列车运行安全，需要对钢轨温度进行监测，并在高温时对列车运行速度进行管制。高温时行车管制规则分两类，一类是一般区间，另一类是无碴桥梁。每一类又根据实测的道床横向阻力大小分别按轨温高低进行行车管制。管制标准见表7、表8。 表7  高温时行车规则(一般区间)轨温/测定道床横向阻力(N/每枕)行车规则>6412 748停止运行>60<8 826停止运行8 82670 km/h慢行>58<8 826根据特别巡检确定是否70 km/h慢行8 826温度观测>53<8 826特别巡检8 826温度观测>48<8 826温度观测>45<8 826A区间特别巡检 表8  高温时行车规则(无碴桥伸缩端) 轨温/测定道床横向阻力(N/每枕)行车规则>6412 748停止运行>60<10 787停止运行10 78770 km/h慢行>58<10 787根据特别巡检确定是否70 km/h慢行10 787温度观测>53<10 787特别巡检10 787温度观测>48<10 787温度观测>45<10 787B区间特别巡检 注：特别巡检是指在轨温达到该规定时，由工区派人到认为有危险的地点(如路肩狭窄处由于路基下沉如厚道床所致，路桥过渡段等)，进入第一道防护栅，在邻近线路防护栅外巡检，用目测线路方向、水平等。A、B区间是指有轨缝线路地段纵向稳定系数不同的地点。6.降雪对策、驾驶规则和运行限制 暴风雪形成的雪堆，过高时影响行车安全。日本在风口地段设置防雪栅或防护林，防止在线路和设施上形成雪堆。同时在适当地点应设置防雪崩桩或檐棚，阻止斜坡发生雪崩。列车底架粘附积雪，将造成车下设备损坏，或当积雪融化下落时，威胁线路两侧地面设备和引起道碴飞溅，这些亦应采取相应措施。雪还会影响道岔正常工作。雪害监测设备包括：降雪计、积雪深度计、自动控制部分与除雪(融雪)设备等。7.限界障碍监测主要指因塌方、落石、与公路或既有线交叉、平行地段，可能造成高速线路被侵限事故的监测。日本主要采用栅网、柱式压力感应电缆或光缆式传感器进行监测。 (二)特殊地段防灾措施 1.长大隧道的防灾设备为了预防长大隧道的列车火灾等事故，装备以下设备：联络设备、消防设备、照明设备、距离出口显示、接触网特殊供电设备、列车防护开关等。对于海底长大隧道，还装备有火警检测、换气排烟、预防地震等防灾监测系统和涌水监测、隧道壁纵、横向应变监测等设备。2.长大桥梁的防灾措施对河川水位监测，需设置水位计、雨量计。在与公路和既有线平行、立体交叉处，安装必要的限界障碍检测和桥墩防护工程。3.大型车站的防灾大型客运站设防灾中心，其职责是将站防火、防烟设备信息集中处理控制，在非常事态发生时，对旅客进行有效地疏导。主要设备包括：各种感烟、感热(火)探测器，通风、排烟、防火、防烟门监控，通道、出口与滚梯监控，防灾监控台，非常通讯与广播，CRT与图像显示器。车站站台旅客安全与信息设备主要包括：车站广播设备、ITV设备，以与站台防护栏、列车防护开关和旅客问询、导向系统(HC)。(三)列车的防火对策与车上监测装置1.车防火措施包括：(1)严格采用不燃和阻燃材料。表6.7.10列出日本高速车辆防火设计要求。(2)提高客车结构的抗火性，确保火灾初期结构不变形，给疏散旅客提供时间保证。(3)从车辆结构设计上隔断火源、设挡火墙(板)，防止或减缓火焰蔓延。门窗设计要有利疏散旅客。(4)每节车厢设有火警报警开关、灭火设施，并设有与司机联络的。2.车上监测装置车上监测装置指集中管理列车运行与监测车上主要设备、重要零部件工作状态的自诊断系统，为车上乘务人员与综合调度中心提供信息。动车上设有故障信息集中与发送装置，显示故障种类和位置，向上一级安全监控系统发送故障信息，并为维修段提供状态数据。该系统本身具有极高的可靠性，监控容主要有：(1)轴温监测；(2)车门控制系统；(3)防滑装置；(4)供电系统(包括接触网诊断)；(5)空调系统；(6)制动系统；(7)火灾监测；(8)走行部分监测。 (四)安全管理措施1.法律措施日本新干线正式开通运营之前，日本政府与运输省即以法律形式，针对破坏铁路设备与影响行车安全的行为分别颁布了新干线特例法和实施细则。2.防护措施沿线设防护网、防护开关和，设各种安全防护工程与对列车热轴、火警、列车运行状态进行监测。3.线路运行、维修时间带分隔措施避免高速列车运行与线路、供电维修作业交叉干扰和带来不安全因素。4.调度体系和综合安全监控系统新干线将旅客、运输、设备、供电等各系统调度集中一起，将全线信息、传输、控制用的诸设备集中于综合调度中心。日本新干线列车运行管理自动化系统，经历和包括最初的A代列车自动控制CTC列车集中控制ATC数字控制COMTARC计算机辅助运行控制，1995年11月又起用了COSMOS(1)运输计划子系统；(2)运行管理子系统；(3)车辆管理子系统；(4)站作业管理系统(包括车辆基地)；(5)维护作业管理系统；(6)信息集中监视子系统(包括灾害信息和设备状态信息)；(7)电力系统控制子系统(包括供电、通讯信号设备)；(8)设备管理子系统。以上8个子系统通过中央LAN联接以下四大控制装置，完成上述功能。(1)设备信息监视中央装置；(2)供电系统控制中央装置；(3)维修作业管理中央装置；(4)运输计划(设备管理)中央装置。1995年1月17日发生的阪神震给东海道、山阳新干线造成极大损失，使京都以区铁路大面积停运。根据这次教训，除了加强通信联络，改善救护，强化抗震措施外，很重要的一条是决定建立“东海道、山阳新干线第二综合调度中心”，并于1999年2月投入使用。其设备配置与东京综合调度中心完全一样，一旦东京调度中心受到地震破坏，可以马上启用备用控制中心进行统一指挥。21 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