鐵路作為國家的經(jīng)濟大動脈，在交通運輸系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用，其旅客和貨物的運輸量大大超過了其它運輸方式。安全是確保鐵路正常高效運輸?shù)那疤幔鴮τ谟绊戣F路運輸安全，特別是高速客運專線運輸安全的強風、暴雨、暴雪、地震等自然災(zāi)害和跨線橋、隧道口和公鐵并行區(qū)段的異物侵限災(zāi)害(如翻車、落石、落物)的預(yù)防和報警是保證鐵路運輸安全的重要手段。構(gòu)建鐵路防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)，就是構(gòu)建保證鐵路運輸安全的“神經(jīng)系統(tǒng)”，是構(gòu)建鐵路高速發(fā)展的“保護傘”。

　　高鐵防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)方案的設(shè)計需要綜合考慮高鐵防災(zāi)安全監(jiān)控的需求、系統(tǒng)整體的安全可靠性，以及實際項目實施中可能碰到的各種問題。以下就從防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案、安全可靠性設(shè)計、項目實施中需要注意的問題這幾個方面作一個粗淺的探討。

　　總體方案

　　方案總體架構(gòu)

　　防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)是構(gòu)架于通信傳輸系統(tǒng)基礎(chǔ)上的、集信息采集、存儲、顯示、查詢分析和預(yù)案處理為一體，通過智能分析系統(tǒng)給出報警和決策信息的智能監(jiān)測系統(tǒng)。防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)采用統(tǒng)一的處理平臺，由調(diào)度所設(shè)備、監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設(shè)備、監(jiān)控單元、現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備及通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等所構(gòu)成。防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案包括：

　　(1)在各現(xiàn)場監(jiān)測點設(shè)置風、雨、雪、地震，以及異物侵限現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備;

　　(2)在鄰近現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備的GSM-R基站、車站的防災(zāi)機房內(nèi)設(shè)置現(xiàn)場監(jiān)控單元，根據(jù)所接入的現(xiàn)場監(jiān)測傳感器的功能不同，分別配置風、雨、雪、地震，以及異物侵限監(jiān)測的監(jiān)控單元主機;

　　(3)在線路主要車站或綜合維修工區(qū)防災(zāi)機房設(shè)置監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設(shè)備;在鐵路局工務(wù)處、綜合維修基地等設(shè)置工務(wù)終端;

　　(4)在鐵路局調(diào)度所設(shè)置防災(zāi)監(jiān)控終端;

　　(5)各監(jiān)控單元與工區(qū)、調(diào)度所間通過傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成傳輸網(wǎng)絡(luò);

　　(6)防災(zāi)系統(tǒng)在完成異物侵限功能的現(xiàn)場監(jiān)控單元處，通過繼電接口直接與列控系統(tǒng)連接。

　　系統(tǒng)設(shè)備布置

　　風速風向計布置

　　時速300-350公里客運專線，最大瞬時風速30年均值(以下簡稱)，不小于15m/s的地區(qū)設(shè)風速風向計;時速200-250公里客運專線，不小于20m/s的地區(qū)布設(shè)風速風向計。

　　風速風向計基本布設(shè)原則：

　　1、山區(qū)埡口、峽谷、河谷等特殊區(qū)段或≥25m/s的大風區(qū)間，風速風向計的平均間距按1km計算。

　　2、軌面高度10m及以上的高架橋、高路堤等區(qū)段，風速風向計的平均間距按5-10km計算。

　　3、除上述情況外的平原區(qū)段，風速風向計的平均布設(shè)間距按15-20km計算。

　　4、根據(jù)客運專線運營速度及沿線氣象條件、地理環(huán)境，合理布設(shè)并適時調(diào)整風速風向計的布設(shè)間距。具體布點設(shè)計過程如下：[nextpage]

　　(1)歷史氣象數(shù)據(jù)整理

　　A.地形原則

　　對于具有埡口、長大橋梁、隧道口、高路基等典型地形地貌的路段，根據(jù)氣象站的歷史風速資料分析兩年一遇的瞬時最大風速，再通過風速原則確定布點。

　　B.風速原則

　　危險地段：兩年一遇的最大瞬時風速大于30m/s;

　　控制地段：兩年一遇的最大瞬時風速大于20m/s小于30m/s;

　　一般地段：兩年一遇的最大瞬時風速小于20m/s;

　　在系統(tǒng)設(shè)計布點時，危險地段、控制地段需要實時觀測風速風向。

　　C.監(jiān)測點數(shù)量和位置原則

　　在危險地段和控制地段設(shè)置監(jiān)測點時，應(yīng)根據(jù)地形確定布點的具體位置和數(shù)量，設(shè)置依據(jù)如下。

　　埡口：中心必須設(shè)置監(jiān)測點，長度大于800m的埡口根據(jù)地形情況適當增設(shè)。

　　橋梁：長度小于3km的橋梁，布設(shè)1個監(jiān)測點;長度大于3km，且小于5km的橋梁，則根據(jù)現(xiàn)場地形情況布設(shè)1~2個監(jiān)測點;長度大于5km，且小于15km的橋梁，布設(shè)3個監(jiān)測點。橋中必須設(shè)置監(jiān)測點。

　　高路堤：高路堤的布點原則參照橋梁的布點原則。

　　一般地段：除危險地段和控制地段之外，當一般地段連續(xù)長度超過15公里，應(yīng)布置監(jiān)測點。

　　(2)布點過程

　　根據(jù)線路平、縱斷面圖和橋梁、隧道特征資料，結(jié)合風監(jiān)測布點原則進行布設(shè)。

　　首先參考平面圖，再根據(jù)現(xiàn)場勘查情況。如，平面圖上特大橋附近地勢變化比較平緩，橋的中間是一條河道，四周比較開闊;現(xiàn)場實際觀察，周圍遮擋物較少，適宜設(shè)置風監(jiān)測點。

　　(3)布點方案

　　通過現(xiàn)場考察、計算并結(jié)合布點原則得出線路風監(jiān)測點的布點方案。風速風向計設(shè)于線路的迎風側(cè)，一般安裝于接觸網(wǎng)桿上;風速風向計距軌面高度4-4.5m。

　　雨量計布置

　　系統(tǒng)在年降水量大于200mm的地區(qū)設(shè)置雨量計。雨量計布設(shè)基本原則如下：

　　(1)雨量計原則上設(shè)于路基區(qū)段，以及設(shè)有防護網(wǎng)的隧道口。

　　(2)路基未設(shè)防水層時，雨量計的布設(shè)間距原則上按25km計算。

　　(3)路基設(shè)有防水層時，雨量計的布設(shè)間距原則上按30km計算。

　　(4)根據(jù)沿線地形、地貌以及地質(zhì)、植被情況，合理增設(shè)雨量計。

　　實地勘察時應(yīng)搜集當?shù)毓?wù)部門的既有雨量數(shù)據(jù)作為參考。有條件時，雨量計與風速風向計同址安裝于接觸網(wǎng)桿上;單獨設(shè)置時，雨量計可設(shè)于綜合維修段(綜合維修保養(yǎng)點)、工務(wù)車間、工務(wù)工區(qū)等處。

　　雪深計布置

　　在降雪較頻繁地區(qū)需要根據(jù)氣象臺站的積雪深度統(tǒng)計數(shù)據(jù)，結(jié)合積雪深度與首列車限速要求設(shè)置雪深計。雪深計布設(shè)基本原則如下：

　　(1)雪深計的布設(shè)間距原則上按50km計算;

　　(2)雪深計一般設(shè)于綜合維修段(綜合維修保養(yǎng)點)、工務(wù)車間、工務(wù)工區(qū)等處平坦、開闊、且具有自然下墊面的地方;

　　(3)容易大風搬運造成積雪的深路塹要重點布置;

　　(4)歷史積雪深度小于最小積雪報警閾值的地區(qū)一般不需要監(jiān)測;

　　(5)歷史上經(jīng)常出現(xiàn)積雪深度20cm以上的地區(qū)必須考慮積雪監(jiān)測;

　　(6)布點應(yīng)考慮鐵路沿線的供電和通信;

　　(7)為方便與道岔融雪設(shè)備的聯(lián)動，可考慮設(shè)置在道岔區(qū)段附近。

　　地震監(jiān)測點與強震儀布置

　　地震監(jiān)測點基本布設(shè)原則如下：

　　(1)地震動加速度0.1g及以上地區(qū)設(shè)地震監(jiān)測點;

　　(2)地震監(jiān)測點的布設(shè)間距一般不大于20km;

　　(3)地震監(jiān)測點設(shè)于沿線的牽引變電所、AT所、分區(qū)所、開閉所內(nèi);

　　(4)每個地震監(jiān)測點設(shè)2套地震儀，2套地震儀的間距一般不小于40m。[nextpage]

　　異物侵限監(jiān)測傳感器布置

　　異物侵限監(jiān)測傳感器設(shè)置于沿線公跨鐵橋梁兩側(cè)，以及設(shè)有防護網(wǎng)的隧道口、高邊坡處，經(jīng)現(xiàn)場踏勘認為確有必要時應(yīng)設(shè)異物侵限監(jiān)測傳感器;公路與客運專線軌面等高或公路高于客運專線軌面的公鐵并行區(qū)段，經(jīng)現(xiàn)場踏勘認為確有必要時應(yīng)設(shè)異物侵限監(jiān)測傳感器。

　　監(jiān)控單元布置

　　監(jiān)控單元一般設(shè)置于沿線的GSM-R基站、牽引變電所、AT所、分區(qū)所、開閉所等處或共用房屋。積雪深度監(jiān)控單元一般設(shè)于綜合維修段(綜合維修保養(yǎng)點)、工務(wù)車間、工務(wù)工區(qū)等處并合建房屋;有條件時，與監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設(shè)備共用機房。

　　監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設(shè)備

　　系統(tǒng)按運營維護管轄范圍宜較集中地設(shè)置監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設(shè)備。

　　監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設(shè)備一般設(shè)置于綜合維修段(綜合維修保養(yǎng)點)、工務(wù)車間;其中，工務(wù)終端一般設(shè)于綜合維修段(綜合維修保養(yǎng)點)、工務(wù)車間的工務(wù)值班室。

　　調(diào)度中心設(shè)備

　　系統(tǒng)需按行車調(diào)度區(qū)段設(shè)置防災(zāi)終端。

　　方案安全可靠性設(shè)計

　　可靠性

　　防災(zāi)系統(tǒng)要求高可靠性和安全性，特別是控車部分要求符合故障-安全原則，系統(tǒng)可靠性和安全性設(shè)計主要從以下幾個方面考慮：

　　· 監(jiān)控單元板卡上采用工業(yè)級器件，室外傳感器等采用固化設(shè)計，材質(zhì)選擇符合室外環(huán)境要求;室外的IC、半導(dǎo)體等器件需使用軍品級器件;

　　· 系統(tǒng)在控車相關(guān)部件(如地震控制、異物侵限控制等)使用2×2取2配置，其余監(jiān)測相關(guān)部件采用雙套熱備方式，從室外傳感器、控制盒、通道、防雷、各類板卡都采用雙冗余熱備，任何一個板卡故障都不會影響系統(tǒng)的使用;

　　· 監(jiān)控單元控車部分采用2×2取2架構(gòu)，切換成功率達到100%。主備板切換時，繼電器組合的狀態(tài)原態(tài)保持，不出現(xiàn)繼電器“眨眼”情況，系統(tǒng)采用雙驅(qū)雙采的方式實現(xiàn);

　　· 系統(tǒng)MTBF可達到5×105,滿足鐵道部的標準要求;

　　· 監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設(shè)備采用的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器均采用雙機熱備設(shè)計，單機故障不會影響系統(tǒng)的運行。磁盤陣列采用N+1熱備方式，單硬盤故障可實時切換到備用硬盤，提高了系統(tǒng)的可靠性;

　　· 主機和接口板為低功耗無風扇設(shè)計;

　　· 控制主機采用無操作系統(tǒng)設(shè)計;

　　· 嚴格要求硬件板卡符合安規(guī)、防雷、抗EMC干擾、環(huán)境溫度等要求;

　　· 監(jiān)控單元板卡采用防錯插設(shè)計;

　　· 雙UPS電源熱備并實現(xiàn)無擾動切換，保證系統(tǒng)在UPS故障時仍能正常運行，提高了可用性;

　　· 電源模塊采用均流冗余技術(shù)，實現(xiàn)多個電源板平均冗余，任何一個損壞都不影響系統(tǒng)的供電;

　　· 防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)采用良好的EMC設(shè)計，滿足鐵道部信號電子設(shè)備EMC要求;

　　· 防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)的防雷設(shè)計符合鐵道信號設(shè)備雷電電磁脈沖防護技術(shù)條件的要求。

　　故障處理

　　在防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)生故障時，為了不中斷系統(tǒng)的處理，采用的相應(yīng)技術(shù)措施包括：

　　· 整個系統(tǒng)支持雙套熱備，包括從傳感器、接口板、主控板、驅(qū)動板、采集板、UPS電源、AC/DC電源、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、防災(zāi)終端等都為雙套熱備，單設(shè)備故障不會影響整個系統(tǒng)的運行;

　　· 對于雙套布置的風、雨、雪深、地震、異物侵限傳感器，在單套故障的情況下系統(tǒng)，先只作出報警和通知維修人員維修的動作，并不直接輸出控制，支持短期(8小時)單傳感器數(shù)據(jù)可置信，只有在雙套設(shè)備同時正常并同時報警時才輸出控制。

　　可維護性

　　為了保證防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)便于維護，系統(tǒng)在設(shè)計時應(yīng)考慮如下需求：

　　· 系統(tǒng)設(shè)計要便于故障的診斷，硬件采用工作狀態(tài)燈、告警燈等提示告警，維修終端軟件上實時顯示系統(tǒng)的狀態(tài)圖形，并能查詢內(nèi)部告警的歷史信息，方便維護和故障恢復(fù);[nextpage]

　　· 設(shè)備采用模塊化設(shè)計，組裝簡便，集成度高;

　　· 所有板卡都支持熱插拔功能;

　　· 配置數(shù)據(jù)可遠程在線升級。

　　系統(tǒng)熱備性能

　　鐵路防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)的熱備性能如下：

　　· 數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的雙機切換時間不超過3min;

　　· 應(yīng)用服務(wù)器的雙機切換時間不超過1s;

　　· 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的雙機切換時間不超過1s;

　　· 監(jiān)控單元的雙機切換時間不超過1s;

　　· 電源的雙機切換時間不超過150ms;

　　· 報警信息的延時不超過1s;

　　· 與列控、聯(lián)鎖系統(tǒng)及牽引供電系統(tǒng)的接口電路延時不超過500ms。

　　方案實施

　　在項目方案實施過程中，還應(yīng)對整個系統(tǒng)的各個方面做好細致周密的考慮，項目實施中需要關(guān)注的一些常見問題如下。

　　(1)戶外設(shè)備防水、抗振動

　　安裝在室外的傳感器、數(shù)據(jù)傳輸單元、軌旁控制器等設(shè)備，在惡劣天氣條件下，如暴雨，是否能保證其防水性能?結(jié)構(gòu)件是否能夠承受長期的軌旁振動?

　　為了保證防水性能，應(yīng)優(yōu)先考慮選用防護等級IP65及以上的傳感器;數(shù)據(jù)傳輸單元和軌旁控制器采用防水箱設(shè)計，加強密封性能，包括增加橡膠墊圈、加固拉桿等，施工完成后做好灌封等。

　　在抗振性能方面，可考慮減輕設(shè)備重量，內(nèi)部器件質(zhì)量均勻分布，結(jié)構(gòu)件采用雙螺母緊固，加彈墊、螺絲擰緊后涂抹防松膠。

　　(2)戶外設(shè)備結(jié)構(gòu)件上銹

　　一些項目中戶外設(shè)備的結(jié)構(gòu)件在安裝后，容易出現(xiàn)上銹的問題。因此對于金屬結(jié)構(gòu)件應(yīng)盡可能采用不銹鋼材質(zhì)，采用普通鋼材的要增加熱鍍鋅工藝，并且在表面做噴塑處理。在結(jié)構(gòu)件加工過程中，要把控好加工流程，減少酸堿等物質(zhì)的殘留。

　　(3)傳感器數(shù)據(jù)異常

　　現(xiàn)場傳感器尤其是風雨傳感器容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常。如列車高速通過時產(chǎn)生的影響，較易使傳感器數(shù)據(jù)計算失敗，還有環(huán)境或惡劣天氣產(chǎn)生的干擾等等。這些需要整個系統(tǒng)的軟件做好優(yōu)化處理，濾除異常數(shù)據(jù)。

　　(4)異物監(jiān)測誤報

　　在以往的一些項目中出現(xiàn)過異物監(jiān)測的誤報，此類誤報的影響比較嚴重，會影響到列車的正常運行。因此必須提高異物侵限子系統(tǒng)的安全等級，提高設(shè)備的可靠性，嚴格控制施工工藝流程，借鑒信號系統(tǒng)的安全理念，采用2×2取2的輸出控制。同時做好主備機熱備和切換，完善設(shè)備的自檢測功能，完善設(shè)備管理運用規(guī)程，并嚴格執(zhí)行。

　　(5)電源中斷

　　UPS電源輸入供電中斷時，在電池耗盡前沒有能夠及時恢復(fù)供電，容易造成系統(tǒng)掉電。因此對于監(jiān)控單元這類重要設(shè)備，其UPS必須采用雙套布置。系統(tǒng)應(yīng)具備完善的UPS監(jiān)測功能，可遠程實時監(jiān)測UPS電源狀態(tài)，對出現(xiàn)的故障進行實時的告警。

　　(6)雷電防護

　　要考慮感應(yīng)雷對雙電網(wǎng)傳感器以及室內(nèi)電子設(shè)備的影響，做好接地工程，讓雷擊浪涌具備泄放途徑，增加必要的防雷模塊，縮短泄放通路的長度。

　　(7)接觸網(wǎng)安全距離

　　安裝異物侵限雙電網(wǎng)傳感器的型鋼懸臂與接觸網(wǎng)距離不宜太近，部分地點的接觸網(wǎng)距離型鋼懸臂的安全距離不足1.5m，需考慮在型鋼懸臂上增加絕緣保護。

　　(8)遠程維護

　　一些系統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備、現(xiàn)場監(jiān)控單元布置在線路及基站機房，現(xiàn)場交通不便利，給設(shè)備的維護和升級帶來了一定的困難。因此，整個鐵路防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)要做好設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測，滿足無人值守的需求，提供設(shè)備的遠程升級和管理功能。