鐵路作為國家的經濟大動脈，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、地震等自然災害和跨線橋、隧道口和公鐵并行區(qū)段的異物侵限災害(如翻車、落石、落物)的預防和報警是保證鐵路運輸安全的重要手段。構建鐵路防災安全監(jiān)控系統(tǒng)，就是構建保證鐵路運輸安全的“神經系統(tǒng)”，是構建鐵路高速發(fā)展的“保護傘”。

　　高鐵防災安全監(jiān)控系統(tǒng)方案的設計需要綜合考慮高鐵防災安全監(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。以下就從防災監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案、安全可靠性設計、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

　　防災安全監(jiān)控系統(tǒng)是構架于通信傳輸系統(tǒng)基礎上的、集信息采集、存儲、顯示、查詢分析和預案處理為一體，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)。防災安全監(jiān)控系統(tǒng)采用統(tǒng)一的處理平臺，由調度所設備、監(jiān)控數(shù)據處理設備、監(jiān)控單元、現(xiàn)場監(jiān)測設備及通信網絡設備等所構成。防災安全監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案包括：

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

　　(2)在鄰近現(xiàn)場監(jiān)測設備的GSM-R基站、車站的防災機房內設置現(xiàn)場監(jiān)控單元，根據所接入的現(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)防災機房設置監(jiān)控數(shù)據處理設備;在鐵路局工務處、綜合維修基地等設置工務終端;

　　(4)在鐵路局調度所設置防災監(jiān)控終端;

　　(5)各監(jiān)控單元與工區(qū)、調度所間通過傳輸網絡設備構成傳輸網絡;

　　(6)防災系統(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)布設風速風向計。

　　風速風向計基本布設原則：

　　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間距按15-20km計算。

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

　　(1)歷史氣象數(shù)據整理

　　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置監(jiān)測點時，應根據地形確定布點的具體位置和數(shù)量，設置依據如下。

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

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

　　(2)布點過程

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

　　首先參考平面圖，再根據現(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，適宜設置風監(jiān)測點。

　　(3)布點方案

　　通過現(xiàn)場考察、計算并結合布點原則得出線路風監(jiān)測點的布點方案。風速風向計設于線路的迎風側，一般安裝于接觸網桿上;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)設置雨量計。雨量計布設基本原則如下：

　　(1)雨量計原則上設于路基區(qū)段，以及設有防護網的隧道口。

　　(2)路基未設防水層時，雨量計的布設間距原則上按25km計算。

　　(3)路基設有防水層時，雨量計的布設間距原則上按30km計算。

　　(4)根據沿線地形、地貌以及地質、植被情況，合理增設雨量計。

　　實地勘察時應搜集當?shù)毓詹块T的既有雨量數(shù)據作為參考。有條件時，雨量計與風速風向計同址安裝于接觸網桿上;單獨設置時，雨量計可設于綜合維修段(綜合維修保養(yǎng)點)、工務車間、工務工區(qū)等處。

　　雪深計布置

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

　　(1)雪深計的布設間距原則上按50km計算;

　　(2)雪深計一般設于綜合維修段(綜合維修保養(yǎng)點)、工務車間、工務工區(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)布點應考慮鐵路沿線的供電和通信;

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

　　地震監(jiān)測點與強震儀布置

　　地震監(jiān)測點基本布設原則如下：

　　(1)地震動加速度0.1g及以上地區(qū)設地震監(jiān)測點;

　　(2)地震監(jiān)測點的布設間距一般不大于20km;

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

　　(4)每個地震監(jiān)測點設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)測傳感器設置于沿線公跨鐵橋梁兩側，以及設有防護網的隧道口、高邊坡處，經現(xiàn)場踏勘認為確有必要時應設異物侵限監(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，經現(xiàn)場踏勘認為確有必要時應設異物侵限監(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)控單元一般設于綜合維修段(綜合維修保養(yǎng)點)、工務車間、工務工區(qū)等處并合建房屋;有條件時，與監(jiān)控數(shù)據處理設備共用機房。

　　監(jiān)控數(shù)據處理設備

　　系統(tǒng)按運營維護管轄范圍宜較集中地設置監(jiān)控數(shù)據處理設備。

　　監(jiān)控數(shù)據處理設備一般設置于綜合維修段(綜合維修保養(yǎng)點)、工務車間;其中，工務終端一般設于綜合維修段(綜合維修保養(yǎng)點)、工務車間的工務值班室。

　　調度中心設備

　　系統(tǒng)需按行車調度區(qū)段設置防災終端。

　　方案安全可靠性設計

　　可靠性

　　防災系統(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計，材質選擇符合室外環(huán)境要求;室外的IC、半導體等器件需使用軍品級器件;

　　· 系統(tǒng)在控車相關部件(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，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)據處理設備采用的數(shù)據庫服務器和應用服務器均采用雙機熱備設計，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計;

　　· 控制主機采用無操作系統(tǒng)設計;

　　· 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，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;

　　· 防災監(jiān)控系統(tǒng)采用良好的EMC設計，滿足鐵道部信號電子設備EMC要求;

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

　　故障處理

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

　　· 整個系統(tǒng)支持雙套熱備，包括從傳感器、接口板、主控板、驅動板、采集板、UPS電源、AC/DC電源、數(shù)據庫服務器、應用服務器、防災終端等都為雙套熱備，單設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)據可置信，只有在雙套設備同時正常并同時報警時才輸出控制。

　　可維護性

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

　　· 系統(tǒng)設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，并能查詢內部告警的歷史信息，方便維護和故障恢復;[nextpage]

　　· 設備采用模塊化設計，組裝簡便，集成度高;

　　· 所有板卡都支持熱插拔功能;

　　· 配置數(shù)據可遠程在線升級。

　　系統(tǒng)熱備性能

　　鐵路防災安全監(jiān)控系統(tǒng)的熱備性能如下：

　　· 數(shù)據庫服務器的雙機切換時間不超過3min;

　　· 應用服務器的雙機切換時間不超過1s;

　　· 網絡設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，項目實施中需要關注的一些常見問題如下。

　　(1)戶外設備防水、抗振動

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

　　為了保證防水性能，應優(yōu)先考慮選用防護等級IP65及以上的傳感器;數(shù)據傳輸單元和軌旁控制器采用防水箱設計，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，可考慮減輕設備重量，內部器件質量均勻分布，結構件采用雙螺母緊固，加彈墊、螺絲擰緊后涂抹防松膠。

　　(2)戶外設備結構件上銹

　　一些項目中戶外設備的結構件在安裝后，容易出現(xiàn)上銹的問題。因此對于金屬結構件應盡可能采用不銹鋼材質，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。在結構件加工過程中，要把控好加工流程，減少酸堿等物質的殘留。

　　(3)傳感器數(shù)據異常

　　現(xiàn)場傳感器尤其是風雨傳感器容易出現(xiàn)數(shù)據異常。如列車高速通過時產生的影響，較易使傳感器數(shù)據計算失敗，還有環(huán)境或惡劣天氣產生的干擾等等。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。

　　(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，完善設備的自檢測功能，完善設備管理運用規(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)控單元這類重要設備，其UPS必須采用雙套布置。系統(tǒng)應具備完善的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

　　要考慮感應雷對雙電網傳感器以及室內電子設備的影響，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)接觸網安全距離

　　安裝異物侵限雙電網傳感器的型鋼懸臂與接觸網距離不宜太近，部分地點的接觸網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，給設備的維護和升級帶來了一定的困難。因此，整個鐵路防災監(jiān)控系統(tǒng)要做好設備的狀態(tài)監(jiān)測，滿足無人值守的需求，提供設備的遠程升級和管理功能。