公跨營運高鐵立交橋異物侵限監測系統重難點分析

陳榮超

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司鄭州分院，鄭州 450001)

1 概述

近年來國內公路建設進程突飛猛進，不可避免會有越來越多的公路與高速鐵路交叉。高速鐵路與公路交叉跨越時，為確保高速鐵路結構安全和運營安全，根據《鐵路安全管理條例》新建、改建高速公路、一級公路或者城市道路中的快速路，需要與鐵路交叉的，應當設置立體交叉設施，并優先選擇下穿鐵路的方案[1]。

鄭西高鐵2010年已正式開通運營，地處豫西丘陵山區，55%為高架橋、22%為隧道、23%為路基地段[2]。通常公路與高鐵交叉會選擇在高鐵橋梁段下穿，但受限制于鄭西高鐵路基段較長及公路規劃線位等因素制約，國道234線鄭州境內國道310以南段（滎陽喬樓至崔廟段）改建工程上跨鄭西高鐵立交工程（簡稱該工程）只能采用上跨鐵路方案。該工程為鄭州局管轄范圍內首次上跨運營高鐵立交橋，也是國內首次干線公路上跨營運高鐵路基段[3]。

鄭西高鐵現狀存在眾多異物侵限監測點，但都為隨鄭西高鐵同步修建，不同于隨高鐵同步修建的異物侵限監測系統，在營運高鐵既有系統上增加異物侵限監測系統風險更高、設計難度更大。

2 工程概況

該工程位于鄭西高鐵鐵路里程K599+478.5處，鞏義南站和鄭州西站之間，建成后如圖1所示。鄭西高鐵即徐蘭高速鐵路鄭西段，設計速度350 km/h；國道234線為國內一級公路，設計速度80 km/h。

圖1 國道234上跨鄭西高鐵立交航拍Fig.1 Aerial photo of the National Highway No.234 Overpass over Zhengzhou-Xi'an High-speed Railway

為確保高速鐵路行車安全，根據《高速鐵路設計規范》[4]等相關規定、規范要求，在該公跨鐵立交橋上安裝異物侵限監控裝置，監測機動車、大型貨物因故越過護欄（防撞墻）、護網（防拋網）而侵入高速鐵路限界并控制列車運行[5]；并設置視頻監控系統，對該公跨鐵立交橋進行實時監控。

鄭西高鐵全線設有災害監測系統，洛陽龍門站老信息機房設有數據處理設備1套，鄭州鐵路局調度指揮中心設有列車調度監測業務終端1套，鄭州鐵路局調度指揮中心設有工務調度監測業務終端1套，鄭州東高鐵基礎設施段設有監測維護終端1套，鄭州鐵路局鄭州通信段網管中心設有監測維護終端1套。

距該工程約0.7 km處既有鄭西高鐵鐵路數字移動通信系統（Global System for Mobile Communications for Railway，GSM-R）通信基站（鐵路里程K600+180）1座，該基站內既有安全監控單元機柜1架，該機柜已接有3處異物侵限監測報警點。

該工程異物侵限監測系統構成如圖2所示。由現場監測裝置、安全監控單元、數據處理設備、調度所等監測終端設備、信號列控接口設備、通信傳輸設備及通信網絡等構成[6]。

圖2 災害監測系統構成示意Fig.2 Schematic diagram of disaster monitoring system composition

現場監測裝置主要為監測電網和軌旁控制器，監測電網安裝在上跨橋兩側，軌旁控制器依據現場環境安裝在路基水泥基礎上；安全監控單元就近設置在GSM-R基站內；數據處理設備設置在信息機房；監測終端設置在鐵路局調度指揮中心、高鐵基礎設施段、通信段等不同部門。

軌旁控制器至安全監控單元、安全監控單元至信號列控中心之間通過信號電纜傳輸監測信息[7]，數據處理設備到監測終端等通過通信傳輸網傳輸監測信息。

當發生異物侵限撞擊監測電網，使雙電網傳感器發生斷裂，現場異物侵限信息通過軌旁控制器傳給基站安全監控單元?；景踩O控單元接收并確認異物侵限信息后，將異物侵限信息分兩路同時輸出：一路通過以太網通道傳至信息機房的數據處理設備對信息進行處理并將信息傳到監測終端設備顯示報警信息；另一路通過鐵路信號電纜傳給列控中心，觸發列控系統，通過軌道電路繼電器的落下直接使得異物侵入的區段防護信號機顯示禁止信號[8]。向信號列控系統、聯鎖系統發送控制命令，通過信號列控系統、聯鎖系統使列車自動停車，并向列車調度員發出異物侵限報警信息。

3 重難點分析

3.1 既有系統上修改設備難度大、風險高

該工程新增設備的接入需對既有設備進行相應修改，需在既有系統設備的基礎上進行改造。此時，既要保證最大限度地減少對既有設備的干擾和影響，又要保證設備接入后系統設備功能的完備和安全高效。

例如：新增異物侵限監測設備納入列控系統后，需要對既有的接口電路及相關信號設備進行修改，會對既有設備安全造成很大影響；同時在保證設備接入后發生異物侵限時信號系統能夠及時、快速、準確的反應，確保列車運行安全的基礎上，盡量減少對既有接口電路及相關信號設備的修改內容。

3.2 專業間接口復雜

異物侵限監測系統的設計，除了系統自身各個設備安裝調試外，還需要根據項目實際情況進行信號專業的防災與信號列控接口設計，通信專業的傳輸通道、綜合視頻監控系統設計，電力專業的配電系統設計，房建專業的機房環境改造設計，橋梁專業的電網預埋件預留、保護管安裝等土建設計，需要多個專業協調配合。

3.3 工程環境復雜

鄭西高鐵的鐵路等級高，對工程設計的制約因素多，例如：現場設備安裝、線纜敷設時緊挨鐵路通信光纜、信號電纜、電力電纜、接觸網等，需要考慮鐵路營業線在用設備、設施的防護或改造；橋梁轉體前必須提前將線纜引下保護管、監測電網等安裝固定到位，需要結合土建情況及周邊條件精確計算各項參數；需配置和修改的設備眾多并且分布分散，例如：監測終端分布在鐵路局調度指揮中心、高鐵基礎設施段、鄭州通信段網管中心等處，需要合理考慮同步實施條件，減少對既有系統的不良影響。

3.4 施工條件復雜

該工程會引起鄭西高鐵既有通信、信號、信息、防災系統的調整或改造，對鄭西高鐵運營有較大影響；幾乎所有施工都要在“天窗點”內完成，尤其是現場設備安裝、線纜敷設等需在鄭西高鐵封閉網內實施，施工作業面小，工期壓力大；該工程異物侵限監測系統接入既有系統后，各處監測終端需在短時間內、不同地點、同時進行軟件數據修改和試驗，要求設備廠家、施工單位、設備管理單位、設計單位等必須積極配合相互協作，實施難度大，設計過程中必須充分考慮施工條件因素。

4 解決措施

4.1 深入調查既有情況，征求各方意見

在設計前期要深入調查研究。例如：周邊既有自然災害及異物侵限監測系統設置情況，通信傳輸系統、信號列控系統、計算機聯鎖系統、集中監測系統、防災系統的既有設備利用狀況和網管運行情況，區間基站、信息機房、信號機械室的空間利用狀況、電源預留情況以及改造條件，各個監測業務終端、監測維護終端的數據修改條件等。

將該工程對既有系統造成的影響因素考慮充分，多方論證與審核。與工務部、電務部、通信段、信息技術所、高鐵基礎設施段等各個相關設備維管部門溝通、協調，擬定安全合理的修改方案，以對既有鄭西高鐵造成的影響降到最小。

4.2 新增與既有異物侵限監測點在同一軌道區段時，需進行結合處理與聯動控制

本次新增異物侵限監測點鐵路里程為K599+478.5，在鄭西高鐵中繼站2管轄的信號區間閉塞分區內，下行線落在5991BG，上行線落在5998BG。5991BG和5998BG軌道區段內已有異物侵限監測點各1處，分別在鐵路里程K598+900、K599+881處，分布情況如圖3所示。

圖3 該工程異物侵限監測點分布示意Fig.3 Schematic diagram of the distribution of foreign object intrusion monitoring points in the project

由于該工程新增的異物侵限監測系統需接入既有信號系統，若按照常規項目經驗，需要在列控中心增設獨立的防災接口，對既有信號聯鎖及列控軟件進行修改，做多次仿真試驗。

本著節約投資、降低工程實施難度、確保既有運營鐵路安全的原則，在對既有設備使用情況詳細調查、充分征求設備管理單位意見的基礎上，結合信號基本電路防護原則，通過設計優化，將新增設的異物侵限繼電器串接在對應軌道區段相應的接收電路及列控采集電路中。將新增異物侵限點的處理電路與既有處理電路相結合，以實現對同一區段不同異物侵限監測點的同步防護和聯動控制，避免了列控中心、無線閉塞中心、計算機聯鎖系統等軟件的修改，減少對既有運營設備的多次掛載試驗和反復修改。

4.3 安全監控單元獨立新設，降低施工難度和風險

該工程臨近基站內已有安全監控單元機柜1架，該監控單元已接有3處報警點。若按照常規項目經驗，新增異物侵限監測報警點后，需要對既有監控單元擴展板件，再重新調試接入既有防災系統中。1個“天窗點”內完成施工難度較大，稍有不慎還會破壞既有報警點的邏輯關系，實施風險較高。

通過研究鄭西高鐵既有自然災害及異物侵限監測系統的組網方式，以及既有基站內的設備布置、空間剩余和電源預留情況等，提出新增安全監控單元1架，將新增異物侵限監測報警點單獨部署于該監控單元，不對既有監控單元進行改造。

配套擴容通信傳輸系統設備板件，為該監控單元單獨提供了2×2 M（FE接口）專用數據上傳通道，同時新敷設信號電纜到信號室。并將新增安全監控單元在“天窗點”外提前安裝到位和加電調試，大大降低施工難度，避免對既有監測點及設備造成不良影響。

4.4 視頻監控結合整體綜合視頻監控系統改造計劃提前謀劃

鄭西高鐵既有綜合視頻監控系統使用模擬標清攝像機。若按照常規項目經驗，新增工程也應與既有標準保持一致，使用模擬標清攝像機。但通過與設備維管部門溝通了解鄭西高鐵有綜合視頻監控系統的改造計劃，改造后將采用網絡數字系統。

為了與改造計劃相匹配，避免該工程處的二次改造，提出采用網絡數字定焦槍型攝像機。利用為安全監控單元擴容的傳輸系統設備板件來新增專用FE接口數據通道，將監控數據直接傳輸到在對應高鐵站通信機械室內新增的存儲轉發服務器、管理服務器、磁盤陣列等后臺設備中。并通過新增的后臺設備實現與既有系統的兼容調用，納入鄭西高鐵既有綜合視頻監控系統中，后期改造實施時該高鐵站通信機械室也能利用新增的后臺設備，減少重復改造。

4.5 設計過程中統籌協調鐵路部門，同步實施多項工作

針對該工程涉及鐵路設備多、維管單位接口多、工程環境和施工條件復雜等特點，設計過程中多次組織設計、施工方案研討會，協調各站段、處室，溝通代建單位、代管單位、施工及設備廠家，合理制定指導性施工組織設計。結合現場實際情況及具體施工步驟，充分利用“天窗點”，盡可能在一個“天窗點”內完成多項工作。確定合理的“要點”次數，將安全監控單元提前安裝到位并加電調試、監控點提前接入視頻系統、各處終端同時進行數據修改和試驗等，盡可能減少對鐵路運輸的干擾，減少施工工期。

5 結語

本文依托于國道234線鄭州境內國道310以南段（滎陽喬樓至崔廟段）改建工程上跨鄭西高鐵立交工程，主要分析了干線公路上跨營運高鐵立交工程的異物侵限監測系統設計的重難點，并提出解決措施。該工程異物侵限監測系統于2021年1月順利通過竣工驗收，對后續國道234線上跨鄭西高鐵立交橋順利驗收、投入運營使用起到了重要作用，得到鐵路等部門的充分肯定。

該工程為鄭州局管轄范圍內首次上跨運營高鐵立交橋的異物侵限監測系統設計。對鄭西高鐵行車調度指揮系統提供有效的支撐，對本專業技術進步有一定的借鑒和促進作用。