异物侵限监测系统技术条件编制及提高系统可靠性技术研究报告

院总编号：TY字第号
所编号：2013年DZYF字第号中国铁道科学研究院研究报告
RESEARCH REPORT
CHINA ACADEMY OF RAILWAY SCIENCES
异物侵限监测系统技术条件编制及提高系统
可靠性技术研究
研究报告
中国铁道科学研究院
二○一三年十二月·北京
研究报告文件专页
目录
1项目概述 (3)
1.1 项目来源 (3)
1.2 起止时间 (3)
1.3 项目目标及研究内容 (3)
1.3.1 项目目标 (3)
1.3.2 研究内容 (4)
1.4 完成情况 (4)
2国内外现状 (4)
2.1 国外情况 (4)
2.1.1 日本 (4)
2.1.2 法国 (12)
2.1.3 德国 (17)
2.1.4 意大利 (19)
2.1.5 西班牙 (21)
2.2 国内情况 (21)
2.3 总结 (23)
3高速铁路异物侵限监测系统应用情况调研 (24)
3.1 高速铁路异物侵限监测系统总体情况 (24)
3.2 异物侵限监测系统运用情况调研 (25)
3.3 数据分析 (34)
3.3.1 故障分类 (34)
3.3.2 故障时间分布 (35)
3.4 小结 (37)
4高速铁路异物侵限监测系统需求分析 (38)
4.1 高速铁路网沿线地理概述 (38)
4.2 高速铁路行车组织概述 (40)
4.3 异物侵限对运输生产的影响 (41)
4.4 紧急处置方案 (41)
4.5 业务过程建模（功能与数据） (42)
4.5.1 功能需求 (43)
4.5.2 信息需求 (43)
4.6 性能指标需求 (44)
5系统可靠性分析及现场试验验证 (46)
5.1 系统可靠性定性分析 (46)
5.1.1 系统结构 (46)
5.1.2 典型异物侵限监测系统构成表 (47)
5.1.3 系统逻辑结构 (51)
5.1.4 共因故障分析 (51)
5.2 系统可靠性定量分析 (54)
5.2.1 故障树模型 (54)
5.2.2 系统可靠性 (54)
5.3 现场试验 (57)
5.3.1 试验环境及设备 (57)
5.3.2 系统可靠性试验 (59)
5.3.3 监测电网老化试验 (60)
5.4 改进措施及建议 (61)
6异物侵限监测方案对比分析 (61)
6.1 异物侵限监测技术 (61)
6.1.1 双电网异物侵限监测技术 (61)
6.1.2 光纤式异物侵限监测技术 (62)
6.1.3 红外异物侵限监测技术 (65)
6.1.4 微波异物侵限监测技术 (65)
6.1.5 激光式异物侵限监测技术 (68)
6.1.6 视频及图形识别异物侵限监测技术 (69)
6.2 异物侵限监测技术对比 (70)
6.3 小结及建议 (71)
参考文献 (722)
1项目概述
1.1项目来源
2005年，铁科院和成都局合作，在既有成都铁路局管段易滑坡地段安装位移传感器检测滑坡灾害的发生；2006年，北京铁路局在京原线部分隧道口安装视频监控设备，监控人员通过视频监控系统检测异物侵限事件。

自2008年京津城际开通开始建设异物侵限监测系统，截至到2012年底，共有京沪、武广等20余条高速铁路/客运专线设置了异物侵限监测点，总计有663处异物侵限监测点，主要采用接触式双电网异物侵限监测技术。

京津城际全线设置5处异物侵限监测点，单根监测电缆布设在水平金属网上方；随着高速铁路建设的发展，对异物侵限监测技术不断进行完善；2009年，将单根监测电缆改为两根监测电缆，同时将监测电缆封闭到复合材料中；2010年将水平监测电网改为垂直方式。

但在实际应用中，由于缺少基础研究、试验验证，没有验收/检修相关标准等原因，异物侵限监测系统应用效果不好，问题较多，主要表现在设备自身故障较多，误报率较高。

在此背景下，依据铁技委函[2012]1073号文开展了本课题的研究工作。

1.2起止时间
2012年10月～2013年12月
1.3项目目标及研究内容
1.3.1项目目标
通过对我国高速铁路异物侵限监测系统目前存在问题的深入调查分析，分类梳理目前存在的问题，借鉴国外高速铁路异物侵限监测成熟经验，结合我国高速铁路异物侵限监测功能需求特点，搭建异物侵限监测系统模拟测试环境，提出提高既有异物侵限监测系统可靠性的改进措施，提出高速铁路异物侵限监测方案和
技术条件，为提高异物侵限监测系统可靠性和稳定性提供技术支持。

1.3.2研究内容
1 对既有异物侵限监测系统的应用现状、存在问题进行深入的调研；
2 收集分析国外高速铁路异物侵限系统的主要监测方式、技术特点及发展趋势；
3 研究提出我国高速铁路异物侵限监测系统功能需求；
4 研究提高既有异物侵限监测系统可靠性的技术措施
（1）研究建立既有异物侵限监测系统试验模拟环境；
（2）对既有上线异物侵限监测系统进行试验测试，检验系统的可靠性等技术指标；
（3）研究提出提高既有异物侵限监测系统可靠性的改进措施及建议。

5 对比分析多种异物侵限监测方法，研究提出适合我国高速铁路特点的异物侵限监测方案；
6 研究提出高速铁路异物侵限监测系统技术条件。

1.4完成情况
依据项目目标和研究内容，遵循项目研究计划按期开展课题研究工作，如期完成了项目主要研究内容。

2国内外现状
2.1国外情况
2.1.1日本
（1）日本高速铁路的发展
1964年10月1日，东海道新干线建成通车。

目前，日本已建成5条标准轨距
的新干线，第6条新干线（九州新干线）也已部分通车，新干线总长达2176km。

在各新干线中，山阳新干线允许的最高行驶速度达300km/h。

待在建、计划建设及未来规划建设的高速铁路建成后，日本将构成较完整的新干线高速铁路网。

日本新干线高速铁路网如图2-1所示，日本高速铁路数据见表2-1。

图2-1 日本新干线路网
表2-1 日本运营中的高速铁路
（2）新干线防灾监控系统
日本是一个台风、暴雨、滑坡、地震等自然灾害频繁的国家，日本100多年铁路的历史也可以是与灾害作斗争的历史。

自1965年开始，日本在桥梁、隧道的加固，路堑、路堤的边陡防护，落石、雪崩防护设施和改线等方面进行了投资，结果全国灾害数逐年大幅度减少。

但是，随着坡面风化、河流河床下降及结构物的老化，至1986年仍每年有近千件灾害发生。

由此可见，仅用投资的办法还不能使灾害完全消除。

针对这种状况，采取了事先预测灾害、命令列车慢行或停车，即使灾害发生也不致于发生类车事故的方法，及运行管制后，尽管在上世纪80年代每年平均仍有灾害数达2400件，但因灾害引起的列车脱轨事故年平均仅4.6起，其中造成旅客和职工伤亡事故的只有0.8起①，统计数据如表2-2。

（日本《土木技术》，1987，Vol 42，No.8）
表2-2 灾害引起的列车脱轨事故
日本高速铁路开业当初（1964年）装备了列车集中控制装置（CTC,Centralized Traffic Control），变电所遥控集中控制装置（CSC，Centralized Substation Control），列车无线装置等，进行运转集中化管理。

之后，针对列车密度的增加，在山阳新干线冈山开通之际（1975年），引进了COMTRAC（COMputer aidedTRAffic Control），并于东北上越新干线开业（1982年）时一起搬迁到调度所。

在北陆新干线建成之际（1997年），将东北上越、北陆新干线等的各分系统统一为新型的新干线综合安全监视系统（COSMOS,Computerized Safety,Mantennance and
Operation systems of Shinkansen），主要功能有设备情报监视、供电系统控制、维修作业管理和运输计划管理，其中设备情报监视功能包含管理、处理沿线的防灾情况及设备、机器的故障，从监视装置接收故障情报，再传输给中央装置，同时接收中央装置的控制情报，实现其功能的系统结构图如图2-2。

图2-2 新干线综合防灾信息系统
新干线综合防灾信息系统包含了对沿线地震、风速、雨量、积雪、桥梁基础冲刷和水位、塌方、轨温等监测和相关的控制。

地震仪、风速计、雨量计、积雪深度探针、冲刷仪、水位计、路堑塌方光纤探测仪、轨温计等现场传感器实测的数据，经现场信息通信设备室汇总，分别实时传输给技术中心和分公司，分公司将实测数据实时传输给采集装置，再通过互联网传输给中央控制室进行分析处理，控制列车运行状态。

在公路跨越铁路或与铁路并行地段，虽已设置了防护工程，但仍不能避免汽车或落物进入铁路限界，因此新干线还设置了异物侵限监测装置，以便在事件发生时迅速控制进入该区间的列车停车。

新干线的限界障碍监测装置有电缆检测式和光缆检测式两种，前者是通过冲
击物切断检测柱或检测电缆而报警；后者是在沿线布设光缆，由通信机械室发出光信号，经各检测点分光再返回机械室而判断有无落物侵限情况，电缆检测式限界障碍监测装置在60年代初至90年代应用较为广泛，自1997年以后，新干线对于限界障碍监测装置应用较为广泛的是光缆检测式装置。

（3）新干线防灾监控系统电缆检测式限界障碍监测装置
新干线电缆检测式限界障碍监测装置由如下构成：检测装置如检测柱或检知网、检测电线和信号电缆、中间连接设备如主控制箱和报警防护装置如车站、工区报警器和列车防护设备、检测继电器。

当从外部的冲击切断检测柱或检测电网时，安装在信号机械室内的检测继电器则无励磁，此时ATC信号表示停车。

其构成如图2-3所示。

图2-3 新干线测柱、检知网式限界障碍监测装置构成图检测柱构造如图4所示。

在塑料水泥方柱（绝缘体）之内，埋有固定在周围有强化材料（玻璃纤维等）的检测铜线（1.6mm硬铜绝缘线）。

安装时，将检测柱用U型螺栓固定在上部扶手上，将下部插入铁框中固定在混凝土基础上。

当限界内障碍将扶手碰倒或检测柱折断时，柱内铜线则被切断。

检测电网结构图如图2-5所示
图2-5 限界障碍检测电网
限界障碍监测装置的电路构成图如图2-6所示。

用信号电缆连接各检测柱，安装在机械室的监测继电器LEMPR平时是处于励磁状态。

当检测柱或检测电网折断，LEMPR则无励磁，ATC信号立即显示停车，同时也通过CTC显示在中央调度室上。

图2-6 限界障碍监测装置电路图
但是，由于此类装置电路故障，ATC表示停车信号的情况也时有发生，一般是由于检测柱或检测电网下部电线接点因振动而被折断造成，此类装置也仅在山阳新干线设置了1处，在长野新干线设置了2处。

（4）新干线防灾监控系统光缆检测式限界障碍监测装置
新干线光缆检测式限界障碍监测装置监测原理是在沿线布设光缆，由通信机械室发出正常光信号，经各检测点后再返回机械室。

如果发生异物侵限情况，异物对光信号传输产生干扰，可以通过对光信号衰变情况，判断异物侵限事件。

其现场布设图如图2-7所示。

图2-7 限界障碍光缆检测式监测装置
其工作原理图如图2-8、图2-9和图2-10所示。

图2-7 未发生限界障碍事件光缆检测式监测装置工作状态 检测光缆
检测光缆
图2-8 发生异物侵限事件时光缆检测式监测装置工作状态
图2-9 发生异物侵限事件时光缆检测式监测装置报警原理
2.1.2法国
（1）法国高速铁路的发展
二十世纪六、七十年代，法国开始铁路高速化的试验与实践。

1981年，法国
第一条高速铁路建成通车。

此后，修建了TGV大西洋高速线、TGV 北方线、TGV东南延伸线、TGV 巴黎联络线和TGV 地中海线、TGV东欧线（一期）等。

最早修建的TGV 巴黎东南线最高运行速度为270 km/h，TGV 地中海线最高运行速度达300 km/h，TGV 东欧线则达到320 km/h。

目前已形成以巴黎为中心的高速铁路网络主体结构。

截止2007年，高速铁路新线里程已达1 589 km。

进入21 世纪以来，高速铁路建设投资已经成为法国铁路网最核心的投资领域。

法国高速铁路路网情况如图2-10所示。

图2-10 法国高速铁路路网
法国高速铁路数据见表2-3。

表2-3 法国已通车的高速铁路
（2）法国高速铁路防灾监控系统
地中海线防灾安全监控的中心设在马赛，主要基于SNCF的通讯网络。

但与日本不同的是，法国的防灾安全监控由诸多独立运行的监测系统构成，各监测系统并未进行综合。

主要包括风监测、地震监测、异物侵限监测和防护开关。

（3）电网式异物侵限监测
地中海线的上跨铁路公路桥分
通行机动车桥和不通行机动车仅通
行人畜的两种，通行机动车的公路桥
上均安装了完善、材质很好、经久耐
用的金属防护网，在防护网外端安装
的两根绝缘电缆，每根电缆分别与一
个发射/接收装置相连，每个接收器
都与继电器相连，构成异物侵限报警
装置，检测异物侵限事件。

仅通行人畜的桥则只安装护网，不安装异物侵限装置。

检测原理是两根绝缘电线使用不同频率的模拟信号，接收器收到信号后吻合继电器吸起；当一个接收器没有收到信号时，则仅会发出警报信息，系统不动作；当同一地点的两个继电器都没有收到信号时，系统动作，继电器落下，传送给列控中心，控制运行中的列车停车，现场监测电网如图2-11所示。

改进型的异物侵限监测电网如图2-12、2-13、2-14所示。

图2-12 法国高速铁路异物侵限监测电网全景
图2-13 法国高速铁路异物侵限监测电网架设结构
法国国家光学与电子科学研究院的提出使用UWB雷达技术来检测站台轨道空
间是有乘客侵入轨道并加以报警【2】。

其工作原理如图2-14所示，在地铁站台的A
端安装脉冲长度在1ns的脉冲发生器，在另一端安装接收器，接收A端的脉冲信号。

调整设备时期覆盖整个地铁站台的轨道面，使其能够检测到从地铁站台建筑平面上侵入轨道空间的物体如乘客B。

图2-14 UWB雷达站台安全检测报警系统
2.1.3德国
（1）德国高速铁路的发展
1971 年，德国开工建设第一条高速新线汉诺威—维尔茨堡铁路。

到2007 年，已建成的高速铁路（包括最高运营速度为230～300 km/h 的新建线和改造线）共计1 251 km，其中新建线为965 km。

在这些高速线中，除科隆—莱茵/美因为客运专线外，其他高速线都采用客货混运方式。

科隆—莱茵/美因线和纽伦堡—英戈尔施塔特线的最高运营速度为300 km/h，其他高速线的最高运营速度为250 km/h。

在此说明，在德国铁路公司高速铁路的发展规划中，最高运营速度达到200 km/h 的改造既有线都列入了高速铁路。

目前既有线改造升级的高速线最高运营速度为230 km/h。

快速货物列车最高速度为120 km/h 和160 km/h。

到2006 年，德国铁路高速列车运输铁路网络总长为4752 km（指主要以ICE 高速列车为主运行的铁路网络，包括高速铁路和既有铁路网络），运行ICE 摆式列车的运行铁路网络总长为2 113 km（指主要以ICE 摆式列车为主运行的铁路网络），其中运行ICE 高速列车且最高运营速度为201～300 km/h的铁路网络为1000.96 km。

德国高速铁路网如图2-15所示。

图2-15 德国高速铁路路网德国运营中的高速铁路数据如表2-4所示
表2-4 德国运营中的高速铁路
（2）德国高速铁路防灾监控系统及异物侵限监测
德国高速铁路采用了防灾报警系统(MAS90)，其主要特点是利用功能强大的车载故障监测和诊断系统，通过无线通信与地面维修中心构成集行车控制、故障监测、维护等功能于一体的行车安全保障体系，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(包括风、雪、塌方)对行车安全的影响，以及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内的各种报警和记录单元(MRE)，并与之进行信息和命令交换。

MRE接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1.5km的隧道内安装)；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)；隧道两端及隧道内每1000 m(早期600 m)设置应急电话(NR)，仅需扳动手柄就可打开电话箱，紧急呼叫的信息具有绝对优先权。

德国高速铁路不同于日、法两国，属客、货混运型，且隧道约占线路长度的1/3 ，因此，隧道内的行车安全成为其安全保障的重点，除了采用安全监测系统外，还制定了严格有效的防范措施以及运营措施。

2.1.4意大利
罗马到那不勒斯的高速铁路在上跨铁公路桥和隧道口安装微波异物侵限检测装置，能够检测到在检测区域内的出现在线路上的异物，但不对人、小动物和小
物体进行检测，该系统达到欧洲SIL4安全检测标准，其现场布置图如图2-16所示。

图2-15 意大利高速铁路异物侵限微波检测装置
其工作原理实在线路路肩一侧安装微波发射装置，另外一侧安装微波接收装置，控制逻辑单元通过对被落物遮挡微波的计算，得出落物的大小，按照预设报警级别，采取相应的报警措施，如图2-16所示。

图2-15 意大利高速铁路异物侵限微波检测装置原理图
2.1.5西班牙
近几年西班牙高速铁路实现了跨越式的发展，其从德国引进了Velaro型高速列车。

2008年2月20日，随着621公里长的马德里-巴塞罗那高速铁路通车，标志着西班牙的高速铁路的发展达到了一个重要的里程碑。

根据西班牙政府的规划，2020年时西班牙投入运营的高速铁路长度将达到1万公里。

为保证形成安全，西班牙的高速铁路在隧道口等容易发生异物侵限（落石）的路段，安装了基于红外线光幕的落物检测系统，可以检测尺寸超过0.5m×0.5m×0.5m的异物，其系统工作原理如图2-16所示。

图2-16 西班牙高速铁路光幕式异物侵限微波检测系统原理图
2.2国内情况
异物侵限对高速行驶的客专列车的危害毋庸赘言，自中国的客运专线筹备建设伊始，便投入了大量的力量进行异物侵限监测技术的研究。

2003年，铁科院、铁一院协助建设单位完成青藏线异物侵限的防治工作。

2005年，铁科院和成都局合作，在既有成都铁路局管段易滑坡地段安装位移传感器检
测滑坡灾害的发生；2006年，北京铁路局在京原线部分隧道口安装视频监控设备，监控人员通过视频监控系统检测异物侵限事件。

自2008年京津城际开通以来，铁科院、铁三院、京津城际公司在京沪高速铁路异物侵限检测的研究基础上，形成京津城际高速铁路异物检测技术方案，并在京津城际建成异物侵限监测系统，截至到2012年底，共有京沪、武广等20余条高速铁路/客运专线设置异物侵限监测点，总计有663处异物侵限监测点，主要采用法国接触式异物侵限监测技术。

京津城际全线设置5处异物侵限监测点，单根监测电缆布设在水平金属网上方，为第一代异物侵限监测设备，如图2-17所示。

图2-17 第一代异物侵限监测设备
随着高速铁路建设的发展，对异物侵限监测技术不断进行完善，2009年，将单根监测电缆改为两根监测电缆，同时将监测电缆封闭到复合材料中，为第二代异物侵限监测设备，如图2-18所示。

图2-18 第二代异物侵限监测设备
2010年将水平监测电网改为竖直监测电网，为第三代异物侵限监测设备，如图2-19所示。

图2-19 第三代异物侵限监测设备
2.3总结
日本新干线自1964年、法国高速铁路自1981年、德国高速铁路自1971年开通运营以来，未见因风、雨、雪、地震及落物等灾害引发事故造成旅客伤亡的事件发生，防灾安全监控系统发挥了重大的作用。

各国都针对高速铁路的发展趋势和本国的实际情况选择了不同的异物侵限监测技术，但总体来说，基本都是朝着高可靠性、高自动化的方向来发展，比如日本自上世纪90年代后期开始将使用电网监测异物侵入的方式改进为利用光纤监测的方式，法国等欧洲国家也都致力于向非接触式异物侵限监测的方式发展。

近几年，我国铁路在防灾安全监控领域特别是异物侵限监测方面的研究和应用方面从无到有，取得很大进步。

为完成将高速铁路铁路建成世界一流的目标，必须借鉴国外防灾安全监控系统特别是异物侵限监测方面几十年的应用经验，利用已有国内异物侵限监测技术的研究成果和运用经验，继续加强在异物侵限监测技术体系和规范方面的研究，提高监测和报警技术水平，缩短与世界先进水平的差距。

3高速铁路异物侵限监测系统应用情况调研
3.1高速铁路异物侵限监测系统总体情况
截至2012年在已开通的20条客运专线上已布设共计663处异物侵限监测点，现场监测设备均为单电网或双电网式，具体数据如表3-1所示。

表3-1异物侵限监测设备数量明细表
3.2异物侵限监测系统运用情况调研
（1 杭深线（福厦段）异物侵限监测子系统运用情况
杭深线（福厦段）沿线设置异物侵限监测点51处，该系统2010年4月23日正式开通运行，运行期间2012、2013年故障数据统计如表3-1所示。

表3-1杭深线（福厦段）异物侵限监测子系统
2012、2013年故障数据统计表
时间设备故障现象次数原因
2012-2-1工务
终端
工务段防灾终端无监控数据显示 1 网络故障
2012-3-3监控
主机
K720+691主控板1网络通讯状态异常 1 网络故障
2012-4-1监测
电网
K1066+377异物上跨桥单电网断线 1
2012-4-30调度
终端
福厦台防灾终端无法显示 1 网络故障
2012-7-23监测
电网
厦门工务段管内杭深线K1023+802防灾系统异
物监测点“1电网2断线”报警。

1
2012-7-23监测
电网
厦门工务段管内杭深线K1023+802防灾系统异
物监测点“1电网3断线”报警。

1
2012-7-23监测
电网
厦门工务段管内杭深线K1023+802防灾系统异
物监测点“1电网4断线”报警。

1
2012-8-17传输
通络
调度所福厦台防灾系统终端K1119＋140异物
侵限监控点故障（基站主控板与服务器通信通
道故障），对应轨道电路（上下行）显示非正
常占用状态。

1
2012-12-24监测
电网
杭深线泉州至晋江K1054+166异物报警（黄
网），经检查铁路上跨K1054+166防灾系统无
异物侵限，5：45在调度所办理泉州至晋江
K1054+166异物桥停用。

1
2013-4-18 监测
电网
2013年4月18日23时40分段调度接调度所
电话：杭深线前场至角美间K1124+700至
K1126+800上、下行线红轨，误报。

1
2013-8-3 监测
电网
2013年8月3日2：02分，路局调度所温福台、
福州枢纽台列车调度员发现防灾终端界面右
下角“温福风、雨、异物服务器字体闪红”和
左下角“描述栏内”出现多条报警自检信息提
示。

1
通信段网络故障
造成
2013-8-25 监测
电网
2013年8月25日16：32分，福厦调度终端、
福厦工务处调度终端、厦门工务段调度终端出
现K0987+327异物桥黄网报警，16：39分黄网
消失，设备恢复正常。

1
网片腐蚀老化或
者接线接触不良
等造成黄网
2013-8-27 传输
通道
8月27日10：28，经调度所反映：杭深线温
福台、福州枢纽台、福厦台防灾监控系统异常
报警，现场设备脱离监控。

1 网络中断
2013-9-22 监测
电网
异物工点联合试验时发现K0681+522异物侵限
点断网时K0682+361异物侵限点红网；
K0682+361异物侵限点断网时K0682+319异物
侵限点红网；K0682+319断网时K0682+299红
网；K0682+299断网时K0681+522红网。

4
机柜配线端子混
线造成
从以上数据来看，出现设备故障报警较多的主要为网络故障和监测电网故障，其也是造成异物侵限监测系统误报的主要原因。

（2）杭深线（温福段）异物侵限监测子系统运用情况
杭深线（温福段）沿线设置异物侵限监测点7处。

该系统2009年10月2日开通试运行，2011年3月8日正式开通运行，运行期间2012、2013年故障数据统计如表3-2所示。

表3-2 杭深线（温福段）异物侵限监测子系统故障数据统计表。