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科学时报:铁路高速中的安全考量

2011年06月23日17:26《科学时报》李浩鸣 成舸我要评论(0)
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  结实“身板”如何练就

  影响车辆结构安全的另一大挑战来自两列车迎面“交会”。当动车组以每小时300公里速度运行出现两车交会或高速通过隧道时,车体会受到一个巨大的“挤压力”,相当于拇指大小的面积承受6公斤的压力,这无疑对车体结构的可靠性提出了重大考验。

  据介绍,我国CRH380A的设计,充分考虑了列车各个关键部位可能出现的疲劳和磨损,以及抗压性和气密性等各种因素。这被称为“结构安全可靠性”,即“结构承受载荷的能力和长时间运行的结构的抗疲劳断裂的能力”。为确保CRH380A的车体强度,设计时在正负4000帕的国际标准上,提高了50%,按照正负6000帕的抗压标准进行设计,并且充分考虑了静抗压强度和动态抗压强度。350公里的线路试验结果表明,在隧道交会时最大承压值只有4600帕,所以安全余量还比较大。

  中国动车组“结实”的不光是车体。据介绍,包括车窗玻璃和门等在内,都按照90对次的列车交会速度,经过了20万余次的模拟试验。高铁动车的挡风玻璃共有6层,包括3层无机玻璃、2层软塑料,以及1层厚度为2~3毫米的防飞溅层。“飞来的物体即便将5层全部击碎,最后也会被防飞溅层像网一样兜住。”而司机前方使用的球面防弹玻璃,更是不怕撞击。有报道称,“即使行驶速度达到400~500公里,遭遇重1千克的飞石撞击,也不至于出现破碎的危险”。

  “在高速列车的设计与制造过程中,一定都是以安全可靠为核心,速度只是一个表面特征。”CRH380A的总体设计师梁建英说。

  除设计和制造外,检修也是保证安全的一个关键环节。据介绍,国际上机车检修通常分为零部件、系统和车辆三个级别。其中,零部件级别的检测已经很成熟,分为A、B、C三档。系统级别的检测则是拿真车做针对不同子系统的安全性试验,试验时还要加入各种激扰和失效,比如让减震器停止工作,在这种情况下再看列车能不能正常运行。而车辆级别的检测,则有一整套《高速列车试验规范》可以遵循,由铁道部安全督察司等第三方机构组织实施评估。

  为了尽可能将人为因素的影响降到最低,不仅检测设备水平在提高,检测系统也已高度自动化了,需要人亲自操作的实际已经很少。

  为保证京沪高铁的顺利通车,中国南车制造了5列检测车,其中综合检测车3列,研究性试验车2列。最后在中间选出一辆车,装上比普通列车多出好几倍的传感器,去实际运营线路上测试。在武广高铁投入运营之前,这种研究性检测车已经在实际线路上跑了一年多,里程超过百万公里。而每隔10天,还会发出一列安全综合检测车,在深夜列车停驶的时候,对线路进行全面“体检”,对轨道和接触网等固定设备进行不少于4小时的检查保养。在京沪高铁线路上,这种综合检测车也已经试运行了近半年。

  从2011年5月开始,京沪高铁已开始为期一个月的不载客运行试验。而铁道部有关方面表示,线路正式开通后,还将在每天第一班列车发出前,从北京和上海双向开行两列无人动车组,空驶全程,以检查运营线路是否存在故障。这也被称为级别最高的“5级检修体系”。

  “聪明脑”和“智慧眼”

  中国南车株洲电力机车研究所负责京沪高铁列车的牵引电传动及网络控制系统,涉及到牵引变流技术、车辆信息控制技术、牵引电机技术和变压器技术等多个技术领域。此外,该研究所在列车运行控制(简称列控)方面承担了我国时速200公里动车组ATP的技术引进与国产化工作。究竟如何保证作为“神经中枢”的列控系统不出现紊乱呢?

  该所专家向记者详解了保证列车运行安全的列控系统。这一被称为“中国列车运行控制系统(CTCS)”的系统相当于列车的“大脑”,包括C0至C4五个层级。目前,完全自主开发的C0系统已装备在我国近2万台机车或动车组,C2系统已经完成国产化,在我国200公里时速的线路上安装了200多台,迄今为止还未接到过一例因设备原因的事故报告。

  据介绍,新一代列控系统从2005年开始研制,该所在引进欧洲技术基础上,对其功能进行了扩展,推出了05型列控车载系统,并且在沈阳铁路局的线路上进行运行试验,安全运行近两年。该系统还通过了德国莱茵公司的第三方安全评估,被评为第四级,这是国际上列控系统安全评估的最高级。列控系统安全评估一般分为四级,一级最低,四级最高。达到第四级标准意味着只有每小时10的负9至负8次方的危险故障率。“从发生概率上说,一列车需要跑上万年,才可能出现因列控系统故障导致的危险情况。”专家如是说。

  武广高铁建成通车后,C3列车控制系统正式投入使用。这使得变得“聪明”的列车可以在32公里范围内互通信息数据,无需调度便可自动保持14公里的安全车距。一旦车距低于14公里,设在武汉的调度中心便会对动车发出指令,后车便可自动根据与前车的距离来调整车速。铁道部安全总监耿志修曾表示,“中国列车控制系统是世界上安全等级最高的,中国是继德国、日本、法国之后第四个系统掌握该项技术的国家”。

  控制的实现还离不开有效的指令传输。专家向记者介绍了安装在CRH380A上的这套信号(指令)传输网络。它采用一种环形指令网络,从司机室发出指令,通过光纤和电缆两路独立的数字传输系统往两侧独立发送。如果一条通路出现故障,断开了,另一条仍能开展工作;即使出现最极端的情况——两条传输通道都断了,指令也同样可以传输出来,“因为还可以通过模拟信号传输线路发送指令”。“即使有人把车上的光纤剪断了,也不会有什么影响,列车将照常行驶。”

  和汽车类似,高速列车也有主动安全和被动安全。所谓被动安全,就是当出现故障时如何保证生命安全,比如气囊。而主动安全,就是各种智能设备,以提前捕捉到故障信息,实现自动避让和提示预警。这种预警系统的安全性,又称为“故障导向安全性”,目的是“自诊断、自预警”,以保证“当万一出现故障时,让它不扩散”。

  高铁轨道都是通电的,如果前方轨道被人为破坏或者被泥石流等突发地质灾害冲毁,轨道就会断电,列车上能提前监测到,并停车避让。车上还装了其他检测设备,可监测车体横向振动加速度,预防脱轨。

  据了解,CRH380A全车组共安装有1054个用于监测设备工作时的状态和参数变化的传感器,以实现提前预报警。记录的数据包括两类:与车辆运行控制有关的速度等关键数据,以及温度、压力等环境状态信息。采集到的信息通过高速列车移动通信专网,被传送到驾驶室,便可实现自诊断、自预警。比如只要有1个车门打开,列车就不能启动。CRH380A从去年以来先后投入沪杭、沪宁、武广、海南东环高铁运营,目前已累计安全运行近千万公里。

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