解读我国高速铁路安全保障体系

2011-6-23 08:47 来源: 科学时报
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  新中国成立以来建设里程最长、投资最大、标准最高的京沪高铁即将开通,届时可实现京沪两地单日往返。

  与此同时,由于京沪高铁列车行车速度快,跨越地域线路长,列车安全运行问题受到广泛关注。高速列车的安全性究竟如何?我国高铁安全保障技术体系如何构建?带着这些问题,本报记者专访了参与高速列车系统研制的中国南车有关研发机构和生产单位的专家,拟向读者对高速列车安全性作一解读。

  300公里时速的安全空间

  世界高速铁路的发展已有近50年的历史。1964年开通的日本东海道新干线,是世界上第一个商业营运速度达到时速200公里以上的高速铁路系统。即将在京沪高铁上开行的CRH380A高速动车组最高运行时速可达380公里,持续运行时速可达350公里。

  然而,最终300公里的定速仍然引发了质疑。有人担心高速列车的安全保障性不足。

  衡量列车运行安全性的一个重要指标是“脱轨系数”。国际标准规定,无论运行速度多高,脱轨系数都不得大于0.8。而我国CRH380A动车组实测中的脱轨系数小于0.13,远低于国际标准。中国南车董事长赵小刚在接受媒体的一次采访时说:“这表明我们研制的速度级别更高的CRH380A反而比我们引进的速度级别低一些的原型车更加安全。”据了解,目前已在武广、京津等高铁线路上投入使用的250公里时速的CRH2型高速列车,起初试验时的脱轨系数只有0.73,而CRH2C型高速列车在以350公里时速运行时,这一系数降低到了0.34。脱轨系数的大大降低,显示了安全性能的提升。

  新一代高速动车组CRH380A的总体设计师、中国南车四方股份公司副总工程师梁建英在接受采访时说:“可以肯定的是,并不是速度越快,列车越容易脱轨。”她认为,速度与脱轨可能性之间并不存在必然联系。

  据了解,铁路运输行业通常把铁路运行的平均速度和最高速度之比称为“平高比”。以法国为例,法国的高速列车V-150在2007年4月的试验中曾跑出574.8公里每小时的高速,超过我国在2010年京津城际铁路试验时跑出的486公里时速,甚至超过了日本的磁悬浮。但是其运营最高速定为360公里/小时,不仅低于我国在沪杭高铁上跑出的每小时416公里的运营最高时速,也低于CRH380的最高设计时速380公里。按照我国铁道部确定的300公里的平均运行时速,京沪高铁车速还有约20%的余量。专家告诉记者:“这意味着,列车已留出较大的速度安全空间。”

  由中国南车集团研制的CRH380A动车组在京津、武广、郑西、沪杭、京沪高铁进行的线路试验,累计达152大类,2800余项,试验运行里程近百万公里,参与单位近百家。特别是在京沪高铁上的线路试验,该试验从2010年11月开始,长达150余天,总试验里程72164公里,分别进行了18大类54项型式试验,31大类126项科学研究试验,以及8大类40项车—桥—线—网—环境联调联动试验,共有27列CRH380A和CRH380AL动车组参加试运行,总运行里程为86万公里,充分验证了上线动车组的运行可靠性。

  根据铁道部的部署,京沪高铁上除了将开行CRH380新一代高速动车组外,还将开行19列时速在200至250公里的动车组。由于这种“高低速混跑”现象的存在,“从单列车来看,效率下降了,但是从整个线路的运营来看,效率却增加了,而且安全余量也得到了进一步扩大。”

  有院士专家经过仔细分析后认为:每小时300公里,是发达国家进行了大量安全研究后得出的结论,目前京沪高铁降到这个标准,无疑进一步确保了列车运营的安全。

  “埃舍德”事故之后

  据不完全统计,自2000年以来,欧洲、亚洲的高速铁路线上还未见到一例因机车本身原因造成人员伤亡事故的报道。2010年,俄罗斯曾报道过一起高铁事故,一名行人在穿越铁轨时被高速驶来的列车撞死。不过,当时的线路环境既没有封闭,也没有在铁路沿线安装有效的报警装置。这显然是高速铁路运输管理不到位造成的。可见,速度并不是衡量高速铁路唯一的标准,相应的配套系统同样重要。这和“好马配好鞍”是一样的道理。

  1998年 6 月 3 日,德国发生了 “埃舍德”高铁事故。这场灾难导致了101人丧生,是世界高铁发展史上迄今为止唯一因列车自身问题导致重大人员伤亡的事故,自此之后,欧洲的高速铁路发展一度放缓。而与此同时,这次事故极大地促进了高速铁路安全技术的发展和运营管理水平的提升。

  “埃舍德”高铁事故调查结果表明,“埃舍德”事故是由一系列原因导致的。其导火索是列车第二节车厢的双层金属车轮表面因疲劳出现裂纹,导致行驶过程中断裂。遗憾的是,虽然事发前已有8名职员将有缺陷车轮在行驶中发出的噪音和震荡向有关部门发出投诉,但运营方德国铁路公司却并未引起注意,直到事发当日列车出发前最后一次检测时,值班检修师仍然未能发现这一故障。

  对于高铁史上这次唯一因机车本身故障而发生的事故,中国南车的专家们感到难以理解,“金属疲劳并不是瞬间产生,而是一点一滴地积累而成,所以如果能严格按照科学方法来检测,应该是完全可以避免的”。

  试想,如果车轮轮毂表面的磨损能够在设计时充分考虑,如果其磨损情况在日常检查时得到了有效记录,如果磨损记录能引起运营管理部门重视,如果裂纹产生后能在第一时间被发现并及时更换,如果断裂的钢圈扎进车厢里,机车能自动报警,如果驾驶员能在接到乘客报警后及时刹车,如果脱轨后的车厢没有撞到穿过线路的路桥……也就是说,只要其中任何一个问题节点抓住了,“埃舍德”事故就不会发生。

  中国南车四方股份公司副总经理、技术中心主任马云双认为,高速铁路的安全保障是一个综合系统,对于轮和轨接触时的安全性,气流影响引起的安全性,火灾等事故引起的安全性,系统出现故障引起的安全性等等,每一个环节都必须做系统的考虑,以做到万无一失。遗憾的是,这次事故发生前,所有环节的补救机会都失去了。

  据资料显示,德国“埃舍德”事故后,高铁工程师们已将那种箍着钢条的双彀钢轮彻底摈弃,转而采用整块钢材切割而成的单彀钢轮。之后,工程师又改变了钢轮安放的位置,将其从车厢下挪到两节车厢之间。因为经过计算,这样的改变能减少钢轮的磨损,从而让高铁变得更加安全。

  然而,还有一个重要的技术原因也被忽视。据外电报道,当时的德国普遍缺乏包括金属疲劳在内的车轮真实损耗的探测专业设备。据了解,目前我国对高速列车的检测手段已经大大提高,各种先进探伤装备得到了广泛应用,这还只是众多专业检测设备中的一种。而检测体系也已经非常严格,不仅包括基础探伤和精密探伤等常规检测,对于某些关键部件,还需要采用特殊的方法和设备进行多次检测。

  此外,由于列车运行管理问题导致线路停运的情况,在日本新干线发生过多次。最近的一次是在2011年1月17日,当时5条高速线路停运了约75分钟,究其原因,是东京运行总部用于综合管理和监控新干线运行情况的电脑网络出现了故障。这类问题在全球常速铁路营运中也常有出现,从行车事故影响度分析,这将导致铁路运输效率降低以及损害铁路企业的社会形象,但列车安全性问题在这类事故发生时并不突出。

  行车安全从“脚”开始

  即将奔驰在京沪高铁上的新一代高速动车组列车CRH380,由中国南车和中国北车分别研制完成,其中南车研制的CRH380A系列高速列车投入运营比例将达到53%。

  据中国南车专家介绍,高速铁路的安全保障体系是一个由若干子系统组成的综合系统,包括高速列车、轨道和线路基础等。就列车安全性而言,有六大主要方面:运行安全性、气动安全性、结构安全性、制动安全性、故障导向安全性、运营维护安全性,以及防火安全性等。

  列车在高速运行时可能遭遇的突发情况可谓不胜枚举,要保证列车在正常运行时不脱轨,出现意外故障时能及时停下来。无论列车的速度多快,控制好它的“脚”,是保障列车运行安全的基本要求。

  列车的“脚”就是“转向架”, 相当于汽车的底盘,这是连接列车车厢和铁轨的部件。整个系统由车轮、减震、传动、制动装置等组成,是决定车辆行驶安全的关键部件。高速列车的轨道实际上并非绝对平整,而是存在非常细微的起伏。当列车高速运行时,轨道在纵向和横向上的这种不平整会加大列车的振动,而两车高速交会时产生的瞬间气流变化则会导致这种振动加剧,使列车失稳,影响安全。

  为保证转向架的安全性,设计师们不仅给转向架安装了一系列减震装置,还按照超常载荷进行了疲劳强度设计。1000万次的疲劳强度试验表明,CRH380A的转向架安全系数大于2.7。列车只有在行驶超过26万公里后,才需要更换一次制动闸片。这一距离相当于在全长1318公里的京沪高铁上跑100个来回。

  不仅如此,为防止转向架上的轴承因温度过高导致类似汽车的“抱死”现象发生,设计人员在车轮轴承、电机轴承、齿轮箱轴承上都安装了温度传感器,一旦超温,车辆控制系统就自动限速。此外,转向架还通过了多种部件失效情况下的运行检测。比如让转向架上的弹簧断裂、让减震装置停止工作等等。试验表明,尽管这样,火车在300公里时速下依旧可以安全停车。

  和“脱轨”相比,高速列车更需要克服的是向上的升力。一般而言,飞机时速达到270至280公里时就可以起飞了。与这种气流绕飞机机翼产生升力的原理类似,列车在高速行驶时,气流也会使车的上下表面产生气压差,导致尾车周围产生气动升力。不同的是,对飞机而言,向上的“升力”是需要利用的,而对于“贴地飞行”的高速列车来说,却是必须予以克服的,因为它会加大列车高速行驶时的抖动,降低运行的稳定性和安全性。 

  据专家介绍,CRH380列车采用了一种叫做“导流槽”的设计,通过在车头两侧设置导流槽,引导气流产生向下的压力,以抵消气动升力的影响。它就像一双强有力的手,牢牢地抓住铁轨,不让火车飞起来。试验表明,CRH380A的尾车气动升力接近于零。

  如果说防止脱轨主要靠轮和轨之间的合作,那么制动就需要动力系统的配合了。从某种程度上说,紧急制动是抵御一切可能风险的最终选择。我国新一代高速动车组采用了电制动与气制动相结合的双制动系统,共设置了7级制动模式。根据国际标准,以300公里的速度运行时,紧急制动距离要求小于3800米,以350公里时速运行时,要求小于6500米。“由于很好地利用了电制动,这一目标得到了较好的实现。”而且,由于运用了电制动模式,制动件的损耗大为降低。

  中国南车株洲所参与了电气系统的研制。在此间专家看来,由列车速度导致失控的可能性几乎不存在。据介绍,CRH380A电气系统由1台牵引变压器,2台牵引变流器和8台电机组成。为了保障动力的绝对可靠和安全,中国南车株洲所建立了一套完备的电气系统试验体系,从机车还没问世开始,相关部件安全检测就已经开始。而作为动力系统的核心部件,CRH380A的变流器采取了层层保护体系,对于可能出现的任何意外,都可以通过保护性断电来实现紧急电制动,以保障列车安全。

  同时专家们还认为,“不能做太多层保护,否则系统的可用性会变差,目的是既可靠又好用”。此外,动车组采用的分散式动力模式,将动力分散到各节车厢而不是集中在机车头一节,不仅预留了较大的“动力余量”,还使得系统的可靠性大大提高。正是由于这种“动力冗余”的系统设计和“多层保护” 机制的存在,“动力的可靠性和安全性是有绝对保障的”。

  试验表明,在电气复合制动和空气制动模式下,列车以300公里时速运行时实行紧急制动,制动距离为3786米,小于标准要求的3800米。而且,制动盘热容量充足,能满足动车组在任何状态下安全平稳停车。

  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。 

  运营管理:全封闭、全覆盖、全天候 

  “机车本身没问题,如果出问题就会停下来。高铁的安全主要是轨道工程质量。”中国工程院院士王梦恕在接受媒体采访时表示。他认为,从技术标准来说,“目前采用的无砟轨道要求是很严格的,绝对是按毫米级来做的。”尽管如此,由于京沪线的施工进度过快,以及可能存在的工程转包现象,使得这一问题仍然存有争议。

  据报道,京沪高铁实际历时两年7个月完成铺轨,而国外高铁建设工期差不多要10年。按照时速380公里的设计要求,京沪高铁线路建成百年内,沉降要控制在5毫米以内,对此,京沪高铁建设方回应,京沪高铁80%的线路是以桥代路,用很深的、坚固的桥墩来规避可能的沉降。此外,还可以通过加载预压“压实”路段、调垫板等预防沉降的方案确保安全性。

  高速铁路的安全包括技术安全性和非技术安全性。技术安全性包括车辆、线路和运行控制等方面,而非技术安全性主要依赖科学管理。2008年奥运会开幕前发生在胶济铁路上的事故就属于典型的运输管理问题,和监控技术无关。而那次发生事故的并不是高速列车,还只是一辆普通列车。 

  从我国铁路运行条件来看,高铁沿线环境存在的安全隐患不可忽视,共包括九个方面的问题:一是高铁沿线安全保护区范围内存在大量非法违法建筑物、构筑物及生产、经营场所;二是高铁线路两侧200米范围内,还存在易燃易爆等危险品生产、经营场所;三是高铁线路两侧1000米范围内,还存在采矿、采石及爆破作业场所;四是部分上跨高铁的道路桥梁限速、限重等标志不齐,机动车辆超重、超速、超限行驶严重,存在坠落高铁线路的危险;五是高铁部分地段存在挖砂取土、打井取水现象,损坏线路基础,造成铁路路基、桥墩沉降,危及桥梁安全;六是跨越、穿越高铁线路、站场或在邻近高铁线路的地区施工不与铁路运输企业协商,不遵守铁路施工安全规范;七是损毁、移动高铁线路两侧防护围墙、栅栏,拆盗、割盗铁路行车设施设备,机动车辆超重、超限、超速通行下穿铁路道路桥涵、公铁并行路段等;八是部分上跨高铁的道路桥梁和公铁并行路段的防护桩等,还未按照国家有关规定移交地方道路管理部门管理,无法落实养护、维修、管理责任;九是高铁线路安全保护区尚未由地方政府依法划定,安全保护区标桩还不能埋设。

  针对上述问题,国务院安委会办公室副主任、国家安监总局副局长王德学表示,自今年6月1日起,有关部门已启动一项专项治理行动,专门排查京沪高铁沿线环境中可能存在的安全隐患,该项行动将于7月底结束。

  今年6月初,国内30名工程界院士、专家,在即将开通运营的京沪高铁上进行了检查评估,在对轨道、通信信号牵引供电、动车组、运营安全等情况进行专项检查后,专家组认为,京沪高铁轨道状态达到了高平顺和高稳定的要求;通信信号和牵引供电系统稳定可靠;运营安全保障设施齐全,开行方案合理,各项检测指标完全具备开通运营条件。

  在6月14日举行的京沪高铁开通运营新闻发布会上,铁道部副部长胡亚东表示,京沪高铁采用了“最高安全标准”,他用“三个全”——全封闭、全覆盖和全天候——来概括京沪高铁的运营管理体系。他强调,京沪高铁实行了“全封闭”的线路建设标准,铁路全线安设最高标准的防护网,来阻挡行人以及一些大型牲畜的进入,所有的交叉道口都采取立交方式,杜绝平交道口的存在;在安全防护上,监测系统做到了“全覆盖”,全线均设置了视频监控系统,沿途24个车站全部安装先进的安全检查系统;人员保障上,做到了“全天候”运行,按照每公里一个人的标准,安排安保人员在运营时段不间断地对线路进行巡守和防护。

  据了解,京沪高铁技术先进成熟,工程质量过硬,主要质量指标达到国内同类工程最好水平和世界先进水平,铁道部有关部门对运营维护、治安防范和可能发生的各种灾害影响等都采取了有针对性的措施和预案,运营安全拥有可靠的保障。

  在运营维护方面,京沪高铁开通后,将加强固定、移动设备设施运营维护确保安全,比如:每天夜晚利用列车停驶的时间,对线路、接触网等固定设备进行的检查保养;每天早上正式列车开行前,双向对开确认列车,也就是不载人的空动车组列车对线路进行安全确认;每日开展动车组运用检修,同时依据走行公里和时间,严格实行五级修程等定期检修。

  在治安防范方面,构建了全天候的、立体化的京沪高铁治安防范保障体系,比如在旅客进站环节实现全覆盖式安检;实施线路区间全封闭,在线路容易进人的低路基区段全面加装了2.85米高的防护网;在全线设立了视频监控系统对线路和车站进行实时监控,并在重点部位设立外部入侵报警系统,京沪高铁全线设有18个铁路公安派出所和652个值勤岗亭,投入大批安保力量进行线路巡防等。

  在防止可能发生的地质灾害影响方面,建立了京沪高铁防灾安全监控系统。该系统由风监测子系统、雨量监测子系统、地震监控子系统和异物侵限监控子系统等构成,能在运营过程中及时监控地质灾害信息并采取相应措施。如地震监控子系统能在发生地震时及时准确监控地震波,并控制地震区域的列车减速或停止运行。京沪高铁全线共设置地震监控点31处,风速监测点167处,雨量监测点50处。

  毋庸置疑,全长1318公里,途经244座桥梁、22座隧道,线路之长、运营环境之复杂堪称世界之最的京沪高速铁路,即将迎来一次次新的考验:铁路技术、营运管理、基础设施、行车环境……无一不与铁路行车的安全性有关。

  我们期待这令世人瞩目的考核,人们更有理由相信考核结果的圆满!