高铁安全概论PPT课件.ppt

基于智能交通思想的高铁安全概论 西南交通大学交通运输学院唐智慧 高速铁路现状与典型事故案例分析高速铁路事故防范措施智能运输思想在高铁安全管理中的应用铁路运输系统智能化方法及其对安全问题的解决 一 高速铁路现状与典型事故案例分析 1985年 联合国欧洲经济委员会 最高运行速度为 客运专线 300km h 客货混运 250km h 1986年 国际铁路联盟秘书长勃莱 最高运行速度至少为 200km h 国际公认 最高运行速度至少为 200km h 高速铁路定义 高速是铁路现代化的重要标志 建设高速铁路是复杂的系统工程 自1964年日本东海道新干线开通以来 目前 世界上投入运营的高速铁路总长约达1万多公里 拥有高速铁路的国家主要有德国 日本 法国 西班牙 意大利 比利时 英国 瑞典 丹麦 韩国等 正在修建高速铁路的有10个国家和地区 同时 国外铁路既有线通过改造达到时速200公里及以上的营业里程有2万余公里 我国投入运营的高速铁路已达到6552营业公里 其中 新建时速250 350公里的高速铁路有3676营业公里 既有线提速达到时速200 250公里的高速铁路有2876营业公里 我国高速铁路运营里程居世界第一位 到2013年 我国规划高速铁路里程将达到1 6万公里 高速列车速度越来越快 德国的ICE 1988年 406 9km h 法国TGV 1989年12月 482km h 1990年5月 513 3km h 2007年574 8km h 日本新干线列车 1991年2月300系列车325 7km h 1992年8月500系列车350 4km h 1993年12月Star21425km h 实验速度越来越高 实际运营速度也越来越高 武广高铁 394 2km h 堪称目前全世界投入实际运营的最高速度 高速铁路事故典型案例 1 德国 Eschede 埃舍德 1998年6月3日 世界最惨重的高速列车脱轨事故 死亡100人 轻伤106人 88人重伤 运输技术装备 车辆 线路和桥梁等 遭受重大损失 事故原因 车辆轮箍金属疲劳导致轮箍的突然断裂 2 英国 塞尔比 2001年2月28日 道口事故 死亡15人 伤50人 事故原因 由于路滑导致汽车冲上轨道 3 美国 2002年4月24日 加利福尼亚州南部普拉森舍地区 两列火车迎头相撞事故 死亡3人 伤265人 4 法国 2002年11月6日 巴黎至维也纳高速列车 火灾事故 死亡12人 事故原因 列车电路系统短路引发了一节卧车车厢失火 5 韩国 2003年8月8日 汉城以南337公里的大邱附近 冲撞事故 死亡2人 伤95人 事故原因 撞上了停在铁路上的货运列车 6 日本 2004年10月23日 新泻中越地区 脱轨事故 旅客安然无恙 事故原因 地震导致车辆摇晃 10节车厢中有8节脱轨的情况下 列车仍行进约1 6公里 虽然铁轨弯曲变形 车身倾斜30度 由于驾驶员的沉着冷静 没有翻车 二 高速铁路事故防范措施 1 高速铁路事故形态 列车脱轨列车冲突火灾 2 高速铁路事故原因分析 列车脱轨原因 外物支垫造成的脱轨 如破损脱落的机车车辆配件或大件货物 或线路上有塌方落石 工务施工的起道机或液压捣固机 或人为摆石头 或道口处撞坏的机动车辆等 车轮自行脱轨 绝大多数是线路不良造成的 如断轨 路基有 三角坑 线路水平与轨距超限 曲线及道岔 辙岔不良等 少数是因车辆及车辆轮对故障 列车超速运行和货物偏载等造成的 列车冲突原因 人为过失 如列车操作人员不遵守信号和其他行车指令的故障 或者调度员发出不正确指令 设备中的技术缺陷 如列车未作正常的发车前制动试验 接着就带着不起作用的制动机发车运行 火灾原因 机车方面 内燃机车因油管和燃油系统漏油 排气系统积炭或故障 司机随意丢弃油污的油棉丝 电力机车因电网或电气系统故障产生电弧或火花 被润滑油或变压器污染的部分 又碰到这种点火源 整流器的触头在油中短路 动力电路短路等 旅客列车方面 旅客列车因电气故障 采暖设备状态不良 旅客违章携带危险品以及旅客吸烟不慎等引起火灾 列车脱轨 冲撞等诱发火灾 列车脱轨防范 对线路的检查对动力转向架三爪万向轴的失衡与断裂监测对转向架蛇行失稳监控利用防滑装置的安全保护轴温监测 3 高速铁路事故防范措施 列车冲突防范 由信号系统确保 在司机室内不间断地显示信号系统允许的速度 检查列车实际速度与信号系统允许速度是否吻合 在超过允许速度情况下实现自动停车 列车火灾防范 严格选择防火材料 提高结构的抗火性 改进结构设计 设法隔断火源 以避免火灾发生 设挡火墙 挡火板 防止或减缓火焰的蔓延 改进门 窗结构设计 为火灾时疏散旅客提供条件 火灾报警与灭火 4 高速铁路事故防范措施特点 从人 车 路 环 的某一个方法着手解决问题 没有从系统的角度解决问题 因而不能从根本上解决问题 运用铁路智能运输系统确保安全 从系统入手 将人 车 路 环 有机的结合起来 从根本上解决问题 寻找新的方法 三 铁路智能运输系统 RITS RailwayIntelligentTransportationSystem 定义 1 人 车 路 环 如何结合 通过传感器技术 信息技术 计算机技术 通信网络技术等先进技术的集成 可将人 车 路有效联系起来 2 铁路智能运输系统的理解 图1铁路智能运输系统概念 所谓铁路智能运输系统 RITS 就是集成了电子技术 计算机技术 现代通信技术 现代信息处理技术 控制与系统技术 管理与决策支持技术和智能自动化技术等 以实现信息采集 传输 处理和共享为基础 通过高效利用与铁路运输相关的所有移动 固定 空间 时间和人力资源 以较低的成本达到保障安全 提高运输效率 改善经营管理和提高服务质量目的新一代铁路运输系统 3 RITS定义 4 中国铁路智能运输系统的内涵 集成利用当代先进的科学技术 以铁路信息化建设的已有成就为基础 通过整合实现信息共享 加强列车控制系统和行车安全保障系统的建设 保障安全 在确保行车安全的同时 进一步提高运输效率 加强电子商务和用户信息服务系统的建设 大幅度提高服务的质量 效率和适应市场的能力 提高效率 加强基于管理和控制的智能化综合决策支持系统建设 提高决策的时效和科学性 改善管理 四 铁路智能运输系统系统组成 1 先进的列车控制系统 不再采用传统的轨道电路检测列车位置 而是利用最新的数字通信和计算机技术等进行列车控制 如列车间隔控制 主要由车载系统和地面控制器构成地面控制器 具有间隔控制 进路控制 平交道口控制及维修工作控制功能 车载系统 通过车载无线设备将列车位置信息传给地面控制器 同时根据地面控制器提供的信息控制列车 通过有效地避免列车碰撞 减少路旁工作人员的疏忽 降低设备损毁及超速事故等提高铁路运输的安全 2 能源管理系统 EMSs 安装在机车上用来优化燃料消耗和 或者 排放的一组分立的计算机程序 能源管理系统接收如下信息 轨道属性和条件 限速 列车和机车的组成 发动机燃油特性等 另外还有从机车完好性检测系统得到的发动机和牵引马达的性能 列车的车长和重量 及战术规划系统确定的指定位置的目标时刻等信息 基于此确定满足服务需求 燃料消耗和 或者 释放最小 并且能提供良好列车运行特性的建议列车速度 3 铁路防灾系统 分为灾害预测系统和灾害检测系统两类 灾害预测系统 采用科学的预测手段 搜集导致灾害事故的各种外部数据 对水淹线路 地震等灾害进行预测 采取相应的灾害报警和制定灾害下的行车规则 使因灾害导致的铁路事故防患于未然 灾害检测系统 用于直接检测那些难以预测的落石 塌方 桥梁冲毁等灾害 使运行中的列车及时停车 并将信息传给有关部门 铁路防灾管理系统的构成 中央系统 设在调度中心 行车调度 电力调度 养路调度等都可以直接监视报警信号 传输系统 进行报警信息处理和传送 终端系统 安装在相应地点的地震计 雨量计 水位计 风向风速计 积雪探测装置 落石探测器 限界障碍探测器等监测装置 4 平交道口安全防护系统 主要采用站内道口监控系统和道口障碍物检测装置来保证平交道口的安全 站内道口监控系统 电子道口装置安装在站内各个道口上 其控制逻辑 警报灯 警报音响 栏木控制 故障检测等已实现一体化 电子道口装置与电子联锁装置通过车站LAN得到结合 监控系统通过车站LAN来收集每个道口的故障 安全信息 并进行记忆 储存 打印输出工作 道口障碍物检测装置 开发目的是在险情发生之前 采取措施使列车在道口前停车 目前主要有3种检测方式 光电式道口障碍物检测方式 它在道口上罩以光束 障碍物遮断光束时可立即检测到列车障碍物 环型线圈方式 它在道口的地下埋设环型线圈 汽车等金属物经过线圈时 线圈电感发生变化 从而检测到障碍物 超声波型道口障碍物检测方式 利用超声波来检测障碍物 将PTC系统 轨道电路 或路旁传感器产生的列车存在信息 通过数字数据通信网提供给道路交通指挥中心 并通过路旁交通信号提供给司机 或通过专用短程通信传送到车内显示器 或采用自动报警系统 5 战术规划系统 TTPs 用来制定列车到达各调度区段节点的时间 列车交会及通过的地点 避让的列车等计划 计划执行时 TTP会采取PTC系统提供的详细列车运行信息 并将其与期望的列车性能对比 如与计划出现重大偏差 TTP将重新规划 调整交会和通过的位置来弥补预料外的晚点 6 战略规划系统 STPs 根据列车时刻表判断列车的运行情况 集成来自TTP的实际列车性能信息 来自运营数据系统的所有列车连接的性能和详细的组成信息 STP将围绕成本最低制定出是否和怎样调整列车优先级和时刻表的决策 7 调车场管理系统 接收系统中每一个列车的实时位置及其组成信息 跟踪调车场中的所有车辆 接受来自STP的目标 确定组成列车的最佳方式 即到达列车分类的顺序 列车溜放的顺序 列车编组的顺序 8 机车运用计划系统 利用列车时刻表 地形 机车特征 机车完好信息 机车服务和维修计划及预计的列车组成等数据 采用线性规划算法将机车分配到列车上 9 乘务员运用计划系统 在机车运用计划确定下来后即可确定 该系统使用来自STP PTC的信息 及乘务组人员 服务时间 劳动合同等信息 使列车和乘务组协调 达到最佳成本 10 效益管理系统 能够使铁路建立灵活的票价政策 将铁路票价与用户需求关联起来使铁路获得最大效益 可应用于货物和旅客两类铁路运输 效益管理系统需要预定和计划运能以及综合信息系统用来跟踪不断变化的运量 复杂的需求变化和多样的价格 11 紧急情况报警系统 安装在控制中心 为铁路工作人员 公安部门 消防部门 紧急医疗服务部门 及其他相关机构提供铁路事故 灾害或危险等方面的自动报警 12 旅客咨询系统 使用安装在机车上的GPS接收机产生的列车实时位置信息 将列车的预计到站时间提供给城际列车和市郊列车的旅客 五 铁路运输系统智能化方法 1 人的管理智能化 监测和提高交通参与者的适应性与可靠性 1 监测指标 视力 视野 静视力 动视力 暗反应 明反应 视立体觉听力 色觉 记忆力 注意力 深度感知 信息处理能力 驾驶技能 心理反应 2 静态监测方法 3 动态监测方法 真车实路的检测以真车在高速铁路上驾车实验取得的实测数据作为实验数据源 对实测数据进行数据处理 识别来进行驾驶员可靠性动态研究 模拟器上的检测以模拟车辆在模拟高速铁路上驾车实验取得的实测数据作为实验数据源 对实测数据进行数据处理 识别来进行驾驶员可靠性动态研究 兰箭号列车模拟器 深圳地铁列车模拟器 重庆轻轨列车模拟器 列车仿真器系统组成 列车仿真器视景生成 图形生成 图像生成存储空间1216KB位图 眼动仪 被测者头戴头盔 头盔上装有半反半透镜和红外线摄像头 被测者目光透过眼前的半反半透镜注视物体图像 一部分光线反射到摄像头被记录下来从而确定眼珠和瞳孔的位置 计算出眼珠的水平和垂直运动的时间 距离 速度及瞳孔直径 另一个摄像头摄取被测者注视的物体图像并确定注视位置 摄像机每秒采集50祯图像 特殊应用时可以有更高的采样率 头盔可以选择无线连接 方便头部自然运动 眼动仪 运动捕捉仪 多通道生理记录仪 通常可以完成以下生理信号测量 心电 脑电 肌电 眼电 胃肠电 血压 体温 呼吸波 呼吸流速 神经电位 细胞电位 氧气含量 二氧化碳含量 血氧饱和度 光电脉搏容积 皮肤电阻 电刺激等 疲劳反应 生理反应 神经系统的功能 血液和眼睛的变化 如头重 心跳加快 脉搏加速 手脚酸痛 气喘 胸闷 口渴 食欲不振 叹气 打哈欠 频繁眨眼 表情变化少 眼睛发红发干 视觉模糊 耳内轰鸣 感觉烦躁恍惚 分辨不清方位等等 心理反应 注意力分散 漏看错看信息的情况增多 反应迟钝 判断迟缓 动作僵硬 节律失调 思维能力下降 头脑糊涂 忘记操作规范 精神不振 郁闷嗜睡 自我控制能力减退 容易激动 心情急躁或开快车 4 疲劳监测方法 监测指标 可用脑电 心电 眼睑眨动 眼球运动及头部的位移等 脑电图 electro encephalo graphy EEG 以驾驶员在清醒状态下的平均EEG活动为基准 分析得出他们在清醒 接近疲劳 疲劳 极度疲劳 打磕睡 和从疲劳中警醒这五个不同阶段脑电图的变化特点 心电图 ECG electro cardiogram 心电图指标包括心率指标和心率变异性指标 对心电信号的时 频域指标进行分析 得出与驾驶员的疲劳程度相关性 肌电图 EMG electro myography 从生理角度看 疲劳可分为体力疲劳和脑力疲劳 脑力疲劳的测量可用诱发电位的方法 在肌肉表面固定好表面电极 肌电信号经表面电极传至肌电图记录仪 可以看出 肌电图的频率随着疲劳的产生和疲劳程度的加深呈现下降趋势 而肌电图的幅值增大则表明疲劳程度增大 眼睑眨动 目前大部分研究驾驶疲劳的机构都采用眼睛闭合时间占特定时间的百分率 percenteyelidclosure PERCLOS 作为生理疲劳程度的测量指标 通常 人在疲劳磕睡时眼睑眨动较频繁 眼睛闭合时间也较长 一般情况下人们眨眼时眼睛闭合的时间在0 12 0 13s之间 驾驶时若眼睛闭合时间达到0 15s就很容易发生交通事故 瞳孔大小 可以根据瞳孔的变化规律来评测疲劳度 CircadianTechnologies等通过实验分别测量了人在清醒和磕睡时瞳孔直径大小 得出人在清醒时瞳孔直径保持相对稳定 而在磕睡时瞳孔缩小的结论 并以此作为判断驾驶疲劳的评价标准 头部位移 主要是通过监视驾驶员在行驶过程中头部的位移情况来判断其是否在打磕睡 该装置是设计安装在驾驶员座位上方的一个电容传感器阵列 每个传感器都能输出驾驶员头部距离传感器的位置 利用三角函数就可以计算出头部在X Y Z三维空间中的位置 并实时跟踪头部的位移 同时利用各个时间段头部位移特点 可以判断出司机是否在打磕睡 2 车的智能化 监测车辆的实时状态 实现车辆控制的自动化 车辆运行状态地面监测系统 图1车辆运行状态地面监测系统构成 测力钢轨由传感器按一定规则布置在钢轨上构成 系统可实现对车辆运行安全性指标 脱轨系数 减载率 车轮横向力 垂向力 的连续监测 识别蛇行失稳的车辆及运行安全不良的车辆 识别超重和偏载车辆 车辆运行状态地面监测系统 图2测力钢轨传感器结构 图3光电转换器与转换系统 车辆运行状态地面监测系统 图4数据分析和处理系统 车辆轮对监测装置 轮对尤其是车轮踏面的技术状态直接影响着列车的运行安全 踏面损伤的危害包括踏面磨耗 踏面擦伤和踏面剥离 踏面损伤的车轮 可通过检测车轮几何参数或踏面断面形状来了解踏面的损伤程度 检测踏面损伤分静态和动态两种检测方法 国内对车轮踏面擦伤的动态检测 主要是利用振动法和踏板法 以振动法为主 振动法原理 根据有擦伤车轮和无擦伤车轮在钢轨上产生的加速度不一样这一特征来检测踏面擦伤 CRT不仅可显示出列车通过日期 时间 车辆种类 列车总辆数 总轴数及列车运行速度 而且还可显示出擦伤面积大小和擦伤深度 踏板法原理 根据擦伤的车轮和无擦伤车轮轮缘顶部相对钢轨的径向位移量和高度不一样这一特征来检测踏面擦伤 方法 在一个轮周长度内放置3个相同的位移传感器以防止相邻轮的影响 用应变片测量轮缘顶部相对钢轨的高度变化 特点 按踏板法原理设计的装置结构简单 造价低 不易漏检 但当车轮有形变时误差会增大 并且车轮的蛇行运动会影响轮缘顶部的升降 造成误差 车号自动识别系统 系统组成车辆标签 车辆的身份标志 安装在被识别车辆的底部中梁上 地面AEI设备 室外的车轮传感器感应到车辆的到来 唤醒地面天线投入工作 从而去激活并询问车辆标签 从并车辆标签读取车辆身份信息 安装在铁路干线运行区间站 局 分局交界口 编组站等处 采集的信息通过专线传至车站CPS设备 车站CPS设备 完成AEI采集数据的处理 并向列检复示系统和TMIS系统转发数据 安装在局 分局交界口 编组站 大小货站主机房等处 列检复示系统 复示车站CPS设备转发的车号数据信息 为车辆管理和设备维护提供可靠信息 分局AEI监控中心设备 监测AEI的工作状态 协调 指挥AEI设备维护 确保AEI工作状态良好 标签编程网络 在标签安装前 将车辆信息写入标签内存的网络系统 可在车辆段 厂和站修所对标签进行编程写入 其目的是防止出现错号 重号车 并对丢失损坏的标签进行补装 铁道部车号查询中心 对全路车号系统设备进行查询和监控 掌握车辆使用及调配情况 并对全路的车号信息进行汇总 铁路车号自动识别系统构成 红外线轴温报警系统 工作原理任何物体只要温度高于绝对零度 273 都能辐射红外线 而且物体本身温度越高 物体表面辐射出来的红外线越强 利用红外辐射和物体温度之间有明确的对应关系这一原理来进行工作 系统组成 机车故障诊断系统 工作原理将主机和测量夹测得的线路电阻 通过通信线从主机传送给数据处理计算机 利用其中的数据处理软件通过比较法 校