惡劣環(huán)境下鐵路行車安全研究綜述*

李德倉 陳曉強(qiáng),4 孟建軍▲ 胥如迅,4 祁文哲 張子建

（1.蘭州交通大學(xué)機(jī)電技術(shù)研究所 蘭州 730070；2.甘肅省物流及運(yùn)輸裝備信息化工程技術(shù)研究中心 蘭州 730070；3.甘肅省物流與運(yùn)輸裝備行業(yè)技術(shù)中心 蘭州 730070；4.蘭州交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 蘭州 730070）

0 引言

近年來，中國鐵路技術(shù)迅猛發(fā)展，目前已建成了世界上運(yùn)營速度最快、里程最長的高速鐵路網(wǎng)。速度為200 km/h的動車組已經(jīng)在全國范圍內(nèi)實現(xiàn)了大規(guī)模的商業(yè)化運(yùn)營，而250 km/h和350 km/h速度級動車組技術(shù)也日臻完善[1]。根據(jù)中國鐵路總公司2020年統(tǒng)計公報數(shù)據(jù)，全國鐵路營業(yè)里程由121 000 km增加到146 300 km，增長20.9%；高鐵由19 800 km增加到37 900 km；復(fù)線率由53.5%增長到59.5%，電氣化率由61.8%增長到72.8%[2]；“四縱四橫”高鐵網(wǎng)建成，預(yù)計到2030年基本形成布局合理、覆蓋廣泛、層次分明、安全高效的“八縱八橫”鐵路網(wǎng)絡(luò)。中西部地區(qū)鐵路營業(yè)里程已經(jīng)達(dá)到了90 000 km，“一帶一路”戰(zhàn)略進(jìn)一步推動了我國西部地區(qū)高速鐵路的發(fā)展。

隨著高速鐵路的大范圍建設(shè)和“八縱八橫”鐵路網(wǎng)絡(luò)的形成，以及列車運(yùn)行速度的提高與高速列車車體輕量化發(fā)展趨勢，列車運(yùn)行環(huán)境變得也越來越復(fù)雜，這就使得列車對運(yùn)行環(huán)境變得更加敏感，復(fù)雜惡劣的運(yùn)行環(huán)境（例如，高原高寒、強(qiáng)風(fēng)沙荒漠、雷雨雪霜、地震、山洪、雪崩、滑坡、泥石流、落塌方等）嚴(yán)重影響了列車運(yùn)行安全。

在我國軌道交通歷史上，因惡劣環(huán)境導(dǎo)致運(yùn)行列車脫軌、傾覆事故并不鮮見。例如，1981年7月9日，因特大暴雨導(dǎo)致成昆鐵路運(yùn)行的列車發(fā)生墜橋事故，造成200多人傷亡的重大事故；2007年，5806次旅客列車在南疆線上距離吐魯番70 km處突遇13級大風(fēng)，導(dǎo)致列車9～19節(jié)車廂脫軌，造成重大經(jīng)濟(jì)損失，見圖1（a）[3]；2011年7月23日，因雷擊導(dǎo)致D3115次動車與D301次動車發(fā)生追尾脫軌墜落事故，造成40人死、200余人受傷的特大事故；成昆線利子依達(dá)溝1981年7月發(fā)生的特大泥石流造成列車傾覆，共死亡79人，傷147人，中斷行車15 d；2008年5月12日發(fā)生的汶川地震導(dǎo)致寶成鐵路109隧道發(fā)生列車脫軌，攜帶13節(jié)油罐的貨運(yùn)列車爆炸燃燒并引起火災(zāi)，見圖1（b）[4]；2020年3月30日，京廣線馬田墟至棲鳳渡站下行區(qū)間發(fā)生線路塌方，T179次列車運(yùn)行至該區(qū)段時撞上塌方體，導(dǎo)致第2～6節(jié)車廂脫線傾覆，事故造成1名乘警死亡，120多人受傷，見圖1（c）[5]。

圖1 惡劣環(huán)境造成列車傾覆事故現(xiàn)場Fig.1 Harsh environment caused train overturning accident

我國幅員遼闊、地質(zhì)復(fù)雜、氣候多樣，是世界上自然災(zāi)害較為嚴(yán)重的國家之一。隨著我國鐵路路網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，鐵路沿線運(yùn)輸生產(chǎn)環(huán)境更加復(fù)雜。特別是蘭新二線、青藏鐵路線，以及正在建設(shè)的川藏鐵路線，這3條鐵路沿線的惡劣環(huán)境類型較為復(fù)雜。其中，蘭州—新疆的蘭新二線全長1 142 km，是世界上海拔較高、線路較長、氣候較惡劣的高原鐵路，沿途有煙墩風(fēng)區(qū)、百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)、達(dá)坂城風(fēng)區(qū)和安西風(fēng)區(qū)5大風(fēng)區(qū)，5大風(fēng)區(qū)總長度約460 km；自蘭新二線投入運(yùn)營后，因強(qiáng)風(fēng)沙導(dǎo)致列車停輪、脫軌、傾覆等鐵路交通事故發(fā)生了多起，因風(fēng)沙所致的列車脫軌和傾覆數(shù)量約100列，造成鐵路直接經(jīng)濟(jì)損失超過1 000萬元[6]。青藏線上的大風(fēng)日較多，沿線年平均大風(fēng)日為115～160 d，最大風(fēng)速達(dá)到20～28 m/s，嚴(yán)重影響了列車的安全運(yùn)行。正在建設(shè)的川藏線全長1 838 km，設(shè)計速度160～200 km/h，川藏線需要越過四川盆地、云貴高原、青藏高原3個臺階，沿途跨越多條江河和雪山高峰，集合了山嶺重丘、高原高寒、風(fēng)沙荒漠、雷雨雪霜、泥石流、滑坡、落塌方等多種極端惡劣地理環(huán)境和氣候特征[7]。以川藏線為例，將復(fù)雜惡劣環(huán)境分為以下5種。

1）高海拔環(huán)境。川藏線全路段最高海拔達(dá)到4.4 km，最大落差超過3 km，八起八伏，總體爬升高度約4 km；橋梁和隧道工程占比達(dá)到總工程量的81%；其中，雅安至然烏段在山原面的高程，從西北部至東南部由4 km下降到3 km，下降高度超過1 km；山原面以下，由北至南河流逐漸深切形成連續(xù)不斷的峽谷，而嶺谷間高差甚至超過3 km；康定和瀘定段之間的線路，水平直線長度為50 km，垂向海拔高度差約為2 km，相當(dāng)于垂向海拔高度差為0.04 km/km。安拉隧道的入口處海拔高度為3.3 km，隧道海拔最高點為4.3 km[8]。

2）高原高寒環(huán)境。川藏線主要線路基本位于海拔3 km以上，其主要地形為山地和高原，夏季最高溫度達(dá)40℃、冬季最低溫度達(dá)零下20℃；晝夜溫差最大達(dá)35℃左右；隧道內(nèi)熱高溫甚至可達(dá)92℃。高寒的自然環(huán)境存在著天然隱患，主要表現(xiàn)為季節(jié)性變化的凍土和積雪；凍土和積雪會阻塞凍脹和融化沖擊等作用而破壞建筑物，伴隨著地震、強(qiáng)風(fēng)、晝夜溫差、雨水等外界條件形成山洪、雪崩和冰川泥石流等自然災(zāi)害[9]。

3）強(qiáng)風(fēng)沙環(huán)境。川藏線穿過雅魯藏布江的兩側(cè)，沿線的地形受風(fēng)的影響很大，風(fēng)向基本上與河谷的方向一致，枯風(fēng)季節(jié)從10月下旬到次年5月，最大風(fēng)速可以達(dá)到12級，形成移動或半移動的沙丘；這些沙丘被路基阻擋后，會在大風(fēng)季節(jié)重新聚集在路基的上風(fēng)向和下風(fēng)側(cè)，形成沙埋和風(fēng)蝕，從而導(dǎo)致路基病害。受氣候因素和植被環(huán)境的控制，川藏鐵路的許多地區(qū)嚴(yán)重荒漠化，全線分布了20個風(fēng)沙區(qū)。

4）地震環(huán)境。川藏線的雅安至林芝段位于青藏高原邊緣地區(qū)，沿線山高谷深，地層巖石復(fù)雜多變，地形被破壞，地震活動劇烈。此外，惡劣而復(fù)雜的氣候會對內(nèi)部和外部動態(tài)地質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響，沿線地質(zhì)災(zāi)害的類型較多且非常復(fù)雜。川藏線穿過甘孜魯霍地震帶和雅魯藏布地震帶，地震設(shè)防烈度在8以上，地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動活躍，地震頻發(fā)、烈度高、地應(yīng)力高、斷層蠕變變形大；僅拉薩到林芝段就通過了18個斷層帶，歷史上發(fā)生過8次7級及以上的地震，15次5～7級的地震[9]。

5）其他地質(zhì)災(zāi)害環(huán)境。川藏線沿線地質(zhì)復(fù)雜，不良地質(zhì)極為發(fā)達(dá)，地下水和地表水豐富，包括孔隙水、基巖裂隙水、巖溶水、斷層帶水等，還有高溫?zé)崴偷蜏厝谘?；有蝕變巖、泥質(zhì)巖、黏土巖、軟土、巖溶、鹽巖、石膏和古代火山巖等不良地質(zhì)，由于極端的地質(zhì)和風(fēng)化現(xiàn)象，沿線泥石流、滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)[10]。

高海拔、高原高寒、強(qiáng)風(fēng)沙、地震、山崩、滑坡、泥石流、落塌方、落石等復(fù)雜和惡劣環(huán)境會嚴(yán)重威脅列車運(yùn)行安全。為了確保復(fù)雜環(huán)境下列車安全運(yùn)行，不但要采取被動防災(zāi)措施，更重要的是通過主動預(yù)防和控制方法確保行車安全。針對復(fù)雜惡劣環(huán)境下列車安全行車問題，許多學(xué)者和專家進(jìn)行了大量研究和試驗，旨在為鐵路運(yùn)營部門提供決策支持，避免或減少惡劣環(huán)境下鐵路交通事故的發(fā)生。

1 研究現(xiàn)狀及分析

1.1 惡劣環(huán)境下列車行車安全性

1.1.1 地震環(huán)境

地震環(huán)境下，為了確保列車安全運(yùn)行，科研人員的研究主要聚焦于以下方面：①基于列車動力學(xué)性能指標(biāo)，對不同速度等級下的列車進(jìn)行動力學(xué)分析；②研究地震所引起的軌道結(jié)構(gòu)大幅橫向振動，對列車安全運(yùn)行的影響；③研究車體間抗蛇行減振器和車端減振器對地震情況下列車運(yùn)行安全性的作用；④地震情況下供電系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的安全性保護(hù)研究；⑤列車在不同震級下的調(diào)度應(yīng)急策略、鐵路預(yù)警系統(tǒng)和列車控制方法等方面的研究。

Xiao等[11]采用LSCF數(shù)值積分法對EI-Centro地震波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對不同地震烈度下橫向、垂向和橫-垂向地震波對高速列車的運(yùn)行安全性進(jìn)行分析，認(rèn)為橫向地震波對列車脫軌占主導(dǎo)作用，地震烈度小于6度時對列車的行駛安全不會構(gòu)成威脅，當(dāng)?shù)卣鹆叶瘸^8度時，列車運(yùn)行會處于危險狀態(tài)，并給出地震下高速列車安全運(yùn)行及脫軌邊界。陽光武等[12]為了研究地震環(huán)境對高速列車速度的影響，以某類動車組為研究對象，建立了高速列車動力學(xué)模型，通過比較高速列車在不同速度水平下的動態(tài)性能指標(biāo)，得出當(dāng)?shù)卣鹆叶瘸^6度時，高速列車的所有動態(tài)指標(biāo)均超過極限值，對高速列車的安全性構(gòu)成了極大的威脅。魏峰等[13]針對地震作用下高速鐵路橋上行車的安全性問題，設(shè)計完成車輛-軌道-橋梁大型振動臺臺陣縮尺模型試驗，制作了1∶10比例的車輛、軌道及橋梁結(jié)構(gòu)的模型，根據(jù)縮尺模型相似定理研究了不同地震強(qiáng)度下列車脫軌問題，并利用數(shù)值仿真方法建立CRH380BL高速列車-軌道-橋梁空間耦合動力學(xué)模型，通過對比分析試驗結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果，驗證了數(shù)值分析模型的可靠性。李昊等[14]為了研究高速鐵路在地震作用下的運(yùn)行安全和脫軌機(jī)理，使用了1個大型的6 m×6 m振動臺來模擬車輛軌道模型，根據(jù)振動臺模型試驗，建立了多自由度、多剛度的車輛軌道數(shù)值模型，并將振動模型試驗的結(jié)果與車輛軌道的數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行了比較。試驗結(jié)果表明車輛軌跡數(shù)值模型具有一定的正確性。雷虎軍等[15]針對高速鐵路橋梁，開展非一致地震激勵下的列車-軌道-橋梁耦合振動及橋上列車的行車安全性研究。結(jié)果表明，雖然地震動空間變異性對列車行車安全性評判指標(biāo)有一定的影響，但對列車過橋的安全車速閾值沒有明顯影響。

為保證行車安全和減少地震對路網(wǎng)運(yùn)行的影響，不但進(jìn)行鐵路地震預(yù)警監(jiān)測及處置系統(tǒng)研制，還要開展列車運(yùn)行控制與調(diào)度管理一體化的研究。具體為：①研發(fā)和優(yōu)化鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)。鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)涉及地震環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、列控系統(tǒng)、車載地震系統(tǒng)、牽引供電系統(tǒng)、機(jī)車駕駛、通信、調(diào)度組織、鐵路局中心系統(tǒng)等，是多學(xué)科、相互交叉、復(fù)雜的防災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)；②智能分級控車模型和預(yù)警處置策略研究，對地震影響范圍內(nèi)列車的運(yùn)行，采用智能算法搭建數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)在不同地震級別下列車限速運(yùn)行和列車緊急制動（不同速度等級下最大動力學(xué)性能指標(biāo)見圖2[12]）；而對于地震影響范圍外列車的運(yùn)行，構(gòu)建高速鐵路地震預(yù)警處置與調(diào)度策略，便于地震后乘客疏散和行車組織的恢復(fù)。

圖2 不同速度等級下最大動力學(xué)性能指標(biāo)Fig.2 Maximum dynamic performance index under different speed

1.1.2 泥石流環(huán)境

葉華祥[16]提出建立鐵路泥石流災(zāi)害信息網(wǎng)絡(luò)，在泥石流形成和發(fā)生的各個階段，科學(xué)決策是否允許列車通行，對網(wǎng)絡(luò)的背景、組成、工作原理及開發(fā)中應(yīng)注意的問題進(jìn)行了探討。張迅[17]針對泥石流沖擊作用下橋上高速列車運(yùn)行安全控制問題，以泥石流對橋梁墩臺的沖擊試驗為基礎(chǔ)，在時域和頻域上分別分析沖擊荷載的特征，建立了泥石流對橋墩作用的沖擊荷載譜，構(gòu)建了泥石流沖擊荷載作用下的車橋系統(tǒng)動力分析模型，定量分析了泥石流沖擊荷載對列車橋上走行安全性的規(guī)律，給出了列車橋上行走的安全限界。Song等[18]通過分析川藏鐵路泥石流的類型、災(zāi)害機(jī)理和運(yùn)動過程，構(gòu)建了川藏鐵路泥石流預(yù)警系統(tǒng)，將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)與參數(shù)的閾值進(jìn)行比較，發(fā)布預(yù)警信息。Li等[19]構(gòu)建了鐵路沿線山區(qū)泥石流監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)（見圖3）并分析了確定泥漿位置預(yù)警閾值0.9E和1.1E的方法。

圖3 山區(qū)鐵路沿線泥石流監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)Fig.3 The monitoring early-warning system composition of mountain area railway along debris flow

目前，針對泥石流環(huán)境下鐵路行車安全性方面的研究主要聚焦于2個方面：①泥石流沖擊鐵路線路和橋梁時相互作用模型；②鐵路沿線泥石流災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)。若要確保泥石流環(huán)境下鐵路行車安全，需構(gòu)建泥石流災(zāi)害發(fā)生的預(yù)警模型，實現(xiàn)在不同泥石流工況下列車限速運(yùn)行或列車緊急制動，并制定不同泥石流工況下行車安全保障措施。

1.1.3 高寒、雨雪、冰凍環(huán)境

制動夾鉗單元是列車基礎(chǔ)制動裝置的重要部件，在高寒潮濕氣候條件下，有時夾鉗被冰雪所覆蓋，甚至凍死，危及高速動車組的運(yùn)行安全。德國克諾爾公司、中國鐵道科學(xué)研究院、中車四方車輛股份有限公司、中車長春軌道客車股份有限公司等對高速列車制動系統(tǒng)在高寒雨雪氣候條件下的適應(yīng)性進(jìn)行了多方面研究，取得了一定成效[20]。岳煜斐等[21]基于歐拉雙流體模型，利用商用CFD軟件FLUENT，對雨風(fēng)條件下高速列車的氣動特性和運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行了三維仿真研究，分析了不同偏航角和暴雨強(qiáng)度下的氣動力和傾覆力矩的變化特征，并與無降雨條件下的相應(yīng)結(jié)果進(jìn)行了對比分析，得出受降雨影響，列車受到的阻力、側(cè)向力和傾覆力矩均不同程度增大，運(yùn)行穩(wěn)定性降低的結(jié)論。Shao等[22]開展了基礎(chǔ)性的研究，并指出受降雨影響，列車所受的氣動升力、側(cè)向力和傾覆力矩均比僅有側(cè)風(fēng)時大，在60 mm/h的降雨率下，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到40 m/s時，列車的側(cè)向力和滾動力矩顯著增加。龔凱等[23]基于列車-軌道系統(tǒng)空間振動分析理論，考慮洪澇災(zāi)害的影響，建立洪澇災(zāi)害條件下列車-軌道系統(tǒng)空間振動分析模型，根據(jù)彈性系統(tǒng)動力學(xué)總勢能不變原理及形成系統(tǒng)矩陣的“對號入座”法則，建立空間振動矩陣方程，運(yùn)用列車脫軌能量隨機(jī)分析理論，提出洪澇災(zāi)害條件下列車脫軌全過程計算方法，分別對該條件下直線和曲線路段列車脫軌全過程進(jìn)行計算和分析。研究結(jié)果表明，洪澇災(zāi)害下貨車列車運(yùn)行在曲線路段比直線路段更容易脫軌。

目前的研究僅針對高寒、雨雪、冰凍環(huán)境下列車制動系統(tǒng)適應(yīng)性和列車運(yùn)行穩(wěn)定性等方面開展研究。為了確保列車安全運(yùn)行，高寒、雨雪、冰凍環(huán)境下自動化、智能化的列車運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)的研究是趨勢，通過多源監(jiān)控信息和信息智能監(jiān)控報警技術(shù)，實現(xiàn)高寒、雨雪、冰凍不同工況下行車安全監(jiān)控信息實時自動報警、快速應(yīng)急響應(yīng)、列車行車方案。

1.1.4 大風(fēng)環(huán)境

1）風(fēng)致下列車空氣動力學(xué)性能及臨界運(yùn)行速度。大風(fēng)是影響高速列車運(yùn)行安全的外部復(fù)雜條件之一，我國沿海地區(qū)鐵路沿線的夏季臺風(fēng)、西北部（如：蘭新二線）鐵路沿線的春秋季節(jié)大風(fēng)都嚴(yán)重影響到高速列車的安全運(yùn)行。隨著高速列車速度的不斷提高，其高速運(yùn)行時產(chǎn)生的氣動升力、側(cè)滾力矩和傾覆力矩也逐漸增強(qiáng)，此時，若有強(qiáng)風(fēng)作用于高速列車車體上，可能導(dǎo)致列車空氣阻力和側(cè)向力迅速增加，較弱的環(huán)境風(fēng)則將影響乘客的舒適性，而較強(qiáng)的環(huán)境風(fēng)則使列車運(yùn)行姿態(tài)發(fā)生嚴(yán)重變化，直接威脅到列車的安全運(yùn)行。

西南交通大學(xué)張繼業(yè)和張衛(wèi)華及其研究團(tuán)隊在高速列車風(fēng)致安全方面做了一系列工作，并且取得了大量研究成果[24-27]。為改善大風(fēng)環(huán)境下（不同風(fēng)向和風(fēng)速）下列車運(yùn)行的動力學(xué)性能，提高列車運(yùn)行的平穩(wěn)性和安全性，通過車輛-軌道耦合動力學(xué)、空氣動力學(xué)、流體動力學(xué)、動態(tài)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，采用數(shù)值計算、風(fēng)洞試驗、在線實車試驗、理論分析、大渦模擬計算等多種方法，計算和確定了不同路況（橋梁、路堤和平地等）和不同風(fēng)速作用下列車穩(wěn)態(tài)氣動載荷和非定常氣動載荷值、列車車體與輪對的運(yùn)行姿態(tài)值、列車動力學(xué)參數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化值、不同側(cè)風(fēng)風(fēng)速下高速列車運(yùn)行的安全性指標(biāo)和列車安全運(yùn)行臨界速度值等。

中南大學(xué)以田紅旗和高廣軍為核心的研究團(tuán)隊在列車風(fēng)致安全方面也做了許多研究工作，并且取得了大量研究成果[28-32]。為改善大風(fēng)環(huán)境下（不同風(fēng)向和風(fēng)速）下列車運(yùn)行的動力學(xué)性能，提高列車運(yùn)行平穩(wěn)性和安全性，針對不同側(cè)風(fēng)環(huán)境下不同車型的列車在不同路況（路堤、平地和橋梁）的鐵路線路上行駛所受氣動性能展開全面分析和研究，詳細(xì)分析了風(fēng)致下研究列車動力學(xué)所采用數(shù)值計算及實驗或試驗等各種方法的優(yōu)缺點，研究了不同環(huán)境（包括不同路況和不同環(huán)境風(fēng)）下列車空氣動力學(xué)形成機(jī)理，得到并確定了不同車型的列車在不同路況下的安全運(yùn)行閾值，并提出了防風(fēng)措施；以蘭新鐵路線強(qiáng)側(cè)風(fēng)環(huán)境下車輛的氣動特性為目標(biāo)和實例，通過分塊積分法研究試驗列車所受側(cè)風(fēng)帶來的氣動力，進(jìn)一步對數(shù)值模擬與實車試驗結(jié)果展開對比與分析。計算結(jié)果表明，貨車的臨界傾覆風(fēng)速比客車低，空棚車的臨界傾覆風(fēng)速最低。

北京交通大學(xué)的任尊松、毛軍、郗艷紅等在列車風(fēng)致安全方面也做了許多研究工作。任尊松等[33]基于Fluent和Simpack軟件計算側(cè)風(fēng)環(huán)境下高速列車受到的載荷，并建立高速列車多體系統(tǒng)動力學(xué)模型，分析和研究側(cè)風(fēng)對列車運(yùn)行安全性的影響，并建立了不同強(qiáng)側(cè)風(fēng)環(huán)境下列車最高安全運(yùn)行速度曲線，見圖4；郗艷紅等[34]針對橫風(fēng)作用下高速列車安全運(yùn)行速度限值問題展開研究，以我國CRH型高速列車為目標(biāo)，考慮列車本體和其它附屬設(shè)施的細(xì)部特征，對不同風(fēng)速下列車運(yùn)行時的氣動特性進(jìn)行數(shù)值模擬，并給出了CRH3型列車在平地上運(yùn)行時不同橫風(fēng)下列車最大安全域值。

圖4 不同強(qiáng)側(cè)風(fēng)風(fēng)速下列車最高安全運(yùn)行速度Fig.4 The highest safe operating speed of train under different strong crosswind wind speeds

同濟(jì)大學(xué)楊志剛等[35]采用LES方法研究側(cè)風(fēng)環(huán)境下高速列車車體周圍表面所受的非定常流場特性和裙板對高速列車氣動性能的影響，得出側(cè)風(fēng)環(huán)境下高速列車非定常氣動力峰值頻率為0.5～2 Hz，側(cè)風(fēng)環(huán)境和無風(fēng)環(huán)境這2種情況下高速列車底部安裝裙板對其安全運(yùn)行影響有較大區(qū)別；Zhuang等[36]針對側(cè)風(fēng)側(cè)偏角為30°和60°這2種典型情況，采用大渦模擬方法研究了側(cè)偏角對高速列車升力和側(cè)向力系數(shù)的影響，頻譜分析表明：隨時間變化的氣動力受多個能量頻率的支配，在較大的側(cè)偏角范圍內(nèi)頻率變化范圍較大。

2）風(fēng)致下列車運(yùn)行姿態(tài)及速度控制。Li等[37]針對在強(qiáng)側(cè)風(fēng)條件下高速列車的安全性問題，基于自適應(yīng)預(yù)測控制理論，提出了1種新的主動控制策略，該策略將自適應(yīng)控制與動態(tài)矩陣控制相結(jié)合，通過在線識別對預(yù)測控制器的參數(shù)進(jìn)行實時調(diào)整，以增強(qiáng)控制算法的魯棒性，在此基礎(chǔ)上，還設(shè)計了校正控制算法，以基于受控目標(biāo)的階躍響應(yīng)來調(diào)節(jié)預(yù)測控制器的參數(shù)。仿真結(jié)果表明：所提出的控制策略可以在強(qiáng)側(cè)風(fēng)條件下調(diào)整高速列車的運(yùn)行姿態(tài)，提高了列車的運(yùn)行安全性能。

李德倉等[38]依據(jù)Lyapunov穩(wěn)定性判據(jù)設(shè)計自適應(yīng)魯棒控制器以適應(yīng)高速列車自動駕駛控制，魯棒控制器能夠消除自動駕駛系統(tǒng)的抖振現(xiàn)象，也能夠降低各種不確定性，如大風(fēng)、模型誤差和其他干擾造成的參數(shù)變化等。通過控制器消除對系統(tǒng)安全運(yùn)行速度的跟蹤誤差，實現(xiàn)高速列車在不同外界條件（主要是風(fēng)速）下，對給定的安全運(yùn)行速度進(jìn)行高精度追蹤，單位控制力曲線見圖5。

圖5 單位控制力曲線Fig.5 Unit control curve

3）大風(fēng)檢測及預(yù)警系統(tǒng)。雷艷紅[39]為解決大風(fēng)敏感區(qū)調(diào)度系統(tǒng)的可靠性問題，將列車調(diào)度系統(tǒng)與大風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)相結(jié)合，分析了無大風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)、大風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)向調(diào)度員發(fā)送信息和大風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)在緊急情況下直接向駕駛員發(fā)送信息這3種情況下調(diào)度系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論和系統(tǒng)可靠性分析理論，建立了大風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)中調(diào)度系統(tǒng)的可靠性模型。最后，根據(jù)各模塊的可靠性參數(shù)，計算了3種情況下調(diào)度系統(tǒng)的可靠性。對比分析了將大風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)接入調(diào)度系統(tǒng)后，調(diào)度系統(tǒng)可靠性的變化規(guī)律。

朱亮[40]為了提高我國高鐵監(jiān)控系統(tǒng)的功能和監(jiān)控水平，保障大風(fēng)地區(qū)高鐵列車的安全，闡述了高鐵預(yù)警系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r，從檢測系統(tǒng)設(shè)置、報警處置規(guī)則和流程等方面，分析預(yù)警技術(shù)發(fā)展的國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀和特點，設(shè)計高鐵大風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)，結(jié)合高鐵系統(tǒng)對預(yù)警系統(tǒng)的功能需求，對初始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確評估、預(yù)警閾值的優(yōu)化、報警信息排除規(guī)則的優(yōu)化、列車定位、車地?zé)o線通信、車載接收和回執(zhí)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。石紅國等[41]分析了有關(guān)列車在采取3種措施時的具體情況，即繞線、降速運(yùn)行和進(jìn)站待避；如果列車?yán)@線運(yùn)行，將增加乘客時間和繞行費(fèi)用。以廣義費(fèi)用損失最小為評估方法依據(jù)，采用拉開檔次法和混合蟻群遺傳算法求解計算模型，并在不同風(fēng)速值下選擇列車運(yùn)行方案。我國京津城際軌道交通防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)包括防風(fēng)預(yù)警檢測子系統(tǒng)，在強(qiáng)風(fēng)極端天氣時可以及時發(fā)出警報并提示降低行駛速度以確保列車運(yùn)行安全[42]。

龔烔等[43]在研究分析國內(nèi)外監(jiān)測與安全系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了以遠(yuǎn)程監(jiān)測單元和地理信息系統(tǒng)為核心的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計方案。設(shè)計了包含現(xiàn)場層、遠(yuǎn)程終端層、中央處理層和應(yīng)用層4層系統(tǒng)架構(gòu)，見圖6，并分析了其功能及相應(yīng)的設(shè)計方法[43]。許平[44]針對青藏鐵路沿線特殊風(fēng)環(huán)境下高鐵運(yùn)行的安全性問題，運(yùn)用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通信和控制技術(shù)，對包括風(fēng)速、路況、列車等相關(guān)信息融合的情況進(jìn)行了研究，設(shè)計了青藏鐵路大風(fēng)監(jiān)測預(yù)警與行車指揮系統(tǒng)，通過青藏鐵路沿線及所轄風(fēng)區(qū)各測風(fēng)站2年的實際應(yīng)用，得到了青藏鐵路特殊風(fēng)環(huán)境下列車防護(hù)運(yùn)行的臨界速度，進(jìn)一步確定了復(fù)雜環(huán)境下列車的速度臨界值，同時對系統(tǒng)的可靠性和可行性進(jìn)行了論證。

圖6 鐵路大風(fēng)監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)Fig.6 Monitoring and early warning system of railway strong wind

馬韞娟等[45]針對我國鐵路沿線寒潮大風(fēng)、短時雷雨大風(fēng)和臺風(fēng)大風(fēng)等環(huán)境下高速鐵路動車組安全運(yùn)行，建立不同類型短時風(fēng)速預(yù)測模型，繪制強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下高速列車運(yùn)行管制曲線圖，設(shè)計了我國客運(yùn)專線高速列車動車組安全運(yùn)行大風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)。Liu等[46]針對青藏鐵路沿線頻繁多變不確定性特殊風(fēng)環(huán)境下高速列車安全運(yùn)行問題，采用非平穩(wěn)時間序列法、基于時間序列分析理論、卡爾曼自適應(yīng)濾波理論構(gòu)建組合模型，實現(xiàn)短時風(fēng)速預(yù)測體系，研究并設(shè)計了青藏鐵路高速列車運(yùn)行安全保障系統(tǒng)。

大風(fēng)是威脅列車運(yùn)行安全的復(fù)雜環(huán)境之一，也是我國鐵路沿線最主要的自然災(zāi)害，為了改善大風(fēng)環(huán)境下高速列車的運(yùn)行安全性能，研究者采用理論分析、數(shù)值計算、風(fēng)洞試驗、在線實車試驗等綜合研究方法，對大風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)，不同風(fēng)速和風(fēng)向、不同路況、不同車型下車輛動力學(xué)特性及安全性能指標(biāo)，車-橋動力學(xué)模型，氣動載荷、側(cè)滾力矩、傾覆力矩等展開研究。進(jìn)一步研究的方向包括：①采用智能算法和軟件構(gòu)建大風(fēng)環(huán)境信息多源數(shù)據(jù)融合模型，解決面向大風(fēng)環(huán)境的多源數(shù)據(jù)異構(gòu)及數(shù)據(jù)缺失造成的不確定問題，提高列車運(yùn)行復(fù)雜環(huán)境數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和真實性，對鐵路沿線大風(fēng)環(huán)境進(jìn)行決策判斷；②考慮不同風(fēng)速和風(fēng)向環(huán)境下列車運(yùn)行模式與安全性之間的相互制約關(guān)系，構(gòu)建列車運(yùn)行控制與調(diào)度管理一體化模型，研究調(diào)度與列控系統(tǒng)的信息閉環(huán)及其參數(shù)匹配，使得不同大風(fēng)環(huán)境下調(diào)度中心-列控系統(tǒng)的調(diào)度與控制達(dá)到最優(yōu)。

1.2 惡劣環(huán)境下鐵路安全行車措施

在惡劣環(huán)境下，現(xiàn)有的鐵路安全運(yùn)行措施包括：①確定不同地震等級下鐵路的應(yīng)急策略、地震監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)；②建立鐵路事故（如泥石流）信息網(wǎng)絡(luò)，給出泥石流工況下列車在橋上的安全限界，確定列車是否過橋；③明確高速列車在復(fù)雜環(huán)境中的安全運(yùn)行區(qū)域；④在大風(fēng)環(huán)境中，引入限速或停車、設(shè)計適當(dāng)?shù)牧熊囃庑巍⒃O(shè)置風(fēng)障和風(fēng)屏，建立大風(fēng)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)等。

1.2.1 冰、雪、霜環(huán)境

針對冰、雪、霜災(zāi)害對于鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)的危害，為確保列車安全運(yùn)行，采取的措施主要包括[47-48]：①在橋梁、鐵路線路降雪量較大區(qū)域的道岔、車站接發(fā)車進(jìn)路上的道岔、客運(yùn)專線與城際鐵路設(shè)置融雪設(shè)備，或鐵軌溫度調(diào)節(jié)器；②電力機(jī)車上加裝具有除雪功能的受電弓滑板，或?qū)﹄娏C(jī)車和動車組采用雙受電弓，前面為除霜凍受電弓，專門用來刮除接觸網(wǎng)上的冰、雪、霜；③暴雪環(huán)境下，根據(jù)天氣情況采取停運(yùn)部分列車等措施，同時，鐵路直屬站各個車站將啟動應(yīng)急預(yù)案，確保列車安全運(yùn)行；④建立大雪預(yù)警系統(tǒng)。

1.2.2 地震環(huán)境

為降低地震環(huán)境下列車脫軌、傾覆概率，采取的措施主要包括[49]：①建立地震預(yù)警檢測系統(tǒng)，沿線設(shè)置傳感器，地震發(fā)生時，傳感器檢測到地震波后上傳至中心系統(tǒng)，計算震源、震級確定后會受到波及的線路，再將預(yù)警信息發(fā)至列車車載系統(tǒng)；②在預(yù)報發(fā)震期內(nèi)，在地震波到達(dá)之前實現(xiàn)減速或緊急停車；③軌道交通線路停運(yùn)。

1.2.3 泥石流環(huán)境

根據(jù)泥石流環(huán)境，保障列車安全運(yùn)行的措施有[50]：①建立泥石流預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)；②預(yù)警預(yù)報，在發(fā)生災(zāi)害時傳遞天氣預(yù)報，評估未來災(zāi)情。初步警報的降雨強(qiáng)度閾值設(shè)定為3～4 mm/10 min；中期預(yù)警的雨強(qiáng)閾值是通過分析局地降水資料和泥石流資料確定的，閾值為6 mm/10 min；超前預(yù)警閾值的確定方法與中期預(yù)警相同，閾值為10 mm/10 min；③人工巡查受不同條件限制，監(jiān)測泥石流的路段（或保護(hù)點）只能設(shè)在橋梁和渠道附近，如果監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的流量很高或正在上升，對列車安全運(yùn)行不能保證時列車停運(yùn)。

1.2.4 風(fēng)沙環(huán)境

強(qiáng)風(fēng)沙環(huán)境下，為避免列車脫軌和傾覆概率，采取的具體措施包括[51]：①根據(jù)不同的風(fēng)速和風(fēng)向，不同的路況（橋梁、路堤、路塹、直線、曲線、擋風(fēng)墻等），不同的車輛（列車外型、車輛載重，車輛動力性能），以及風(fēng)沙流對車窗以及列車運(yùn)行穩(wěn)定性的影響等，設(shè)定不同的運(yùn)行速度限值；②對列車外形進(jìn)行合理的設(shè)計（如流線型頭形、流線型車身等），可以有效地提高列車在風(fēng)環(huán)境中的氣動性能，包括降低列車的氣動阻力、控制車輛的氣動推進(jìn)和降低列車通過時的壓力幅值；通過對側(cè)壁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，可以提高車輛的橫向氣動性能；③針對不同的風(fēng)區(qū)，寬闊地帶、峽谷地帶、橋梁等，設(shè)立防風(fēng)墻、防風(fēng)屏障、防風(fēng)柵、防風(fēng)林等；④鐵路監(jiān)測預(yù)警及列車運(yùn)行指揮系統(tǒng)的構(gòu)建。設(shè)計沿線風(fēng)信號短期預(yù)報模型，開發(fā)遠(yuǎn)程實時風(fēng)速記錄、傳輸和存儲模塊，搭建大風(fēng)監(jiān)測預(yù)警和列車行車指揮系統(tǒng)應(yīng)用平臺。

1.3 研究現(xiàn)狀總結(jié)

為改善復(fù)雜、惡劣環(huán)境下鐵路列車的運(yùn)行安全性，國內(nèi)外學(xué)者對復(fù)雜惡劣環(huán)境下高速列車運(yùn)行安全性方面開展了大量的研究和試驗工作，通過研究惡劣環(huán)境對列車運(yùn)行狀態(tài)的影響，從而提出應(yīng)對策略和措施，研究概況總結(jié)見圖7。

圖7 研究概況Fig.7 Research overview

綜上所述,針對惡劣環(huán)境造成突發(fā)事件時列車運(yùn)行安全性問題的研究較少涉及列車開行方案與運(yùn)行計劃方面的研究，實際上，若因惡劣環(huán)境導(dǎo)致鐵路發(fā)生突發(fā)事件時，列車的開行方案與運(yùn)行計劃二者之間是有著密切的耦合關(guān)系，但是針對這二者之間的協(xié)調(diào)問題，目前依靠調(diào)度員與列車司機(jī)通電話的方式實現(xiàn)，這就使得突發(fā)事件發(fā)生時難以實現(xiàn)列車運(yùn)行圖實時調(diào)整與運(yùn)行控制之間的緊密協(xié)同、難以快速進(jìn)行全局優(yōu)化，導(dǎo)致無法快速滿意地調(diào)整，或者恢復(fù)運(yùn)行圖[52]。因此，復(fù)雜惡劣環(huán)境下，如何確保路網(wǎng)上列車安全運(yùn)行、避免或減少旅客滯留時間及突發(fā)事件的影響，以“安全、實時、智能、協(xié)同”為特點的鐵路列車運(yùn)行智能管控方法是研究是亟需解決的問題，也是鐵路列車安全行車領(lǐng)域的研究熱點。

2 惡劣環(huán)境下列車安全運(yùn)行智能管控

從現(xiàn)有研究來看，雖然針對復(fù)雜惡劣環(huán)境下列車安全性方面的研究取得了較好的成果，但是，針對復(fù)雜環(huán)境下鐵路列車運(yùn)行智能控制方法、調(diào)度管理策略等方面還需要更深入的研究。

隨著我國“人工智能”和“交通強(qiáng)國”國家戰(zhàn)略的相繼提出，對復(fù)雜惡劣工況下列車安全運(yùn)行、運(yùn)行控制及調(diào)度管理等的相關(guān)基礎(chǔ)理論提出了更高要求。因此，基于安全條件下如何進(jìn)一步提升鐵路運(yùn)營及管理效率，如何使得列車運(yùn)行實現(xiàn)智能管控成為未來鐵路控制與調(diào)度的核心問題。

列車安全運(yùn)行智能管控是指運(yùn)用先進(jìn)的感知、傳輸、控制方法和技術(shù)，提升列車運(yùn)行控制和調(diào)度智能化水平，深度融合列車運(yùn)行控制和調(diào)度，實現(xiàn)路網(wǎng)整體運(yùn)行效率全局最優(yōu)，全面提升及時應(yīng)對突發(fā)事件能力，達(dá)到列車運(yùn)行與調(diào)度一體化[52]。惡劣環(huán)境下鐵路列車運(yùn)行智能管控一體化（控制與調(diào)度管理一體化架構(gòu)）見圖8，運(yùn)行控制與調(diào)度管理一體化主要研究內(nèi)容見圖9。

圖8 運(yùn)行控制與調(diào)度管理一體化架構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic diagram of the integrated architecture of operation control and dispatch management

圖9 運(yùn)行控制與調(diào)度管理一體化主要研究內(nèi)容與方向Fig.9 Main research content of the integrated architecture of operation control and dispatch management

隨著計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展與大量應(yīng)用，在深入研究復(fù)雜惡劣環(huán)境下列車運(yùn)行安全性的同時，編制不同環(huán)境下列車運(yùn)行調(diào)整計劃，并將其融入到行車調(diào)度管理自動化系統(tǒng)里，依托信息采集裝置獲得列車運(yùn)行的實時信息（包括列車運(yùn)行環(huán)境信息、線路信息、設(shè)備狀態(tài)、列車實時位置及運(yùn)行狀態(tài)等），自動制定列車運(yùn)行計劃、自動進(jìn)行運(yùn)行調(diào)整、自動完成調(diào)度監(jiān)督與列車自動駕駛（automatic train operation,ATO）控制、自動統(tǒng)計和分析列車運(yùn)行實績。

3 結(jié)束語

1）我國的科研人員針對惡劣環(huán)境下列車行車安全關(guān)鍵技術(shù)方面取得了重大突破和許多科研成果。以列車“安全、高效”運(yùn)行為根本目的，采用理論分析、數(shù)值計算、在線實車試驗等綜合研究方法，研究和建立了不同環(huán)境、不同路況、不同車型的多種動力學(xué)模型、預(yù)測模型和安全性能指標(biāo)，基于此，建立鐵路安全行車措施，最后得到了理論-技術(shù)-工程應(yīng)用集成體系。

2）為改變傳統(tǒng)的調(diào)度員人工指令這種傳統(tǒng)方式帶來的效率低、出錯率高等不可控問題，基于復(fù)雜惡劣環(huán)境和列車運(yùn)行相關(guān)基礎(chǔ)信息和數(shù)據(jù)，結(jié)合列車智能控制算法，通過構(gòu)建基于事件和時間的列車運(yùn)行調(diào)度調(diào)整模型、調(diào)度中心-列車ATO系統(tǒng)一體化構(gòu)架與產(chǎn)生式通用模式，實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下調(diào)度與作業(yè)過程的管控一體化，形成控制中心管理與列車運(yùn)行自動控制的信息閉環(huán)，能夠提高復(fù)雜惡劣環(huán)境下高速列車安全運(yùn)行的安全性和高效性。因此，根據(jù)我國惡劣環(huán)境下列車行車安全的發(fā)展現(xiàn)狀，惡劣環(huán)境下鐵路列車安全運(yùn)行智能管控方法（控制與調(diào)度管理的模式化、自動化、同步化和一體化）的研究將成為目前需要深入研究的內(nèi)容和方向。