常导高速磁悬浮运行安全监控总体方案研究

孟川舒，刘阳学

（1.国防科技大学 智能科学学院,长沙 410073；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所,北京 100081）

常导电磁悬浮技术是我国目前唯一可实现工程应用的高速磁悬浮技术[1]，经过20 余年的研究、试验和积累，随着时速600 km 工程样车下线，我国常导高速磁悬浮已经开始迈向工程试验阶段。

运行安全是轨道交通系统的核心，高速磁悬浮列车行车速度更高、运行系统更为复杂，对安全风险更为敏感。从工程试验阶段开始，列车将在实际线路上运行，运行安全将成为首要问题。目前，国内外高速磁悬浮工程试验线路和商业运营线路非常少，并且线路覆盖工况相对简单，有关运行安全的研究多为对运行控制、牵引控制、悬浮导向等单一专业系统的技术性研究，面向真实运营环境和整体安全保障的系统性安全研究很少。朱忠英[2]基于上海磁悬浮实际情况研究了运营安全保障体系；侯圣杰等人[3]研究了气象、地质等运行环境与灾害的监测预警系统方案；其他相关研究亟待开展。而我国高速铁路（简称：高铁）已经具备非常丰富的运行安全保障经验，形成了成套管理和技术体系[4-6]，其共性经验可为高速磁悬浮运行安全方案研究提供借鉴。

本文参考现有研究成果，归纳常导高速磁悬浮运行安全特点，进一步分析运行安全监控逻辑，从总体上明确了运行安全监控的对象与层次，在此基础上提出综合监控模式，开展基于综合监控的常导高速磁悬浮运行安全监控总体方案研究。

1 常导高速磁悬浮运行安全特点分析

常导高速磁悬浮系统主要包括列车、线路、牵引供电、通信信号等4 个专业系统，构成核心运行系统。借鉴高铁经验，从运营角度形成常导高速磁悬浮完整系统还须包括安全防灾、运输组织、旅客服务、运行维护、网络信息等方面。常导高速磁悬浮运行安全特点主要体现在以下3 个方面。

（1）对外部运行环境更为敏感。高速磁悬浮列车运行速度非常高，对运行环境中的任何风险都会非常敏感。例如，强风、强降水、冻雨结冰、地震、地质灾害、雷电等极端天气及自然灾害对列车安全运行存在很大影响，很可能直接或间接造成列车失稳、车轨碰撞等危险情况，带来灾难性事故；此外，由于列车悬浮间隙很小（8～12 mm 左右）且速度高，对轨道结构平顺性的要求更为严苛[7]，所以基础设施不平顺度超限、线路异物等情况造成的危害极大。

（2）常导高速磁悬浮系统自身安全监测和控制的感知精准性、响应实时性、控制可靠性要求更高。该系统依靠电磁力运行，车轨没有机械接触，本质上是基于信息的机电控制系统，需要实时监测感知相关指标物理量，如道岔状态、悬浮间隙、牵引电流、列车姿态等，如发生非正常情况（如砸轨、车体自激振荡等），则需要机电控制系统及时作出响应，避免事故/灾难发生。

（3）耦合度高，各种信息的关联度高，安全综合分析能力要求更高。常导高速磁悬浮系统是地控车模式，运行控制、牵引控制、悬浮控制、测速定位、通信等系统紧密耦合；此外，由于定子布设在地面，车–轨–线也是耦合关系。因此，常导高速磁悬浮系统所产生的各种运行安全监控信息的关联度非常高，同一数据可能具有多专业多维度的语义，要求安全监控系统具备对安全数据综合分析和挖掘的能力。

以上特点决定了常导高速磁悬浮运行安全监控的模式、架构、功能等方面的设计考虑需要更加精细和全面。

2 常导高速磁悬浮运行安全监控逻辑与模式

2.1 运行安全监控逻辑

监控逻辑是明确运行安全监控目标和业务流程的必要条件，通过逻辑分析，能够从安全视角抽象解析整个运行系统，梳理出可监控的关键环节及相互关系。参考安全风险管理和应急管理相关理论，常导高速磁悬浮运行安全监控逻辑框架可分为3 层，即物理层、状态层和事件层，如图1 所示。

图1 高速磁悬浮运行安全监控逻辑框架

（1）物理层对应的是安全风险源，即监控对象的物理实体，按属性可分为人、系统、环境等3 类；

（2）状态层对应的是运行安全风险，即物理层监控对象发生了使业务、技术或事件的状态转向不安全的风险，风险点是该类风险的具体表现，由一个主要技术指标或若干技术指标构成，能够直接或间接获取指标信息进行监控；

（3）事件层对应的是危情，即风险进一步发展、监控对象的状态发生实质性改变、影响运行安全的危险场景。

相应地，从安全管理的角度，对风险源要充分进行预防性管理，及时监测和控制风险，当发生未能避免的危情时能够及时有效处置；同时，严密控制事态发展，降低损失和影响，以监控为中心形成逻辑闭环。因此，常导高速磁悬浮运行安全监控的基本逻辑是采用各种技术手段对涉及运行安全的风险点进行监控，及早发现和处理问题，最大程度地降低风险，避免其向危情方向发展，保障列车运行安全。

2.2 运行安全监控模式

与轮轨不同，常导高速磁悬浮系统的运行控制与牵引控制紧密耦合，设置中央控制系统，集中实现列车牵引控制、运行控制和车地通信管理[8]，因此，与基本行车安全相关的监控都由中央控制系统实现。本文在中央控制系统层面之上构建安全管控层面的、面向全部运营安全环节的运行安全综合监控系统，汇集全部安全监控信息，基于安全数据综合分析，实现常导高速磁悬浮运行安全综合监控，更有利于发挥大数据作用，提高安全信息运用效率，增强协同安全防控能力。

3 常导高速磁悬浮运行安全监控总体方案

3.1 总体架构

常导高速磁悬浮运行安全监控方案总体架构如图2 所示，可分为状态层、数据层和系统层。

图2 高速磁悬浮运行安全监控方案总体架构

（1）状态层对应逻辑框架中的安全状态，按照业务属性，可将涉及人、系统、环境的安全状态划分为基础设施、列车运行、作业和环境共4 大类11小类，每一小类又包含若干个风险点。通过监控相关风险指标，获得对应监控对象的状态数据。

（2）数据层对应从状态层获取的各类数据的集合，包括各类检测数据、监测数据、监控数据及相关专业系统生成的二次信息，基于数据层可实现安全大数据分析。

（3）系统层对应获取运行安全相关数据的各个系统，包括基础设施检测、防灾监测等各专业系统，以及中央控制系统和运行安全综合监控系统。运行安全综合监控系统位于顶层，与各专业系统、中央控制系统通过安全数据产生交互关系，以监为主、以控为辅。

3.2 主要功能

3.2.1 基础设施监控

常导高速磁悬浮基础设施主要包括桥梁/线路梁体、悬浮导向轨道及线圈、牵引定子及线圈、道岔、隧道、车站、变电所等，对其监控分为技术状态、物理状态和空间几何状态等3 个方面。

（1）技术状态监控。主要是对桥梁/线路梁体、车站雨棚天桥的挠度、振动频率等技术指标进行监控，看其是否有异常或超限情况发生。

（2）物理状态监控。主要是对桥梁/线路梁体、轨道、定子、线圈、隧道衬砌、雨棚天桥、站台等伤损情况进行监控，如构筑物裂纹、空鼓、残缺、坍塌等物理损伤。

（3）空间几何状态监控。主要是对桥梁/线路梁体、雨棚天桥的沉降或姿态异常，以及轨道线路不平顺、道岔不平顺、道岔平移不到位、站台超限等空间几何异常问题进行监控。

3.2.2 列车运行监控

列车运行主要涉及车辆、控制、通信、网信等方面。

（1）列车技术状态监控。主要监控车体及关键部件伤损、车辆电气设备及电气控制故障（网络控制、空调、车门等）、列车供电故障等情况。

（2）列车运动状态监控。主要监控车体失稳（蛇形、振荡、晃车等）、车体砸轨、悬浮间隙持续超限等情况。

（3）列车运行状态监控。主要监控丢车、冒进、速度异常、制动异常、异常停车等情况，此功能主要由中央控制系统实现，也需要利用多源信息进行辅助监控。

（4）控制系统技术状态监控。主要包括运行控制系统、牵引控制系统、供电系统本身的故障监控，主要由中央控制系统实现。

（5）通信系统技术状态监控。主要是地面及车地通信系统故障监控，如通信时延异常、基站故障、越区切换故障等情况。

（6）网络信息（简称：网信）系统技术状态监控。主要包括网络安全、信息系统运行情况、数据安全等方面实时监控。

3.2.3 作业监控

作业状态监控的对象是工作人员，包括违规上线、违规操作、操作失误等。违规上线方面主要是结合作业计划、作业状态等监控人员上线作业情况；操作方面主要是监控作业过程并通过结果反馈。作业状态监控主要涉及车站及车上客运作业、线路运营维护（简称：运维）等内容。

3.2.4 环境监控

环境状态监控主要是对气象状态、地质灾害、异物侵限、火灾的监控。气象方面主要包括强风、强降水、积雪、结冰、雷电等场景，需要进行实时监控；地灾方面主要包括地震、沉降、滑坡及泥石流、危岩落石等场景，需要进行实时监控，也需要持续检测监测；异物侵限方面主要包括旅客违规侵限、区间周界入侵、线路异物等场景，需要实时监控；火灾主要是列车、车站内火情的实时监控。

3.3 关键技术

常导高速磁悬浮运行安全监控技术体系庞大，从数据逻辑的角度，关键技术主要包括前端产生数据的检测监测技术、系统端处理数据的数据融合技术和应用端运用数据的大数据分析技术。

3.3.1 检测监测技术

检测监测技术是利用声、光、电、热、磁等基本物理手段测量监控对象物理状态的技术，获取的数据是最为原始的数据。按照前述状态分类，基础设施检测监测方面主要采用图像识别、超声检测、激光测量、三维激光扫描、形变雷达测量、卫星定位及测量等技术；列车运行方面除了车体需要通过图像、超声等技术进行检测外，其余均可通过列车系统自身功能进行监控，列车运动状态、运行状态可采用独立的惯性测量技术、卫星定位技术等进行辅助监控；作业方面主要采用视频监控、卫星定位等技术融合相关管理信息实现监控；环境方面，主要是基于各类传感器的物联网监控技术，同时融合视频监控、雷达、激光、卫星测量等技术。不同监控指标需要适配应用不同技术，同时在基础设施、环境等存在共性场景的方面可以充分参考高铁相关技术和系统。具体归纳如表1 所示。

表1 高速磁悬浮运行安全监控涉及的主要检测监测技术

3.3.2 数据融合技术

数据融合技术是指在一定规则和程序下对多源数据加以自动融合分析，使信息更加可靠和可信，以完成决策和评估任务而进行的信息处理技术。其实现基础是运行系统具有时空一致性保障和语义一致性保障，以确保多源数据能够在同一时空标尺和特征描述规则下融合关联，为下一步数据的共享、分析和挖掘建立基础。数据融合是分层级、分维度的，不同层级和维度所采用的数据融合技术不同。对于整个高速磁悬浮运行安全监控而言，数据层级自下而上可分为功能单元（传感器）层、功能系统层、管理系统层和综合应用层。

（1）功能单元（传感器）层的数据融合主要是对各个检测监测传感器所采集的原始数据进行融合处理，如列车测速定位单元多个定位传感器数据的融合、列车振动监测单元多个振动传感器数据的融合等，主要目的是更好地控制测量误差，更真实地反映监控对象的实际物理状态，能够最大程度地保持数据的完整性。卡尔曼滤波、最小二乘法等算法是这一层级数据融合处理的常用方法。

（2）功能系统层的数据融合主要是特征级融合，即根据数据关联特征，从多源传感器数据中提取部分有代表性的数据，进一步融合形成特征数据。这一层的数据融合在目标检测方面应用较多，如激光雷达数据和毫米波雷达数据的融合，用于异物侵限检测、线路基础设施病害检测等方面。深度学习、神经网络等方法是这一层级数据融合处理的常用方法。

（3）管理系统层主要是决策级融合，即每类传感器先独自完成原始数据融合和特征级融合，得到具有特征的初步结果，再由系统进行融合判决得出综合结果。决策级融合是可信度判决和概率判决，用于列车运行控制、运行环境状态监测等方面。贝叶斯估计、D-S 证据推理等方法是这一层级数据融合处理的常用方法。

（4）综合应用层，基于各个应用局部决策，进行包括事件数据在内的多源异构数据跨应用全局融合，实现管理层面的综合决策；基于大数据分析，利用专家系统、知识模型等实现全局数据融合。

3.3.3 大数据分析技术

运行安全监控大数据分析技术是指在数据融合的基础上，对整个数据集进行不同安全维度和安全特征角度的分析挖掘，发现数据规律，提取数据特征，反馈给相关应用系统，辅助人或系统对安全问题进行研判决策。

（1）时空维度。分析各层级数据的时空分布特征和时空关联特征，以及结合业务特征和业务逻辑后的时–空–频域特征，如可通过列车时空–速度实时数据与历史数据的比对分析列车运行状态是否正常等。

（2）特征维度。结合安全风险指标和状态指标构建安全特征模型，实现风险辨识与评估。如结合实时气象信息、线路环境风险历史数据和线路状态数据，辨识评估当前线路风险。

（3）逻辑维度。根据业务逻辑和数据逻辑构建数据信任模型，实现数据风险评估，通过数据异常分析保障业务安全、数据真实可信，如可通过列车运行数据、人员位置数据和运维计划数据保障线上天窗运维人员安全，出现数据逻辑不一致则可能出现现场作业风险或数据安全风险。

4 结束语

本文阐述了常导高速磁悬浮运行安全监控的总体方案。分析常导高速磁悬浮运行安全特点，构建运行安全监控逻辑框架，提出应采用综合监控模式，在中央控制系统之上构建运行安全综合监控系统，面向风险进行安全数据综合分析，实现常导高速磁悬浮运行安全的全面监控，可为高速磁悬浮安全理论研究和实际安全监控系统构建提供参考。后续将开展具体检测技术和综合监控系统构建的研究。