0 引言
雅万高速铁路(哈利姆—德卡鲁尔)是“一带一路”倡议下印度尼西亚(以下简称“印尼”)与我国务实合作的标志性项目,也是我国高速铁路首次全系统、全要素、全产业链在海外落地的高速铁路项目
[1],对于充分发挥铁路在推进“一带一路”建设中的服务保障作用,深化我国与东南亚国家的铁路合作,实现“一带一路”沿线国家交通基础设施的互联互通,具有十分重要的意义
[1]。
联调联试作为高速铁路开通前的必要流程,是在工程建设完成后,开通运营前对整体系统相互匹配关系开展的一系列验证试验,为动态验收提供依据,从而保障高速铁路从工程建设到运营维护的顺利过渡。自2008年起,我国先后完成了京津(北京南—天津)、京广(北京西—广州南)、京沪(北京南—上海)等百余条(段)国内高速铁路联调联试任务,也承担了埃塞俄比亚亚吉铁路(瑟伯塔—吉布提多拉雷港)、肯尼亚蒙内铁路(蒙巴萨—内罗毕)及内马铁路(内罗毕—马拉巴)、中老铁路(昆明—万象)等海外铁路联调联试或动态检测任务,建立了比较完备的联调联试技术标准体系,依据及标准主要包括《高速铁路工程动态验收技术规范》(TB 10761—2013)、《中国国家铁路集团有限公司高速铁路联调联试及运行试验管理办法》(铁工管〔2021〕119号)、《高速铁路开通运营前的动态集成测试和运行试验》(UIC-IRS70001)等
[2]。遵循UIC-IRS70001标准,结合国内外高速铁路建设运营经验,雅万高速铁路开通前需要进行联调联试、动态检测及运行试验,通过对系统的测试、验证、调整和优化,为高速铁路的顺利开通运营提供科学依据和技术支撑
[3]。因此,需要分析我国高速铁路联调联试既有标准和技术在雅万高速铁路的适用性,提出适用于雅万高速铁路联调联试的技术方案。
1 项目概况
雅万高速铁路位于爪哇岛西部,线路起自印尼首都雅加达,终到西爪哇省省会万隆,远期作为雅加达至泗水高速铁路的一部分。线路正线全长142.3 km,全线新建车站4座,分别为哈利姆站(Halim)、卡拉旺站(Karawang)、帕达拉朗站(Padalarang)、德卡鲁尔站(Tegal Luar)。哈利姆站、德卡鲁尔站为始发终到站,卡拉旺站、帕达拉朗站为中间站。本线新建德卡鲁尔动车所,新建德卡鲁尔动走A线衔接动车所及德卡鲁尔站,动车所内设置5条存车线。雅万高速铁路采用我国高速铁路技术标准建设,为双线高速铁路,右侧行车,德卡鲁尔至哈利姆方向定义为上行,哈利姆至德卡鲁尔方向定义为下行,正线设计速度为350 km/h,线间距为5.0 m,最小曲线半径一般地段为7 000 m,困难地段为5 500 m,最大坡度为30 ‰,到发线有效长度为650 m。牵引供电系统采用AT供电方式,正线接触网采用全补偿弹性链形悬挂。通信系统采用GSM-R无线通信系统,正线采用单网交织冗余覆盖方案。列控系统有CTCS-2和CTCS-3等不同类型,雅万高速铁路信号系统采用CTCS-3列控系统,行车指挥方式为调度集中(CTC)。各区段速度如
表1所示。
2 雅万高速铁路联调联试特点分析
我国高速铁路联调联试技术体系和标准经过4.45万km高速铁路的实践检验,雅万高速铁路采用我国高速铁路标准进行验收评价时,还应充分考虑与雅万高速铁路工程情况、技术特点以及印尼法律法规的适应性,全面分析现场联调联试实施的技术难点。
2.1 标准适用性分析
我国高速铁路联调联试要求对轨道、路基、桥梁、隧道、电力牵引供电、通信系统、信号系统、客运服务系统、综合接地、振动噪声与电磁环境、灾害监测、声屏障等系统进行测试,测试标准包含测试内容、测试方法、测点选取、标准限值等
[4-5]。在标准适应性上,雅万高速铁路需要考虑以下问题。
(1)雅万高速铁路为印尼第一条高速铁路,且印尼并无高速铁路轨道、路基、桥梁、隧道、通信系统、信号系统、客运服务系统、综合接地、灾害监测系统相关验收标准,因采用我国高速铁路技术标准建设,验收标准宜按照我国高速铁路技术标准进行评价。
(2)轨道、路基、桥梁、隧道专业地面测试结果与测试列车运行速度相关,考虑到雅万高速铁路全线速度阶梯分布,变速点较多,选取地面测点时需提前研究前后区段限速及列车达速问题。同时,全线无砟轨道、有砟轨道均有分布,因此在轨道、路基专业选点时也需覆盖代表性工程。
(3)电力牵引供电涉及外部用电,印尼用电标准与我国并不一致,因此在供变电运行参数评价上需要考虑印尼当地法规和雅万高速铁路购电协议。
(4)印尼虽然没有针对铁路的噪声标准,但有针对不同建筑物对噪声限值的全国性噪声标准,因此需要分析我国振动噪声标准在雅万高速铁路的适应性。
2.2 联调联试技术难点
2.2.1 逐级提速
逐级提速包含单列动车组逐级提速及重联动车组逐级提速。单列动车组逐级提速为采用综合检测列车以高于检测列车最高检测速度等级进行提速,速度级差10 km/h、20 km/h,最高达到线路允许速度的110%
[6-7]。雅万高速铁路在单列动车组逐级提速阶段,最高试验速度将会达到385 km/h。在逐级提速过程中,主要存在以下难点。
(1)试验列车上线条件缺乏有效确认。我国高速铁路联调联试期间,按照《中国国家铁路集团有限公司高速铁路联调联试及运行试验管理办法》(铁工管〔2021〕119号)规定,联调联试相关设备接管后,试验动车组上线试验前,应组织开行检测列车,进行160 km/h动态检测,对试验动车组上线条件进行安全确认。雅万高速铁路并没有配置检测列车,无法为综合检测列车进行每日上线前轨道、接触网160 km/h速度级确认,因此,需要考虑综合检测列车安全确认问题。
(2)有效试验时间受地理位置影响较大。雅万高速铁路地理位置处于赤道附近,受太阳直射角度影响,昼夜交替较快,基本在15 min以内完成白昼交替。在这样的环境下,每日确认车如果开行太早,目视情况不好,不容易发现线路存在异物等问题;另一方面,测试列车一旦晚点,无法在天黑前完成试验,在隔离模式下行车也可能存在安全风险。因此,在逐级提速过程中,需要让列车在规定时间内完成测试,保证列车运行安全。
(3)各类试验存在交叉干扰。由于雅万高速铁路是印尼首条高速铁路,采购的动车组到达印尼后还需进行动车组专项测试、信号动态调试、信号集成商测试等专项试验任务。这些试验任务需要在线路满足允许速度运行条件的情况下,再采用运营动车组进行测试,可以说雅万高速铁路联调联试既是“车试线”,也是“线试车”。一方面,只有当综合检测列车完成350 km/h速度级测试,满足线路允许速度下开行动车组列车的条件后,才能采用运营动车组上线进行专项测试;另一方面,联调联试的信号试验、重联动车组试验、地震预警监测系统试验等均需要采用运营动车组进行测试,完成专项试验才能满足信号、重联、地震系统试验用车需求。因此,在有限的联调联试时间内,需要制定科学合理的方案才能高效地完成逐级提速及各项专项试验。
2.2.2 信号系统测试
信号系统测试是采用运营动车组对信号系统功能、信号显示、系统接口等进行测试。雅万高速铁路采用了我国自主化CTCS-3级列车运行控制系统,在信号系统测试场景选择制定上应充分掌握自主化列车自动防护子系统(Automatic Train Protection,ATP)车载设备的功能特点,针对性地制定设计现场可实施的测试场景。
2.2.3 计划管理
雅万高速铁路联调联试计划管理是实现联调联试全过程管理的重要内容。为了确保过程中各项测试任务均能在既定时间节点内完成,需要通过计划管理掌握各项任务进度及安排
[8]。此外,由于雅万高速铁路采用EPC总承包模式建设,联调联试涉及的建设单位、监理单位、总承包商、运用筹备机构、检测机构等单位及人员众多,高效的试验计划也是控制项目成本的重要手段。
3 技术方案研究
3.1 标准选取技术方案
对我国联调联试标准适应性可分为2部分考虑:一是对采用我国高速铁路技术标准限值评价的轨道、路基等系统,在联调联试测点选取上进行适应性分析;二是对供变电运行参数及振动噪声专业,对标准限值进行适应性分析。其余专业均适用我国高速铁路联调联试标准。
3.1.1 测点选取
(1)轨道。雅万高速铁路设计时速350 km的区段及长度1 km以上的隧道采用无砟轨道;设计时速250 km及以下的区段及地震活动断裂带、软土层等地段,采用有砟轨道。轨道类型分布情况如
表2所示。
从
表2可以看出雅万高速铁路有砟轨道、无砟轨道交叉分布,按照《高速铁路工程动态验收技术规范》(TB 10761—2013)对轨道结构动力性能测点选取原则的规定,需要选取不同线下基础的典型轨道结构进行测试,因此雅万高速铁路工程有砟轨道、无砟轨道、有砟无砟过渡段的轨道结构动力性能均需纳入轨道联调联试测试范围。同时,从
表1各区段速度表可以看出,K5.0—K12.3、K108.1—K139.1设计速度为200 km/h,K12.3—K16.4、K95.9—K108.1设计速度为250 km/h,若在上述区段选择有砟轨道地面测点,考虑到测试列车在不同速度区段加减速牵引制动距离及速度评价,选取地面测点时需提前进行牵引计算,确保所选测点处可达设计速度。
(2)道岔。卡拉旺站站场示意图如
图1所示,其中1号、2号、3号、4号道岔为正线道岔,根据
表1各区段速度表及雅万高速铁路牵引计算,上述道岔直向具备达速350 km/h的条件。开通运营后,正常运行列车均按正向行驶,2号道岔尖轨进岔方向为上行线正向,4号道岔尖轨进岔方向为下行线正向,后期运营列车将会长期以350 km/h的速度通过2号、4号道岔尖轨直向进岔,因此联调联试时,可选取上述两组道岔进行道岔动力性能测试,并重点考虑2号、4号道岔性能是否满足长期运营的问题。
(3)路基。雅万高速铁路沿线降水量大,为保证路面排水,无砟轨道底座板范围内路基面水平设置,底座板外侧路基面两侧设置不小于5%的横向排水坡。按照《高速铁路工程动态验收技术规范》(TB 10761—2013),需要选择典型结构及特殊地质条件的路基及过渡段等,因此雅万高速铁路工程有砟轨道路基、无砟轨道路基、路桥过渡段、路涵过渡段及特殊地质条件段的路基动力性能等均需要考虑纳入轨道联调联试测试范围。
3.1.2 标准限值
(1)噪声。印尼1996年颁布的第48号“《关于噪声等级标准》的环境部部长决议书”为印尼唯一与噪声相关的强制性标准
[9],该标准仅针对不同建筑物的使用功能对噪声限值和测试方法进行了规定,印尼噪声限值规定如
表3所示。
首先,该标准仅针对建筑物的使用功能进行了划分,但未规定铁路两侧声环境功能区的具体边界位置,因此无法作为雅万高速铁路噪声测试限值的依据;其次,该标准并无针对速度级的要求,无法体现不同速度级下噪声的评价指标;同时,该标准要求在24 h(早晚)随机选择时间进行测试,即白天的16 h(测量时间范围为6:00—22:00)和晚上的8 h(测量时间范围为22:00—次日6:00)随机选取至少3个时间段进行测试,对高速铁路而言,噪声不应由于时间段的不同而产生不同测试值,因此该测试方法并不适用于雅万高速铁路。印尼对噪声数据处理方法是普通环境噪声的监测和处理方法,应用于高速列车短时高声级通过情形下的高速铁路噪声监测和评估缺乏合理性和科学性。
我国现行的铁路噪声相关标准主要包括3个方面:①铁路列车运行辐射噪声标准,用于评估铁路工程质量。包括《声学轨道机车车辆发射噪声测量》(GB/T 5111—2011)、《声学环境噪声的描述、测量与评价 第一部分:基本参量与评价方法》(GB/T 3222.1—2022)、《声学环境噪声的描述、测量与评价 第二部分:声压级测定》(GB/T 3222.2—2022)、《高速铁路工程动态验收技术规范》(TB 10761—2013)及《高速铁路联调联试及运行试验技术规范》(Q/CR 472—2015),上述标准规定了列车运行辐射噪声的测试、分析和评估的标准限值、测试方法、数据处理方法,主要用于评估列车运行辐射噪声是否符合规定。②铁路噪声排放标准,用于评估铁路运行的噪声贡献。《铁路边界噪声限值及其测量方法》(GB 12525—90)规定了新建铁路边界噪声执行昼间70 dB(A)、夜间60 dB(A)。③声环境质量标准,用于评估铁路沿线的噪声是否达标。《声环境质量标准》(GB 3096—2008)规定新建铁路干线两侧区域执行4b类声环境功能区环境噪声限值,即昼间等效声级限值为70 dB(A)、夜间等效声级限值为60 dB(A)。可以看出,我国现行铁路噪声标准比较全面地覆盖了噪声测试标准,且明确规定了标准限值、测试方法及数据处理方法。因此,可采用我国高速铁路动态验收标准对雅万高速铁路噪声进行评价。
(2)振动。印尼于1996年颁布的第49号“《关于振动等级标准》的环境部部长决议书”为印尼唯一与振动相关的强制性标准,该标准仅规定了振动对人的舒适度影响限值如
表4所示,评价量为振动位移,但未规定铁路两侧振动评价的准确边界。
我国铁路振动标准执行《城市区域环境振动标准》(GB 10070—88),采用的评价量为铅垂向振动加速度的Z振级,针对铁路规定的振动限值为距外侧轨道中心线30 m以外区域铅垂向计权Z振级昼、夜间均不超过80 dB;《城市区域环境振动标准》的配套测量标准为《城市区域环境振动测量方法》(GB 10071—88),系按照ISO 2631的有关规定制订,基准加速度取10-6 m/s2,测量点位在铁路边界位置,测试方法和评价依据较为系统和完整。因此,可采用我国高速铁路动态验收标准对雅万高速铁路振动进行评价。
(3)供变电运行参数。高速铁路供变电运行参数中功率因素、电压偏差及母线电压不平衡度是对用电、供电双方的考核,直接受用电、供电双方在当地电力标准的影响。其中,功率因数是对用电方的考核,电压偏差及母线电压不平衡度是对外电源电能质量的考核,评判标准数值来源于国家标准,我国《高速铁路工程动态验收技术规范》(TB 10761—2013)中供变电运行参数的标准限值直接引用了国家标准。雅万高速铁路建设完成后,根据与当地供电方签订的购电协议
[10],功率因素、电压偏差及母线电压不平衡度均与国内标准不同。因此,鉴于该3项指标主要受当地供电方影响,可将供变电运行参数标准限值进行调整:功率因素限值0.9调整为0.85,电压偏差限值10%调整为15%,母线电压不平衡度限值低于2%,短时不超过4%调整为低于1%,短时值不超过2%,以此与印尼标准相适应。
3.2 联调联试实施技术方案
由于雅万高速铁路所处环境、设施设备、站场布置等与我国高速铁路存在差异,雅万高速铁路联调联试过程中将会面临无检测列车确认、试验计划交叉等新的问题,应在我国既有联调联试技术手段基础上开展关键技术分析研究。
3.2.1 逐级提速
针对以上逐级提速的技术难点问题,可采取以下措施。
(1)综合检测列车“预检测”。针对无轨道检测车及供电检测车的情况,可采取“预检测”的方式,即在单机确认后,由综合检测列车充当检测列车,以80~120 km/h的速度进行低速检测,确认数据正常后,再开展高速度级逐级提速。此方案一是解决了180 km/h及以上更高速提速的条件确认问题,为后续提速提供条件,二是减少了采购检测列车的费用投入,节省投资。但在雅万高速铁路逐级提速期间也存在异物击打受电弓和异物进网击打车体的风险。现场只有1列综合检测列车,一旦产生无法修复的损伤,将会影响联调联试整体进展。
(2)严格控制试验时间,试验计划只减不增。按照当地日落情况,确定每日提速测试必须在18:00以前完成,降低夜间提速的安全风险。在提速前重点对轨道几何、动车组动力学、接触网几何、弓网受流等专业进行签字确认,确保测试指标符合条件后再进行提速。同时,制定限速表,对出现的临时限速区段、限速电报等进行记录。一旦出现晚点等情况,可适当减少当日试验序列,确保18:00日落以前车辆回送。
(3)并行开展相关试验。面对动车组专项试验、11列动车组动态调试、信号集成商测试等,可采取综合检测列车与其他测试列车分线运行的方式,即综合检测列车先集中完成一行线逐级提速至350 km/h速度级后,该行线即可供其他试验列车开展专项试验,综合检测列车在另一行线并行开展逐级提速,保障上述试验与联调联试任务同步进行。在并行计划中,在高速试验阶段(350 km/h以上)需要避免进行列车交会,避免影响空气动力学测试指标,同时,应避免安排切割站场咽喉的试验序列,确保两线均可开展试验。
3.2.2 信号系统试验
以“无线超时后恢复”场景为例,国产化ATP车载设备在列车以CTCS-3等级完全监控模式运行过程中无线超时后,CTCS-3主控单元将启动降级至CTCS-2级的降级处理并输出最大常用制动命令
[11],主控单元判断列车速度降至CTCS-2允许速度以下且司机确认等级转换后,才会命令CTCS-2主控单元进入前台工作状态。在这个过程中,如果ATP与无线闭塞中心(Radio Block Center,RBC)恢复通信,在司机不确认进入CTCS-2等级的情况下,列车可以恢复CTCS-3等级运行。而自主化ATP车载设备在列车以CTCS-3等级完全监控模式运行过程中无线超时后,CTCS-3级向CTCS-2级的降级处理并输出最大常用制动命令,当列车制动10 s或速度低于160 km/h后,CTCS-3模块判断列车速度降至CTCS-2允许速度以下后,命令CTCS-2模块进入前台工作状态,无需司机确认,当列车转入CTCS-2等级后,即使ATP与RBC恢复通信,列车也不能恢复CTCS-3等级运行。在这种情况下,由于等级转换功能是自动的,因此对试验时机的要求更加苛刻,存在无法恢复的可能性。试验过程中,列车无线超时是通过关闭ATP与RBC连接的MT电台电源开关实现的,恢复采用打开MT电台电源开关的方式;因为MT电台注册且恢复与RBC通信的时间通常超过40 s,所以控制列车速度不低于CTCS-2等级的允许速度是试验的关键。
因此,采用装载自主化ATP设备的动车组作为检测用车进行信号系统联调联试,需要通过重新编排场景以实现测试内容。可以针对性地设计包括区间占用逻辑检查、邻线干扰、双车追踪、尽头站防护、调车防护、信号机故障等测试场景。同时,考虑海外高速铁路调度系统的首次落地,在既有对CTC测试场景的基础上,增加调度集中系统与RBC、列控中心、临时限速服务器3个系统的接口功能测试,确保对自主化列控系统的测试科学、全面。
3.2.3 试验计划管理
(1)计划编制。计划编制应根据雅万高速铁路工程的线路等级、线路长度、施工进度等合理安排试验大纲规定的测试内容
[12-13]。针对雅万高速铁路涉及的组织机构较多,试验计划形式应充分考虑现场计划的输出(使用)单位,可以采用总体计划、简要计划、日计划等成果形式。其中,总体计划需包含每日测试工作安排
[14-15],主要包括试验日期、列车类型及运行径路、测试内容(速度级、往返数、测试场景名称)等,可供主管部门以及运营单位、检测单位牵头部门掌握总体试验进度,目的主要是合理调配和利用各项试验资源,统筹协调全部参试单位和人员,保证关键节点目标按期完成;简要计划可只包含试验日期、测试内容、序列数即可,简单明了规定近期试验计划,可供运营单位、检测单位联调联试牵头组织部门使用,便于实时更新调整;日计划详细规定检测列车种类、测试区段、试验列车径路(里程)、试验速度级等,是次日试验的基本计划,日计划可供现场检测单位、运营单位、建设单位等共同参考,为次日试验充分准备。
(2)计划控制。在雅万高速铁路联调联试实施过程中,应随时关注试验执行情况和克缺难度,各项计划的调整必须以既定时间节点为目标,不应影响时间节点。雅万高速铁路联调联试现场可能存在突发恶劣天气、设备克缺、备品备件供给等诸多影响计划兑现的因素。可以通过以下措施做好计划控制:①每日统计日计划完成率,并上报主管部门。导致联调联试计划未完全兑现的因素主要分为作业人员因素、自然环境因素、社会因素、管理因素4类
[13]。除雨雪、地震等自然环境因素无法控制外,当由于作业人员因素、社会环境因素、管理因素等原因造成试验计划未完全兑现,通过每日兑现率的统计上报及原因分析,可以督促相关方解决问题,协调结合部矛盾,确保试验总体计划兑现。联调联试既是系统的试验,也是一个复杂的项目管理工程,尤其对海外高速铁路项目,可以适当地将监督管理职能上移,这样更能发挥上层协调作用,推动问题更快解决。②建立试验问题库。主要是依据每日检测测试结果,对各专业测试问题及销号情况进行跟踪,使联调联试现场指挥部及时掌握问题整改情况,为下一步联调联试工作推进提供决策依据。
4 结束语
通过分析我国高速铁路联调联试技术标准在雅万高速铁路的适用性,研究雅万高速铁路联调联试实施过程中将会面临的问题,提出了适用于雅万高速铁路联调联试技术标准及联调联试实施技术方案。2023年4月至7月,雅万高速铁路顺利完成了联调联试、动态检测及运行试验,进一步验证了我国高速铁路联调联试标准及技术方案的适用性,也为后续海外高速铁路动态验收工作提供了实践经验与技术支撑。
中国铁道科学研究院集团有限公司科研项目(2022YJ181)