科技日?qǐng)?bào)記者 張佳星

時(shí)隔17年，鐵路人對(duì)2008年春運(yùn)期間南方鐵路網(wǎng)的癱瘓仍記憶猶新。隨著極端天氣多發(fā)，如何破除覆冰，保障“開(kāi)往春天”的高鐵暢通無(wú)阻，成為業(yè)界關(guān)注的話題。

5月22日至23日，香山科學(xué)會(huì)議召開(kāi)“高速鐵路大氣覆冰致災(zāi)成因與防護(hù)”學(xué)術(shù)研討會(huì)，中國(guó)工程院院士、鐵道工程專家何華武在會(huì)上強(qiáng)調(diào)，中國(guó)高速鐵路通車總里程已達(dá)4.8萬(wàn)公里，開(kāi)展覆冰成因、檢測(cè)、預(yù)防、清除等問(wèn)題的研究，將冰雪致災(zāi)幾率降至最低、已刻不容緩。

“當(dāng)前鐵路除冰仍以人工為主，一些地區(qū)嘗試無(wú)人機(jī)除冰，但效果不佳?！蔽髂辖煌ù髮W(xué)教授吳廣寧說(shuō)，在極端覆冰的天氣條件下，作業(yè)中的除冰工人甚至也會(huì)被覆冰。因此，從根本上解決高鐵覆冰問(wèn)題，亟須開(kāi)展跨學(xué)科協(xié)作，對(duì)牽引供電、大氣物理、人工智能、材料科學(xué)等多領(lǐng)域進(jìn)行深入研究。

覆冰類型多樣，機(jī)制摸不透

時(shí)速300多公里的高鐵列車呼嘯而過(guò)，接觸網(wǎng)上的電能經(jīng)受電弓平穩(wěn)地供給列車。受電弓是電力機(jī)車的“生命線”，通過(guò)滑板與接觸網(wǎng)接觸獲取電能，驅(qū)動(dòng)列車。

“除了車身、軌道覆冰會(huì)影響車輛運(yùn)行受力，高鐵接觸網(wǎng)上的覆冰狀態(tài)復(fù)雜、類型多樣，是當(dāng)前動(dòng)車降速、停運(yùn)的主要原因?！眳菑V寧解釋，一方面冰層不導(dǎo)電，會(huì)阻止電能傳遞；另一方面接觸網(wǎng)表面的不規(guī)則覆冰，會(huì)阻礙受電弓滑動(dòng)，可能使其受沖擊斷裂，甚至燒斷接觸網(wǎng)。

此外，接觸網(wǎng)建設(shè)時(shí)被施加了巨大的張力處于平直狀態(tài)，覆冰后接觸網(wǎng)會(huì)變形下垂，帶來(lái)接觸網(wǎng)“舞動(dòng)”。吳廣寧解釋說(shuō)，“舞動(dòng)”影響接觸網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)弓網(wǎng)故障，甚至造成斷線跳閘、中斷行車。目前，其誘發(fā)機(jī)理和影響規(guī)律尚不明晰。

“2024年初，華北、華中地區(qū)遭遇兩輪大面積低溫雨雪災(zāi)害，多條高鐵接觸網(wǎng)出現(xiàn)覆冰舞動(dòng)?！闭蔡煊涌茖W(xué)技術(shù)發(fā)展基金會(huì)教授級(jí)高級(jí)工程師王保國(guó)表示，研究團(tuán)隊(duì)分析了31條電氣化鐵路近十年覆冰舞動(dòng)的案例發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)口及平原地區(qū)，當(dāng)氣溫處于-5℃—0℃、濕度超85%、風(fēng)速為5—15m/s，且風(fēng)向與線路夾角大于45°時(shí)，覆冰舞動(dòng)更易發(fā)生。

“舞動(dòng)”只是高鐵接觸網(wǎng)覆冰出現(xiàn)的特殊現(xiàn)象之一?！拔覈?guó)幅員遼闊、氣候環(huán)境復(fù)雜，高鐵接觸網(wǎng)覆冰呈現(xiàn)顯著地域差異。”中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院電工研究所研究員王秋良表示，以華中地區(qū)為例，南下的西伯利亞寒流與北上的東南暖濕氣流在此交匯，易造成雨凇覆冰，其密度是雪凇的8倍，黏附強(qiáng)度是雪凇的20倍。

建檔+仿真，從“被動(dòng)抗冰”到“主動(dòng)防御”

覆冰造成的影響因地而異，除冰應(yīng)對(duì)舉措也需因地制宜。中國(guó)工程院院士、電網(wǎng)工程專家李立浧建議，每條高速鐵路的固定路徑都有規(guī)律性的氣象和地形特點(diǎn)，如果給每條線路構(gòu)建“檔案”，設(shè)置應(yīng)急處理方案，給出“一線一策”的應(yīng)對(duì)策略，將更有利于實(shí)現(xiàn)從“被動(dòng)抗冰”到“主動(dòng)防御”的轉(zhuǎn)變。

“二十年來(lái)，電力系統(tǒng)通過(guò)智能傳感器與微氣象監(jiān)測(cè)積累了電網(wǎng)自然覆冰的數(shù)據(jù)集。”華南理工大學(xué)教授郝艷捧介紹，借助大數(shù)據(jù)分析與人工智能技術(shù)等技術(shù)，電網(wǎng)覆冰感知過(guò)程已實(shí)現(xiàn)智能化，可助力高鐵線路建立覆冰“檔案”。

除了輸電領(lǐng)域，風(fēng)機(jī)葉片、航空航天等領(lǐng)域?qū)Ω脖O(jiān)測(cè)技術(shù)的研究和應(yīng)用，均可為高速鐵路覆冰防護(hù)提供參考。

談及接觸網(wǎng)復(fù)雜狀態(tài)的精確監(jiān)測(cè)，吳廣寧表示，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生有望對(duì)接觸網(wǎng)覆冰前后的力學(xué)結(jié)構(gòu)、工況等真實(shí)特性進(jìn)行全尺寸“仿真”。

“可采用超聲、機(jī)器視覺(jué)、高頻激光等方法開(kāi)展信息采集和試驗(yàn)研究，仿真再現(xiàn)接觸網(wǎng)覆冰過(guò)程，并建立實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的覆冰監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理、評(píng)估預(yù)警與運(yùn)行調(diào)控體系?！眳菑V寧說(shuō)，通過(guò)快速預(yù)警與智能決策，有望在覆冰出現(xiàn)前阻斷其形成，防患于未然。

（香山科學(xué)會(huì)議辦公室供圖）