科技日報記者 張佳星

時隔17年，鐵路人對2008年春運期間南方鐵路網(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“開往春天”的高鐵暢通無阻，成為業(yè)界關(guān)注的話題。

5月22日至23日，香山科學會議召開“高速鐵路大氣覆冰致災成因與防護”學術(shù)研討會，中國工程院院士、鐵道工程專家何華武在會上強調(diào)，中國高速鐵路通車總里程已達4.8萬公里，開展覆冰成因、檢測、預防、清除等問題的研究，將冰雪致災幾率降至最低、已刻不容緩。

“當前鐵路除冰仍以人工為主，一些地區(qū)嘗試無人機除冰，但效果不佳。”西南交通大學教授吳廣寧說，在極端覆冰的天氣條件下，作業(yè)中的除冰工人甚至也會被覆冰。因此，從根本上解決高鐵覆冰問題，亟須開展跨學科協(xié)作，對牽引供電、大氣物理、人工智能、材料科學等多領(lǐng)域進行深入研究。

覆冰類型多樣，機制摸不透

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

“除了車身、軌道覆冰會影響車輛運行受力，高鐵接觸網(wǎng)上的覆冰狀態(tài)復雜、類型多樣，是當前動車降速、停運的主要原因。”吳廣寧解釋，一方面冰層不導電，會阻止電能傳遞；另一方面接觸網(wǎng)表面的不規(guī)則覆冰，會阻礙受電弓滑動，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)時被施加了巨大的張力處于平直狀態(tài)，覆冰后接觸網(wǎng)會變形下垂，帶來接觸網(wǎng)“舞動”。吳廣寧解釋說，“舞動”影響接觸網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性，嚴重時會引發(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害，多條高鐵接觸網(wǎng)出現(xiàn)覆冰舞動。”詹天佑科學技術(shù)發(fā)展基金會教授級高級工程師王保國表示，研究團隊分析了31條電氣化鐵路近十年覆冰舞動的案例發(fā)現(xiàn)，在風口及平原地區(qū)，當氣溫處于-5℃—0℃、濕度超85%、風速為5—15m/s，且風向與線路夾角大于45°時，覆冰舞動更易發(fā)生。

“舞動”只是高鐵接觸網(wǎng)覆冰出現(xiàn)的特殊現(xiàn)象之一。“我國幅員遼闊、氣候環(huán)境復雜，高鐵接觸網(wǎng)覆冰呈現(xiàn)顯著地域差異。”中國科學院院士、中國科學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，黏附強度是雪凇的20倍。

建檔+仿真，從“被動抗冰”到“主動防御”

覆冰造成的影響因地而異，除冰應對舉措也需因地制宜。中國工程院院士、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，如果給每條線路構(gòu)建“檔案”，設(shè)置應急處理方案，給出“一線一策”的應對策略，將更有利于實現(xiàn)從“被動抗冰”到“主動防御”的轉(zhuǎn)變。

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

除了輸電領(lǐng)域，風機葉片、航空航天等領(lǐng)域?qū)Ω脖O(jiān)測技術(shù)的研究和應用，均可為高速鐵路覆冰防護提供參考。

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

“可采用超聲、機器視覺、高頻激光等方法開展信息采集和試驗研究，仿真再現(xiàn)接觸網(wǎng)覆冰過程，并建立實時動態(tài)的覆冰監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理、評估預警與運行調(diào)控體系。”吳廣寧說，通過快速預警與智能決策，有望在覆冰出現(xiàn)前阻斷其形成，防患于未然。

（香山科學會議辦公室供圖）