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京雄城际铁路背后的科技力量

发布时间:2020-12-28 16:18 来源:中国科学报

  12月27日,经过两年多建设的北京至雄安新区城际铁路(以下简称京雄城际)将全线通车,雄安站同步投入使用。
  据悉,从北京西站到雄安站区间最快只需要50分钟,大兴机场至雄安新区间最快19分钟可达。获悉此消息,北京交通大学参与智能京雄项目的科研团队无比欣慰与振奋,因为他们在背后用科技与智慧为京雄城际铁路的顺利通车贡献了一份力。
  雄安车站的智慧供能
  绿色低碳、安全高效、智慧友好。这是在能源互联网的大背景下,雄安站综合能源系统适应未来发展的需求,也是北京交通大学电气工程学院党委书记、教授和敬涵团队接到的一项任务。
  自2018年立项以来,和敬涵团队曾先后多次到雄安以及施工现场进行调研,了解当地的资源禀赋、能源概况,希望为雄安站量身打造具有能源互济特点的综合能源系统供能规划方案。
  车站站房内不同能源有哪些需求特性?各种供能方式有哪些劣势?如何在保证供能可靠的基础上提升经济性与节能性?……带着这些问题,和敬涵团队通过已有的实验仿真平台,反复模拟车站各种用能需求和建筑参数,利用不同能源之间的互补特性,实现冷-热-电多能联合优化,有效降低了系统的全生命周期成本。
  在项目执行过程中,和敬涵团队遇到的最大困难是如何将研究内容、科研成果与现场的工程实际相结合。她告诉《中国科学报》:“我们与相关单位的团队多次开展交流讨论,并结合实际情况找到了最优的解决方案,从而使得雄安站供能系统满足智能车站的各种需求。”
  和敬涵表示,虽然智能京雄项目已经完成,但是还有很多研究需要在已有的工作基础上进一步深化与完善,这个项目也将为后续的智能客运站规划建设与运行优化提供一个借鉴或参考意见。
  无线网络的准确高效
  京雄城际铁路区别于其他铁路最大的特点就是按照智能高铁的要求,在建设过程中启用了很多以往铁路建设并未尝试的新技术。北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室教授官科就是其中一项新技术的负责人。
  京雄城际铁路的始发站靠近北京西站,为特大型铁路枢纽,线路走向与京沪、京九铁路存在三条铁路交叉并线区段,无线网络规划极其复杂,频率资源非常紧张。官科告诉《中国科学报》:“一旦信号串线,将给高铁运营造成极大的安全隐患,而三条铁路相关三维电子地图信息并没有全部掌握。”
  2019年6月,官科团队带着自主研发的通信技术加入京雄城际铁路的智能网优项目。由于对网优方案实施效果进行现场测试只能在位于凌晨的高铁“天窗点”,因此项目组经常需要半夜在尚未开通的高铁现场进行无线信号测量。为了保证射线跟踪仿真结果的准确性,官科团队曾多次到现场进行勘测,并构建了京雄、京沪、京九“三条铁路交叉并线区段”的三维场景模型重建。
  他介绍道:“在项目执行过程中,我们与中铁建和六捷科技有限公司开展合作,成功准确预测了并线区段的电波传播特性,将抽象的电波传播等效为直观的射线,预测精度高,展示性强,改变了过去依靠人工调试的无线网络优化范式。”
  历时3个月,京雄城际铁路(北京段)的联调联试工作从计划的27天缩短至了5天,这背后就有官科团队的付出。官科至今还记得,2019年8月2日凌晨一点,瓢泼暴雨从天而降,为了不耽误工期,自己的两位研究生仇豪和夏子杰和六捷科技有限公司的同事一起,将几十斤重的测量设备搬上测试列车执行任务。
  “我们利用自主研发的高性能射线跟踪仿真技术,实现了高精度的铁路场景无线覆盖预测,提升了无线网络优化的效率和质量。”官科表示,这套技术还将替代测试车辆及人工调试,实现“准确高效,一键完成”的高铁智能网络优化,为智能高铁及全国铁路网规网优智能化、常态化提供可靠的解决方案。
  铁路轨道的平顺安全
  路基、桥梁和隧道作为铁路轨道的基础支撑结构,一旦变形将直接影响到上部无砟轨道结构的平顺性。京雄城际铁路在修建过程中面临着沿线水文地质复杂,区域地面变形明显的问题。
  北京交通大学土木建筑工程学院教授沈宇鹏团队此前参与了新建崇礼铁路水土保持监测和地下水抽取过程周边水压动态响应规律,青藏铁路多年冻土区防排水设施技术研究等项目,有着丰富的经验,团队于2018年7月加入京雄城际铁路项目全生命周期形位监控关键技术的攻关。
  地下水位下降的主要驱动因素是什么?又将造成什么危害呢?为此,沈宇鹏团队先后调研并收集了京雄城际铁路沿线资料,结合当地的气候条件和人为因素,建立三维水文地质动态等模型,预测了沿线水位如何降低诱发区域沉降变形,并提出沉降预警值及抽降水阈值,实现智能管控的效果。
  沈宇鹏团队也遇到过解决不了的难题,比如如何将地下水动力学、流固耦合理论应用到三维数值仿真方面,如何从路基变形数据中提取分析相应规律……“很感谢北京交通大学土木建筑工程学院教授王连俊和白明洲团队给予我们的帮助,并在全体成员的共同配合下,我们顺利完成项目各项工作任务。”
  团队的研究工作持续到2020年10月,历时28个月。在此过程中,沈宇鹏发现,团队开发的这套智能管控系统不仅可节省大量的人力物力,主动补偿措施还能够节省后期大量的养护维修成本,保障京雄城际铁路通车后轨道结构的平顺性及列车运行安全性,也希望能进一步推广应用。

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