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的癱瘓仍記憶猶新。隨著極端天氣多發，如何破除覆冰，保障“開往春天”的高鐵暢通無阻，成為業界關注的話題。

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”學術研討會，中國工程院院士、鐵道工程專家何華武在會上強調，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，亟須開展跨學科協作，對牽引供電、大氣物理、人工智能、材料科學等多領域進行深入研究。

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，接觸網上的電能經受電弓平穩地供給列車。受電弓是電力機車的“生命線”，通過滑板與接觸網接觸獲取電能，驅動列車。

“除了車身、軌道覆冰會影響車輛運行受力，高鐵接觸網上的覆冰狀態復雜、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；另一方面接觸網表面的不規則覆冰，會阻礙受電弓滑動，可能使其受沖擊斷裂，甚至燒斷接觸網。

此外，接觸網建設時被施加了巨大的張力處于平直狀態，覆冰后接觸網會變形下垂，帶來接觸網“舞動”。吳廣寧解釋說，“舞動”影響接觸網的穩定性和安全性，嚴重時會引發弓網故障，甚至造成斷線跳閘、中斷行車。目前，其誘發機理和影響規律尚不明晰。

“2024年初，華北、華中地區遭遇兩輪大面積低溫雨雪災害，多條高鐵接觸網出現覆冰舞動。”詹天佑科學技術發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現，在風口及平原地區，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，覆冰舞動更易發生。

“舞動”只是高鐵接觸網覆冰出現的特殊現象之一。“我國幅員遼闊、氣候環境復雜，高鐵接觸網覆冰呈現顯著地域差異。”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、電網工程專家李立浧建議，每條高速鐵路的固定路徑都有規律性的氣象和地形特點，如果給每條線路構建“檔案”，設置應急處理方案，給出“一線一策”的應對策略，將更有利于實現從“被動抗冰”到“主動防御”的轉變。

“二十年來，電力系統通過智能傳感器與微氣象監測積累了電網自然覆冰的數據集。”華南理工大學教授郝艷捧介紹，借助大數據分析與人工智能技術等技術，電網覆冰感知過程已實現智能化，可助力高鐵線路建立覆冰“檔案”。

除了輸電領域，風機葉片、航空航天等領域對覆冰監測技術的研究和應用，均可為高速鐵路覆冰防護提供參考。

談及接觸網復雜狀態的精確監測，吳廣寧表示，隨著人工智能技術的發展，數字孿生有望對接觸網覆冰前后的力學結構、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，仿真再現接觸網覆冰過程，并建立實時動態的覆冰監測、數據處理、評估預警與運行調控體系。”吳廣寧說，通過快速預警與智能決策，有望在覆冰出現前阻斷其形成，防患于未然。

（香山科學會議辦公室供圖）