城際鐵路風(fēng)雨監(jiān)測(cè)儀器選型及測(cè)點(diǎn)布置優(yōu)化研究

秦成文

摘 要：本文以佛山至肇慶城際鐵路沿線風(fēng)雨監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為對(duì)象，研究了沿線地域的風(fēng)雨環(huán)境特性，優(yōu)化了風(fēng)、雨測(cè)布點(diǎn)；通過對(duì)比各種風(fēng)、雨監(jiān)測(cè)儀器的特征參數(shù)并結(jié)合線路環(huán)境特點(diǎn)完成了風(fēng)雨儀器選型；對(duì)線路開通以來近兩年數(shù)據(jù)的進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，驗(yàn)證了風(fēng)雨監(jiān)測(cè)及報(bào)警系統(tǒng)對(duì)保證列車行車安全的可靠性。

關(guān)鍵詞：城際鐵路；風(fēng)雨監(jiān)測(cè)；行車安全；儀器選型

中圖分類號(hào)：TN931 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 緒論

（1）研究背景及意義

隨著鐵路運(yùn)行速度的進(jìn)一步提升，強(qiáng)風(fēng)和強(qiáng)降雨對(duì)高速/城際鐵路的行車安全構(gòu)成巨大威脅。強(qiáng)橫風(fēng)在列車上產(chǎn)生巨大的橫向荷載和側(cè)向傾覆力矩，容易導(dǎo)致列車橫向失穩(wěn)和傾覆。例如，在我國西北，以前強(qiáng)風(fēng)導(dǎo)致的列車脫軌和傾覆事故時(shí)有發(fā)生，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。強(qiáng)降雨容易破壞鐵路基礎(chǔ)，導(dǎo)致路基下沉或被沖毀，而且容易引起滑坡和泥石流，對(duì)高速列車構(gòu)成巨大威脅。在鐵路沿線建立風(fēng)雨實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是確保行車安全的有效措施之一，該系統(tǒng)對(duì)重點(diǎn)地段雨量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，必要時(shí)報(bào)警同時(shí)進(jìn)行限速或封鎖。

佛山至肇慶線是廣東省內(nèi)的城際鐵路。容易遭受臺(tái)風(fēng)及強(qiáng)降雨的襲擊，僅僅是2015年廣東省就登錄5次臺(tái)風(fēng)，經(jīng)歷32次強(qiáng)降雨，省內(nèi)高速鐵路風(fēng)雨限速總共發(fā)生360多次。佛山至肇慶線以東西走向?yàn)橹?，南北季風(fēng)對(duì)動(dòng)車組列車來說是橫風(fēng)，影響更大；珠三角地區(qū)雨量充沛，多年平均降雨量在1600mm～1800mm，強(qiáng)降雨導(dǎo)致的洪水、滑坡、泥石流、地基下沉?xí)r有發(fā)生；因此，在鐵路沿線設(shè)置風(fēng)雨監(jiān)測(cè)系統(tǒng)十分必要，關(guān)鍵時(shí)刻限速或封鎖，對(duì)確保動(dòng)車組列車運(yùn)行安全具有重要意義。

（2）鐵路風(fēng)雨監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，所有高鐵都建設(shè)了相對(duì)完備的綜合安全保證體系，例如日法德三國高速鐵路均設(shè)置了風(fēng)雨監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在必要的時(shí)候即時(shí)報(bào)警限速，減小大風(fēng)、強(qiáng)雨對(duì)行車安全的威脅。既有的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要有兩種形式：第一種是綜合運(yùn)營管理系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，例如日本；第二種是完全獨(dú)立的系統(tǒng)，例如德法。

日本高速鐵路綜合防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)的內(nèi)容包括風(fēng)、雨、地震、雪、軌溫及異物侵限等，具備實(shí)時(shí)報(bào)警功能。德國防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括風(fēng)、雨、雪、塌方等。法國高鐵災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由眾多獨(dú)立的系統(tǒng)組成。風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備、車站設(shè)備和中心設(shè)備組成；系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)報(bào)警信息同時(shí)發(fā)送給調(diào)度中心、CTC控車系統(tǒng)、車站設(shè)備和報(bào)警器。表1總結(jié)了日法德三國鐵路防災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

我國是世界上自然災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一，具有災(zāi)害種類多、發(fā)生頻率高、分布范圍廣等特點(diǎn)。我國的高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是伴隨高鐵而發(fā)展的一個(gè)新系統(tǒng)，系統(tǒng)建設(shè)與高速鐵路建設(shè)同步完成，同步開通。系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備、監(jiān)控單元、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理設(shè)備、終端及傳輸通道等構(gòu)成，并與調(diào)度指揮和信號(hào)等系統(tǒng)相互連通。風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和雨量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中重要的兩個(gè)子系統(tǒng)。目前，我國設(shè)計(jì)速度達(dá)到200km/h的鐵路均設(shè)置了災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，例如：京津、京廣、京滬、杭深、哈大、滬昆、合福、蘭新、貴廣、南廣、石太、鄭西、合武、寧杭等。

（3）本文研究?jī)?nèi)容

本文擬根據(jù)佛肇鐵路沿線的自然氣候，結(jié)合佛肇城際鐵路走向及周邊地形地貌，對(duì)佛肇災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)風(fēng)、雨監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)布點(diǎn)選擇、傳感器選型、設(shè)備安裝等方案進(jìn)行分析研究；并且通過對(duì)線路開通近兩年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，評(píng)估了系統(tǒng)的可靠性。

1 佛肇城際鐵路風(fēng)雨監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置優(yōu)化

由于風(fēng)雨的危害受鐵路周邊地形、鐵路走向、鐵路平縱斷面等影響，為了更好地避免風(fēng)雨導(dǎo)致的行車安全事故，對(duì)線路風(fēng)雨監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置進(jìn)行了調(diào)查研究以及局部?jī)?yōu)化。依據(jù)佛肇城際縱斷面圖、線路線位圖以及沿線的歷史氣象數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形條件對(duì)風(fēng)監(jiān)測(cè)布點(diǎn)方案進(jìn)行局部?jī)?yōu)化。優(yōu)化過程中主要依據(jù)以下原則進(jìn)行：

（1）根據(jù)鐵路沿線氣象統(tǒng)計(jì)資料確定風(fēng)速基本參數(shù)。

（2）高橋、高路堤、埡口、峽谷等特殊區(qū)段考慮風(fēng)速提高因子。

（3）對(duì)于地表摩擦阻力較大的區(qū)段考慮速度降低因子。

（4）線路各區(qū)段內(nèi)以風(fēng)速最不利位置作為大風(fēng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

最終在佛肇城際沿線設(shè)置獅山特大橋、獅山工業(yè)園特大橋、三水站大橋、三水西特大橋、南江工業(yè)園特大橋、青岐涌特大橋、大圍基特大橋、永安特大橋、長利涌特大橋、鼎湖站大橋、羚山特大橋和七星巖特大橋總共12處風(fēng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。圖1為大圍基特大橋和羚山特大橋現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況。

圖1 大風(fēng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)地理位置信息現(xiàn)場(chǎng)踏勘人員通過手持測(cè)風(fēng)儀對(duì)所選的風(fēng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行多次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，結(jié)果見表2。所布測(cè)點(diǎn)位置均測(cè)量到較強(qiáng)風(fēng)速，間接說明測(cè)點(diǎn)布置的正確性。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，測(cè)點(diǎn)間距最遠(yuǎn)10.4km，最近4km，平均間距6.9km，滿足《鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》的要求。

根據(jù)沿線地形、地貌以及地質(zhì)和植被等情況，結(jié)合歷史上整條線路的氣象數(shù)據(jù)資料和現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況，以及距離監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基站的距離等，對(duì)雨量監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化布置；優(yōu)化后在佛肇城際鐵路沿線設(shè)置6處雨量監(jiān)測(cè)點(diǎn)，見表3。雨量監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距最遠(yuǎn)30km，最近2.8km，平均14.2km，基本滿足《鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》的要求。圖2為雨量監(jiān)測(cè)點(diǎn)典型地形地貌示例。

2 傳感器選型

鐵路大風(fēng)監(jiān)測(cè)使用最多風(fēng)速風(fēng)向計(jì)主要有：三杯式、超聲波式、螺旋槳式和熱場(chǎng)式風(fēng)速風(fēng)向儀。我國蘭新客專線主要使用的是螺旋槳式，京津城際主要使用的是熱場(chǎng)式，其他線路使用最多的是超聲波式風(fēng)速儀。國外的高鐵也主要使用超聲波式和螺旋槳式風(fēng)速風(fēng)向儀。將各種儀器的特性進(jìn)行對(duì)比，見表4。

總結(jié)如下：機(jī)械式風(fēng)速儀（如：三杯和螺旋槳）使用過程中需要經(jīng)常維修，超聲波式風(fēng)速儀在電磁干擾下容易出現(xiàn)測(cè)量誤差；熱場(chǎng)式風(fēng)速儀受振動(dòng)和電磁的干擾小，能夠準(zhǔn)確測(cè)量風(fēng)速，而且不需要經(jīng)常維護(hù)。因此，佛山至肇慶線采用精度高、可靠性更強(qiáng)、性價(jià)比更好的熱場(chǎng)式風(fēng)速儀。

雨量傳感器分為機(jī)械式和非機(jī)械式兩種，其中機(jī)械式的有翻斗式雨量計(jì)、虹吸式雨量計(jì)和雙閥容柵式雨量計(jì)等；非機(jī)械式的有雷達(dá)式雨量計(jì)和壓力感應(yīng)式雨量計(jì)，如圖3和圖4所示：目前國內(nèi)普速鐵路主要采用翻斗式雨量計(jì)，高鐵大多采用壓力感應(yīng)式雨量計(jì)。

從多年使用經(jīng)驗(yàn)來看，機(jī)械式雨量計(jì)最大的問題在于出水口易堵，需要大量的后期維護(hù)；壓力感應(yīng)式雨量計(jì)的主要特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)在于能夠連續(xù)測(cè)量、準(zhǔn)確度高、維護(hù)簡(jiǎn)單，容易安裝，因此，經(jīng)過比選佛山至肇慶線最終選擇采用壓力感應(yīng)式雨量計(jì)。

3 系統(tǒng)可靠性分析

自2016年佛肇城際鐵路風(fēng)雨監(jiān)測(cè)系統(tǒng)投入運(yùn)用以來，因?yàn)榇箫L(fēng)引起的限速共發(fā)生了36次：包括限速120 km/h 6次、限速160km/h 30次、徹底封鎖1次；因?yàn)榇笥暌鸬南匏倏偣舶l(fā)生了17次：包括限速45km/h 6次，限速120km/h 11次、徹底封鎖1次；未出現(xiàn)錯(cuò)報(bào)誤報(bào)等情況，未出現(xiàn)因大風(fēng)和強(qiáng)降雨導(dǎo)致的行車安全事故，證實(shí)了佛肇城際鐵路風(fēng)雨監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性，確保了動(dòng)車組列車運(yùn)行安全。

結(jié)論

本文研究了佛山至肇慶城際鐵路沿線地域的風(fēng)雨環(huán)境特性，通過局部?jī)?yōu)化，確定了風(fēng)速風(fēng)向12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和雨量6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的具體布設(shè)位置；根據(jù)線路的實(shí)際情況及儀器特點(diǎn)，選用熱場(chǎng)式風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量?jī)x和壓力感應(yīng)式雨量計(jì)；通過對(duì)線路開通以來近兩年的報(bào)警信息數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，證實(shí)佛山至肇慶城際鐵路沿線風(fēng)雨監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安全可靠，能夠?yàn)榱熊囆熊嚢踩峁┍ＷC。

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