城際鐵路風雨監測儀器選型及測點布置優化研究

秦成文

摘 要：本文以佛山至肇慶城際鐵路沿線風雨監測系統為對象，研究了沿線地域的風雨環境特性，優化了風、雨測布點；通過對比各種風、雨監測儀器的特征參數并結合線路環境特點完成了風雨儀器選型；對線路開通以來近兩年數據的進行統計分析，驗證了風雨監測及報警系統對保證列車行車安全的可靠性。

關鍵詞：城際鐵路；風雨監測；行車安全；儀器選型

中圖分類號：TN931 文獻標志碼：A

0 緒論

（1）研究背景及意義

隨著鐵路運行速度的進一步提升，強風和強降雨對高速/城際鐵路的行車安全構成巨大威脅。強橫風在列車上產生巨大的橫向荷載和側向傾覆力矩，容易導致列車橫向失穩和傾覆。例如，在我國西北，以前強風導致的列車脫軌和傾覆事故時有發生，造成了巨大的經濟損失。強降雨容易破壞鐵路基礎，導致路基下沉或被沖毀，而且容易引起滑坡和泥石流，對高速列車構成巨大威脅。在鐵路沿線建立風雨實時監測系統是確保行車安全的有效措施之一，該系統對重點地段雨量進行實時監測，必要時報警同時進行限速或封鎖。

佛山至肇慶線是廣東省內的城際鐵路。容易遭受臺風及強降雨的襲擊，僅僅是2015年廣東省就登錄5次臺風，經歷32次強降雨，省內高速鐵路風雨限速總共發生360多次。佛山至肇慶線以東西走向為主，南北季風對動車組列車來說是橫風，影響更大；珠三角地區雨量充沛，多年平均降雨量在1600mm～1800mm，強降雨導致的洪水、滑坡、泥石流、地基下沉時有發生；因此，在鐵路沿線設置風雨監測系統十分必要，關鍵時刻限速或封鎖，對確保動車組列車運行安全具有重要意義。

（2）鐵路風雨監測系統應用現狀

目前，所有高鐵都建設了相對完備的綜合安全保證體系，例如日法德三國高速鐵路均設置了風雨監測系統，在必要的時候即時報警限速，減小大風、強雨對行車安全的威脅。既有的監測系統主要有兩種形式：第一種是綜合運營管理系統的一個子系統，例如日本；第二種是完全獨立的系統，例如德法。

日本高速鐵路綜合防災安全監控系統所監測的內容包括風、雨、地震、雪、軌溫及異物侵限等，具備實時報警功能。德國防災安全監控系統監測內容主要包括風、雨、雪、塌方等。法國高鐵災害監測系統由眾多獨立的系統組成。風監測系統由現場采集設備、車站設備和中心設備組成；系統將監測報警信息同時發送給調度中心、CTC控車系統、車站設備和報警器。表1總結了日法德三國鐵路防災監測系統。

我國是世界上自然災害最嚴重的國家之一，具有災害種類多、發生頻率高、分布范圍廣等特點。我國的高速鐵路災害監測系統是伴隨高鐵而發展的一個新系統，系統建設與高速鐵路建設同步完成，同步開通。系統主要由現場監測設備、監控單元、監控數據處理設備、終端及傳輸通道等構成，并與調度指揮和信號等系統相互連通。風監測系統和雨量監測系統是高速鐵路災害監測系統中重要的兩個子系統。目前，我國設計速度達到200km/h的鐵路均設置了災害監測系統，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）本文研究內容

本文擬根據佛肇鐵路沿線的自然氣候，結合佛肇城際鐵路走向及周邊地形地貌，對佛肇災害監測系統風、雨監測子系統的監測布點選擇、傳感器選型、設備安裝等方案進行分析研究；并且通過對線路開通近兩年的監測數據分析，評估了系統的可靠性。

1 佛肇城際鐵路風雨監測點布置優化

由于風雨的危害受鐵路周邊地形、鐵路走向、鐵路平縱斷面等影響，為了更好地避免風雨導致的行車安全事故，對線路風雨監測點的位置進行了調查研究以及局部優化。依據佛肇城際縱斷面圖、線路線位圖以及沿線的歷史氣象數據，結合現場地形條件對風監測布點方案進行局部優化。優化過程中主要依據以下原則進行：

（1）根據鐵路沿線氣象統計資料確定風速基本參數。

（2）高橋、高路堤、埡口、峽谷等特殊區段考慮風速提高因子。

（3）對于地表摩擦阻力較大的區段考慮速度降低因子。

（4）線路各區段內以風速最不利位置作為大風監測點。

最終在佛肇城際沿線設置獅山特大橋、獅山工業園特大橋、三水站大橋、三水西特大橋、南江工業園特大橋、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處風監測點。圖1為大圍基特大橋和羚山特大橋現場實況。

圖1 大風監測點地理位置信息現場踏勘人員通過手持測風儀對所選的風監測點進行多次現場測試，結果見表2。所布測點位置均測量到較強風速，間接說明測點布置的正確性。經統計，測點間距最遠10.4km，最近4km，平均間距6.9km，滿足《鐵路自然災害及異物侵限監測系統工程設計暫行規定》的要求。

根據沿線地形、地貌以及地質和植被等情況，結合歷史上整條線路的氣象數據資料和現場踏勘情況，以及距離監測系統基站的距離等，對雨量監測點進行了優化布置；優化后在佛肇城際鐵路沿線設置6處雨量監測點，見表3。雨量監測點間距最遠30km，最近2.8km，平均14.2km，基本滿足《鐵路自然災害及異物侵限監測系統工程設計暫行規定》的要求。圖2為雨量監測點典型地形地貌示例。

2 傳感器選型

鐵路大風監測使用最多風速風向計主要有：三杯式、超聲波式、螺旋槳式和熱場式風速風向儀。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式，其他線路使用最多的是超聲波式風速儀。國外的高鐵也主要使用超聲波式和螺旋槳式風速風向儀。將各種儀器的特性進行對比，見表4。

總結如下：機械式風速儀（如：三杯和螺旋槳）使用過程中需要經常維修，超聲波式風速儀在電磁干擾下容易出現測量誤差；熱場式風速儀受振動和電磁的干擾小，能夠準確測量風速，而且不需要經常維護。因此，佛山至肇慶線采用精度高、可靠性更強、性價比更好的熱場式風速儀。

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

從多年使用經驗來看，機械式雨量計最大的問題在于出水口易堵，需要大量的后期維護；壓力感應式雨量計的主要特點和優點在于能夠連續測量、準確度高、維護簡單，容易安裝，因此，經過比選佛山至肇慶線最終選擇采用壓力感應式雨量計。

3 系統可靠性分析

自2016年佛肇城際鐵路風雨監測系統投入運用以來，因為大風引起的限速共發生了36次：包括限速120 km/h 6次、限速160km/h 30次、徹底封鎖1次；因為大雨引起的限速總共發生了17次：包括限速45km/h 6次，限速120km/h 11次、徹底封鎖1次；未出現錯報誤報等情況，未出現因大風和強降雨導致的行車安全事故，證實了佛肇城際鐵路風雨監測系統的可靠性，確保了動車組列車運行安全。

結論

本文研究了佛山至肇慶城際鐵路沿線地域的風雨環境特性，通過局部優化，確定了風速風向12個監測點和雨量6個監測點的具體布設位置；根據線路的實際情況及儀器特點，選用熱場式風速風向測量儀和壓力感應式雨量計；通過對線路開通以來近兩年的報警信息數據進行統計分析，證實佛山至肇慶城際鐵路沿線風雨監測系統安全可靠，能夠為列車行車安全提供保證。

參考文獻

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