淺談鐵路大風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

倪 曉

（中鐵二院西北勘察設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

因?yàn)榇箫L(fēng)天氣的頻繁出現(xiàn)，不僅對鐵路沿線橋梁、車輛、通信設(shè)備造成不同程度的影響，甚至可能導(dǎo)致列車晚點(diǎn)或是列車傾覆的情況出現(xiàn)，嚴(yán)重?cái)_亂了交通運(yùn)輸秩序，降低了交通運(yùn)輸效率。大風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對鐵路安全行車產(chǎn)生危害的大風(fēng)災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測，有利于管理機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確掌握災(zāi)情和災(zāi)情發(fā)展趨勢并迅速做出決策，采取應(yīng)急措施。從而達(dá)到降低災(zāi)害損害的目的，最終確保行車安全萬無一失。因此，建立鐵路大風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)，對防范大風(fēng)事故、保障鐵路運(yùn)輸安全具有非常現(xiàn)實(shí)的意義。

2 大風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置必要性

隨著社會經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，更高的開行頻率、更快的運(yùn)行速度、更輕的車體材質(zhì)提高了運(yùn)營效率和旅客出行感受。但是，因?yàn)樽匀粸?zāi)害，尤其是強(qiáng)側(cè)風(fēng)的產(chǎn)生，給列車的安全平穩(wěn)運(yùn)營帶來了極大的安全隱患，并且嚴(yán)重干擾行車秩序，給鐵路安全運(yùn)行維護(hù)帶來了很多困擾，因此，鐵路大風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)對確保鐵路高效、安全運(yùn)輸具有很重要的意義。

3 鐵路大風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

文章針對西部某鐵路大風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，大風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)由中心系統(tǒng)設(shè)備、監(jiān)測終端、現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備及承載網(wǎng)等組成，其系統(tǒng)圖如圖1所示。

3.1 現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備

大風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備由風(fēng)速風(fēng)向儀和監(jiān)控單元2部分組成。

（1）風(fēng)速風(fēng)向儀設(shè)置原則。根據(jù)本段沿線氣候特征并參照《鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（Q/CR 9152—2018）[1]相關(guān)技術(shù)要求：

①大風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備設(shè)置在鐵路沿線20年來最大風(fēng)速值大于15 m/s的區(qū)段。

②大風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備設(shè)置間距為1～5 km，山區(qū)埡口、峽谷、河谷等易產(chǎn)生大風(fēng)的地段。

③大風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備在橋梁、高路堤等地段設(shè)置間距為5～10 km。

（2）風(fēng)速風(fēng)向儀安裝條件。大風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)風(fēng)速風(fēng)向儀鐵路沿線設(shè)計(jì)中一般安裝在通信鐵塔或者接觸網(wǎng)桿上，會根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行選擇，在不影響數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性的情況下，滿足設(shè)備安裝條件。

安裝于通信鐵塔上時，安裝位置距離軌面約10m，智能控制單元與風(fēng)速風(fēng)向計(jì)結(jié)合安裝于通信鐵塔上。

如現(xiàn)場無通信鐵塔或通信鐵塔安裝條件不滿足技術(shù)要求，需安裝在距軌面垂直高度4 000±100 mm的接觸網(wǎng)桿上，安裝時應(yīng)避開支柱上的接觸網(wǎng)設(shè)備，如設(shè)置有隔離開關(guān)、避雷器、下錨、風(fēng)向風(fēng)速計(jì)托架和安裝厚度不小于10 mm的橡膠墊片等接觸網(wǎng)設(shè)備。

（3）風(fēng)速風(fēng)向儀設(shè)備比選。風(fēng)速風(fēng)向儀目前應(yīng)用比較廣泛的主要有風(fēng)杯式風(fēng)速風(fēng)向儀、超聲波式風(fēng)速風(fēng)向儀、熱場式風(fēng)速風(fēng)向儀等。

根據(jù)設(shè)備構(gòu)架原理，主要優(yōu)缺點(diǎn)對照分析見表1。

圖1 鐵路大風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)圖

表1 風(fēng)速風(fēng)向儀設(shè)備比選

設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)結(jié)合鐵路線路里程、鐵路周圍環(huán)境及維護(hù)情況，并且充分考慮系統(tǒng)建設(shè)成本等因素，來選擇合適的風(fēng)速計(jì)。目前我國西部地區(qū)部分鐵路因鐵路線路里程長、人煙稀少、維護(hù)困難的現(xiàn)狀，同時充分考慮系統(tǒng)建設(shè)成本等因素，普遍采用超聲波式風(fēng)速計(jì)。

（4）監(jiān)控單元設(shè)置。監(jiān)控單元是對現(xiàn)場風(fēng)速風(fēng)向儀采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收處理，并將數(shù)據(jù)傳輸至上級系統(tǒng)。監(jiān)控單元采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主機(jī)模塊、各種監(jiān)控功能模塊、繼電器組合模塊、防雷單元（電源、線纜）、網(wǎng)絡(luò)接口、電源、機(jī)柜等組成。因西部地區(qū)每年降水稀少，空氣干燥，相對濕度多數(shù)地區(qū)在30%～40%，并且受高空西風(fēng)氣流影響，部分地區(qū)全年8級以上的大風(fēng)日數(shù)大于50 d，西部和北部地區(qū)可達(dá)100～165 d，在同等風(fēng)速條件下，風(fēng)壓比平原地區(qū)受空氣密度影響要小20%～40%。因此，為了控制投資，監(jiān)控單元僅設(shè)置了風(fēng)監(jiān)測模塊，但同時由于近年來極端天氣頻繁出現(xiàn)，需要在后期增加雨雪天氣的現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，因此僅對模塊進(jìn)行擴(kuò)展，而保留了其他災(zāi)害監(jiān)測子系統(tǒng)擴(kuò)展接口，無須整體更換設(shè)備，最大限度地利用設(shè)備。監(jiān)控單元安裝于鐵路沿線的通信區(qū)間基站、中繼站等通信機(jī)械室內(nèi)，與風(fēng)速風(fēng)向儀同址安裝。

（5）現(xiàn)場設(shè)備傳輸方式對比。大風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)一般采用有線或無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳輸至監(jiān)控單元，其優(yōu)缺點(diǎn)對照分析見表2。

表2 傳輸方式對比表

通過有線、無線傳輸方式的優(yōu)缺點(diǎn)分析，并綜合現(xiàn)場沿線的地質(zhì)、氣候及基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)情況，為進(jìn)一步確保系統(tǒng)的可靠性、安全性，應(yīng)選擇合適的傳輸方式承載大風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)信息。但目前國鐵使用最多的是有線傳輸，因?yàn)橛芯€傳輸利用鐵路專網(wǎng)傳輸，滿足傳輸可靠性與安全性，且具有便于維護(hù)、建設(shè)費(fèi)用低等有利因素。風(fēng)速風(fēng)向儀與監(jiān)控單元之間采用光纜連接，光纜敷設(shè)在區(qū)間通信信號光、電纜槽內(nèi)。在沒有電纜槽區(qū)間內(nèi)，需直埋光纜，直埋光纜采用鋼管防護(hù)；跨水溝、跨電力電纜槽采用鋼管加混凝土包封防護(hù)；區(qū)間光纜上下橋利用橋梁中光、電纜鋸齒口敷設(shè)；區(qū)間橋上光、電纜引下利用通信橋墩鋼槽引下滑道敷設(shè)。

（6）現(xiàn)場設(shè)備供電及防雷。風(fēng)速風(fēng)向計(jì)由監(jiān)控單元設(shè)備采用WDZ-YJY23 3×6 mm2電纜為其供電且自帶UPS電源，備用時間不小于30 min。監(jiān)控單元由通信機(jī)房內(nèi)兩路一級負(fù)荷的220 V單相交流電源專用配電箱供電，并且監(jiān)控單元電源設(shè)備按雙套配置，互為備用，單套電源模塊備用時間不小于3 h。監(jiān)控單元電源設(shè)備中交流不間斷電源（UPS）等設(shè)備的功能及性能，應(yīng)符合《鐵路通信電源 第3部分：通信用不間斷電源設(shè)備》有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[3]。電源需納入鐵路電源及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。

當(dāng)大風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)電纜引入室內(nèi)時，將內(nèi)外兩側(cè)的金屬護(hù)套斷開，采用截面積不小于25 mm2的外線側(cè)的屏蔽鋼帶及金屬保護(hù)層的多股銅線接入引入井接地排，并將屏蔽鋼帶及設(shè)備側(cè)面的金屬護(hù)層懸浮。監(jiān)控單元、室外的現(xiàn)場采集設(shè)備各端口均配置防雷單元，完成線纜防雷，監(jiān)控單元的電源設(shè)備進(jìn)線端口配置浪涌保護(hù)模塊，區(qū)間電纜全部做好防雷接地后才進(jìn)入設(shè)備機(jī)房。電源防雷器/浪涌保護(hù)器應(yīng)靠近地線排和被防護(hù)的設(shè)備安裝，浪涌保護(hù)器地線長度應(yīng)小于1.0 m；與被防護(hù)設(shè)備之間的連線應(yīng)短而直，連接線不宜超過0.5 m。SPD設(shè)備應(yīng)通過CRCC認(rèn)證，并采用凱文接線方式，相關(guān)配線及配線方案由防雷設(shè)備廠家負(fù)責(zé)。大風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)室外監(jiān)測設(shè)備保護(hù)接地納入綜合接地系統(tǒng)，大風(fēng)監(jiān)測設(shè)備與接觸網(wǎng)桿電氣連接后采用50 mm2地線接入綜合接地系統(tǒng)地位置，并且應(yīng)避免與設(shè)有避雷器的接觸網(wǎng)桿在同一位置接入綜合接地系統(tǒng)。

3.2 通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成方案

為了確保傳輸可靠，大風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)目前多采用有線傳輸方式，數(shù)據(jù)信息由本線通信傳輸、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)承載。

大風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場采集設(shè)備采集相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至智能控制單元，智能控制單元經(jīng)初步處理后上傳至鐵路局調(diào)度所大風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)中心。對各養(yǎng)護(hù)管理單位的監(jiān)控、維護(hù)終端，由大風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)中心下達(dá)監(jiān)測信息。監(jiān)控單元接入網(wǎng)絡(luò)由通信傳輸系統(tǒng)提供的通道（接口為FE電口），通過以太網(wǎng)匯聚接入各車站大風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)接入點(diǎn)，構(gòu)成雙星型網(wǎng)絡(luò)[4]。調(diào)度中心大風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)中心通過通信傳輸系統(tǒng)提供的通道與之相連。鐵路區(qū)間大風(fēng)監(jiān)測數(shù)據(jù)通過主備用各1×2 M通道（接口均為FE口）與就近站點(diǎn)相連，各站點(diǎn)通過傳輸系統(tǒng)通過主備用各2×2 M通道（接口均為FE口）與鐵路局調(diào)度中心大風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)中心相連。鐵路局大風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)中心至監(jiān)測終端之間通過主備用1×2 M通道（接口均為FE口）互聯(lián)。

系統(tǒng)采用雙以太網(wǎng)、TCP/IP協(xié)議并滿足信息傳輸?shù)膶?shí)時性要求。為確保信息傳輸?shù)目煽啃裕p網(wǎng)絡(luò)接口分別接入通信傳輸及接入系統(tǒng)的不同業(yè)務(wù)板卡。

3.3 中心系統(tǒng)設(shè)置

信息處理平臺、監(jiān)控終端等設(shè)備構(gòu)成了鐵路局的中心系統(tǒng)。以下是中心裝備的總體作用：

（1）完成風(fēng)速、風(fēng)向等信息的處理和判別；

（2）根據(jù)判別結(jié)果將報(bào)警信息及行車管制預(yù)案推送至鐵路局調(diào)度中心調(diào)度臺大風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)終端；

（3）完成現(xiàn)場監(jiān)控資料整理為基礎(chǔ)資料錄入，報(bào)警信息記錄和各類風(fēng)速、風(fēng)向等事故信息的錄入工作。

根據(jù)功能需求，信息處理平臺設(shè)置1臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、1臺應(yīng)用服務(wù)器，其中數(shù)據(jù)庫服務(wù)器負(fù)責(zé)鐵路局系統(tǒng)數(shù)據(jù)（實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)及系統(tǒng)管理等有關(guān)數(shù)據(jù)）的集中存儲，應(yīng)用服務(wù)器負(fù)責(zé)接收現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備實(shí)時數(shù)據(jù)并生成災(zāi)害報(bào)警和設(shè)備故障報(bào)警信息、將監(jiān)測數(shù)據(jù)和報(bào)警數(shù)據(jù)實(shí)時傳送至各監(jiān)控終端、調(diào)度人員需對現(xiàn)場情況實(shí)時掌握。服務(wù)器采用主備冗余方案設(shè)計(jì)[5]。

監(jiān)測終端包括監(jiān)測業(yè)務(wù)終端和監(jiān)測維護(hù)終端。監(jiān)測業(yè)務(wù)終端主要任務(wù)是對前端收集設(shè)備傳送數(shù)據(jù)的收集和處置，一般設(shè)置在鐵路局調(diào)度臺和通信段網(wǎng)管中心。監(jiān)測維護(hù)終端主要任務(wù)是對鐵路現(xiàn)場大風(fēng)數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)測、數(shù)據(jù)報(bào)警信息及時處理，現(xiàn)場采集設(shè)備和監(jiān)控單元設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行是否正常等監(jiān)測數(shù)據(jù)收集，一般設(shè)置在沿線通信車間，工作人員須定期對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行維護(hù)。

4 總結(jié)

列車的速度和列車的荷載存在關(guān)聯(lián)性，采用輕材質(zhì)的材料制造列車，可以提高列車的行駛速度，但同時這也使側(cè)向強(qiáng)風(fēng)帶來越來越嚴(yán)重的問題。另外，浮力和俯仰力矩會在高速運(yùn)行時產(chǎn)生，而且隨著運(yùn)行速度的提高，浮力和俯仰力矩也越來越大，運(yùn)行在這種狀態(tài)下的列車極易受到大風(fēng)的影響，從而引發(fā)行車事故。由此，一套合理可行、易于維護(hù)的大風(fēng)監(jiān)測體系的建立和完善，對鐵路局及時準(zhǔn)確掌握大風(fēng)災(zāi)情動態(tài)是大有裨益的；而且對管理機(jī)構(gòu)的快速決策、應(yīng)急處置等都有好處。同時鐵路大風(fēng)監(jiān)測設(shè)備前端采集設(shè)備風(fēng)速風(fēng)向儀為無人值守設(shè)備，設(shè)備自身除具備可靠的質(zhì)量性能外也須具備自動恢復(fù)能力。監(jiān)測終端遠(yuǎn)程掌控設(shè)備運(yùn)行實(shí)時狀態(tài)，并對設(shè)備定期維護(hù)外，也可進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)。所以在設(shè)備的選型上，要有前瞻性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中具有可擴(kuò)展性，在保證鐵路安全、高效運(yùn)行的前提下，同時考慮到降低投資與維護(hù)成本。