武明生，秦成文，徐成偉

（1.中國鐵道科學(xué)研究院 電子計(jì)算技術(shù)研究所 ，北京 100081；2.廣州鐵路（集團(tuán)）公司 工務(wù)處 ，廣州 510088）

高速鐵路以其速度快、客運(yùn)量大、舒適度高、能耗低等特點(diǎn)，已成為鐵路客運(yùn)系統(tǒng)的主要運(yùn)輸方式。同時(shí)，隨著速度的提高，高速鐵路運(yùn)營的安全問題引起了人們的普遍關(guān)注。地面風(fēng)是對行車安全產(chǎn)生影響的重要因素之一，為此，開發(fā)了高速鐵路風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)，其風(fēng)速采集設(shè)備為風(fēng)監(jiān)測設(shè)備。

目前，國內(nèi)缺少對高速鐵路風(fēng)監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行檢定的有效手段，主要是借助氣象部門風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室來完成。為了更好地確認(rèn)風(fēng)監(jiān)測設(shè)備的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，本文研究高速鐵路風(fēng)監(jiān)測設(shè)備比對試驗(yàn)方法，可為高速鐵路風(fēng)監(jiān)測設(shè)備上線使用前的檢定工作提供參考。

1 背景概述

高速鐵路風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)主要由風(fēng)監(jiān)測設(shè)備、監(jiān)控單元、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理設(shè)備和監(jiān)控終端組成。高速鐵路風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)是行車安全的重要保障環(huán)節(jié)，屬鐵路一類設(shè)備，其主要作用是提供大風(fēng)報(bào)警信息，為行車指揮命令的下達(dá)提供參考依據(jù)。風(fēng)監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性是大風(fēng)報(bào)警信息具備可用性的必要條件，對于準(zhǔn)確地為行車調(diào)度人員提供大風(fēng)報(bào)警信息，從而確保動車組安全運(yùn)行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 存在問題

國內(nèi)外對高速鐵路風(fēng)監(jiān)測設(shè)備的檢定工作主要通過風(fēng)洞試驗(yàn)完成，其中，日本新干線、法國地中海等國外高速鐵路風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)使用的風(fēng)監(jiān)測設(shè)備主要為機(jī)械式，我國高速鐵路風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)使用的風(fēng)監(jiān)測設(shè)備有超聲波和熱場式兩種。

風(fēng)洞試驗(yàn)是依據(jù)運(yùn)動學(xué)相對性原理將被檢定的設(shè)備固定在地面人工環(huán)境中，人為制造氣流流過，以此模擬空中各種復(fù)雜的地面風(fēng)狀態(tài)，獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)固有的模擬存在3方面的不足：

（1）邊界效應(yīng)或邊界干擾：靜止大氣是無邊界的，在風(fēng)洞中，氣流是有邊界的，邊界的存在限制了邊界。

（2）支架干擾：用支架把模型支撐在氣流中，存在對模型流場的干擾。

（3）相似原理：風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ)是相似原理，要求風(fēng)洞流場與真實(shí)飛行流場之間滿足所有的相似準(zhǔn)則，或兩個(gè)流場對應(yīng)的所有相似準(zhǔn)則數(shù)相等，風(fēng)洞試驗(yàn)很難完全滿足。

基于以上3方面的不足，風(fēng)洞試驗(yàn)宜用于對國外高速鐵路機(jī)械式風(fēng)監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行檢定，目前還不能對我國高速鐵路基于超聲波或熱場式風(fēng)監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行有效檢定。

3 設(shè)計(jì)方案

為了屏蔽風(fēng)洞試驗(yàn)的缺點(diǎn)，將通過建立模擬風(fēng)場的方式進(jìn)行風(fēng)監(jiān)測設(shè)備與風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)器之間的比對試驗(yàn)，從而確定風(fēng)監(jiān)測設(shè)備的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性特征值，為我國高速鐵路風(fēng)監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行檢定提供技術(shù)參考。依據(jù)試驗(yàn)地點(diǎn)選擇不同，比對試驗(yàn)有兩種方案。

方案1：高速鐵路正線現(xiàn)場比對試驗(yàn)。

優(yōu)點(diǎn)：可以真實(shí)地驗(yàn)證高速鐵路風(fēng)監(jiān)測設(shè)備的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

缺點(diǎn)：因現(xiàn)場環(huán)境限制，很難建立符合氣象標(biāo)準(zhǔn)要求的模擬風(fēng)場，現(xiàn)場施工和維護(hù)困難，不適合長期試驗(yàn)，同時(shí)單個(gè)或幾個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的比對結(jié)果不具備代表性。

方案2：專門試驗(yàn)環(huán)境比對試驗(yàn)。

優(yōu)點(diǎn)：可按照氣象部門有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，建立符合條件的模擬風(fēng)場，維護(hù)方便，適合長期試驗(yàn)，同時(shí)可對多個(gè)風(fēng)監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行比對試驗(yàn)。

缺點(diǎn)：高速鐵路正線風(fēng)監(jiān)測設(shè)備需要拆卸后或安裝前進(jìn)行比對試驗(yàn)。

風(fēng)監(jiān)測設(shè)備及其標(biāo)準(zhǔn)器的安裝高度、間距等指標(biāo)是建立具有同一風(fēng)源模擬風(fēng)場的必要條件，比較方案1和方案2的優(yōu)缺點(diǎn)，推薦采用方案2，進(jìn)行比對試驗(yàn)方法研究。

3.1 硬件組成

高速鐵路風(fēng)監(jiān)測設(shè)備比對試驗(yàn)方案中的主要硬件由風(fēng)監(jiān)測設(shè)備、服務(wù)器、監(jiān)測終端3部分組成，如圖1所示。

圖1 比對試驗(yàn)硬件組成拓?fù)涫疽鈭D

風(fēng)監(jiān)測設(shè)備包括標(biāo)準(zhǔn)器和被比對風(fēng)監(jiān)測設(shè)備，負(fù)責(zé)采集風(fēng)速數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)傳至應(yīng)用服務(wù)器。

應(yīng)用服務(wù)器接收標(biāo)準(zhǔn)器、被比對風(fēng)監(jiān)測設(shè)備發(fā)送來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析、處理和存儲，并把相關(guān)數(shù)據(jù)傳至監(jiān)測終端。

監(jiān)測終端接收應(yīng)用服務(wù)器發(fā)送的標(biāo)準(zhǔn)器、被比對風(fēng)監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)，通過對相關(guān)數(shù)據(jù)的比對和分析，給出被測風(fēng)監(jiān)測設(shè)備的特征值。

3.2 模擬風(fēng)場

依據(jù)氣象部門相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，利用3個(gè)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)器構(gòu)建比對試驗(yàn)?zāi)M風(fēng)場。其中，各標(biāo)準(zhǔn)器安裝高度在10 m～12 m之間，相互距離為5 m。被比對風(fēng)監(jiān)測設(shè)備放置在模擬風(fēng)場外側(cè)，安裝高度與標(biāo)準(zhǔn)器一致，相互距離（含標(biāo)準(zhǔn)器）5 m，設(shè)備部署俯視示意圖見圖2。

模擬風(fēng)場盡可能建立在較為空曠的場所，以屏蔽各種干擾，確保標(biāo)準(zhǔn)器、被比對風(fēng)監(jiān)測設(shè)備處于同一風(fēng)源中。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)器選型

已建高速鐵路風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)選用的風(fēng)監(jiān)測設(shè)備主要有超聲波式和熱場式兩種，由于超聲波式和熱場式風(fēng)監(jiān)測設(shè)備在國內(nèi)外還不能進(jìn)行有效檢定，不能作為比對試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)器。

因此，在模擬風(fēng)場構(gòu)建時(shí)，選用國外高精度機(jī)械式風(fēng)監(jiān)測設(shè)備作為比對試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)器在試驗(yàn)中使用，該設(shè)備經(jīng)國家氣象部門檢定并符合“1/3~1/10”準(zhǔn)則。

圖2 比對試驗(yàn)?zāi)M風(fēng)場設(shè)備部署俯視示意圖

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 分析方法

通過對標(biāo)準(zhǔn)器的檢定和校準(zhǔn)，確定其系統(tǒng)誤差（誤差表、誤差曲線或計(jì)算公式），對標(biāo)準(zhǔn)器的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，形成約定真值。

在比對試驗(yàn)中，利用標(biāo)準(zhǔn)器修正后的監(jiān)測數(shù)據(jù)與被比對風(fēng)監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行比較，確定被比對風(fēng)監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)樣本的絕對誤差、標(biāo)準(zhǔn)誤差、平均偏差、缺測率和粗差率等特征值。

根據(jù)《地面氣象觀測規(guī)范》第1部分總則（QX/T45-2007）等技術(shù)文件及標(biāo)準(zhǔn)器精度、被比對風(fēng)監(jiān)測設(shè)備精度，確定各特征值范圍要求，驗(yàn)證被比對風(fēng)監(jiān)測設(shè)備的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性是否符合技術(shù)要求。

4.2 樣本建立

參考?xì)庀蟛块T相關(guān)設(shè)備靜態(tài)試驗(yàn)和動態(tài)考核情況，為了確定被比對風(fēng)監(jiān)測設(shè)備的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，單個(gè)被比對風(fēng)監(jiān)測設(shè)備比對時(shí)間為1年，比對內(nèi)容為風(fēng)速秒數(shù)據(jù)。

把標(biāo)準(zhǔn)器及被比對風(fēng)監(jiān)測設(shè)備每天的數(shù)據(jù)定義為一個(gè)樣本，1年的數(shù)據(jù)定義為一個(gè)樣本組，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

4.3 異常值剔除

為了提高數(shù)據(jù)分析的有效性，在確定絕對誤差、標(biāo)準(zhǔn)誤差、平均偏差特征值時(shí)，依據(jù)“三倍標(biāo)準(zhǔn)偏差準(zhǔn)則”對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行異常值剔除。

4.4 分析指標(biāo)

通過對標(biāo)準(zhǔn)器、被比對風(fēng)監(jiān)測設(shè)備風(fēng)速秒數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別計(jì)算出絕對誤差、標(biāo)準(zhǔn)誤差、平均偏差、缺測率、粗差率，其中，絕對誤差、標(biāo)準(zhǔn)誤差評價(jià)被比對風(fēng)監(jiān)測設(shè)備的準(zhǔn)確性，平均偏差、缺測率、粗差率評價(jià)被比對風(fēng)監(jiān)測設(shè)備的穩(wěn)定性。

4.4.1 絕對誤差

式（1）中，△為絕對誤差 ，X為被比對風(fēng)監(jiān)測設(shè)備測量值，L為剔除系統(tǒng)誤差后的標(biāo)準(zhǔn)器測量值。

4.4.2 標(biāo)準(zhǔn)誤差

設(shè)n個(gè)測量值的誤差為E1，E2，…，En，標(biāo)準(zhǔn)誤差為σ。

式（2）中， E =X i – T，E為誤差，X i為被比對風(fēng)監(jiān)測設(shè)備測量值，T為剔除系統(tǒng)誤差后的標(biāo)準(zhǔn)器測量值。

4.4.3 平均偏差

式（3）中， d－為平均偏差，xi為某時(shí)刻被比對風(fēng)監(jiān)測設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)器采集數(shù)據(jù)差的絕對值，n為測量次數(shù)， x－為 xi平均值。

4.4.4 缺測率

缺測率指在規(guī)定時(shí)段內(nèi)，某一氣象要素的缺測次數(shù)與該時(shí)段內(nèi)該要素觀測總數(shù)之比，用百分?jǐn)?shù)表示。

4.4.5 粗差率

根據(jù)異常值剔除時(shí)計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)偏差S，逐個(gè)檢查比對差值，若有|X i- X| > 3S時(shí)，剔除其中一個(gè)最大者，再按計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差的公式計(jì)算新的S，若還有差值|Xi - X | > 3S者，再剔除其中的一個(gè)最大者，又計(jì)算新的S，一直到?jīng)]有數(shù)據(jù)需要剔除為止。

4.5 仿真數(shù)據(jù)分析

本文以高速鐵路系統(tǒng)試驗(yàn)國家工程實(shí)驗(yàn)室安全保障實(shí)驗(yàn)部風(fēng)速秒數(shù)據(jù)作為比對試驗(yàn)的仿真數(shù)據(jù)。使用xi（x1，x2，x3，…，x60）表示被比對設(shè)備采集的風(fēng)速數(shù)據(jù)，使用yi（y1，y2，y3，…，y60）表示標(biāo)準(zhǔn)器采集的風(fēng)速數(shù)據(jù)，使用zi（z1，z2，z3，…，z60）表示同時(shí)刻被比對設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)器采集的風(fēng)速數(shù)據(jù)差值，即zi=xi-yi（i=1，2，…，60）。

被比對設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)器采集的風(fēng)速數(shù)據(jù)（單位為：m/s）如下：

被比對設(shè)備（xi）：3.6，4.2，5，4.5，4.9，5.5，6.5，5.6，5.4，4.8，4.1，3.2，3.2，3.2，2.7，2.8，2.6，2，2.6，3.4，3.8，4.8，5.4，5.4，5.9，6.8，7.1，6.8，8.3，9.3，10.2，10.1，8.1，8.1，6.2，4.1，3，3.1，5.1，4.9，5.1，6.7，3.7，3.7，3.7，3.2，4.3，4.1，3.9，4.4，3.8，3.1，2.8，2.8，4.2，4.7，4.2，2.4，2.8，4.4。

標(biāo)準(zhǔn)器（yi）：3.7，5.3，5.3，5.1，5.3，6，6.3，5.9，5.1，4.4，4，3.9，3.6，3.9，3.3，2.9，2.8，2.6，2.8，3.1，3.7，4.3，5.1，4.8，5.3，5.8，7.3，8.6，8.7，9.1，10.8，10.9，8.6，9.5，7.1，5.6，4.6，4.5，5.6，5.9，5.5，6.5，6，7.3，5.7，6.3，5.8，5.7，5.6，5.3，5.3，5，4.8，5，5.9，6.1，4.9，4.4，4.2，4.8。

剔除異常值（第44個(gè)數(shù)據(jù)組）后，依據(jù)公式（1）可知樣本組的絕對誤差為|zi|（i=1,2,…59），具體數(shù)值如下：

△：0.1，1.1，0.3，0.6，0.4，0.5，0.2，0.3，0.3，0.4，0.1，0.7，0.4，0.7，0.6，0.1，0.2，0.6，0.2，0.3，0.1，0.5，0.3，0.6，0.6，1，0.2，1.8，0.4，0.2，0.6，0.8，0.5，1.4，0.9，1.5，1.6，1.4，0.5，1，0.4，0.2，2.3，2，3.1，1.5，1.6，1.7，0.9，1.5，1.9，2，2.2，1.7，1.4，0.7，2，1.4，0.4。

依據(jù)公式（2）、（3）、（4）和（5），計(jì)算出被比對設(shè)備風(fēng)速數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)誤差、平均偏差、缺測率、粗差率分別為0.83、0.71、0、1.67%。

本比對試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⒃诳諘绲膱鏊覙?biāo)準(zhǔn)器、被比對設(shè)備安裝的高度、間距符合氣象部門地面風(fēng)監(jiān)測要求，屏蔽了傳統(tǒng)風(fēng)洞試驗(yàn)邊界效應(yīng)、支架干擾、相似原理等缺點(diǎn)，數(shù)據(jù)分析方法為氣象部門自動氣象站數(shù)據(jù)分析常規(guī)分析方法，上述仿真數(shù)據(jù)分析可以真實(shí)地反應(yīng)被比對設(shè)備的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性特征值。

5 結(jié)束語

高速鐵路風(fēng)監(jiān)測設(shè)備有效檢定是確保高速鐵路風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)正常運(yùn)行的主要因素之一。依據(jù)氣象部門相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，通過選用符合要求的風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)器，合理調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)器安裝高度、水平距離等參數(shù)，可建立具有同一風(fēng)源的模擬風(fēng)場作為比對實(shí)驗(yàn)環(huán)境。通過對風(fēng)速秒數(shù)據(jù)絕對誤差、標(biāo)準(zhǔn)誤差、平均偏差、缺測率、粗差率等準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性特征值進(jìn)行分析，可為高速鐵路風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)風(fēng)監(jiān)測設(shè)備的檢定工作提供有益的參考。

[1]高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范（試行）.TB10621-2009[S].北京：中國鐵道出版社，2010.

[2] 王 彤.高速鐵路防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)研究與開發(fā)[J].中國鐵路，2009（8）：25-28.

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