秦成文

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

關鍵詞：城際鐵路；風雨監(jiān)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(chǎn)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(wěn)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(fā)生，造成了巨大的經(jīng)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(jiān)測系統(tǒng)是確保行車安全的有效措施之一，該系統(tǒng)對重點地段雨量進行實時監(jiān)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(nèi)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(jīng)歷32次強降雨，省內(nèi)高速鐵路風雨限速總共發(fā)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(qū)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(fā)生；因此，在鐵路沿線設置風雨監(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)應用現(xiàn)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(jiān)測系統(tǒng)，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(jiān)測系統(tǒng)主要有兩種形式：第一種是綜合運營管理系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，例如日本；第二種是完全獨立的系統(tǒng)，例如德法。

日本高速鐵路綜合防災安全監(jiān)控系統(tǒng)所監(jiān)測的內(nèi)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(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容主要包括風、雨、雪、塌方等。法國高鐵災害監(jiān)測系統(tǒng)由眾多獨立的系統(tǒng)組成。風監(jiān)測系統(tǒng)由現(xiàn)場采集設備、車站設備和中心設備組成；系統(tǒng)將監(jiān)測報警信息同時發(fā)送給調(diào)度中心、CTC控車系統(tǒng)、車站設備和報警器。表1總結了日法德三國鐵路防災監(jiān)測系統(tǒng)。

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(fā)生頻率高、分布范圍廣等特點。我國的高速鐵路災害監(jiān)測系統(tǒng)是伴隨高鐵而發(fā)展的一個新系統(tǒng)，系統(tǒng)建設與高速鐵路建設同步完成，同步開通。系統(tǒng)主要由現(xiàn)場監(jiān)測設備、監(jiān)控單元、監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設備、終端及傳輸通道等構成，并與調(diào)度指揮和信號等系統(tǒng)相互連通。風監(jiān)測系統(tǒng)和雨量監(jiān)測系統(tǒng)是高速鐵路災害監(jiān)測系統(tǒng)中重要的兩個子系統(tǒng)。目前，我國設計速度達到200km/h的鐵路均設置了災害監(jiān)測系統(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）本文研究內(nèi)容

本文擬根據(jù)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(jiān)測系統(tǒng)風、雨監(jiān)測子系統(tǒng)的監(jiān)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(jiān)測數(shù)據(jù)分析，評估了系統(tǒng)的可靠性。

1 佛肇城際鐵路風雨監(jiān)測點布置優(yōu)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(jiān)測點的位置進行了調(diào)查研究以及局部優(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)，結合現(xiàn)場地形條件對風監(jiān)測布點方案進行局部優(yōu)化。優(yōu)化過程中主要依據(jù)以下原則進行：

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

（2）高橋、高路堤、埡口、峽谷等特殊區(qū)段考慮風速提高因子。

（3）對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)以風速最不利位置作為大風監(jiān)測點。

最終在佛肇城際沿線設置獅山特大橋、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處風監(jiān)測點。圖1為大圍基特大橋和羚山特大橋現(xiàn)場實況。

圖1 大風監(jiān)測點地理位置信息現(xiàn)場踏勘人員通過手持測風儀對所選的風監(jiān)測點進行多次現(xiàn)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(jīng)統(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)工程設計暫行規(guī)定》的要求。

根據(jù)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(shù)據(jù)資料和現(xiàn)場踏勘情況，以及距離監(jiān)測系統(tǒng)基站的距離等，對雨量監(jiān)測點進行了優(yōu)化布置；優(yōu)化后在佛肇城際鐵路沿線設置6處雨量監(jiān)測點，見表3。雨量監(jiān)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(jiān)測系統(tǒng)工程設計暫行規(guī)定》的要求。圖2為雨量監(jiān)測點典型地形地貌示例。

2 傳感器選型

鐵路大風監(jiān)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(jīng)常維修，超聲波式風速儀在電磁干擾下容易出現(xiàn)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(jīng)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(nèi)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(jīng)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(yōu)點在于能夠連續(xù)測量、準確度高、維護簡單，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式雨量計。

3 系統(tǒng)可靠性分析

自2016年佛肇城際鐵路風雨監(jiān)測系統(tǒng)投入運用以來，因為大風引起的限速共發(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；因為大雨引起的限速總共發(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)錯報誤報等情況，未出現(xiàn)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(jiān)測系統(tǒng)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(huán)境特性，通過局部優(yōu)化，確定了風速風向12個監(jiān)測點和雨量6個監(jiān)測點的具體布設位置；根據(jù)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(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，證實佛山至肇慶城際鐵路沿線風雨監(jiān)測系統(tǒng)安全可靠，能夠為列車行車安全提供保證。

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