王 瑞

WANG Rui

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院?研究生部，北京?100081）

(Postgraduate Department， China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081， China)

0 引言

鐵路行車安全面臨復(fù)雜的自然災(zāi)害及突發(fā)事故威脅[1-2]，大風(fēng)作為其中的一個(gè)因素，對(duì)鐵路運(yùn)輸安全具有重要影響，各國(guó)由強(qiáng)風(fēng)造成的安全事故時(shí)有發(fā)生。因此，國(guó)外高速鐵路發(fā)達(dá)的國(guó)家均比較重視對(duì)鐵路強(qiáng)風(fēng)的研究，并建設(shè)了相應(yīng)的大風(fēng)監(jiān)測(cè)(預(yù)警) 系統(tǒng)[3-7]。例如，日本的強(qiáng)風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)[3]和法國(guó)的大風(fēng)報(bào)警系統(tǒng)[4]等。

我國(guó)高速鐵路自京津城際鐵路 (北京南—天津)開始，隨工程同步建設(shè)了高速鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng) (以下簡(jiǎn)稱“災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”)，大風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為其中的一個(gè)子系統(tǒng)，為列車運(yùn)行提供大風(fēng)速報(bào)警信息和運(yùn)營(yíng)管理建議，以確保列車運(yùn)行安全。截至 2017 年底，我國(guó)開通運(yùn)營(yíng)的高速鐵路已超過 2.5 萬 km，除昆玉河鐵路 (昆明—河口) 不滿足設(shè)置條件外，其他高速鐵路均建設(shè)了大風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)為列車在大風(fēng)環(huán)境下的運(yùn)營(yíng)發(fā)揮了重要的安全技術(shù)保障作用。

合理的大風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用規(guī)則是決定大風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用效果的關(guān)鍵，特別是大風(fēng)報(bào)警限速區(qū)段和報(bào)警解除時(shí)限的設(shè)置，直接影響列車運(yùn)行安全、運(yùn)行效率和調(diào)度員大風(fēng)報(bào)警處置工作。國(guó)外大風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用規(guī)則的設(shè)置主要依據(jù)系統(tǒng)建設(shè)初期的試驗(yàn)、運(yùn)營(yíng)過程中積累的經(jīng)驗(yàn)等。例如，法國(guó)大風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)要經(jīng)過長(zhǎng)達(dá) 1.5～2 年的試驗(yàn)；日本早期通過所謂的大風(fēng)管制措施降低強(qiáng)風(fēng)的危害，運(yùn)用規(guī)則的設(shè)置一般依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，閾值設(shè)置相對(duì)保守，當(dāng)風(fēng)速低于閾值并持續(xù) 30 min 后解除管制，該規(guī)則中由于強(qiáng)風(fēng)管制對(duì)列車運(yùn)行效率影響較大，研發(fā)了強(qiáng)風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)，在實(shí)測(cè)風(fēng)速和最大預(yù)測(cè)風(fēng)速均低于閾值時(shí)即時(shí)解除管制，列車運(yùn)行管制時(shí)間平均縮短20%～30%，大大提高了鐵路運(yùn)營(yíng)效率[8]。目前，我國(guó)高速鐵路對(duì)大風(fēng)報(bào)警規(guī)則的研究還較少，特別是結(jié)合大風(fēng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)相關(guān)運(yùn)用規(guī)則進(jìn)行的后評(píng)估優(yōu)化研究，運(yùn)用中存在限速區(qū)段交叉重疊嚴(yán)重、報(bào)警解除時(shí)限不合理等問題，導(dǎo)致調(diào)度員大風(fēng)報(bào)警處置繁瑣，嚴(yán)重影響了列車運(yùn)行效率，亟需開展優(yōu)化研究。

1 高速鐵路大風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用現(xiàn)狀分析

目前，大風(fēng)報(bào)警限速區(qū)段一般設(shè)置為發(fā)生報(bào)警監(jiān)測(cè)點(diǎn)的上一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)至下一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的區(qū)段，限速區(qū)段存在嚴(yán)重的交叉限速問題，即現(xiàn)場(chǎng)所謂的“套袖”。當(dāng)多點(diǎn)發(fā)生不同級(jí)別的大風(fēng)報(bào)警時(shí)，限速區(qū)段和限速等級(jí)需調(diào)度人員人工設(shè)置，邏輯判斷復(fù)雜，處置繁瑣。大風(fēng)報(bào)警限速區(qū)段“套袖”示例如圖 1 所示。當(dāng)大風(fēng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1發(fā)生大風(fēng)二級(jí)報(bào)警，限速區(qū)段為 A-C，在該報(bào)警尚未解除時(shí)，大風(fēng)監(jiān)測(cè)點(diǎn) 2 發(fā)生大風(fēng)一級(jí)報(bào)警，限速區(qū)段為 B-D，此時(shí)B-C 為“套袖”區(qū)間，采用高級(jí)別報(bào)警。之后大風(fēng)監(jiān)測(cè)點(diǎn) 1 達(dá)到大風(fēng)報(bào)警解除條件，區(qū)段 A-C 解除大風(fēng)報(bào)警，但大風(fēng)監(jiān)測(cè)點(diǎn) 2 尚未達(dá)到報(bào)警解除條件，此時(shí)，調(diào)度員需要重新設(shè)置 B-C 區(qū)間為一級(jí)報(bào)警限速。個(gè)別鐵路局集團(tuán)有限公司為降低大風(fēng)報(bào)警處置的難度，大風(fēng)報(bào)警限速區(qū)段采用大風(fēng)報(bào)警監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在左側(cè)區(qū)段的中心至右側(cè)區(qū)段中心的區(qū)段作為大風(fēng)報(bào)警限速區(qū)段，以避免“套袖”情況。大風(fēng)報(bào)警限速區(qū)段“不套袖”示例如圖 2 所示。

依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，大風(fēng)報(bào)警解除時(shí)限采用風(fēng)速低于報(bào)警閾值并持續(xù) 10 min 后解除當(dāng)前報(bào)警的方式。國(guó)外大風(fēng)報(bào)警解除時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。例如，東日本旅客鐵路公司運(yùn)營(yíng)的線路，未安裝強(qiáng)風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)的線路，在風(fēng)速低于閾值并持續(xù) 30 min 后解除報(bào)警；法國(guó)在風(fēng)速風(fēng)向低于閾值并持續(xù) 15 min 后解除報(bào)警。我國(guó)高速鐵路縱橫于廣大的國(guó)土范圍內(nèi)，各線路面臨的風(fēng)災(zāi)類型也不盡相同，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用對(duì)報(bào)警解除時(shí)間的需求也不盡相同。經(jīng)調(diào)研，部分受大風(fēng)影響較小的線路，縮短了大風(fēng)報(bào)警解除時(shí)限，在風(fēng)速低于報(bào)警閾值并持續(xù) 5 min 后即解除當(dāng)前大風(fēng)報(bào)警，以降低對(duì)列車運(yùn)行效率的影響；而對(duì)部分大風(fēng)報(bào)警頻繁的線路，按照風(fēng)速低于報(bào)警閾值并持續(xù) 10 min 后解除當(dāng)前報(bào)警，通常幾分鐘內(nèi)系統(tǒng)再次發(fā)出報(bào)警限速，調(diào)度需重新設(shè)置大風(fēng)限速，大風(fēng)報(bào)警處置頻繁，調(diào)度員處置困難，特別是在大風(fēng)季節(jié)，因而在實(shí)際執(zhí)行中，在大風(fēng)達(dá)到限速解除條件后，調(diào)度員仍然需要觀察一段時(shí)間，待大風(fēng)情況平穩(wěn)后再解除報(bào)警限速。

圖 1 大風(fēng)報(bào)警限速區(qū)段“套袖”示例Fig.1 Illustration of train operation restriction section with “overlaps”

圖 2 大風(fēng)報(bào)警限速區(qū)段“不套袖”示例Fig.2 Illustration of train operation restriction section without“overlaps”

綜上所述，高速鐵路大風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大風(fēng)報(bào)警限速區(qū)段、報(bào)警解除時(shí)限的設(shè)置直接影響了大風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)用效果和列車的運(yùn)行效率，亟需進(jìn)一步優(yōu)化研究。通過大風(fēng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的仿真分析，對(duì)大風(fēng)報(bào)警限速區(qū)段、報(bào)警解除時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，以提高調(diào)度員大風(fēng)報(bào)警的處置效率，降低調(diào)度人員的工作量。

2 高速鐵路大風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用規(guī)則優(yōu)化研究

2.1 大風(fēng)報(bào)警限速區(qū)段優(yōu)化

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，目前高速鐵路大風(fēng)報(bào)警限速區(qū)段設(shè)置有 2 種方式，一是限速區(qū)段重疊，即大風(fēng)報(bào)警限速區(qū)段為發(fā)生報(bào)警監(jiān)測(cè)點(diǎn)的上一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)至下一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的區(qū)段；二是限速區(qū)段不重疊，即限速區(qū)段從監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在左側(cè)區(qū)段的中心至右側(cè)區(qū)段的中心位置，并取整公里標(biāo)作為限速區(qū)段。限速區(qū)段的設(shè)置需要考慮調(diào)度員大風(fēng)報(bào)警處置和大風(fēng)限速對(duì)列車運(yùn)行效率的影響，以調(diào)度員大風(fēng)報(bào)警處置次數(shù)盡可能少、由大風(fēng)報(bào)警導(dǎo)致列車限速的時(shí)間盡可能短為優(yōu)。針對(duì)限速區(qū)段重疊和不重疊的方案，以某線路沿線 23 處大風(fēng)監(jiān)測(cè)點(diǎn) 2016 年 1 月至 6 月期間大風(fēng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行模擬仿真，限速區(qū)段重疊和不重疊情況下報(bào)警處置次數(shù)和列車運(yùn)行影響時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表 1 所示。

表 1 限速區(qū)段重疊和不重疊情況下報(bào)警處置次數(shù)和列車運(yùn)行影響時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of dispatchers’ disposal times and trains operation impact time caused by wind alarm under train operation restriction section with “overlaps” and without “overlaps”

由表 1 可以看出，限速區(qū)段不重疊的大風(fēng)報(bào)警限速方案累計(jì)報(bào)警處置次數(shù)比限速區(qū)段重合時(shí)減少 21.3%，大風(fēng)報(bào)警對(duì)列車運(yùn)行的影響時(shí)間減少39.5%，調(diào)度員大風(fēng)報(bào)警處置次數(shù)和大風(fēng)報(bào)警對(duì)列車運(yùn)行效率影響均有明顯降低。因此，建議采用限速區(qū)段不重疊的大風(fēng)報(bào)警限速方式，以減少調(diào)度人員的工作量，并提高列車在大風(fēng)天氣下的運(yùn)行效率。

2.2 大風(fēng)報(bào)警解除時(shí)限優(yōu)化

對(duì)于報(bào)警解除時(shí)限的優(yōu)化，分別選取第 1 節(jié)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的 2 種典型線路進(jìn)行分析，即一種是需要縮短報(bào)警解除時(shí)限的線路，以某線路L1為代表；另一種是需要延長(zhǎng)報(bào)警解除時(shí)限的線路，以某線路L2為代表。報(bào)警解除時(shí)限的優(yōu)化目標(biāo)是使得由于大風(fēng)報(bào)警導(dǎo)致的鐵路列車運(yùn)行效率降低盡可能小。由于運(yùn)行效率由大風(fēng)報(bào)警限速對(duì)列車運(yùn)行的影響時(shí)間和調(diào)度員報(bào)警處置次數(shù)共同體現(xiàn)，因而應(yīng)在較少的調(diào)度員大風(fēng)報(bào)警處置次數(shù)條件下，使得大風(fēng)報(bào)警對(duì)列車運(yùn)行的影響時(shí)間盡可能短。為定量刻畫列車影響時(shí)長(zhǎng)、調(diào)度報(bào)警處置次數(shù)與報(bào)警解除時(shí)間之間的關(guān)系，對(duì)大風(fēng)報(bào)警影響時(shí)長(zhǎng)增長(zhǎng)率與調(diào)度員報(bào)警處置次數(shù)減少率的比值進(jìn)行量化分析，具體公式可表示為

式中：α為大風(fēng)報(bào)警影響時(shí)長(zhǎng)增長(zhǎng)率與調(diào)度員報(bào)警處置次數(shù)減少率的比值，當(dāng)α＜1 時(shí)表示調(diào)度員報(bào)警處置次數(shù)的減少率高于大風(fēng)報(bào)警對(duì)列車影響時(shí)長(zhǎng)的增長(zhǎng)率，當(dāng)α＞1 時(shí)表示調(diào)度員報(bào)警處置次數(shù)的減少率低于大風(fēng)報(bào)警對(duì)列車影響時(shí)長(zhǎng)的增長(zhǎng)率，當(dāng)α取值最小時(shí)表示調(diào)度員報(bào)警處置次數(shù)的減少率與大風(fēng)報(bào)警對(duì)列車影響時(shí)長(zhǎng)的增長(zhǎng)率比值整體達(dá)到最優(yōu)值；Tt- 為大風(fēng)報(bào)警對(duì)列車運(yùn)行的影響時(shí)間，在統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)，計(jì)算風(fēng)速達(dá)到報(bào)警條件時(shí)開始報(bào)警，風(fēng)速低于報(bào)警閾值并持續(xù)時(shí)間后解除報(bào)警的時(shí)間，(報(bào)警結(jié)束時(shí)間-報(bào)警開始時(shí)間)，min；為報(bào)警解除時(shí)限為時(shí)的報(bào)警處置次數(shù)，次；為大風(fēng)報(bào)警解除時(shí)限，為便于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度人員使用，取整數(shù)值， min。

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的 2 種典型線路L1和L2，分別計(jì)算大風(fēng)報(bào)警使列車影響時(shí)長(zhǎng)增長(zhǎng)率與調(diào)度報(bào)警處置次數(shù)減少率的比值α與報(bào)警解除時(shí)間的關(guān)系。α與報(bào)警解除時(shí)間的關(guān)系如圖 3所示。從圖 3a 中可以看出，對(duì)于線路L1，大風(fēng)報(bào)警解除時(shí)限取 10 min 時(shí)，α最小，因而線路L1最優(yōu)的大風(fēng)報(bào)警解除時(shí)間理論值為 10 min。同時(shí)可以看出，報(bào)警解除時(shí)限取 5，6，7，9 min 時(shí)，α的值相對(duì)也較低，因而建議大風(fēng)報(bào)警解除時(shí)限取 10 min，具體設(shè)置可依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求在 5～10 min 取值。從圖 3b 可以看出，對(duì)于線路L2，大風(fēng)報(bào)警解除時(shí)限取 21 min 時(shí)，α最小，因而線路L2的最優(yōu)報(bào)警解除時(shí)間為 21 min。

圖 3 α 與報(bào)警解除時(shí)間的關(guān)系Fig.3 The relationship between α and wind alarm release time

從圖 3 中可以看出，線路L1和L2的大風(fēng)特點(diǎn)有顯著差別，線路L1中，α均大于 1，說明大風(fēng)報(bào)警對(duì)列車影響時(shí)長(zhǎng)的增長(zhǎng)率大于調(diào)度員報(bào)警處置次數(shù)的減少率，由于該線路不是大風(fēng)頻繁發(fā)生的線路，因而相對(duì)于調(diào)度員的處置工作量，大風(fēng)報(bào)警對(duì)列車運(yùn)行的影響較大。而對(duì)于線路L2，除個(gè)別點(diǎn)外，α基本均小于 1，說明調(diào)度員報(bào)警處置次數(shù)的減少率大于大風(fēng)報(bào)警對(duì)列車影響時(shí)長(zhǎng)的增長(zhǎng)率，由于該線路大風(fēng)頻繁發(fā)生，因而調(diào)度員大風(fēng)報(bào)警的處置工作量較大。

3 研究結(jié)論

高速鐵路大風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大風(fēng)報(bào)警限速區(qū)段、報(bào)警解除時(shí)限對(duì)列車運(yùn)行效率、調(diào)度員處置工作具有重要影響，基于大風(fēng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)仿真分析，對(duì)高速鐵路大風(fēng)報(bào)警限速區(qū)段和報(bào)警解除時(shí)限進(jìn)行了優(yōu)化，得出以下結(jié)論。

（1）大風(fēng)報(bào)警限速區(qū)段不重疊的設(shè)置方案比限速區(qū)段重疊的設(shè)置方案可明顯減少調(diào)度員大風(fēng)報(bào)警處置的次數(shù)和對(duì)列車運(yùn)行效率的影響。因此，建議大風(fēng)報(bào)警限速區(qū)段采用不重疊的設(shè)置方案。

（2）綜合考慮調(diào)度員報(bào)警處置次數(shù)和對(duì)列車運(yùn)行影響時(shí)間，線路L1最優(yōu)的大風(fēng)報(bào)警解除時(shí)間為10 min，線路L2最優(yōu)的大風(fēng)報(bào)警解除時(shí)間為 21 min。考慮到每條線路大風(fēng)特點(diǎn)，建議全路災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大風(fēng)報(bào)警解除時(shí)限不宜采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，而是在各線路大風(fēng)監(jiān)測(cè)歷史數(shù)據(jù)分析、線路受大風(fēng)的影響特點(diǎn)分析等的基礎(chǔ)上按線路大風(fēng)的特點(diǎn)進(jìn)行分別設(shè)置。

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