包 云，李亞群，馬 禎，陳中雷，白根亮

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司，北京 100081)

風(fēng)對鐵路運營具有顯著影響，國內(nèi)外鐵路普遍加強對大風(fēng)災(zāi)害的防御。JR 東日本新干線建設(shè)了集中信息監(jiān)控系統(tǒng)，綜合監(jiān)測風(fēng)、雨、雪、洪水等氣象災(zāi)害及其次生災(zāi)害[1]，并研發(fā)了強風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)在普速鐵路開展試用[2]；法國高速鐵路也建有風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)[3]。我國高速鐵路隨工程建設(shè)同步建設(shè)了高速鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)(以下簡稱“高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)”)[4-5]，對風(fēng)、雨、雪等氣象要素和地震及異物侵限進行監(jiān)測，當(dāng)風(fēng)、雨、雪監(jiān)測值超過閾值時進行報警，以保障災(zāi)害天氣下的列車運行安全。

關(guān)于大風(fēng)對鐵路的影響，崔新強等[6]對我國1950—2015年間鐵路沿線氣象災(zāi)害及其衍生災(zāi)害進行了分析，得出大風(fēng)是影響我國鐵路運行的主要災(zāi)害之一。氣象災(zāi)害風(fēng)險分析是加強氣象災(zāi)害認知和防御的重要手段。代娟等[7]從氣象災(zāi)害對高速鐵路的影響機理入手，分析制定了高速鐵路氣象災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃方案。張子曰[8]對川藏鐵路沿線氣象風(fēng)險進行了研究。以上是基于高速鐵路沿線氣象部門觀測數(shù)據(jù)的研究。氣象部門觀測站一般與鐵路沿線有一定的距離，受地形地貌等影響，觀測數(shù)據(jù)的空間代表性具有一定的局限性。另外，氣象部門用于業(yè)務(wù)的觀測數(shù)據(jù)時間分辨率一般以2 min或10 min的平均觀測資料為主，而高速鐵路動車組列車運行速度高，指揮列車運行采用瞬時風(fēng)速，對監(jiān)測數(shù)據(jù)的精細化程度要求高。在高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)初期，馬淑紅等[9]探討了結(jié)合氣象和高速鐵路風(fēng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的強風(fēng)風(fēng)險評估方法。高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)積累的風(fēng)雨雪災(zāi)害監(jiān)測、報警數(shù)據(jù)可為高速鐵路沿線氣象災(zāi)害風(fēng)險評估提供更加精細化的基礎(chǔ)資料。結(jié)合高速鐵路風(fēng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究大風(fēng)對列車運行的危險性評估指標(biāo)和方法，為高速鐵路氣象災(zāi)害的精細化監(jiān)測和防御提供借鑒。

1 風(fēng)對鐵路的影響

風(fēng)對鐵路基礎(chǔ)設(shè)施、列車運行、運維等均具有重要的影響。

1.1 風(fēng)對鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的影響

風(fēng)對鐵路橋梁、接觸網(wǎng)、鐵塔、線路、站房等基礎(chǔ)設(shè)施均產(chǎn)生一定的影響。風(fēng)影響橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，橋梁設(shè)計中橋梁構(gòu)造要能夠抵抗風(fēng)荷載的作用，特別是對大跨度橋梁，風(fēng)的動力作用更為突出；風(fēng)影響接觸網(wǎng)穩(wěn)定性，進而影響接觸網(wǎng)系統(tǒng)的安全可靠性、機車動態(tài)受流質(zhì)量及工程投資[10]；強風(fēng)可摧毀鐵塔、損壞輸電線路等；風(fēng)攜帶卷雜的砂石，對列車設(shè)備和軌道造成損壞，風(fēng)吹沙可掩埋鐵路線路，造成行車隱患。

1.2 風(fēng)對列車運行的影響

強風(fēng)是導(dǎo)致列車事故的主要氣象災(zāi)害之一，國內(nèi)外鐵路列車運行均受其影響[2-3]。在強風(fēng)作用下，列車流場特性發(fā)生改變，氣動性能惡化，列車側(cè)向穩(wěn)定性下降，達到臨界狀態(tài)時可能導(dǎo)致列車脫軌或傾覆。當(dāng)列車高速通過在風(fēng)口區(qū)域的特大橋梁、高路堤、丘陵及曲線等特殊路段時，環(huán)境風(fēng)與列車氣動力相互疊加，使列車脫軌、傾覆的可能性大大增加。強風(fēng)不僅影響列車運行效率，嚴重時還會危及旅客生命財產(chǎn)安全。我國蘭新(蘭州西—烏魯木齊)、哈大(哈爾濱西—大連北)、福廈(福州—廈門)等線路常年受到強風(fēng)的干擾。

另外，大風(fēng)可能造成鐵路外部環(huán)境侵限，影響列車運行秩序甚至中斷行車，如大風(fēng)將彩鋼板、塑料袋、風(fēng)箏、防塵網(wǎng)等異物吹入鐵路限界內(nèi)、懸掛在接觸網(wǎng)上等，造成列車大面積晚點甚至停運。

1.3 風(fēng)對鐵路運維的影響

大風(fēng)增加了鐵路運維工作量，對于易受大風(fēng)影響而促發(fā)行車安全的隱患需要進行實時排查，如上道巡檢或調(diào)取綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)對重點防護地段進行盯控。另外，鐵路天窗的設(shè)置維護應(yīng)避開大風(fēng)頻發(fā)的時段，以保障運維人員安全，提高運維效率。

2 大風(fēng)危險性分析

災(zāi)害風(fēng)險分析是進行災(zāi)害防治的基礎(chǔ)和前提，鐵路大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險是由致災(zāi)因子(大風(fēng))的危險性及其對承災(zāi)體的易損性作用的結(jié)果。大風(fēng)危險性和承災(zāi)體的易損性是大風(fēng)風(fēng)險分析的組成部分，其中大風(fēng)是災(zāi)害的誘發(fā)因素，大風(fēng)危險性分析是進行大風(fēng)風(fēng)險評估的基礎(chǔ)和前提。鐵路大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險評估因素如圖1所示。

圖1 鐵路大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險評估因素Fig.1 Risk assessment factors of railway wind disasters

鐵路不同承災(zāi)體(線路、橋梁、接觸網(wǎng)、鐵塔等基礎(chǔ)設(shè)施及運行中的列車等)對同樣的致災(zāi)因子大風(fēng)的易損性(包括暴露性、脆弱性、敏感性和防災(zāi)減災(zāi)能力)不盡相同。對于承災(zāi)體的易損性，很難定量評估，一般針對某一類承災(zāi)體采用定量和定性相結(jié)合的方法進行評估[7-9,11]。通過重點定量研究致災(zāi)因子大風(fēng)的危險性，為大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險的識別和防治提供支撐。

2.1 大風(fēng)危險性評價因子的選擇

建立評價指標(biāo)體系是進行大風(fēng)危險性評估的前提，氣象災(zāi)害危險性評估一般采用災(zāi)害強度和災(zāi)變頻率(或災(zāi)變可能性)度量。

高速鐵路通過在沿線接觸網(wǎng)支柱上設(shè)置風(fēng)監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測鐵路沿線大風(fēng)，采用風(fēng)速進行報警，根據(jù)《鐵路技術(shù)管理規(guī)程(高速鐵路部分)》[12]，大風(fēng)天氣下行車規(guī)定如表1所示。通過對風(fēng)速的實時監(jiān)測，將瞬時風(fēng)速分為5個等級，對于設(shè)計速度300 km/h以上的線路，大風(fēng)限速等級分為4級。當(dāng)風(fēng)速超過閾值時，高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出報警，列車調(diào)度員根據(jù)報警信息指揮列車運行。一般以災(zāi)害發(fā)生的頻率即報警次數(shù)衡量災(zāi)害危險性[11]，研究認為報警次數(shù)不足以反映大風(fēng)的持續(xù)特征，因而采用大風(fēng)報警次數(shù)、強度和持續(xù)時間作為大風(fēng)危險性評價指標(biāo)。報警次數(shù)與報警時間的乘積為累計報警持續(xù)時間，考慮采用不同等級大風(fēng)報警累計持續(xù)時間作為指標(biāo)衡量大風(fēng)危險性。

表1 大風(fēng)天氣下行車規(guī)定Tab.1 Train operation restrictions in windy weather

2.2 大風(fēng)危險性評估方法

對于氣象災(zāi)害危險性評估，一般采用專家打分法、等級賦值法、熵權(quán)法等[11,13-16]。為定量刻畫大風(fēng)災(zāi)害的危險性，采用熵權(quán)法[17]進行高速鐵路大風(fēng)災(zāi)害危險性評估，通過各監(jiān)測點大風(fēng)危險性指數(shù)計算各監(jiān)測點大風(fēng)危險性。第i個監(jiān)測點大風(fēng)危險性指數(shù)的計算公式為

式中：Ri為第i(i= 1，2，…，n)個監(jiān)測點大風(fēng)危險性指數(shù)；pij為第i個監(jiān)測點第j(j= 1，2，…，m)等級大風(fēng)報警持續(xù)時間占所有監(jiān)測點大風(fēng)報警持續(xù)時間的比重；wj為第j等級大風(fēng)報警危險性指標(biāo)權(quán)重。

基于歷年高速鐵路沿線大風(fēng)報警數(shù)據(jù)，采用熵權(quán)法計算大風(fēng)危險性評估指標(biāo)權(quán)重。第j等級大風(fēng)報警危險性的熵權(quán)計算公式為

式中：Hj為第j等級大風(fēng)報警危險性的熵權(quán)值；pij=為第i個監(jiān)測點第j等級大風(fēng)報警累計持續(xù)時間aij標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果，標(biāo)準(zhǔn)化計算公式為

則第j等級大風(fēng)報警危險性的權(quán)重計算公式為

3 實例分析

以某鐵路局集團公司管內(nèi)3條線路大風(fēng)危險性計算為例，基于2019年1月至2021年3月數(shù)據(jù)，對高速鐵路大風(fēng)災(zāi)害的危險性進行評估。計算該段時間內(nèi)各監(jiān)測點4個等級累計大風(fēng)報警持續(xù)時間 ，通過公式⑶計算各等級大風(fēng)報警的指標(biāo)權(quán)重，基于大風(fēng)報警累計時間的大風(fēng)危險性評估指標(biāo)權(quán)重如表2所示。從表2可以看出大風(fēng)四級報警指標(biāo)權(quán)重最大，說明該區(qū)域3條線路存在停輪以上的大風(fēng)報警，并且占比較大。

基于大風(fēng)報警次數(shù)的大風(fēng)危險性評估指標(biāo)權(quán)重如表3所示，從表2、表3可以看出，基于報警累計持續(xù)時間和報警次數(shù)計算的大風(fēng)不同等級報警指標(biāo)權(quán)重不同?；趫缶螖?shù)計算的大風(fēng)二級報警指標(biāo)權(quán)重大于累計持續(xù)時間計算的指標(biāo)權(quán)重，說明該線路大風(fēng)二級報警次數(shù)較多，但持續(xù)時間較短。研究認為，以報警累計持續(xù)時間計算的結(jié)果更加合理，不僅反映了大風(fēng)發(fā)生的頻率，同時反映了大風(fēng)作用的時間。

表2 基于大風(fēng)報警累計時間的大風(fēng)危險性評估指標(biāo)權(quán)重Tab.2 Weight of wind risk assessment indexes based on the accumulated time of wind alarm

表3 基于大風(fēng)報警次數(shù)的大風(fēng)危險性評估指標(biāo)權(quán)重Tab.3 Weight of wind risk assessment indexes based on the times of wind alarm

根據(jù)公式 ⑴，3條高速鐵路沿線大風(fēng)危險性指數(shù)計算結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，該線路的東部區(qū)域，尤其是紅色和橙色顯示的區(qū)域大風(fēng)危險性指數(shù)較高，是大風(fēng)危險區(qū)域。

圖2 3條高速鐵路沿線大風(fēng)危險性指數(shù)計算結(jié)果Fig.2 Analysis results of wind risk indexes of three lines in an area

基于不同線路大風(fēng)報警數(shù)據(jù)，大風(fēng)風(fēng)險評估指標(biāo)權(quán)重可能不同，基于大風(fēng)報警持續(xù)時間計算的對照線路的大風(fēng)危險性評估指標(biāo)權(quán)重如表4所示，其權(quán)重與上述3條線路的權(quán)重不同，4個等級大風(fēng)指標(biāo)權(quán)重相同。對照線路的大風(fēng)危險性計算結(jié)果如圖3所示，從圖3可以看出，對照線路的中部區(qū)域為大風(fēng)重點發(fā)生區(qū)域。

表4 對照線路的大風(fēng)危險性評估指標(biāo)權(quán)重Tab.4 The weight of wind risk assessment indexes of compared lines

圖3 對照線路的大風(fēng)危險性計算結(jié)果Fig.3 The results of wind risk calculating of compared lines

基于以上危險性分析結(jié)果，結(jié)合各線路地形地貌情況和風(fēng)的影響范圍，即可進行大風(fēng)危險性區(qū)劃。假設(shè)風(fēng)監(jiān)測點影響范圍為上一個風(fēng)監(jiān)測點至本監(jiān)測點中間的區(qū)段和本監(jiān)測點至下一個監(jiān)測點中間的區(qū)段，除去隧道，上述3條線路的大風(fēng)危險性區(qū)劃示意圖如圖4所示。基于該結(jié)果可進行大風(fēng)災(zāi)害的重點防御，如進行監(jiān)測資源的優(yōu)化調(diào)整，風(fēng)險高的區(qū)域可補強監(jiān)測點，風(fēng)險低的區(qū)域可使監(jiān)測點的設(shè)置更加稀疏化，以降低災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)運維工作量。工務(wù)、電務(wù)等部門基于該結(jié)果可有針對性地制定大風(fēng)天氣下的出巡計劃等。

圖4 大風(fēng)危險性區(qū)劃示意圖Fig.4 Schematic diagram of wind risk zoning

由于高速鐵路風(fēng)監(jiān)測點設(shè)置在沿線，同時，監(jiān)測秒級瞬時風(fēng)速，對風(fēng)速的反映更加細致，尤其是極值風(fēng)速，可更加精細化地捕捉高速鐵路沿線風(fēng)的特征。與基于氣象歷史觀測數(shù)據(jù)的大風(fēng)危險性區(qū)劃[8]相比，基于高速鐵路長期歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)的大風(fēng)危險性分析更能代表高速鐵路沿線大風(fēng)的特征，有助于大風(fēng)的精細化監(jiān)測，以及監(jiān)測資源有針對性的配置和優(yōu)化調(diào)整、鐵路沿線大風(fēng)災(zāi)害有的放矢的防御；而基于氣象觀測數(shù)據(jù)的大風(fēng)危險性分析可為無鐵路沿線監(jiān)測資料情況下的鐵路選線等設(shè)計服務(wù)。

4 結(jié)束語

對不同線路大風(fēng)報警數(shù)據(jù)的計算表明，不同線路大風(fēng)危險性指標(biāo)權(quán)重不同。采用大風(fēng)危險性指標(biāo)權(quán)重計算大風(fēng)危險性指數(shù)，進而對大風(fēng)危險性進行區(qū)劃，可得出各線路大風(fēng)危險區(qū)段，為高速鐵路大風(fēng)風(fēng)險識別、大風(fēng)精細化監(jiān)測、風(fēng)監(jiān)測資源優(yōu)化配置和大風(fēng)有針對性的防御提供支撐。與基于氣象觀測數(shù)據(jù)的大風(fēng)危險性區(qū)劃相比，基于高速鐵路風(fēng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的大風(fēng)危險性分析對風(fēng)的特征反映更加細致，更能代表高速鐵路沿線的大風(fēng)特征。基于該方法，可進行高速鐵路沿線雨、雪等氣象災(zāi)害危險性分析，研究可為高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)化、運維及高速鐵路氣象災(zāi)害防御等提供參考。