庾新原

（貴陽市城市軌道交通集團(tuán)有限公司運營分公司，貴州 貴陽 550081）

0 引言

城市軌道交通是采用全封閉或部分封閉的雙向軌道，以多輛車輛編組形成列車組，是一種大容量、高速度的交通工具，并具有安全、舒適、環(huán)保等特點。城市軌道交通系統(tǒng)按線路敷設(shè)方式劃分，可以分為地下線路、地面線路、高架線路。城市軌道交通高架線路受氣候影響較大，遇霧、霾、雨、雪等惡劣天氣影響列車瞭望，遇大風(fēng)、臺風(fēng)、暴雨等天氣需限速、停運，極端自然災(zāi)害下甚至?xí)斐闪熊囘\行脫軌、傾覆等危險。

1 高架線路簡介

1.1 高架線路的定義

高架線路即軌道交通車輛運行在連續(xù)的、帶狀的高架橋上的軌道交通系統(tǒng)。高架線路一般由梁體、支座、橋墩、橋臺、墩臺、拉索以及燈光照明、橋面鋪裝、排水防水系統(tǒng)、欄桿附屬設(shè)施等組成。

高架線路應(yīng)按照100年設(shè)計使用年限，滿足列車安全運行和乘客乘坐舒適的要求，線路結(jié)構(gòu)應(yīng)具備列車高速運行所需的設(shè)計強(qiáng)度以及豎向、橫向剛度，并保證線路結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。區(qū)間橋梁的建筑結(jié)構(gòu)形式應(yīng)滿足城市景觀和減震、降噪的要求，除大跨度需要外，一般不采用鋼結(jié)構(gòu)。

1.2 高架線路的優(yōu)缺點

高架線路的優(yōu)勢顯著，主要體現(xiàn)在高架線路在建設(shè)階段建設(shè)速度快、成本低、安全風(fēng)險小，在運營階段，乘客觀感好、運營維護(hù)成本低、應(yīng)急救援難度小，但劣勢也較為明顯，在噪聲震動、電磁輻射、城市景觀方面存在明顯的不足，特別是城市軌道交通高架線路暴露于露天環(huán)境，運行中受氣候影響較大。

2 天氣對高架線路的影響

2.1 大風(fēng)（含臺風(fēng)）

大風(fēng)天氣可能產(chǎn)生異物侵限、區(qū)間設(shè)備設(shè)施松動（松脫）、接觸網(wǎng)掛異物等，從而導(dǎo)致列車延誤，影響正常運營；特別是高架線路在強(qiáng)側(cè)風(fēng)作用下，將造成車、梁及墩的劇烈振動，由于高墩穩(wěn)定性較差，加劇車輛運行的不穩(wěn)定性，可能出現(xiàn)列車脫軌、傾覆。

根據(jù)交通運輸部《城市軌道交通行車組織管理辦法》（交運規(guī)〔2019〕14 號，以下簡稱《辦法》）第三十二條規(guī)定：風(fēng)力達(dá)到7 級時，城市軌道交通高架線路的地鐵列車應(yīng)限速60km/h 運行；當(dāng)風(fēng)力達(dá)到8 級時，應(yīng)限速25km/h 運行；當(dāng)風(fēng)力達(dá)到9 級及以上時，應(yīng)停止運行。

2.2 大霧

大霧可能造成瞭望距離不足，導(dǎo)致列車延誤、中斷行車。根據(jù)前述條款規(guī)定，遇霧、霾等惡劣天氣造成列車運行瞭望困難時，應(yīng)打開列車前照燈，適時鳴笛，并按照下述限速要求運行：當(dāng)瞭望距離不足100m、50m、30m 時，運行速度分別不應(yīng)超過50km/h、30km/h、15km/h；瞭望距離不足5m 時，應(yīng)立即停止列車運行。

2.3 暴雨

暴雨可能造成瞭望距離不足，導(dǎo)致列車延誤、中斷行車。此時，高架線路軌行區(qū)易產(chǎn)生線路積水，一般而言，暴雨天氣瞭望困難時，按照前述條款大霧造成瞭望距離不足相關(guān)要求組織列車限速運行或停運。同時，列車司機(jī)加強(qiáng)線路積水情況的確認(rèn)：當(dāng)積水浸到軌底時，該區(qū)段限速40km/h 運行；當(dāng)積水浸到軌腰時，該區(qū)段限速25km/h 運行；當(dāng)積水漫過軌面時，該區(qū)段嚴(yán)禁通過。

2.4 寒潮

寒潮可能造成接觸網(wǎng)結(jié)冰、跳閘失電等，導(dǎo)致車站或正線大面積停電、受電弓無法取電等。

2.5 暴雪

暴雪可能造成能見度較低、道岔故障、軌行區(qū)覆雪等，導(dǎo)致列車延誤、行車中斷等。一般而言，遇大雪天氣瞭望困難時，按照前述條款大霧造成瞭望距離不足相關(guān)要求組織列車限速運行或停運。

2.6 雷電

雷電可能造成通信信號設(shè)備損壞、電氣設(shè)備、供電線路漏電以及主所、接觸網(wǎng)等失電，導(dǎo)致列車延誤、行車中斷等。

2.7 冰雹

冰雹可能造成列車損傷，被迫停運或者中斷行車。

3 城市軌道交通微型氣象站

城市軌道交通微型氣象站是一款輕便、易安裝的微型自動氣象站，相比傳統(tǒng)五要素氣象站，實時監(jiān)測氣象站除定點風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度和大氣壓等五要素內(nèi)容外，還具備實時降水量的測量功能，且獨創(chuàng)性地加入了實時天空攝像功能，通過圖像識別技術(shù)能夠在天空圖像中讀取更多的天氣信息。

城市軌道交通微型氣象站可以經(jīng)受住低溫、暴雨、日曬等極端環(huán)境考驗，通常由硬件及軟件兩部分組成，采用“積木式”模塊化結(jié)構(gòu)，具有高可靠性、高準(zhǔn)確性、易維護(hù)、低功耗、易擴(kuò)展等特點。

3.1 定點風(fēng)速監(jiān)測

風(fēng)速傳感器的感應(yīng)組件一般采用機(jī)械式風(fēng)杯，在水平風(fēng)力的作用下，該機(jī)械式風(fēng)杯旋轉(zhuǎn)帶動主軸上的磁棒盤一起旋轉(zhuǎn)，磁棒盤旋轉(zhuǎn)過程中，對其上36 只磁體進(jìn)行切割，形成18 個小型磁場，機(jī)械式風(fēng)杯每旋轉(zhuǎn)一圈，磁場切割在電路中感應(yīng)出18 個脈沖信號，脈沖信號的頻率變化取決于風(fēng)速，當(dāng)風(fēng)速增大，脈沖信號的頻率也會隨之線性增長，從而反向計算出定點風(fēng)速。主要技術(shù)指標(biāo)滿足測量范圍不低于0～50m/s，分辨力不低于0.1m/s，誤差±5%，啟動風(fēng)速不超過0.5m/s，最大回轉(zhuǎn)半徑107mm；以脈沖頻率形式輸出信號。

3.2 定點風(fēng)向監(jiān)測

風(fēng)向傳感器的感應(yīng)元件一般采用機(jī)械感應(yīng)式風(fēng)向標(biāo)，風(fēng)向標(biāo)采用輕質(zhì)鋰金屬材料制作，箭頭短邊指向正北方，整體懸浮于鏤空圓球型感應(yīng)磁場，當(dāng)外界風(fēng)力作用，鋰金屬風(fēng)向標(biāo)發(fā)生旋轉(zhuǎn)偏移，切斷感應(yīng)磁場產(chǎn)生電流，轉(zhuǎn)化為信號傳遞至操作終端并顯示風(fēng)向。輕質(zhì)鋰金屬風(fēng)向標(biāo)在外界風(fēng)力作用下產(chǎn)生波動，形成波動電流，建立波動電流與外界風(fēng)力的匹配函數(shù)，最終通過操作終端計算得出實際風(fēng)力大小。

機(jī)械感應(yīng)式風(fēng)向標(biāo)主要技術(shù)指標(biāo)一般需滿足起動風(fēng)速不高于0.5m/s，測量范圍滿足0～75m/s，風(fēng)力辨析力不低于0.1m/s，鋰金屬風(fēng)向標(biāo)抗風(fēng)強(qiáng)度不低于85m/s。

3.3 定點溫度監(jiān)測

城市軌道交通高架線路的定點溫度檢測是指高空溫度，通過溫度傳感器將高空溫度轉(zhuǎn)換成輸出信號，鉑電阻溫度傳感器是利用金屬鉑來感應(yīng)溫度變化的傳感器，具有精度高、誤差小、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點，因此一般采用鉑電阻溫度傳感器作為城市軌道交通微型氣象站首選傳感器。鉑電阻溫度傳感器設(shè)立在城市軌道交通高架線路，當(dāng)外界溫度變化時，金屬鉑的電阻相應(yīng)發(fā)生變化，通過電阻值變化函數(shù)匹配對應(yīng)的溫度值，最終在傳感器操作終端儀表上顯示實時溫度值。當(dāng)被測介質(zhì)中存在溫度梯度時，鉑電阻溫度傳感器儀表上顯示的溫度值即為介質(zhì)層中的平均溫度。

城市軌道交通微型氣象站使用的溫度傳感器一般由精密度較高的鉑熱電阻元件，通過特殊工藝處理，形成防護(hù)套，用四芯屏蔽信號電纜線從鉑熱電阻元件中引出測量。利用四線制測量法的方式，減少導(dǎo)線固有電阻引起的測量時操作誤差，以達(dá)到精確目的。

溫度傳感器主要技術(shù)指標(biāo)一般需滿足氣溫觀測范圍-50～+60℃，允許誤差應(yīng)控制在±0.2℃，溫度辨析力不低于0.1℃。

3.4 定點濕度監(jiān)測

城市軌道交通微型氣象站一般采用濕敏傳感器。濕敏傳感器是通過濕敏材料特性將外界濕度變化轉(zhuǎn)化為電子信號。濕敏電容普遍采用酪酸醋酸纖維或聚苯乙烯以及聚酰亞胺等高分子薄膜電容制成，當(dāng)城市軌道交通高架線路所在區(qū)域的環(huán)境濕度發(fā)生改變時，高空線路監(jiān)測區(qū)域中游離的水汽經(jīng)濕敏材料的吸收或釋放，導(dǎo)致電容的介電常數(shù)產(chǎn)生波動變化，從而產(chǎn)生電容量的變化。由于環(huán)境濕度與產(chǎn)生的電容量呈線性關(guān)系，通過建立環(huán)境濕度與濕敏傳感器的函數(shù)關(guān)系，從而準(zhǔn)確得出測量區(qū)域的空氣濕度。

濕敏傳感器主要技術(shù)指標(biāo)一般需滿足測量范圍5%～100%RH，濕敏材料年漂移率應(yīng)小于1%RH。當(dāng)高架線路空氣中相對濕度大于80%時，允許誤差不超過±5%RH；當(dāng)高架線路空氣中相對濕度小于或等于80%時，允許誤差不超過±3%RH。

3.5 定點降雨量監(jiān)測

降雨量是指從天空降落到地面上的水層深度，一般以mm 為單位，日常統(tǒng)計數(shù)據(jù)中有年降水量、月降水量、日降水量、12h 降水量、6h 降水量甚至h 降水量。一般而言，我們通常所說的降水量僅指垂直降水，不包含水平降水的統(tǒng)計。

城市軌道交通微型氣象站一般采用翻斗式雨量計，翻斗式雨量計根據(jù)翻斗的形式不同，一般包含單翻斗、雙翻斗以及多翻斗。以雙翻斗雨量傳感器為例，雙翻斗雨量傳感器的承雨器開口朝向天空，收集天空降落到地面上的雨水，收集的雨水通過漏斗進(jìn)入上翻斗進(jìn)行定量儲存，儲存一定量后，由于雨水重量導(dǎo)致上翻斗失衡翻轉(zhuǎn)，雨水進(jìn)入?yún)R集漏斗的節(jié)流管，通過計量翻斗把不同強(qiáng)度的自然降水調(diào)節(jié)為均勻的降水強(qiáng)度，從而減少一定范圍內(nèi)不同降水強(qiáng)度所造成的測量誤差。

翻斗式雨量計主要技術(shù)指標(biāo)一般需滿足降雨量辨析力不低于0.1mm。當(dāng)降雨量在10mm 及以下時，要求最大誤差不超過±0.4mm；當(dāng)降雨量大于10mm時，要求最大誤差不超過±4%。

3.6 定點氣壓監(jiān)測

氣壓是作用在單位面積上的大氣壓力，國際制單位為帕斯卡，簡稱“帕”，符號是“Pa”。在氣象行業(yè)，現(xiàn)在使用的單位是百帕，用符號“hPa”表示，氣壓也常用毫米水銀柱高表示。氣壓的測定儀器根據(jù)介質(zhì)狀態(tài)不同，分為液體氣壓表和固態(tài)氣壓表，氣壓最終測定的數(shù)據(jù)由安裝在光線充足且溫度穩(wěn)定的氣壓室內(nèi)的氣壓測量儀測量所得，一般包含定時氣壓記錄和氣壓連續(xù)記錄。

其中定時氣壓記錄誤差相對較大，由人工通過槽式水銀氣壓表（動槽式或定槽式）目測所得，觀測要求基本站4 次/日，基準(zhǔn)站24 次/日；而氣壓連續(xù)記錄是采用金屬彈性膜盒感應(yīng)器來連續(xù)記錄或遙測自動記錄的，精度準(zhǔn)，能夠在任意時間獲得所有時刻的氣壓記錄。

城市軌道交通微型氣象站一般采用硅膜盒電容式氣壓傳感器，該傳感器能夠連續(xù)記錄大氣壓力發(fā)生變化情況。當(dāng)傳感器所處環(huán)境大氣壓力發(fā)生變化時，氣壓擠壓硅膜盒的彈性膜片，造成彈性膜片發(fā)生形變，從而引發(fā)電容器電容發(fā)生改變，一般而言：當(dāng)外界氣壓增大時，硅膜盒的彈性膜片向下發(fā)生形變，電容器電容增大；當(dāng)外界氣壓減小時，硅膜盒的彈性膜片向上發(fā)生形變，電容器電容減小。通過建立大氣氣壓與電容器電容的函數(shù)關(guān)系，從而準(zhǔn)確得出測量區(qū)域的大氣壓力。

硅膜盒電容式氣壓傳感器主要技術(shù)指標(biāo)一般需滿足測量范圍不低于500～1100hPa，氣壓辨析力不低于0.1hPa，最大允許誤差不超過±0.3hPa。

3.7 定點實時攝像

城市軌道交通微型氣象站實時攝像功能以數(shù)字網(wǎng)絡(luò)為傳輸介質(zhì)、網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器為核心，通過微波、電纜或光纖等形式，在閉合環(huán)路內(nèi)傳輸視頻信號，能夠?qū)崟r地將被監(jiān)控對象依托網(wǎng)絡(luò)，在任意操作終端進(jìn)行顯示。同時，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫通過圖像識別技術(shù)，能夠結(jié)合監(jiān)測站周邊風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度和大氣壓等要素，能夠智能化提供氣象精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，推送監(jiān)測預(yù)警信息，提醒操作人員根據(jù)氣象信息及時響應(yīng)。主要技術(shù)指標(biāo)一般需滿足分辨率不應(yīng)低于25 萬像素，對應(yīng)彩色/黑白不低于420 線/570 線，響應(yīng)時間不超過1s，傳輸速率不低于150Mbps。

4 城市軌道交通高架線路微型氣象站的應(yīng)用

由于城市軌道交通所在城市的氣象預(yù)警信息一般采用區(qū)域化綜合預(yù)警，一是城市軌道交通OCC 指揮中心通過媒體公眾號獲取的當(dāng)?shù)貧庀缶职l(fā)布的氣象信息，具有一定時間的延誤，無法及時、準(zhǔn)確收悉氣象預(yù)警信息；二是城市區(qū)域性的氣象預(yù)警信息不能客觀反映出城市軌道交通沿線實際氣象真實狀態(tài)，特別是高架線路某些特定點位的實際風(fēng)速、風(fēng)力以及降雨量等信息，不能滿足行車調(diào)度指揮以及列車司機(jī)限速的判斷依據(jù)。通過在城市軌道交通高架線路定點安裝微型氣象站，能夠?qū)崟r獲取高架線路地段風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、大氣壓以及實時降水量，提前對氣象災(zāi)害進(jìn)行有效預(yù)測、預(yù)警，及時采取防范、應(yīng)對措施，最大限度地減少災(zāi)害天氣對城市軌道交通高架線路的運營影響。通過高架線路微型氣象站，建立完善的氣象災(zāi)害預(yù)測監(jiān)測系統(tǒng)，對收集到的氣象觀測資料進(jìn)行智能分析、有效評估，從而強(qiáng)化氣象服務(wù)的應(yīng)急防范與事故應(yīng)對，全面提升抵御突發(fā)事件事故處置能力，及時啟動應(yīng)急預(yù)案，切實增加城市軌道交通運營單位快速反應(yīng)能力和應(yīng)急處置能力，不斷提升服務(wù)質(zhì)量，更好地促進(jìn)城市軌道交通高質(zhì)量發(fā)展。

5 結(jié)語

本文從天氣對高架線路的影響出發(fā)，致力于研究氣候?qū)Τ鞘熊壍澜煌ǜ呒芫€路的影響，通過在城市軌道交通高架線路加裝微型氣象站，實時獲取高架線路地段風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、大氣壓以及實時降水量，并自動開展智能分析、有效評估，強(qiáng)化氣象服務(wù)的應(yīng)急防范與事故應(yīng)對，最大限度地減少災(zāi)害天氣對城市軌道交通的運營影響，對后續(xù)城市軌道交通設(shè)計、建設(shè)、運營防災(zāi)減災(zāi)具有一定的指導(dǎo)意義。