高速鐵路防災(zāi)系統(tǒng)防風(fēng)布點(diǎn)方案優(yōu)化研究

馬韞娟馬志福樊艷馬淑紅張孟彬李乾社 ：今創(chuàng)集團(tuán) 0008；：國(guó)家發(fā)改委宏觀院 0008；：鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 00；：北京大學(xué) 0087；：中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集體有限公司 006

高速鐵路防災(zāi)系統(tǒng)防風(fēng)布點(diǎn)方案優(yōu)化研究

馬韞娟1馬志福2樊艷3馬淑紅4張孟彬5李乾社5
1 ：今創(chuàng)集團(tuán) 100081；2：國(guó)家發(fā)改委宏觀院 100038；3：鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 300142；4：北京大學(xué) 100871；5：中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集體有限公司 430063

研究目的: 高速鐵路防災(zāi)系統(tǒng)中防風(fēng)布點(diǎn)方案的優(yōu)化研究，關(guān)系到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所采集瞬時(shí)風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及可靠性,其中優(yōu)化目標(biāo)(即防風(fēng)布點(diǎn)原則) 及優(yōu)化科學(xué)分析和計(jì)算，可以為行車指揮控制系統(tǒng)提供較為合理的速度限制指令信息，或?yàn)閱?dòng)應(yīng)急預(yù)案提供決策依據(jù)，從而達(dá)到安全、高效行車的目的。研究結(jié)論:以高速鐵路沿線距軌面4m高度處最大瞬時(shí)風(fēng)速2年一遇設(shè)計(jì)值（V4_2max），為防風(fēng)布點(diǎn)方案主控因素，結(jié)合強(qiáng)風(fēng)主風(fēng)向與線路走向夾角β，以及高路堤和高架橋及特大橋彎道強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間偏角＜10°進(jìn)行逐步優(yōu)化，利用基于最小二乘法的線性回歸方程對(duì)強(qiáng)風(fēng)（陣風(fēng)）系數(shù)進(jìn)行計(jì)算后，發(fā)現(xiàn)方程的效果很好，驗(yàn)證了高速鐵路防風(fēng)安全監(jiān)控系統(tǒng)防風(fēng)布點(diǎn)方案優(yōu)化的必要性，為高速鐵路防災(zāi)系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范制定提供了借鑒和參考。

高速鐵路；安全防災(zāi)系統(tǒng)；最大瞬時(shí)風(fēng)速；防風(fēng)布點(diǎn)方案優(yōu)化

項(xiàng)目資助：鐵道部科學(xué)技術(shù)司重大課題項(xiàng)目，合同書(shū)編號(hào)：2009G027

1、引言

我國(guó)已成為世界上高速鐵路系統(tǒng)技術(shù)最全、集成能力最強(qiáng)、運(yùn)營(yíng)里程最長(zhǎng)、運(yùn)行速度最高、在建規(guī)模最大的國(guó)家。但由于高速鐵路動(dòng)車組運(yùn)行速度高、密度大，運(yùn)送對(duì)象以旅客為主的特點(diǎn)，一旦發(fā)生事故后果不可想象。因此，除了要求機(jī)車車輛、供電、線路以及通信信號(hào)設(shè)備高性能外，對(duì)各種可能發(fā)生的自然災(zāi)害(強(qiáng)風(fēng)、暴雨、大雪等)、突發(fā)事故(坍方落石、異物侵限)、列車及設(shè)備故障、突發(fā)的大規(guī)模群體事件等，都要實(shí)施全面監(jiān)測(cè)和預(yù)防。

如何針對(duì)可能發(fā)生的各類危及行車安全的災(zāi)害，建立安全、可靠、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的鐵路安全防災(zāi)系統(tǒng)和信息傳輸體系，制定科學(xué)有效的預(yù)警機(jī)制和應(yīng)急預(yù)案，在災(zāi)害發(fā)生前或發(fā)生后及時(shí)控制運(yùn)行列車減速或停車，使各種多發(fā)、隨機(jī)的鐵路災(zāi)害造成的破壞力降低到最低程度或避免災(zāi)害的發(fā)生，這對(duì)鐵路部門(mén)科學(xué)、合理地調(diào)度列車、指揮運(yùn)行，確保高速鐵路動(dòng)車組安全、高效運(yùn)營(yíng)有著重大的實(shí)踐意義。

高速鐵路安全防災(zāi)系統(tǒng)是一項(xiàng)高新技術(shù)，它不僅適用于高速鐵路，還可在普速（或既有）鐵路災(zāi)害防護(hù)中應(yīng)用。如在強(qiáng)風(fēng)天氣條件下， 系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)控強(qiáng)側(cè)風(fēng)和橫風(fēng)變化強(qiáng)度，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)運(yùn)算和內(nèi)嵌程序的判斷，為行車指揮控制系統(tǒng)提供較為合理的行車速度限制指令信息，或者為相關(guān)部門(mén)啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案提供決策依據(jù)。運(yùn)用這種系統(tǒng)技術(shù)，既可以降低強(qiáng)風(fēng)等對(duì)鐵路行車的影響和危害程度，又可以保證安全高效的行車效率。

2、防風(fēng)布點(diǎn)原則及布點(diǎn)方案優(yōu)化

2.1 優(yōu)化目標(biāo)（防風(fēng)布點(diǎn)原則）

依據(jù)中小尺度天氣系統(tǒng)的典型空間和時(shí)間尺度特征。參考國(guó)際中尺度地面觀測(cè)網(wǎng)的設(shè)計(jì)思路和國(guó)家氣象局區(qū)域自動(dòng)站布點(diǎn)原則，依據(jù)QX/T 61—2007（1）、GB 50009-2001（2）有關(guān)技術(shù)規(guī)定，以高速鐵路沿線強(qiáng)風(fēng)主風(fēng)向（以16方位強(qiáng)風(fēng)玫瑰圖確定強(qiáng)風(fēng)主風(fēng)向）（3）、最大瞬時(shí)風(fēng)速2年一遇設(shè)計(jì)值V4_2max為指標(biāo)（4），確定高速鐵路動(dòng)車組時(shí)速300～350km·h-1，最大瞬時(shí)風(fēng)速2年一遇設(shè)計(jì)值不小于15m·s-1的路段設(shè)置風(fēng)速風(fēng)向傳感器。高速鐵路動(dòng)車組時(shí)速200～250 km·h-1，V4_2max不小于20 m·s-1的路段設(shè)置風(fēng)速傳感器。不同速度等級(jí)的客運(yùn)專線，其風(fēng)速風(fēng)向傳感器的設(shè)置，不但要根據(jù)上述V4_2max值，還要考慮強(qiáng)風(fēng)主風(fēng)向與線路走向夾角β因素，高路基、高架橋、特大橋彎道強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間影響。風(fēng)速風(fēng)向傳感器設(shè)置在線路的迎風(fēng)側(cè)，一般安裝于GSM-R基站鐵塔處；風(fēng)速風(fēng)向傳感器不具備安裝于GSMR基站鐵塔的條件時(shí)，則宜安裝于接觸網(wǎng)桿上；風(fēng)速風(fēng)向傳感器安裝距軌面高度4m高度。優(yōu)化目標(biāo)(即防風(fēng)布點(diǎn)原則)：⑴ 山區(qū)埡口、峽谷、河谷等特殊區(qū)間，風(fēng)速風(fēng)向傳感器的平均間距在1km～5km之間。⑵ 距軌面高度10m及以上的高架橋、8m及以上高路堤區(qū)間，風(fēng)速風(fēng)向傳感器的平均間距在5km～10km，風(fēng)向風(fēng)速傳感器布設(shè)在距離線路彎道中心、高架橋和特大橋距地面最高處。⑶ 平原區(qū)間，風(fēng)速風(fēng)向傳感器的平均布設(shè)間距在15～20km之間。⑷ 根據(jù)高速鐵路動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)速度及沿線氣象條件、地理環(huán)境，合理布設(shè)并適時(shí)調(diào)整風(fēng)速風(fēng)向計(jì)的布設(shè)間距。

2.2 布點(diǎn)方案優(yōu)化

高速鐵路沿線風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)在空間的代表性有賴于布點(diǎn)優(yōu)化及站點(diǎn)設(shè)置的合理。防風(fēng)布點(diǎn)方案是以高速鐵路沿線738個(gè)基本氣象站近40年（1971～2009年）風(fēng)向和風(fēng)速資料為基礎(chǔ)，結(jié)合高速鐵路沿線100多個(gè)鐵塔梯度風(fēng)監(jiān)測(cè)資料確定風(fēng)隨高度變化α系數(shù)，以及2000多個(gè)自動(dòng)氣象站近10年（2001～2009年）風(fēng)向和風(fēng)速短期監(jiān)測(cè)進(jìn)行信息化、規(guī)范化整編，采用極值Ⅰ型和P一Ⅲ概率模式分別計(jì)算東南沿海和內(nèi)陸高速鐵路沿線最大風(fēng)速不同概率設(shè)計(jì)值（5），即最大風(fēng)速2年一遇設(shè)計(jì)值、10年一遇設(shè)計(jì)值、30年一遇設(shè)計(jì)值、50年一遇設(shè)計(jì)值、100年一遇設(shè)計(jì)值，分析高速鐵路沿線最大風(fēng)速不同概率設(shè)計(jì)值空間分布特征，涵蓋高速鐵路近40年來(lái)強(qiáng)風(fēng)和橫風(fēng)對(duì)動(dòng)車組安全、高效行車最大風(fēng)險(xiǎn)。

在歷史風(fēng)向風(fēng)速資料、鐵塔梯度風(fēng)與短期風(fēng)向風(fēng)速對(duì)比分析基礎(chǔ)上，結(jié)合高速鐵路的始發(fā)站至終點(diǎn)站路基高度、大橋和特大橋高度、強(qiáng)風(fēng)主風(fēng)向與線路夾角、經(jīng)緯度、海拔高度、地形地勢(shì)參數(shù)，根據(jù)氣象學(xué)原理和荷載規(guī)范，進(jìn)行高速鐵路任意里程最大瞬時(shí)風(fēng)速時(shí)距訂正；路堤高、大橋和特大橋增速訂正、地形訂正（6），計(jì)算高速鐵路沿線一般路段每間距1km、強(qiáng)風(fēng)控速路段間距100m、危險(xiǎn)路段間距20m，距軌面4m高處最大瞬時(shí)風(fēng)速2年一遇設(shè)計(jì)值V4_2max，計(jì)算模式如下：

式（1）中V4_2max為高速鐵路沿線任意里程距軌面4.0m高度處最大瞬時(shí)風(fēng)速2年一遇設(shè)計(jì)值（m·s-1），V10為高速鐵路沿線基本氣象站10m高度處10min平均最大風(fēng)速設(shè)計(jì)值，K1為時(shí)距訂正系數(shù)；K2為路堤、大橋和特大橋增速訂正系數(shù)；K3為地形訂正系數(shù)。

高速鐵路任意里程距軌面4m高處最大瞬時(shí)風(fēng)速2年一遇設(shè)計(jì)值計(jì)算模式在全國(guó)各高速鐵路區(qū)間通用、具有空間和時(shí)間可比性、能較為客觀地分析高速鐵路沿線最大風(fēng)速垂直和水平分布特征，以及最大瞬時(shí)風(fēng)速對(duì)動(dòng)車組安全、高效行車影響程度和范圍的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，便于我國(guó)高速鐵路防災(zāi)監(jiān)控與安全行車風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化。因此以V4_2max作為防風(fēng)布點(diǎn)主因素，對(duì)高速鐵路沿線防風(fēng)監(jiān)測(cè)站進(jìn)行優(yōu)化布點(diǎn)，利用基于最小二乘法的線性回歸方程對(duì)強(qiáng)風(fēng)（陣風(fēng)）系數(shù)進(jìn)行計(jì)算后,發(fā)現(xiàn)方程的效果很好，相關(guān)系數(shù)r在0.6075～0.9987之間，通過(guò)α=0.001顯著性檢驗(yàn)。并且以相關(guān)系數(shù)r達(dá)到0.8000和0.7000時(shí)，即可視為符合主控因素策略，結(jié)合強(qiáng)風(fēng)主風(fēng)向與線路走向夾角β、高路段、高架橋、特大橋彎道強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間偏向角＜10°進(jìn)行逐步優(yōu)化，以高速鐵路沿線任意里程距軌面4m高處10min平均最大風(fēng)速30年一遇設(shè)計(jì)值V4_30max進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：高速鐵路沿線V4_2max與高速鐵路沿線V4_30max變化趨勢(shì)和數(shù)據(jù)基本相等，從而證明了防風(fēng)布點(diǎn)方案優(yōu)化的必要性。高速鐵路防風(fēng)布點(diǎn)方案優(yōu)化工作流程圖以圖1所示。

圖1 高速鐵路防風(fēng)布點(diǎn)方案優(yōu)化工作流程圖

依據(jù)高速鐵路防風(fēng)布點(diǎn)方案優(yōu)化工作流程圖對(duì)高速鐵路風(fēng)速風(fēng)向傳感器的布設(shè)按照布點(diǎn)原則進(jìn)行優(yōu)化，以京滬高速鐵路（京徐段）防風(fēng)布點(diǎn)方案、京滬高速鐵路（徐滬段）風(fēng)速風(fēng)向布點(diǎn)初方案為例，分別以圖2～圖3所示。

圖2 京滬高速鐵路（京徐段）防風(fēng)監(jiān)控布點(diǎn)方案

圖3 京滬高速鐵路（徐滬段）風(fēng)速風(fēng)向布點(diǎn)初步方案

3、氣象傳感器WXT520安裝位置

強(qiáng)風(fēng)在高架橋、特大橋橫斷面的上方形成增速區(qū)域，而在橫斷面的下方產(chǎn)生較大的減速區(qū)域。線路構(gòu)造物斷面周邊的風(fēng)速分布因構(gòu)造物形狀和風(fēng)向而不同。因此我們可以根據(jù)線路構(gòu)造物的形狀和強(qiáng)風(fēng)主風(fēng)向來(lái)判斷強(qiáng)風(fēng)大幅增速的領(lǐng)域。在高路堤、高架橋特大橋強(qiáng)橫風(fēng)橋梁彎道處設(shè)置防風(fēng)柵處安裝6要素氣象傳感器WXT520時(shí)，需要設(shè)置在沒(méi)有障礙物“橫斷面”影響的位置，即風(fēng)向風(fēng)速傳感器布設(shè)在距離線路彎道中心的距離大約為3m處，這與日本鐵路高架橋和特大橋強(qiáng)橫風(fēng)橋梁彎道處風(fēng)速儀安裝位置相一致，如圖4所示。差異在于，考慮實(shí)體防風(fēng)柵或聲屏障對(duì)氣流抬升作用。透風(fēng)式防風(fēng)柵安裝6要素氣象傳感器WXT520時(shí)可以直接安裝在防風(fēng)柵之上。這主要由于透風(fēng)式防風(fēng)柵主要作用是減小風(fēng)速，適度壓迫氣流上升，防風(fēng)柵后風(fēng)速可減弱50%左右，且在防風(fēng)墻后可產(chǎn)生大范圍、強(qiáng)度較弱的渦流區(qū)域，因此可發(fā)揮最大防風(fēng)效果。

（注：芬蘭6要素氣象傳感器包括風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、相對(duì)濕度、雨量、大氣壓力）

在高架橋、大橋和特大橋、高路堤距軌面4.0m高度處安裝風(fēng)速風(fēng)向傳感器且與接觸網(wǎng)桿處于同一坐標(biāo)時(shí)，氣象傳感器WXT520可與接觸網(wǎng)桿同桿架設(shè)，如圖5所示，氣象傳感器WXT520安裝高度距軌面4m迎風(fēng)側(cè)。芬蘭維薩拉6要素氣象傳感器WXT520可獲取實(shí)時(shí)風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、相對(duì)濕度、雨量、大氣壓力氣象數(shù)據(jù)，為高速鐵路防災(zāi)對(duì)策研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖5 高速鐵路沿線距軌面4.0m高度處安裝芬蘭維薩拉6要素WXT520氣象傳感器示意圖

4、結(jié)語(yǔ)

（1）高速鐵路沿線距軌面4m高度處最大瞬時(shí)風(fēng)速2年一遇設(shè)計(jì)值為防風(fēng)布點(diǎn)方案主控因素，結(jié)合強(qiáng)風(fēng)主風(fēng)向與線路走向夾角β，以及高路堤和高架橋及特大橋彎道強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間偏角＜10°對(duì)高速鐵路沿線防風(fēng)監(jiān)測(cè)站布點(diǎn)進(jìn)行逐步優(yōu)化，利用基于最小二乘法的線性回歸方程對(duì)強(qiáng)風(fēng)（陣風(fēng)）系數(shù)進(jìn)行計(jì)算后,發(fā)現(xiàn)方程的效果很好，驗(yàn)證了防風(fēng)布點(diǎn)方案優(yōu)化的必要性。為高速鐵路防災(zāi)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范制定提供了借鑒和參考。

（2）高速鐵路任意里程距軌面4m高處

[1]GB 50009-2001.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范.2002年

[2]QX/T 61—2007.地面氣象觀測(cè)規(guī)范.2007年

[3]馬淑紅，馬韞娟，李健群，段景娜.京津城際CRH3動(dòng)車組大風(fēng)天氣條件下安全行車技術(shù)參數(shù)研究[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督.2009，37（2）：7～12

[4]馬淑紅，馬志福.瞬時(shí)最大風(fēng)速對(duì)京津城際CRH3動(dòng)車組行車安全影響[J].中國(guó)科技信息.2008.21期

[5]馬淑紅，馬韞娟.瞬時(shí)風(fēng)速對(duì)高速列車安全運(yùn)行的影響及其控制.鐵道工程學(xué)報(bào)[J].2009.01：11～16

[6]馬韞娟，馬淑紅.我國(guó)高速鐵路客運(yùn)專線橋梁設(shè)計(jì)風(fēng)速研究.鐵道技術(shù)監(jiān)督[J].2009，37（10）：34～37

[7]日本防風(fēng)設(shè)備指導(dǎo).鐵道強(qiáng)風(fēng)對(duì)策協(xié)議會(huì).2003年9月最大瞬時(shí)風(fēng)速2年一遇設(shè)計(jì)值計(jì)算模式在全國(guó)各高速鐵路區(qū)間通用、具有空間和時(shí)間可比性、能較為客觀地分析高速鐵路沿線最大風(fēng)速垂直和水平分布特征，以及最大瞬時(shí)風(fēng)速對(duì)動(dòng)車組安全、高效行車影響程度和范圍的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，便于我國(guó)高速鐵路防災(zāi)監(jiān)控與安全行車風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化。

（3）高速鐵路沿線距軌面4.0m高度處，最大瞬時(shí)風(fēng)速2年一遇設(shè)計(jì)值V4_2max，與距軌面4m高處10min平均最大風(fēng)速30年一遇設(shè)計(jì)值V4_30max變化趨勢(shì)和數(shù)據(jù)基本相等，從而證明了防風(fēng)布點(diǎn)方案優(yōu)化的必要性。

（4）芬蘭維薩拉6要素氣象傳感器WXT520可獲取實(shí)時(shí)風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、相對(duì)濕度、雨量、大氣壓力氣象數(shù)據(jù)，為高速鐵路防災(zāi)對(duì)策研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（5）在高路堤、高架橋、特大橋以及彎道等強(qiáng)橫風(fēng)地段設(shè)置防風(fēng)柵，同時(shí)6要素氣象傳感器（WXT520）安裝在線路彎道中心距離約3m處，這與日本鐵路高架橋和特大橋以及彎道等強(qiáng)橫風(fēng)處風(fēng)速儀安裝位置相一致。差異在于實(shí)體防風(fēng)柵或聲屏障對(duì)氣流具有抬升作用。

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.21.150

馬韞娟（1983-），女，北京人，碩士，研究方向：高速鐵路防災(zāi)對(duì)策研究。