高速鐵路風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)布點(diǎn)間距加密方案研究

杜廣宇

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063）

鐵路風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)是高速鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分。風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)對高速鐵路沿線風(fēng)速進(jìn)行監(jiān)測，對可能危及行車安全的大風(fēng)生成報(bào)警信息，使高速運(yùn)行的列車減速運(yùn)行，保障運(yùn)營安全。然而在某些地區(qū)的鐵路線路或線路的某些區(qū)段因頻繁出現(xiàn)大風(fēng)而導(dǎo)致風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)頻繁報(bào)警，引發(fā)列車限速，嚴(yán)重影響列車運(yùn)行效率和正點(diǎn)率。

針對該問題，在已開通的多條高速鐵路，鐵路局都提出通過增加現(xiàn)場風(fēng)速監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量、縮小風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)間距來提高運(yùn)行效率的要求［1-2]?？s小風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)間隔，一定程度上可以細(xì)化風(fēng)速報(bào)警和列車限速范圍，達(dá)到提高列車運(yùn)行效率的目的。本文研究如何合理地確定新增風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)位置。

1 大風(fēng)報(bào)警與限速

1.1 風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)布置原則

Q/CR 9152—2018《鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》要求在橋梁、高路堤等區(qū)段，風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)的布置間距宜為5～10 km，山區(qū)埡口、峽谷、河谷等易產(chǎn)生強(qiáng)風(fēng)的地段，風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)間距宜為1～5 km。在工程設(shè)計(jì)中，風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)平均間距在8 km左右。

1.2 風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)報(bào)警范圍

鐵路風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)用某處風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)的風(fēng)速測量值代表該處風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)相鄰范圍內(nèi)的風(fēng)速，例如A，B，C 三處相鄰風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)，當(dāng)B點(diǎn)發(fā)生大風(fēng)報(bào)警時(shí)，其報(bào)警范圍為A點(diǎn)至C點(diǎn)的風(fēng)監(jiān)測區(qū)間［3-4]，如圖1所示。

圖1 風(fēng)速報(bào)警范圍示意

風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)風(fēng)速報(bào)警時(shí)，其產(chǎn)生的限速區(qū)間要覆蓋到相鄰的兩個(gè)風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)。按風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)平均間距8 km左右考慮，大風(fēng)引起的限速范圍將平均為16 km左右。

1.3 大風(fēng)報(bào)警時(shí)間

現(xiàn)有的風(fēng)監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)采用報(bào)警閾值［5]對風(fēng)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警評判，風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)采集的風(fēng)速數(shù)據(jù)連續(xù)10 s超過報(bào)警閾值即觸發(fā)大風(fēng)報(bào)警并生成限速區(qū)段信息；報(bào)警后，只有當(dāng)該風(fēng)點(diǎn)采集的風(fēng)速連續(xù)小于報(bào)警閾值10 min 后，該報(bào)警和限速區(qū)段信息才能解除。即風(fēng)速報(bào)警引起的限速區(qū)段至少要持續(xù)10 min才能解除。

2 大風(fēng)限速對行車效率的影響

大風(fēng)限速對動車組列車的影響［5-6]見圖2。圖中：W為風(fēng)速對列車速度影響范圍；v0為制動前列車的初始運(yùn)行速度；v1為大風(fēng)區(qū)段列車限速速度；L為動車組長度；Ld為動車組列車由v0減速至v1的距離，由列車的制動性能確定；La為動車組列車由v1加速至v0的距離，由列車的加速性能確定；U為風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)報(bào)警范圍。

圖2 大風(fēng)對列車運(yùn)行的影響

設(shè)Td為動車組列車由v0減速至v1的時(shí)間，Ta為動車組列車由v1加速至v0的時(shí)間，則大風(fēng)限速對列車運(yùn)行時(shí)間的影響ΔT可以表示為

令H=[(Td+Ta)-(La+Ld)/v0]，因U?L，故 式（1）簡化為

式（2）中，H與車型參數(shù)和制動前列車的初始運(yùn)行速度有關(guān)，車型和線路狀況確定后基本不變；限速值v1受大風(fēng)風(fēng)速影響，在特定風(fēng)速條件下也是不能調(diào)整的。只有通過增加風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量，縮小風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)間隔，減小U值，才能提高列車運(yùn)行效率。

根據(jù)氣象尺度的概念［7]，在一定空間（鐵路里程）范圍內(nèi)風(fēng)速大小變化情況基本相同。在鐵路沿線每隔一定間距就設(shè)置一個(gè)風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)，假設(shè)監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量不斷增加，其間距不斷縮小，則相鄰點(diǎn)風(fēng)速變化測量值就會越來越相似，在相同時(shí)間段內(nèi)相鄰兩點(diǎn)同時(shí)發(fā)生大風(fēng)報(bào)警的次數(shù)會增加，最終直到兩個(gè)風(fēng)速計(jì)總是同時(shí)產(chǎn)生大風(fēng)報(bào)警，這時(shí)再縮小報(bào)警范圍U就沒有意義了，即U達(dá)到極限值。在工程設(shè)計(jì)中希望通過增加最少的風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)，使U趨向該極限值。

3 風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)加密原則

設(shè)若干個(gè)連續(xù)的風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)分別為A，B，C，D，E，F(xiàn)，相鄰兩點(diǎn)的間距為g1，g2，g3，g4，g5，如圖3 所示。若C點(diǎn)發(fā)生大風(fēng)報(bào)警，則列車限速范圍為g2+g3。

圖3 風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)加密示意

對C，D 點(diǎn)間進(jìn)行風(fēng)點(diǎn)加密，在它們之間插入新的風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)K。插入點(diǎn)應(yīng)考慮以下原則：

1）優(yōu)先選擇大風(fēng)報(bào)警頻繁（或報(bào)警累計(jì)時(shí)間較長）的監(jiān)測點(diǎn)。大風(fēng)報(bào)警頻繁的點(diǎn)造成的限速次數(shù)多，在這樣的監(jiān)測點(diǎn)報(bào)警范圍內(nèi)插入新的風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)，若能縮短限速范圍，對提高列車運(yùn)行效率的作用更明顯。

2）大風(fēng)報(bào)警頻繁點(diǎn)相鄰風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)為不頻繁點(diǎn)時(shí)，即相鄰的風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)很少發(fā)生大風(fēng)報(bào)警，說明兩者之間可插入新的風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)，以縮小風(fēng)點(diǎn)之間的距離。

3）若相鄰兩個(gè)風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)都是大風(fēng)報(bào)警頻繁的點(diǎn)，則須判斷二者大風(fēng)報(bào)警之間是否獨(dú)立。若是獨(dú)立的，則應(yīng)在兩個(gè)風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)之間插入新的風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)。

假設(shè)兩個(gè)風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)C，D 經(jīng)常在相近的時(shí)間段發(fā)生大風(fēng)報(bào)警。風(fēng)點(diǎn)加密前C，D 點(diǎn)報(bào)警對應(yīng)的限速區(qū)段為g2+g3+g4。在C點(diǎn)和D點(diǎn)之間插入風(fēng)點(diǎn)后C，D點(diǎn)仍會經(jīng)常在相近的時(shí)間段報(bào)警，則限速區(qū)段仍為g2+g3+g4，新插入的風(fēng)點(diǎn)不能提高列車運(yùn)行效率。

反之，若C，D 兩點(diǎn)幾乎不同時(shí)發(fā)生大風(fēng)報(bào)警，則在C 點(diǎn)和D 點(diǎn)之間插入風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)K 后，限速區(qū)段最小可縮短至g32+g4，能實(shí)現(xiàn)提高列車運(yùn)行效率的目的。

4 基于關(guān)聯(lián)分析的風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)加密算法

4.1 大風(fēng)頻繁報(bào)警點(diǎn)篩選方法

應(yīng)在鐵路風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)開通運(yùn)營一年或幾年后進(jìn)行風(fēng)點(diǎn)加密，此時(shí)已獲得豐富的風(fēng)速觀測和報(bào)警數(shù)據(jù)。

假設(shè)一鐵路風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)共有n個(gè)風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)n，每點(diǎn)在一段時(shí)間（通常是一年）內(nèi)共發(fā)生大風(fēng)報(bào)警的記錄次數(shù)為m，每次大風(fēng)報(bào)警持續(xù)的時(shí)間為Δt1，Δt2，…，Δtm，則每個(gè)風(fēng)點(diǎn)累計(jì)報(bào)警時(shí)間為Δt1+ Δt2+ …+ Δtm。報(bào)警時(shí)間越長代表風(fēng)速對列車正常運(yùn)行影響越大。結(jié)合工程投資和新增風(fēng)點(diǎn)數(shù)量的限制，可將累計(jì)報(bào)警時(shí)間從大到小排序，依次優(yōu)先挑選累計(jì)報(bào)警時(shí)間長的風(fēng)點(diǎn)，將其定義為頻繁點(diǎn)［8]。

4.2 非大風(fēng)報(bào)警頻繁點(diǎn)判別

非大風(fēng)報(bào)警頻繁點(diǎn)的判別方法比較多，可以認(rèn)為大風(fēng)報(bào)警頻繁點(diǎn)以外的點(diǎn)都是非頻繁點(diǎn)；也可求取全線累計(jì)報(bào)警時(shí)間的平均值，當(dāng)某點(diǎn)的累計(jì)報(bào)警時(shí)間低于平均值時(shí)，認(rèn)為該點(diǎn)為非大風(fēng)報(bào)警頻繁點(diǎn)。

4.3 大風(fēng)報(bào)警關(guān)聯(lián)性判別

假設(shè)兩個(gè)相鄰風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)Fj和Fj+1，j∈{1，…，n- 1}，某次大風(fēng)報(bào)警的開始時(shí)刻分別為tj，s和tj+1，s，結(jié)束時(shí)刻為tj，e和tj+1，e，報(bào) 警 持 續(xù) 時(shí) 間 分 別 為Δtj=tj，e-tj，s，Δtj+1=tj+1，e-tj+1，s。 若tmin= min{tj，s，tj+1，s}，tmax=max{tj，e，tj+1，e}，則(tmax-tmin)≥（Δtj+ Δtj+1)表示相鄰點(diǎn)的報(bào)警在時(shí)間段上不重疊，(tmax-tmin)＜（Δtj+ Δtj+1)表示相鄰點(diǎn)的報(bào)警在時(shí)間段上存在重疊部分。

為量化重疊部分，定義某次報(bào)警監(jiān)測點(diǎn)Fj對于Fj+1重疊系數(shù)Zj，j+1=[(Δtj+Δtj+1)-(tmax-tmin)]/Δtj+1，F(xiàn)j+1對于Fj重疊系數(shù)Yj+1，j=[(Δtj+Δtj+1)-(tmax-tmin)]/Δtj，通常Zj，j+1≠Yj+1，j。

假設(shè)任意兩個(gè)相鄰風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)F1和F2，其中F1共有M條報(bào)警記錄f1，i，i∈{1，…，M}，F(xiàn)2共有N條報(bào)警記錄f2，r，r∈{1，…，N}，將f1，i對F2的N條記錄中依次計(jì)算重疊系數(shù)，同理將f2，r在F1的M條記錄中依次計(jì)算重疊系數(shù)，報(bào)警重疊關(guān)系見表1。

表1 報(bào)警重疊關(guān)系

定義兩個(gè)相鄰風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)P為

P值越接近1 說明相鄰兩個(gè)風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)之間關(guān)聯(lián)性越強(qiáng)，反之越弱。

4.4 算法步驟

第一步：選出頻繁報(bào)警的點(diǎn)。

第二步：若頻繁報(bào)警點(diǎn)的相鄰點(diǎn)為非頻繁報(bào)警點(diǎn)，則兩者之間應(yīng)加密，插入新的風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)。

第三步：若兩個(gè)相鄰點(diǎn)均為頻繁報(bào)警點(diǎn)，則計(jì)算兩者之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)，依據(jù)關(guān)聯(lián)系數(shù)從小到大依次插入新的風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)。

5 工程實(shí)例分析

杭長（杭州—長沙）高速鐵路江西段長度約545 km，所經(jīng)地形以丘陵為主。共設(shè)置風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)65處，按里程從小到大編號為1 至65，風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)平均間距8.38 km，相鄰兩點(diǎn)最大間距約12 km，最小間距5 km。

2016—2018年65 處風(fēng)點(diǎn)合計(jì)發(fā)生大風(fēng)報(bào)警948次，日平均報(bào)警0.86 次。報(bào)警引起限速時(shí)間16023 min，平均每次報(bào)警引起限速時(shí)間16.9 min。報(bào)警頻率和累計(jì)限速時(shí)間是不均衡的（圖4），但大風(fēng)報(bào)警頻繁與累計(jì)限速時(shí)間較長的區(qū)域基本吻合，主要集中在編號1，2，29—43的風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)，報(bào)警次數(shù)占總報(bào)警量的67.9%，累計(jì)限速時(shí)間占到總限速時(shí)間的64.7%，其中2017年11月17日23∶05∶13 大風(fēng)報(bào)警引發(fā)的限速長達(dá)19 h。

圖4 大風(fēng)報(bào)警統(tǒng)計(jì)

表2 相鄰風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)報(bào)警關(guān)聯(lián)系數(shù)

圖5 相鄰風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)關(guān)聯(lián)系數(shù)分布

分別計(jì)算65 個(gè)風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)（從左到右編號）與相鄰點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)系數(shù)P（表2），并畫出統(tǒng)計(jì)分布圖（圖5）。為顯示清晰，圖5 中刪除了關(guān)聯(lián)系數(shù)為1 的數(shù)據(jù)?？芍?，29～40為報(bào)警頻繁的風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)，按關(guān)聯(lián)性從小到大可優(yōu)先對33與34，32與33之間增加風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)。

6 結(jié)語

本文提出利用既有觀測資料分析風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)大風(fēng)報(bào)警頻次和相鄰風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)報(bào)警關(guān)聯(lián)系數(shù)，從而確定增補(bǔ)風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)位置。該方法可有效克服增補(bǔ)風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)時(shí)的主觀性和盲目性，在工程實(shí)施中還應(yīng)注意以下問題：

1）須積累一定時(shí)間風(fēng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，才能準(zhǔn)確找出風(fēng)速頻繁報(bào)警的監(jiān)測點(diǎn)和大風(fēng)報(bào)警累計(jì)時(shí)間較長的點(diǎn)。

2）在頻繁報(bào)警點(diǎn)和大風(fēng)報(bào)警累計(jì)時(shí)間較長的點(diǎn)基礎(chǔ)上，計(jì)算相鄰風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)，優(yōu)先選擇關(guān)聯(lián)系數(shù)小的點(diǎn)，增加風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)。

3）文中方法明確了在哪兩個(gè)風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)之間須增加風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)，但風(fēng)速計(jì)具體安裝位置應(yīng)根據(jù)線路條件和地形地貌實(shí)際情況確定。

4）在進(jìn)行一輪風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)增補(bǔ)工作后，運(yùn)營一段時(shí)間，根據(jù)需要還可進(jìn)行新一輪的風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)增補(bǔ)，但增補(bǔ)風(fēng)點(diǎn)對列車效率的提高作用最終會趨于穩(wěn)定，這個(gè)極限值是由線路條件、氣候條件決定的，如果還想進(jìn)一步提高效率就須采取諸如風(fēng)屏障等其他工程手段。