福州地鐵高架區(qū)間氣象監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用研究

蒲井崗

（廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010）

1 研究背景

由于我國氣候多變，每年臺風(fēng)天氣頻發(fā)，且風(fēng)速較高，頻繁而強(qiáng)烈的大風(fēng)及雷電會給地鐵列車的運(yùn)行安全帶來極大的挑戰(zhàn)，對地鐵的出行造成一定的破壞性影響，尤其在高架區(qū)間的地段，影響尤為嚴(yán)重。因此，地鐵高架有必要設(shè)置強(qiáng)有力的防風(fēng)和防雷保護(hù)措施，并準(zhǔn)確獲取沿線的風(fēng)速、風(fēng)向等氣象信息，從而達(dá)到指導(dǎo)高架地鐵列車安全運(yùn)行的目的。但由于地鐵高架區(qū)間構(gòu)建筑的特殊性——高架區(qū)間管線密集，空間狹小，機(jī)電設(shè)備無處安裝，造成高架區(qū)間風(fēng)力檢測的設(shè)計及施工作業(yè)難以開展。因此，我國各地大多數(shù)城市軌道交通缺乏對高架區(qū)間氣象信息的檢測措施，或只在高架車站內(nèi)部設(shè)置風(fēng)力檢測裝置，大大忽視了對高架段的氣象監(jiān)測。

福州至長樂機(jī)場軌道交通帝封江、祥謙、首占均為高架車站。據(jù)福州的氣候資料顯示，每年有大量的時間風(fēng)速比較高，且臺風(fēng)較多，通常情況下的風(fēng)況為：歷年4-8月常為東南風(fēng)，9月至次年3月常為東北風(fēng)，熱帶氣旋常發(fā)生在5-11月份，風(fēng)力一般為6～9級，陣風(fēng)可達(dá)10～11級。頻繁而強(qiáng)烈的風(fēng)況給福州地鐵，尤其是高架車站和區(qū)間的運(yùn)行安全，帶來了一定的威脅和巨大的挑戰(zhàn)。

2 研究目的

本研究擬通過設(shè)置福州地鐵高架區(qū)間的氣象監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)將地鐵高架上的氣象信息收集并上傳至地鐵控制中心，對氣象進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。同時，采集到的氣象信息與氣象部門進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，再通過信息分享、信息分析、信息預(yù)測及反饋后，極大地方便運(yùn)營監(jiān)管，大大提高福州地鐵運(yùn)營的可靠性和安全性，減少不必要的損失。

3 研究方案

3.1 方案一：由地鐵BAS系統(tǒng)設(shè)置傳感器測量風(fēng)速風(fēng)向[1]

為了使風(fēng)速風(fēng)向傳感器能夠準(zhǔn)確、全面地反映出帝封江、祥謙、首占站高架線路段的風(fēng)速風(fēng)向信息，需在帝封江、祥謙、首占站3個車站的站外東南方位和西北方位高架橋側(cè)翼設(shè)置風(fēng)速風(fēng)向傳感器。

3.1.1 風(fēng)速風(fēng)向測量的實(shí)現(xiàn)和使用

風(fēng)速傳感器中的變送器部分先將風(fēng)力轉(zhuǎn)換為脈沖電信號輸出，再由BAS設(shè)置在該風(fēng)速傳感器附近的遠(yuǎn)程監(jiān)控箱中的I/O模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并經(jīng)由車站BAS局域網(wǎng)絡(luò)、專業(yè)之間接口將風(fēng)速信息傳輸給ISCS專業(yè)，直至地鐵控制中心。當(dāng)風(fēng)速過高時，進(jìn)行預(yù)警和報警，通知調(diào)度人員進(jìn)行相關(guān)處理。

3.1.2 安裝方式及防雷措施

風(fēng)速風(fēng)向傳感器安裝處，均采用角鋼（L50×5）支架固定的安裝方式。同時，需要進(jìn)行以下兩方面的特殊處理。

（1）為避免列車經(jīng)過時的強(qiáng)大氣流對風(fēng)速風(fēng)向傳感器的測量造成影響或引起誤報警，采用支架向高架橋外側(cè)橫向伸出1.2 m的方式進(jìn)行安裝。

（2）由于風(fēng)速風(fēng)向傳感器安裝位置比較空曠，高度較高，且為凸起物，因此，需考慮該設(shè)備的防雷措施。建議由BAS專業(yè)為風(fēng)速風(fēng)向傳感器設(shè)置單獨(dú)的避雷針，采用φ10 mm的圓鋼材料，直接焊接在風(fēng)速風(fēng)向傳感器的安裝支架上，安裝支架與高架橋側(cè)墻上的低壓配電專業(yè)的避雷帶進(jìn)行焊接。安裝方式及防雷措施如圖1所示。

圖1 安裝方式及防雷措施大樣圖

3.2 方案二：采用氣象局高架沿線已有氣象監(jiān)測系統(tǒng)提供氣象信息[2]

3.2.1 服務(wù)內(nèi)容

氣象預(yù)報服務(wù)內(nèi)容需包括以下內(nèi)容。

（1）強(qiáng)對流天氣突發(fā)性天氣預(yù)報。突發(fā)性天氣前1～3 h提供。

（2）高架地鐵沿線3 d滾動天氣預(yù)報。內(nèi)容包括未來3 d的天氣狀況、晴雨、溫度、風(fēng)向、風(fēng)力，重點(diǎn)預(yù)報暴雨、高溫、霧、大風(fēng)等天氣[3]。

（3）臺風(fēng)預(yù)報。即臺風(fēng)未來的移向、移速、強(qiáng)度變化及未來3 d的位置、強(qiáng)度等，圖文并茂，視臺風(fēng)離福州的距離定發(fā)布的次數(shù)，當(dāng)熱帶氣旋位于北緯10°～25°，東經(jīng)130°以西時每天服務(wù)2次。當(dāng)熱帶氣旋位于北緯10°～25°，東經(jīng)125°以西時，每天服務(wù)4次。

（4）臺風(fēng)實(shí)況。即臺風(fēng)定位、中心強(qiáng)度及大風(fēng)范圍半徑等，視臺風(fēng)離高架地鐵附近距離的遠(yuǎn)近確定進(jìn)行隔6 h、3 h、1 h定位，當(dāng)發(fā)現(xiàn)臺風(fēng)將對高架地鐵附近產(chǎn)生嚴(yán)重影響時，發(fā)布每半小時1次的定位預(yù)報，并作出及時的提醒。

（5）福州市預(yù)警信號。福州市臺風(fēng)、暴雨、寒冷、高溫、大霧、灰霾天氣、雷雨大風(fēng)、道路結(jié)冰、冰雹等預(yù)警信號，預(yù)警信號發(fā)布后即時提供[4]。

3.2.2 傳輸方式

可采用以下兩種方式進(jìn)行信息的傳輸。

（1）地鐵公司通過氣象臺提供的用戶名和密碼直接上氣象局網(wǎng)站調(diào)用上述氣象信息，突發(fā)性天氣預(yù)報則由氣象臺發(fā)送到地鐵公司提供的手機(jī)上。

（2）利用地鐵自身信息平臺接收信息。

為保證信息傳輸?shù)膶Ｓ眯约翱煽啃?，推薦采用第二種傳輸方式。

3.3 方案三：利用氣象局現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)備配備在地鐵車站設(shè)置自動氣象監(jiān)測站的方式

除方案二中所述，利用氣象局現(xiàn)有設(shè)備所能監(jiān)測到的信息外，建議在高架區(qū)間段列車行駛轉(zhuǎn)彎半徑較大處、爬升坡度較大處、列車行駛跨江處設(shè)置自動氣象監(jiān)測站，采集逐時氣溫、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速、降水、紫外線強(qiáng)度，并將這些氣象數(shù)據(jù)雙方共享[5]，這有利于氣象臺作出針對性的高架地鐵沿線預(yù)報，并對地鐵公司今后的日常營運(yùn)大有好處。

3.3.1 自動氣象監(jiān)測站工作原理

自動氣象監(jiān)測站數(shù)據(jù)傳輸主要采用現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)作為媒體，一方面降低建設(shè)成本，另一方面可以提高傳輸?shù)目煽啃?。主要支持基于手機(jī)短信、GPRS通信方式。同時支持有線通信（基于直線連接、電話撥號方式）。它主要由傳感器（包括風(fēng)速、風(fēng)向）、數(shù)據(jù)采集器、供電系統(tǒng)、中心站管理軟件等組成。

3.3.2 自動氣象監(jiān)測站安裝方式

在車站，自動氣象監(jiān)測站采用不銹鋼支架固定的方式安裝于鋼結(jié)構(gòu)金屬屋面頂部避雷針保護(hù)范圍之內(nèi)，因此，需鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)給予配合，預(yù)留安裝及以后的檢修接口；在區(qū)間，自動氣象監(jiān)測站采用方案一中風(fēng)速風(fēng)向傳感器在區(qū)間的安裝方式及防雷措施。

3.4 方案比選

三種方案比選見表1。

表1 三種方案比選

3.4.1 比選結(jié)論

方案一中，在區(qū)間設(shè)置風(fēng)速風(fēng)向傳感器時，需相應(yīng)增設(shè)遠(yuǎn)程監(jiān)控箱，而低壓配電專業(yè)在區(qū)間無一級負(fù)荷電源提供給遠(yuǎn)程監(jiān)控箱，從而需從車站敷設(shè)電源電纜至區(qū)間監(jiān)控箱，距離較長，投資較大，且本方案采集的為實(shí)時信息；方案二和方案三均屬采用氣象局信息，為氣象監(jiān)測權(quán)威機(jī)構(gòu)所發(fā)布，且信息具有預(yù)報性、超前性，可以保證用戶有足夠的時間做好防災(zāi)準(zhǔn)備，保障了列車運(yùn)行安全。因此，通過以上綜合比選，推薦采用方案二、三結(jié)合的方式。

3.4.2 推薦方案的實(shí)施

高架區(qū)間氣象系統(tǒng)方案實(shí)施流程如下。

步驟1：在選好的高架區(qū)間目標(biāo)點(diǎn)安裝自動氣象監(jiān)測站所需的電纜支架、橋梁擋板、鋼踏板、避雷針、光電轉(zhuǎn)換器、BAS遠(yuǎn)程控制箱及自動氣象監(jiān)測站。

步驟2：自動氣象監(jiān)測站采集到的數(shù)據(jù)通過通信線接入到目標(biāo)點(diǎn)設(shè)置的BAS遠(yuǎn)程控制箱。

步驟3：目標(biāo)點(diǎn)設(shè)置的BAS遠(yuǎn)程控制箱與就近車站的BAS遠(yuǎn)程控制箱通過光纖連接，將采集到的風(fēng)力、風(fēng)向等信息上傳至就近車站BAS系統(tǒng)。由于BAS系統(tǒng)集成在綜合監(jiān)控系統(tǒng)中，再通過車站現(xiàn)有的BAS與ISCS接口，將數(shù)據(jù)上傳至中央級綜合監(jiān)控系統(tǒng)中[6]。

步驟4：中央級綜合監(jiān)控系統(tǒng)借用線網(wǎng)骨干網(wǎng)將風(fēng)力信息傳輸至TCC線網(wǎng)指揮中心[7]。

步驟5：在TCC線網(wǎng)指揮中心大廳工作臺上設(shè)置氣象信息工作站，并分別與綜合監(jiān)控系統(tǒng)及氣象臺新增接口，進(jìn)行數(shù)據(jù)互通，供雙方檢測高架區(qū)間段風(fēng)力信息。

步驟6：地鐵公司在氣象信息工作站上通過氣象臺提供的用戶名和密碼直接調(diào)用以上氣象信息，突發(fā)性天氣預(yù)報則由氣象臺發(fā)送到氣象信息工作站上，最終在氣象信息工作站實(shí)現(xiàn)對高架區(qū)間段風(fēng)力信息的監(jiān)視及預(yù)警。

3.4.3 推薦方案作用及效果

（1）該方案利用地鐵車站現(xiàn)有的ISCS系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)及通信骨干網(wǎng)的組網(wǎng)方式[8]，節(jié)省了車站至TCC線網(wǎng)指揮中心管線敷設(shè)的巨大投資，充分發(fā)揮了車站內(nèi)既有系統(tǒng)的功能。

（2）災(zāi)害情況提前預(yù)警，以保證運(yùn)營人員有足夠的時間作好預(yù)備處理，能有效避免如臺風(fēng)、暴雨等惡劣天氣給人民生命財產(chǎn)、高架地鐵線帶來不可預(yù)計的嚴(yán)重危害。

（3）由地鐵運(yùn)營人員在控制中心第一時間了解到高架段氣象數(shù)據(jù)，并與氣象部門溝通，獲得量身定做的氣象預(yù)報服務(wù)，這有利于氣象臺作出針對性的高架地鐵沿線預(yù)報，并對地鐵公司今后的日常營運(yùn)安全大有好處。

（4）應(yīng)用界面在控制中心集中顯示，便于運(yùn)營監(jiān)管及其他專業(yè)、部門指揮。

現(xiàn)場施工安裝效果圖如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場施工安裝效果圖

4 高架區(qū)間氣象系統(tǒng)示意總圖

福州地鐵高架區(qū)間氣象系統(tǒng)示意總圖如圖3所示。

圖3 福州地鐵高架區(qū)間氣象系統(tǒng)示意總圖

5 結(jié)束語

福州地鐵高架區(qū)間通過氣象監(jiān)測系統(tǒng)，能對沿線的風(fēng)速、風(fēng)向等信息進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和必要的分析，并根據(jù)對地鐵運(yùn)營的影響劃定不同的預(yù)警等級，為運(yùn)營組織提供決策依據(jù)，保障了列車運(yùn)行及運(yùn)營安全。其中，通過該系統(tǒng)，福州地鐵與福州市氣象局建立合作關(guān)系，氣象局根據(jù)福州地鐵線網(wǎng)（尤其是高架線路及地面線路）的地理位置和歷史氣象情況，提供專門的氣象信息服務(wù)，制訂互相之間的聯(lián)絡(luò)機(jī)制，并可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時查詢，為運(yùn)營的行車組織和施工組織提供專業(yè)的技術(shù)支持[9]。