高速鐵路大風(fēng)監(jiān)測(cè)報(bào)警規(guī)則優(yōu)化研究

收稿日期：2024-03-18

作者簡(jiǎn)介：馬浩（1997—），男，工學(xué)碩士，助理工程師，研究方向：災(zāi)害檢測(cè)、數(shù)據(jù)挖掘。

基金項(xiàng)目：中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司科技研究開發(fā)計(jì)劃“鐵路災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化研究”（V.202211291710

48）。

摘要 現(xiàn)有大風(fēng)報(bào)警規(guī)則無(wú)法識(shí)別短時(shí)強(qiáng)風(fēng)，存在安全隱患，固定的報(bào)警解除時(shí)限也在一定程度上影響行車效率。文章在保證列車運(yùn)行安全的前提下，基于高速鐵路沿線風(fēng)監(jiān)測(cè)歷史數(shù)據(jù)分布特點(diǎn)，提出一種風(fēng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的報(bào)警解除時(shí)限設(shè)置方法。針對(duì)某高鐵線路大風(fēng)數(shù)據(jù)的實(shí)例分析表明，報(bào)警解除時(shí)限宜根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)大風(fēng)特點(diǎn)進(jìn)行個(gè)性化設(shè)置。研究可為大風(fēng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)用優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞 高速鐵路；大風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；報(bào)警規(guī)則；報(bào)警解除時(shí)間；優(yōu)化

中圖分類號(hào) U238文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）11-0024-03

0 引言

為應(yīng)對(duì)大風(fēng)對(duì)高速列車運(yùn)行產(chǎn)生的不利影響，我國(guó)高速鐵路沿線均設(shè)置有風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)外研究提出[1]，用引起車輛上車輪負(fù)載消失的環(huán)境風(fēng)速來(lái)作為制定列車傾覆風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)。一旦瞬時(shí)的環(huán)境風(fēng)速超過(guò)限定閾值，將影響列車的安全運(yùn)行。

《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》（高速鐵路部分）中大風(fēng)行車的規(guī)定[2]：在環(huán)境風(fēng)速不大于15 m/s時(shí)，可以正常速度運(yùn)行；環(huán)境風(fēng)速大于20 m/s時(shí)，運(yùn)行速度不大于300 km/h；環(huán)境風(fēng)速不大于25 m/s時(shí)，運(yùn)行速度不大于200 km/h；環(huán)境風(fēng)速不大于30 m/s時(shí)，運(yùn)行速度不大于120 km/h；環(huán)境風(fēng)速大于30 m/s時(shí)，嚴(yán)禁動(dòng)車組列車進(jìn)入風(fēng)區(qū)。根據(jù)《高速鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 鐵路局中心系統(tǒng)技術(shù)條件》（Q/CR 801—2020），我國(guó)高速鐵路風(fēng)速報(bào)警有如下原則：風(fēng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)超過(guò)報(bào)警閾值并連續(xù)10 s后，啟動(dòng)大風(fēng)報(bào)警；風(fēng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)低于報(bào)警閾值并連續(xù)10 min后，取消報(bào)警。

根據(jù)現(xiàn)有規(guī)則，連續(xù)10 s大風(fēng)超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，第11 s時(shí)啟動(dòng)大風(fēng)報(bào)警。即使此時(shí)風(fēng)速降到預(yù)設(shè)閾值以下，還需等待10 min才能結(jié)束大風(fēng)報(bào)警。根據(jù)大風(fēng)限速范圍的要求，設(shè)A，B，C三處相鄰風(fēng)監(jiān)測(cè)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)的線路區(qū)間[3]。這就意味著當(dāng)風(fēng)速降到預(yù)設(shè)閾值以下，還需等待10 min才能結(jié)束大風(fēng)報(bào)警，這樣雖然可以減少風(fēng)速在閾值附近波動(dòng)造成需要頻繁設(shè)置和取消大風(fēng)報(bào)警的操作，減輕調(diào)度人員工作強(qiáng)度。但因限速時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)正常的運(yùn)輸影響較大。由于不同風(fēng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)大風(fēng)的頻率以及持續(xù)時(shí)間不盡相同，因此，可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)單獨(dú)設(shè)置解除時(shí)限。

1 鐵路沿線風(fēng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

目前在高鐵線路側(cè)都設(shè)有風(fēng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并且為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，在同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置兩臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向計(jì)，風(fēng)速計(jì)一般被安裝于軌旁供電接觸網(wǎng)支柱上。兩臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向計(jì)同時(shí)采集風(fēng)速、風(fēng)向等信息，這些信息一方面被用于判斷是否報(bào)警的輸入，也被用于存儲(chǔ)后期應(yīng)用維護(hù)及業(yè)務(wù)分析。該文對(duì)合福高速鐵路福建段2015—2021年的大風(fēng)監(jiān)測(cè)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并展開研究。

1.1 風(fēng)速統(tǒng)計(jì)特征分析

風(fēng)速一般具有周期性，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)歷年風(fēng)速數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后可以看出年度風(fēng)速的均值、上下四分位數(shù)等數(shù)值接近。說(shuō)明在沿線地形未發(fā)生重大變化的情況下，風(fēng)速數(shù)據(jù)分布穩(wěn)定且趨同。

1.2 大風(fēng)報(bào)警數(shù)據(jù)分析

如圖1（a）所示，該高鐵線路全線長(zhǎng)兩百余千米，沿線共設(shè)置8個(gè)車站以及25處風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。該條線路近年來(lái)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)累計(jì)發(fā)出大風(fēng)報(bào)警1 813次，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的報(bào)警統(tǒng)計(jì)情況如圖1（b）所示。監(jiān)測(cè)點(diǎn)中的不同報(bào)警等級(jí)占比可以看出，大風(fēng)報(bào)警主要為1級(jí)報(bào)警以及0級(jí)（報(bào)警解除記錄）。此外，結(jié)合報(bào)警在線路上的分布情況來(lái)看，鐵路沿線各監(jiān)測(cè)點(diǎn)大風(fēng)報(bào)警次數(shù)分布不均勻，報(bào)警集中產(chǎn)生在部分大風(fēng)頻繁點(diǎn)和其相鄰位置，而一部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)全年很少甚至沒(méi)有產(chǎn)生過(guò)大風(fēng)報(bào)警記錄。

2 大風(fēng)報(bào)警規(guī)則優(yōu)化建議

2.1 報(bào)警解除時(shí)限優(yōu)化

目前全路風(fēng)災(zāi)害報(bào)警解除時(shí)限統(tǒng)一設(shè)置為10 min。報(bào)警解除時(shí)限長(zhǎng)短直接影響報(bào)警的持續(xù)時(shí)間和報(bào)警記錄的次數(shù)，而每次報(bào)警記錄觸發(fā)均需調(diào)度員人工處置。分析可知，在報(bào)警機(jī)制不變的前提下，減少解除時(shí)限，必然會(huì)引起報(bào)警記錄次數(shù)的增加和報(bào)警總時(shí)間減少，反之亦然。因此，現(xiàn)有的研究大都以最小化總報(bào)警（總延誤）時(shí)間和最小化報(bào)警次數(shù)為目標(biāo)，在兩者間尋求平衡，以針對(duì)某條線路對(duì)解除時(shí)限進(jìn)行優(yōu)化[4-5]。

同一條鐵路線內(nèi)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)大風(fēng)報(bào)警頻率及大風(fēng)持續(xù)時(shí)間均存在較大差異，因此統(tǒng)一設(shè)置10 min的解除時(shí)限做法過(guò)于粗糙，而應(yīng)當(dāng)對(duì)每個(gè)大風(fēng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)逐個(gè)優(yōu)化解除時(shí)限以減少大風(fēng)報(bào)警對(duì)正常運(yùn)輸?shù)挠绊憽Ｔ撐幕跉v史風(fēng)速數(shù)據(jù)，提出一種通過(guò)歷史閾值來(lái)確定報(bào)警解除時(shí)限方法。

2.2 報(bào)警解除時(shí)限設(shè)置方法

考慮最小化總報(bào)警時(shí)間的極端情況，當(dāng)風(fēng)速回落至閾值下就降級(jí)或解除報(bào)警，那么相應(yīng)的報(bào)警規(guī)則可描述為：當(dāng)風(fēng)速超過(guò)對(duì)應(yīng)閾值并持續(xù)10 s后，高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，當(dāng)風(fēng)速值低于閾值時(shí)解除報(bào)警?；诖艘?guī)則，對(duì)某監(jiān)測(cè)點(diǎn)歷年的風(fēng)速數(shù)據(jù)模擬報(bào)警，可以得到該監(jiān)測(cè)點(diǎn)極端情況下的報(bào)警記錄R，見式（1）。

R=[R1，R2，…Ri，…Rn]，Ri=[si，ei] （1）

式中，Ri——第i條報(bào)警記錄；si——第i條報(bào)警開始時(shí)間；ei——第i條報(bào)警結(jié)束時(shí)間。

繼而可以得到相鄰報(bào)警記錄之間的時(shí)間間隔T，見式（2）。

T=[t1，t2，…ti，…tn?1]，ti=si+1?si （2）

式中，ti——相鄰兩條報(bào)警記錄（Ri+1和Ri）開始時(shí)間的差值。

在解除時(shí)限為0的情況下，由于部分風(fēng)速數(shù)據(jù)在報(bào)警閾值上下波動(dòng)，造成頻繁報(bào)警和解除。因此，報(bào)警時(shí)間間隔大都為短時(shí)間隔，其頻率分布則呈現(xiàn)出明顯的拖尾。對(duì)原始時(shí)間間隔數(shù)據(jù)T做對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后，得到報(bào)警解除時(shí)限的對(duì)數(shù)頻率分布。理想情況下，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的解除時(shí)限設(shè)置為t，應(yīng)能夠有效區(qū)分連續(xù)報(bào)警和偶發(fā)大風(fēng)報(bào)警，體現(xiàn)在因風(fēng)速在閾值附近波動(dòng)產(chǎn)生的連續(xù)報(bào)警將被整合，報(bào)警間隔小于t的相關(guān)報(bào)警記錄將會(huì)被合并，從而減少報(bào)警次數(shù)。另一方面，保留后的報(bào)警記錄基本為獨(dú)立的、時(shí)間上不相關(guān)的大風(fēng)報(bào)警，體現(xiàn)為報(bào)警時(shí)間間隔大于t。

為近似確定t的取值，令X=logbT，則X的歷史經(jīng)驗(yàn)概率分布函數(shù)可以表示為：F（X）=P（X≤x）。分布F（X）中的1?∝分位數(shù)x1?∝定義見公式（3），該處對(duì)應(yīng)的報(bào)警解除時(shí)限tα見式（4），表示在報(bào)警時(shí)間間隔的歷史概率密度分布中，有占比α為的報(bào)警記錄時(shí)間間隔大于tα。

P{X|X>x1?∝}=∝ （3）

（4）

最終，理想的報(bào)警解除時(shí)限t由式（5）確定。

t=[min（tα，tmax）] （5）

式中，tmax——最大報(bào)警解除時(shí)限；[? ]表示向下取整。

擬合后的報(bào)警時(shí)間間隔對(duì)數(shù)X的概率密度分布函數(shù)F（X）如圖2所示，黑色虛線對(duì)應(yīng)x1?∝為該分布的∝分位數(shù)，灰色虛線對(duì)應(yīng)最大報(bào)警解除時(shí)限。在不同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布中，解除時(shí)限取值不同，即相鄰報(bào)警間隔小于圖中藍(lán)色區(qū)域范圍的報(bào)警記錄將會(huì)被合并。例如，監(jiān)測(cè)點(diǎn)49為大風(fēng)頻繁監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其大部分報(bào)警時(shí)間間隔較低。將∝?cái)?shù)值設(shè)置為0.15，意味著85%的報(bào)警都被認(rèn)為是時(shí)間上相關(guān)的報(bào)警，應(yīng)合并處置。而監(jiān)測(cè)點(diǎn)30的歷史報(bào)警記錄少，歷次報(bào)警時(shí)間間隔長(zhǎng)，因此對(duì)應(yīng)∝?cái)?shù)值設(shè)置稍大，相應(yīng)地減小單次報(bào)警解除時(shí)限。

2.3 實(shí)例分析

為充分驗(yàn)證所提方法的有效性，實(shí)驗(yàn)設(shè)置以2015—2019年的風(fēng)速數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，維度為28×1×1.27×108，以2020—2021年的風(fēng)速數(shù)據(jù)作為測(cè)試集，維度為28×1×

6.3×107。首先，在訓(xùn)練集中根據(jù)前述方法確定各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的報(bào)警解除時(shí)限。而后，根據(jù)優(yōu)化后的解除時(shí)限在訓(xùn)練集和測(cè)試集上進(jìn)行模擬報(bào)警，分別統(tǒng)計(jì)了報(bào)警記錄條數(shù)和報(bào)警持續(xù)時(shí)間的變化情況，并與報(bào)警解除時(shí)限為10 min的報(bào)警相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

總體上，解除時(shí)限縮短，會(huì)引起報(bào)警次數(shù)的增加和總報(bào)警時(shí)長(zhǎng)的減少。但不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的指標(biāo)對(duì)于解除時(shí)限變化的敏感度明顯不同，例如39、53這類大風(fēng)頻繁出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，報(bào)警時(shí)限減少僅1 min，即會(huì)引起報(bào)警次數(shù)增加。而在監(jiān)測(cè)點(diǎn)32、35、41中，報(bào)警時(shí)限大幅縮短，基本不會(huì)引起報(bào)警次數(shù)的增加，說(shuō)明在大風(fēng)災(zāi)害并不頻繁的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，報(bào)警解除時(shí)限的優(yōu)化空間較大，可進(jìn)一步縮短解除時(shí)限以提升行車效率。

從訓(xùn)練集和測(cè)試集的結(jié)果來(lái)看，由歷史數(shù)據(jù)集確定的t值可用于指導(dǎo)設(shè)置未來(lái)數(shù)據(jù)的報(bào)警解除時(shí)限。在測(cè)試集結(jié)果中，線路平均每監(jiān)測(cè)點(diǎn)約減少報(bào)警時(shí)長(zhǎng)43.2 min，報(bào)警次數(shù)約增加1.07次?？梢钥闯觯瑘?bào)警時(shí)限減少并不會(huì)導(dǎo)致調(diào)度員頻繁處置報(bào)警信息，增加調(diào)度工作負(fù)擔(dān)，反而能夠顯著減少報(bào)警時(shí)長(zhǎng)，提高行車效率。因此，該文建議沿線風(fēng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)點(diǎn)的報(bào)警時(shí)限根據(jù)歷年風(fēng)速數(shù)據(jù)靈活設(shè)置。

3 結(jié)語(yǔ)

該文通過(guò)對(duì)現(xiàn)行大風(fēng)報(bào)警規(guī)則進(jìn)行分析并提出改進(jìn)建議，基于高鐵線路風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)歷史數(shù)據(jù)對(duì)優(yōu)化后的規(guī)則進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：每個(gè)風(fēng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)大風(fēng)報(bào)警特點(diǎn)具有明顯差異，而對(duì)每個(gè)風(fēng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化報(bào)警解除時(shí)間能減少大風(fēng)報(bào)警對(duì)列車運(yùn)行的影響，尤其大風(fēng)出現(xiàn)頻次較低的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，可進(jìn)一步減少報(bào)警解除時(shí)限。

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