高速铁路防灾系统防风布点方案优化研究

马韫娟马志福樊艳马淑红张孟彬李乾社 ：今创集团 0008；：国家发改委宏观院 0008；：铁道第三勘察设计院集团有限公司 00；：北京大学 0087；：中铁第四勘察设计院集体有限公司 006

高速铁路防灾系统防风布点方案优化研究

马韫娟1马志福2樊艳3马淑红4张孟彬5李乾社5
1 ：今创集团 100081；2：国家发改委宏观院 100038；3：铁道第三勘察设计院集团有限公司 300142；4：北京大学 100871；5：中铁第四勘察设计院集体有限公司 430063

研究目的: 高速铁路防灾系统中防风布点方案的优化研究，关系到监测系统所采集瞬时风速和风向数据的准确性及可靠性,其中优化目标(即防风布点原则) 及优化科学分析和计算，可以为行车指挥控制系统提供较为合理的速度限制指令信息，或为启动应急预案提供决策依据，从而达到安全、高效行车的目的。研究结论:以高速铁路沿线距轨面4m高度处最大瞬时风速2年一遇设计值（V4_2max），为防风布点方案主控因素，结合强风主风向与线路走向夹角β，以及高路堤和高架桥及特大桥弯道强横风区间偏角＜10°进行逐步优化，利用基于最小二乘法的线性回归方程对强风（阵风）系数进行计算后，发现方程的效果很好，验证了高速铁路防风安全监控系统防风布点方案优化的必要性，为高速铁路防灾系统技术标准和规范制定提供了借鉴和参考。

高速铁路；安全防灾系统；最大瞬时风速；防风布点方案优化

项目资助：铁道部科学技术司重大课题项目，合同书编号：2009G027

1、引言

我国已成为世界上高速铁路系统技术最全、集成能力最强、运营里程最长、运行速度最高、在建规模最大的国家。但由于高速铁路动车组运行速度高、密度大，运送对象以旅客为主的特点，一旦发生事故后果不可想象。因此，除了要求机车车辆、供电、线路以及通信信号设备高性能外，对各种可能发生的自然灾害(强风、暴雨、大雪等)、突发事故(坍方落石、异物侵限)、列车及设备故障、突发的大规模群体事件等，都要实施全面监测和预防。

如何针对可能发生的各类危及行车安全的灾害，建立安全、可靠、实时、准确的铁路安全防灾系统和信息传输体系，制定科学有效的预警机制和应急预案，在灾害发生前或发生后及时控制运行列车减速或停车，使各种多发、随机的铁路灾害造成的破坏力降低到最低程度或避免灾害的发生，这对铁路部门科学、合理地调度列车、指挥运行，确保高速铁路动车组安全、高效运营有着重大的实践意义。

高速铁路安全防灾系统是一项高新技术，它不仅适用于高速铁路，还可在普速（或既有）铁路灾害防护中应用。如在强风天气条件下， 系统可实时监控强侧风和横风变化强度，经过系统运算和内嵌程序的判断，为行车指挥控制系统提供较为合理的行车速度限制指令信息，或者为相关部门启动应急预案提供决策依据。运用这种系统技术，既可以降低强风等对铁路行车的影响和危害程度，又可以保证安全高效的行车效率。

2、防风布点原则及布点方案优化

2.1 优化目标（防风布点原则）

依据中小尺度天气系统的典型空间和时间尺度特征。参考国际中尺度地面观测网的设计思路和国家气象局区域自动站布点原则，依据QX/T 61—2007（1）、GB 50009-2001（2）有关技术规定，以高速铁路沿线强风主风向（以16方位强风玫瑰图确定强风主风向）（3）、最大瞬时风速2年一遇设计值V4_2max为指标（4），确定高速铁路动车组时速300～350km·h-1，最大瞬时风速2年一遇设计值不小于15m·s-1的路段设置风速风向传感器。高速铁路动车组时速200～250 km·h-1，V4_2max不小于20 m·s-1的路段设置风速传感器。不同速度等级的客运专线，其风速风向传感器的设置，不但要根据上述V4_2max值，还要考虑强风主风向与线路走向夹角β因素，高路基、高架桥、特大桥弯道强横风区间影响。风速风向传感器设置在线路的迎风侧，一般安装于GSM-R基站铁塔处；风速风向传感器不具备安装于GSMR基站铁塔的条件时，则宜安装于接触网杆上；风速风向传感器安装距轨面高度4m高度。优化目标(即防风布点原则)：⑴ 山区垭口、峡谷、河谷等特殊区间，风速风向传感器的平均间距在1km～5km之间。⑵ 距轨面高度10m及以上的高架桥、8m及以上高路堤区间，风速风向传感器的平均间距在5km～10km，风向风速传感器布设在距离线路弯道中心、高架桥和特大桥距地面最高处。⑶ 平原区间，风速风向传感器的平均布设间距在15～20km之间。⑷ 根据高速铁路动车组运营速度及沿线气象条件、地理环境，合理布设并适时调整风速风向计的布设间距。

2.2 布点方案优化

高速铁路沿线风速风向监测在空间的代表性有赖于布点优化及站点设置的合理。防风布点方案是以高速铁路沿线738个基本气象站近40年（1971～2009年）风向和风速资料为基础，结合高速铁路沿线100多个铁塔梯度风监测资料确定风随高度变化α系数，以及2000多个自动气象站近10年（2001～2009年）风向和风速短期监测进行信息化、规范化整编，采用极值Ⅰ型和P一Ⅲ概率模式分别计算东南沿海和内陆高速铁路沿线最大风速不同概率设计值（5），即最大风速2年一遇设计值、10年一遇设计值、30年一遇设计值、50年一遇设计值、100年一遇设计值，分析高速铁路沿线最大风速不同概率设计值空间分布特征，涵盖高速铁路近40年来强风和横风对动车组安全、高效行车最大风险。

在历史风向风速资料、铁塔梯度风与短期风向风速对比分析基础上，结合高速铁路的始发站至终点站路基高度、大桥和特大桥高度、强风主风向与线路夹角、经纬度、海拔高度、地形地势参数，根据气象学原理和荷载规范，进行高速铁路任意里程最大瞬时风速时距订正；路堤高、大桥和特大桥增速订正、地形订正（6），计算高速铁路沿线一般路段每间距1km、强风控速路段间距100m、危险路段间距20m，距轨面4m高处最大瞬时风速2年一遇设计值V4_2max，计算模式如下：

式（1）中V4_2max为高速铁路沿线任意里程距轨面4.0m高度处最大瞬时风速2年一遇设计值（m·s-1），V10为高速铁路沿线基本气象站10m高度处10min平均最大风速设计值，K1为时距订正系数；K2为路堤、大桥和特大桥增速订正系数；K3为地形订正系数。

高速铁路任意里程距轨面4m高处最大瞬时风速2年一遇设计值计算模式在全国各高速铁路区间通用、具有空间和时间可比性、能较为客观地分析高速铁路沿线最大风速垂直和水平分布特征，以及最大瞬时风速对动车组安全、高效行车影响程度和范围的等级标准，便于我国高速铁路防灾监控与安全行车风险评估规范化、标准化。因此以V4_2max作为防风布点主因素，对高速铁路沿线防风监测站进行优化布点，利用基于最小二乘法的线性回归方程对强风（阵风）系数进行计算后,发现方程的效果很好，相关系数r在0.6075～0.9987之间，通过α=0.001显著性检验。并且以相关系数r达到0.8000和0.7000时，即可视为符合主控因素策略，结合强风主风向与线路走向夹角β、高路段、高架桥、特大桥弯道强横风区间偏向角＜10°进行逐步优化，以高速铁路沿线任意里程距轨面4m高处10min平均最大风速30年一遇设计值V4_30max进行验证，结果表明：高速铁路沿线V4_2max与高速铁路沿线V4_30max变化趋势和数据基本相等，从而证明了防风布点方案优化的必要性。高速铁路防风布点方案优化工作流程图以图1所示。

图1 高速铁路防风布点方案优化工作流程图

依据高速铁路防风布点方案优化工作流程图对高速铁路风速风向传感器的布设按照布点原则进行优化，以京沪高速铁路（京徐段）防风布点方案、京沪高速铁路（徐沪段）风速风向布点初方案为例，分别以图2～图3所示。

图2 京沪高速铁路（京徐段）防风监控布点方案

图3 京沪高速铁路（徐沪段）风速风向布点初步方案

3、气象传感器WXT520安装位置

强风在高架桥、特大桥横断面的上方形成增速区域，而在横断面的下方产生较大的减速区域。线路构造物断面周边的风速分布因构造物形状和风向而不同。因此我们可以根据线路构造物的形状和强风主风向来判断强风大幅增速的领域。在高路堤、高架桥特大桥强横风桥梁弯道处设置防风栅处安装6要素气象传感器WXT520时，需要设置在没有障碍物“横断面”影响的位置，即风向风速传感器布设在距离线路弯道中心的距离大约为3m处，这与日本铁路高架桥和特大桥强横风桥梁弯道处风速仪安装位置相一致，如图4所示。差异在于，考虑实体防风栅或声屏障对气流抬升作用。透风式防风栅安装6要素气象传感器WXT520时可以直接安装在防风栅之上。这主要由于透风式防风栅主要作用是减小风速，适度压迫气流上升，防风栅后风速可减弱50%左右，且在防风墙后可产生大范围、强度较弱的涡流区域，因此可发挥最大防风效果。

（注：芬兰6要素气象传感器包括风向、风速、温度、相对湿度、雨量、大气压力）

在高架桥、大桥和特大桥、高路堤距轨面4.0m高度处安装风速风向传感器且与接触网杆处于同一坐标时，气象传感器WXT520可与接触网杆同杆架设，如图5所示，气象传感器WXT520安装高度距轨面4m迎风侧。芬兰维萨拉6要素气象传感器WXT520可获取实时风向、风速、温度、相对湿度、雨量、大气压力气象数据，为高速铁路防灾对策研究提供基础数据。

图5 高速铁路沿线距轨面4.0m高度处安装芬兰维萨拉6要素WXT520气象传感器示意图

4、结语

（1）高速铁路沿线距轨面4m高度处最大瞬时风速2年一遇设计值为防风布点方案主控因素，结合强风主风向与线路走向夹角β，以及高路堤和高架桥及特大桥弯道强横风区间偏角＜10°对高速铁路沿线防风监测站布点进行逐步优化，利用基于最小二乘法的线性回归方程对强风（阵风）系数进行计算后,发现方程的效果很好，验证了防风布点方案优化的必要性。为高速铁路防灾技术标准和规范制定提供了借鉴和参考。

（2）高速铁路任意里程距轨面4m高处

[1]GB 50009-2001.建筑结构荷载规范.2002年

[2]QX/T 61—2007.地面气象观测规范.2007年

[3]马淑红，马韫娟，李健群，段景娜.京津城际CRH3动车组大风天气条件下安全行车技术参数研究[J].铁道技术监督.2009，37（2）：7～12

[4]马淑红，马志福.瞬时最大风速对京津城际CRH3动车组行车安全影响[J].中国科技信息.2008.21期

[5]马淑红，马韫娟.瞬时风速对高速列车安全运行的影响及其控制.铁道工程学报[J].2009.01：11～16

[6]马韫娟，马淑红.我国高速铁路客运专线桥梁设计风速研究.铁道技术监督[J].2009，37（10）：34～37

[7]日本防风设备指导.铁道强风对策协议会.2003年9月最大瞬时风速2年一遇设计值计算模式在全国各高速铁路区间通用、具有空间和时间可比性、能较为客观地分析高速铁路沿线最大风速垂直和水平分布特征，以及最大瞬时风速对动车组安全、高效行车影响程度和范围的等级标准，便于我国高速铁路防灾监控与安全行车风险评估规范化、标准化。

（3）高速铁路沿线距轨面4.0m高度处，最大瞬时风速2年一遇设计值V4_2max，与距轨面4m高处10min平均最大风速30年一遇设计值V4_30max变化趋势和数据基本相等，从而证明了防风布点方案优化的必要性。

（4）芬兰维萨拉6要素气象传感器WXT520可获取实时风向、风速、温度、相对湿度、雨量、大气压力气象数据，为高速铁路防灾对策研究提供了基础数据。

（5）在高路堤、高架桥、特大桥以及弯道等强横风地段设置防风栅，同时6要素气象传感器（WXT520）安装在线路弯道中心距离约3m处，这与日本铁路高架桥和特大桥以及弯道等强横风处风速仪安装位置相一致。差异在于实体防风栅或声屏障对气流具有抬升作用。

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.21.150

马韫娟（1983-），女，北京人，硕士，研究方向：高速铁路防灾对策研究。