基于监测数据挖掘的高速铁路大风危险性评估研究

包 云，李亚群，马 祯，陈中雷，白根亮

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 北京经纬信息技术有限公司，北京 100081)

风对铁路运营具有显著影响，国内外铁路普遍加强对大风灾害的防御。JR 东日本新干线建设了集中信息监控系统，综合监测风、雨、雪、洪水等气象灾害及其次生灾害[1]，并研发了强风预警系统在普速铁路开展试用[2]；法国高速铁路也建有风监测系统[3]。我国高速铁路随工程建设同步建设了高速铁路自然灾害及异物侵限监测系统(以下简称“高速铁路灾害监测系统”)[4-5]，对风、雨、雪等气象要素和地震及异物侵限进行监测，当风、雨、雪监测值超过阈值时进行报警，以保障灾害天气下的列车运行安全。

关于大风对铁路的影响，崔新强等[6]对我国1950—2015年间铁路沿线气象灾害及其衍生灾害进行了分析，得出大风是影响我国铁路运行的主要灾害之一。气象灾害风险分析是加强气象灾害认知和防御的重要手段。代娟等[7]从气象灾害对高速铁路的影响机理入手，分析制定了高速铁路气象灾害风险区划方案。张子曰[8]对川藏铁路沿线气象风险进行了研究。以上是基于高速铁路沿线气象部门观测数据的研究。气象部门观测站一般与铁路沿线有一定的距离，受地形地貌等影响，观测数据的空间代表性具有一定的局限性。另外，气象部门用于业务的观测数据时间分辨率一般以2 min或10 min的平均观测资料为主，而高速铁路动车组列车运行速度高，指挥列车运行采用瞬时风速，对监测数据的精细化程度要求高。在高速铁路灾害监测系统建设初期，马淑红等[9]探讨了结合气象和高速铁路风监测数据的强风风险评估方法。高速铁路灾害监测系统积累的风雨雪灾害监测、报警数据可为高速铁路沿线气象灾害风险评估提供更加精细化的基础资料。结合高速铁路风监测数据，研究大风对列车运行的危险性评估指标和方法，为高速铁路气象灾害的精细化监测和防御提供借鉴。

1 风对铁路的影响

风对铁路基础设施、列车运行、运维等均具有重要的影响。

1.1 风对铁路基础设施的影响

风对铁路桥梁、接触网、铁塔、线路、站房等基础设施均产生一定的影响。风影响桥梁结构的稳定性，桥梁设计中桥梁构造要能够抵抗风荷载的作用，特别是对大跨度桥梁，风的动力作用更为突出；风影响接触网稳定性，进而影响接触网系统的安全可靠性、机车动态受流质量及工程投资[10]；强风可摧毁铁塔、损坏输电线路等；风携带卷杂的砂石，对列车设备和轨道造成损坏，风吹沙可掩埋铁路线路，造成行车隐患。

1.2 风对列车运行的影响

强风是导致列车事故的主要气象灾害之一，国内外铁路列车运行均受其影响[2-3]。在强风作用下，列车流场特性发生改变，气动性能恶化，列车侧向稳定性下降，达到临界状态时可能导致列车脱轨或倾覆。当列车高速通过在风口区域的特大桥梁、高路堤、丘陵及曲线等特殊路段时，环境风与列车气动力相互叠加，使列车脱轨、倾覆的可能性大大增加。强风不仅影响列车运行效率，严重时还会危及旅客生命财产安全。我国兰新(兰州西—乌鲁木齐)、哈大(哈尔滨西—大连北)、福厦(福州—厦门)等线路常年受到强风的干扰。

另外，大风可能造成铁路外部环境侵限，影响列车运行秩序甚至中断行车，如大风将彩钢板、塑料袋、风筝、防尘网等异物吹入铁路限界内、悬挂在接触网上等，造成列车大面积晚点甚至停运。

1.3 风对铁路运维的影响

大风增加了铁路运维工作量，对于易受大风影响而促发行车安全的隐患需要进行实时排查，如上道巡检或调取综合视频监控系统对重点防护地段进行盯控。另外，铁路天窗的设置维护应避开大风频发的时段，以保障运维人员安全，提高运维效率。

2 大风危险性分析

灾害风险分析是进行灾害防治的基础和前提，铁路大风灾害风险是由致灾因子(大风)的危险性及其对承灾体的易损性作用的结果。大风危险性和承灾体的易损性是大风风险分析的组成部分，其中大风是灾害的诱发因素，大风危险性分析是进行大风风险评估的基础和前提。铁路大风灾害风险评估因素如图1所示。

图1 铁路大风灾害风险评估因素Fig.1 Risk assessment factors of railway wind disasters

铁路不同承灾体(线路、桥梁、接触网、铁塔等基础设施及运行中的列车等)对同样的致灾因子大风的易损性(包括暴露性、脆弱性、敏感性和防灾减灾能力)不尽相同。对于承灾体的易损性，很难定量评估，一般针对某一类承灾体采用定量和定性相结合的方法进行评估[7-9,11]。通过重点定量研究致灾因子大风的危险性，为大风灾害风险的识别和防治提供支撑。

2.1 大风危险性评价因子的选择

建立评价指标体系是进行大风危险性评估的前提，气象灾害危险性评估一般采用灾害强度和灾变频率(或灾变可能性)度量。

高速铁路通过在沿线接触网支柱上设置风监测设备监测铁路沿线大风，采用风速进行报警，根据《铁路技术管理规程(高速铁路部分)》[12]，大风天气下行车规定如表1所示。通过对风速的实时监测，将瞬时风速分为5个等级，对于设计速度300 km/h以上的线路，大风限速等级分为4级。当风速超过阈值时，高速铁路灾害监测系统发出报警，列车调度员根据报警信息指挥列车运行。一般以灾害发生的频率即报警次数衡量灾害危险性[11]，研究认为报警次数不足以反映大风的持续特征，因而采用大风报警次数、强度和持续时间作为大风危险性评价指标。报警次数与报警时间的乘积为累计报警持续时间，考虑采用不同等级大风报警累计持续时间作为指标衡量大风危险性。

表1 大风天气下行车规定Tab.1 Train operation restrictions in windy weather

2.2 大风危险性评估方法

对于气象灾害危险性评估，一般采用专家打分法、等级赋值法、熵权法等[11,13-16]。为定量刻画大风灾害的危险性，采用熵权法[17]进行高速铁路大风灾害危险性评估，通过各监测点大风危险性指数计算各监测点大风危险性。第i个监测点大风危险性指数的计算公式为

式中：Ri为第i(i= 1，2，…，n)个监测点大风危险性指数；pij为第i个监测点第j(j= 1，2，…，m)等级大风报警持续时间占所有监测点大风报警持续时间的比重；wj为第j等级大风报警危险性指标权重。

基于历年高速铁路沿线大风报警数据，采用熵权法计算大风危险性评估指标权重。第j等级大风报警危险性的熵权计算公式为

式中：Hj为第j等级大风报警危险性的熵权值；pij=为第i个监测点第j等级大风报警累计持续时间aij标准化处理结果，标准化计算公式为

则第j等级大风报警危险性的权重计算公式为

3 实例分析

以某铁路局集团公司管内3条线路大风危险性计算为例，基于2019年1月至2021年3月数据，对高速铁路大风灾害的危险性进行评估。计算该段时间内各监测点4个等级累计大风报警持续时间 ，通过公式⑶计算各等级大风报警的指标权重，基于大风报警累计时间的大风危险性评估指标权重如表2所示。从表2可以看出大风四级报警指标权重最大，说明该区域3条线路存在停轮以上的大风报警，并且占比较大。

基于大风报警次数的大风危险性评估指标权重如表3所示，从表2、表3可以看出，基于报警累计持续时间和报警次数计算的大风不同等级报警指标权重不同。基于报警次数计算的大风二级报警指标权重大于累计持续时间计算的指标权重，说明该线路大风二级报警次数较多，但持续时间较短。研究认为，以报警累计持续时间计算的结果更加合理，不仅反映了大风发生的频率，同时反映了大风作用的时间。

表2 基于大风报警累计时间的大风危险性评估指标权重Tab.2 Weight of wind risk assessment indexes based on the accumulated time of wind alarm

表3 基于大风报警次数的大风危险性评估指标权重Tab.3 Weight of wind risk assessment indexes based on the times of wind alarm

根据公式 ⑴，3条高速铁路沿线大风危险性指数计算结果如图2所示。从图2可以看出，该线路的东部区域，尤其是红色和橙色显示的区域大风危险性指数较高，是大风危险区域。

图2 3条高速铁路沿线大风危险性指数计算结果Fig.2 Analysis results of wind risk indexes of three lines in an area

基于不同线路大风报警数据，大风风险评估指标权重可能不同，基于大风报警持续时间计算的对照线路的大风危险性评估指标权重如表4所示，其权重与上述3条线路的权重不同，4个等级大风指标权重相同。对照线路的大风危险性计算结果如图3所示，从图3可以看出，对照线路的中部区域为大风重点发生区域。

表4 对照线路的大风危险性评估指标权重Tab.4 The weight of wind risk assessment indexes of compared lines

图3 对照线路的大风危险性计算结果Fig.3 The results of wind risk calculating of compared lines

基于以上危险性分析结果，结合各线路地形地貌情况和风的影响范围，即可进行大风危险性区划。假设风监测点影响范围为上一个风监测点至本监测点中间的区段和本监测点至下一个监测点中间的区段，除去隧道，上述3条线路的大风危险性区划示意图如图4所示。基于该结果可进行大风灾害的重点防御，如进行监测资源的优化调整，风险高的区域可补强监测点，风险低的区域可使监测点的设置更加稀疏化，以降低灾害监测系统运维工作量。工务、电务等部门基于该结果可有针对性地制定大风天气下的出巡计划等。

图4 大风危险性区划示意图Fig.4 Schematic diagram of wind risk zoning

由于高速铁路风监测点设置在沿线，同时，监测秒级瞬时风速，对风速的反映更加细致，尤其是极值风速，可更加精细化地捕捉高速铁路沿线风的特征。与基于气象历史观测数据的大风危险性区划[8]相比，基于高速铁路长期历史监测数据的大风危险性分析更能代表高速铁路沿线大风的特征，有助于大风的精细化监测，以及监测资源有针对性的配置和优化调整、铁路沿线大风灾害有的放矢的防御；而基于气象观测数据的大风危险性分析可为无铁路沿线监测资料情况下的铁路选线等设计服务。

4 结束语

对不同线路大风报警数据的计算表明，不同线路大风危险性指标权重不同。采用大风危险性指标权重计算大风危险性指数，进而对大风危险性进行区划，可得出各线路大风危险区段，为高速铁路大风风险识别、大风精细化监测、风监测资源优化配置和大风有针对性的防御提供支撑。与基于气象观测数据的大风危险性区划相比，基于高速铁路风监测数据的大风危险性分析对风的特征反映更加细致，更能代表高速铁路沿线的大风特征。基于该方法，可进行高速铁路沿线雨、雪等气象灾害危险性分析，研究可为高速铁路灾害监测系统的优化、运维及高速铁路气象灾害防御等提供参考。