城市轨道交通高架线路微型气象站应用研究

庾新原

（贵阳市城市轨道交通集团有限公司运营分公司，贵州 贵阳 550081）

0 引言

城市轨道交通是采用全封闭或部分封闭的双向轨道，以多辆车辆编组形成列车组，是一种大容量、高速度的交通工具，并具有安全、舒适、环保等特点。城市轨道交通系统按线路敷设方式划分，可以分为地下线路、地面线路、高架线路。城市轨道交通高架线路受气候影响较大，遇雾、霾、雨、雪等恶劣天气影响列车瞭望，遇大风、台风、暴雨等天气需限速、停运，极端自然灾害下甚至会造成列车运行脱轨、倾覆等危险。

1 高架线路简介

1.1 高架线路的定义

高架线路即轨道交通车辆运行在连续的、带状的高架桥上的轨道交通系统。高架线路一般由梁体、支座、桥墩、桥台、墩台、拉索以及灯光照明、桥面铺装、排水防水系统、栏杆附属设施等组成。

高架线路应按照100年设计使用年限，满足列车安全运行和乘客乘坐舒适的要求，线路结构应具备列车高速运行所需的设计强度以及竖向、横向刚度，并保证线路结构的整体稳定性。区间桥梁的建筑结构形式应满足城市景观和减震、降噪的要求，除大跨度需要外，一般不采用钢结构。

1.2 高架线路的优缺点

高架线路的优势显著，主要体现在高架线路在建设阶段建设速度快、成本低、安全风险小，在运营阶段，乘客观感好、运营维护成本低、应急救援难度小，但劣势也较为明显，在噪声震动、电磁辐射、城市景观方面存在明显的不足，特别是城市轨道交通高架线路暴露于露天环境，运行中受气候影响较大。

2 天气对高架线路的影响

2.1 大风（含台风）

大风天气可能产生异物侵限、区间设备设施松动（松脱）、接触网挂异物等，从而导致列车延误，影响正常运营；特别是高架线路在强侧风作用下，将造成车、梁及墩的剧烈振动，由于高墩稳定性较差，加剧车辆运行的不稳定性，可能出现列车脱轨、倾覆。

根据交通运输部《城市轨道交通行车组织管理办法》（交运规〔2019〕14 号，以下简称《办法》）第三十二条规定：风力达到7 级时，城市轨道交通高架线路的地铁列车应限速60km/h 运行；当风力达到8 级时，应限速25km/h 运行；当风力达到9 级及以上时，应停止运行。

2.2 大雾

大雾可能造成瞭望距离不足，导致列车延误、中断行车。根据前述条款规定，遇雾、霾等恶劣天气造成列车运行瞭望困难时，应打开列车前照灯，适时鸣笛，并按照下述限速要求运行：当瞭望距离不足100m、50m、30m 时，运行速度分别不应超过50km/h、30km/h、15km/h；瞭望距离不足5m 时，应立即停止列车运行。

2.3 暴雨

暴雨可能造成瞭望距离不足，导致列车延误、中断行车。此时，高架线路轨行区易产生线路积水，一般而言，暴雨天气瞭望困难时，按照前述条款大雾造成瞭望距离不足相关要求组织列车限速运行或停运。同时，列车司机加强线路积水情况的确认：当积水浸到轨底时，该区段限速40km/h 运行；当积水浸到轨腰时，该区段限速25km/h 运行；当积水漫过轨面时，该区段严禁通过。

2.4 寒潮

寒潮可能造成接触网结冰、跳闸失电等，导致车站或正线大面积停电、受电弓无法取电等。

2.5 暴雪

暴雪可能造成能见度较低、道岔故障、轨行区覆雪等，导致列车延误、行车中断等。一般而言，遇大雪天气瞭望困难时，按照前述条款大雾造成瞭望距离不足相关要求组织列车限速运行或停运。

2.6 雷电

雷电可能造成通信信号设备损坏、电气设备、供电线路漏电以及主所、接触网等失电，导致列车延误、行车中断等。

2.7 冰雹

冰雹可能造成列车损伤，被迫停运或者中断行车。

3 城市轨道交通微型气象站

城市轨道交通微型气象站是一款轻便、易安装的微型自动气象站，相比传统五要素气象站，实时监测气象站除定点风速、风向、温度、湿度和大气压等五要素内容外，还具备实时降水量的测量功能，且独创性地加入了实时天空摄像功能，通过图像识别技术能够在天空图像中读取更多的天气信息。

城市轨道交通微型气象站可以经受住低温、暴雨、日晒等极端环境考验，通常由硬件及软件两部分组成，采用“积木式”模块化结构，具有高可靠性、高准确性、易维护、低功耗、易扩展等特点。

3.1 定点风速监测

风速传感器的感应组件一般采用机械式风杯，在水平风力的作用下，该机械式风杯旋转带动主轴上的磁棒盘一起旋转，磁棒盘旋转过程中，对其上36 只磁体进行切割，形成18 个小型磁场，机械式风杯每旋转一圈，磁场切割在电路中感应出18 个脉冲信号，脉冲信号的频率变化取决于风速，当风速增大，脉冲信号的频率也会随之线性增长，从而反向计算出定点风速。主要技术指标满足测量范围不低于0～50m/s，分辨力不低于0.1m/s，误差±5%，启动风速不超过0.5m/s，最大回转半径107mm；以脉冲频率形式输出信号。

3.2 定点风向监测

风向传感器的感应元件一般采用机械感应式风向标，风向标采用轻质锂金属材料制作，箭头短边指向正北方，整体悬浮于镂空圆球型感应磁场，当外界风力作用，锂金属风向标发生旋转偏移，切断感应磁场产生电流，转化为信号传递至操作终端并显示风向。轻质锂金属风向标在外界风力作用下产生波动，形成波动电流，建立波动电流与外界风力的匹配函数，最终通过操作终端计算得出实际风力大小。

机械感应式风向标主要技术指标一般需满足起动风速不高于0.5m/s，测量范围满足0～75m/s，风力辨析力不低于0.1m/s，锂金属风向标抗风强度不低于85m/s。

3.3 定点温度监测

城市轨道交通高架线路的定点温度检测是指高空温度，通过温度传感器将高空温度转换成输出信号，铂电阻温度传感器是利用金属铂来感应温度变化的传感器，具有精度高、误差小、稳定性强等特点，因此一般采用铂电阻温度传感器作为城市轨道交通微型气象站首选传感器。铂电阻温度传感器设立在城市轨道交通高架线路，当外界温度变化时，金属铂的电阻相应发生变化，通过电阻值变化函数匹配对应的温度值，最终在传感器操作终端仪表上显示实时温度值。当被测介质中存在温度梯度时，铂电阻温度传感器仪表上显示的温度值即为介质层中的平均温度。

城市轨道交通微型气象站使用的温度传感器一般由精密度较高的铂热电阻元件，通过特殊工艺处理，形成防护套，用四芯屏蔽信号电缆线从铂热电阻元件中引出测量。利用四线制测量法的方式，减少导线固有电阻引起的测量时操作误差，以达到精确目的。

温度传感器主要技术指标一般需满足气温观测范围-50～+60℃，允许误差应控制在±0.2℃，温度辨析力不低于0.1℃。

3.4 定点湿度监测

城市轨道交通微型气象站一般采用湿敏传感器。湿敏传感器是通过湿敏材料特性将外界湿度变化转化为电子信号。湿敏电容普遍采用酪酸醋酸纤维或聚苯乙烯以及聚酰亚胺等高分子薄膜电容制成，当城市轨道交通高架线路所在区域的环境湿度发生改变时，高空线路监测区域中游离的水汽经湿敏材料的吸收或释放，导致电容的介电常数产生波动变化，从而产生电容量的变化。由于环境湿度与产生的电容量呈线性关系，通过建立环境湿度与湿敏传感器的函数关系，从而准确得出测量区域的空气湿度。

湿敏传感器主要技术指标一般需满足测量范围5%～100%RH，湿敏材料年漂移率应小于1%RH。当高架线路空气中相对湿度大于80%时，允许误差不超过±5%RH；当高架线路空气中相对湿度小于或等于80%时，允许误差不超过±3%RH。

3.5 定点降雨量监测

降雨量是指从天空降落到地面上的水层深度，一般以mm 为单位，日常统计数据中有年降水量、月降水量、日降水量、12h 降水量、6h 降水量甚至h 降水量。一般而言，我们通常所说的降水量仅指垂直降水，不包含水平降水的统计。

城市轨道交通微型气象站一般采用翻斗式雨量计，翻斗式雨量计根据翻斗的形式不同，一般包含单翻斗、双翻斗以及多翻斗。以双翻斗雨量传感器为例，双翻斗雨量传感器的承雨器开口朝向天空，收集天空降落到地面上的雨水，收集的雨水通过漏斗进入上翻斗进行定量储存，储存一定量后，由于雨水重量导致上翻斗失衡翻转，雨水进入汇集漏斗的节流管，通过计量翻斗把不同强度的自然降水调节为均匀的降水强度，从而减少一定范围内不同降水强度所造成的测量误差。

翻斗式雨量计主要技术指标一般需满足降雨量辨析力不低于0.1mm。当降雨量在10mm 及以下时，要求最大误差不超过±0.4mm；当降雨量大于10mm时，要求最大误差不超过±4%。

3.6 定点气压监测

气压是作用在单位面积上的大气压力，国际制单位为帕斯卡，简称“帕”，符号是“Pa”。在气象行业，现在使用的单位是百帕，用符号“hPa”表示，气压也常用毫米水银柱高表示。气压的测定仪器根据介质状态不同，分为液体气压表和固态气压表，气压最终测定的数据由安装在光线充足且温度稳定的气压室内的气压测量仪测量所得，一般包含定时气压记录和气压连续记录。

其中定时气压记录误差相对较大，由人工通过槽式水银气压表（动槽式或定槽式）目测所得，观测要求基本站4 次/日，基准站24 次/日；而气压连续记录是采用金属弹性膜盒感应器来连续记录或遥测自动记录的，精度准，能够在任意时间获得所有时刻的气压记录。

城市轨道交通微型气象站一般采用硅膜盒电容式气压传感器，该传感器能够连续记录大气压力发生变化情况。当传感器所处环境大气压力发生变化时，气压挤压硅膜盒的弹性膜片，造成弹性膜片发生形变，从而引发电容器电容发生改变，一般而言：当外界气压增大时，硅膜盒的弹性膜片向下发生形变，电容器电容增大；当外界气压减小时，硅膜盒的弹性膜片向上发生形变，电容器电容减小。通过建立大气气压与电容器电容的函数关系，从而准确得出测量区域的大气压力。

硅膜盒电容式气压传感器主要技术指标一般需满足测量范围不低于500～1100hPa，气压辨析力不低于0.1hPa，最大允许误差不超过±0.3hPa。

3.7 定点实时摄像

城市轨道交通微型气象站实时摄像功能以数字网络为传输介质、网络视频服务器为核心，通过微波、电缆或光纤等形式，在闭合环路内传输视频信号，能够实时地将被监控对象依托网络，在任意操作终端进行显示。同时，系统数据库通过图像识别技术，能够结合监测站周边风速、风向、温度、湿度和大气压等要素，能够智能化提供气象精准数据，推送监测预警信息，提醒操作人员根据气象信息及时响应。主要技术指标一般需满足分辨率不应低于25 万像素，对应彩色/黑白不低于420 线/570 线，响应时间不超过1s，传输速率不低于150Mbps。

4 城市轨道交通高架线路微型气象站的应用

由于城市轨道交通所在城市的气象预警信息一般采用区域化综合预警，一是城市轨道交通OCC 指挥中心通过媒体公众号获取的当地气象局发布的气象信息，具有一定时间的延误，无法及时、准确收悉气象预警信息；二是城市区域性的气象预警信息不能客观反映出城市轨道交通沿线实际气象真实状态，特别是高架线路某些特定点位的实际风速、风力以及降雨量等信息，不能满足行车调度指挥以及列车司机限速的判断依据。通过在城市轨道交通高架线路定点安装微型气象站，能够实时获取高架线路地段风速、风向、温度、湿度、大气压以及实时降水量，提前对气象灾害进行有效预测、预警，及时采取防范、应对措施，最大限度地减少灾害天气对城市轨道交通高架线路的运营影响。通过高架线路微型气象站，建立完善的气象灾害预测监测系统，对收集到的气象观测资料进行智能分析、有效评估，从而强化气象服务的应急防范与事故应对，全面提升抵御突发事件事故处置能力，及时启动应急预案，切实增加城市轨道交通运营单位快速反应能力和应急处置能力，不断提升服务质量，更好地促进城市轨道交通高质量发展。

5 结语

本文从天气对高架线路的影响出发，致力于研究气候对城市轨道交通高架线路的影响，通过在城市轨道交通高架线路加装微型气象站，实时获取高架线路地段风速、风向、温度、湿度、大气压以及实时降水量，并自动开展智能分析、有效评估，强化气象服务的应急防范与事故应对，最大限度地减少灾害天气对城市轨道交通的运营影响，对后续城市轨道交通设计、建设、运营防灾减灾具有一定的指导意义。