李亞群，劉江川，張德強(qiáng)，沈敬偉

（1.中國鐵道科學(xué)研究院 電子計(jì)算技術(shù)研究所， 北京 100081；2. 大西鐵路客運(yùn)專線有限責(zé)任公司， 太原 030027）

高速鐵路非接觸式雨量監(jiān)測設(shè)備準(zhǔn)確性與可靠性試驗(yàn)方法

李亞群1，劉江川2，張德強(qiáng)1，沈敬偉1

（1.中國鐵道科學(xué)研究院 電子計(jì)算技術(shù)研究所， 北京 100081；2. 大西鐵路客運(yùn)專線有限責(zé)任公司， 太原 030027）

從非接觸式雨量監(jiān)測設(shè)備的測量原理出發(fā)，利用正交試驗(yàn)方法，在人工模擬降雨環(huán)境下進(jìn)行動(dòng)態(tài)對(duì)比試驗(yàn)，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析非接觸式雨量監(jiān)測設(shè)備的準(zhǔn)確性和可靠性，探討針對(duì)非接觸式雨量監(jiān)測設(shè)備準(zhǔn)確性和可靠性的試驗(yàn)方法。

高速鐵路；雨量監(jiān)測設(shè)備；非接觸式；人工模擬降雨；正交試驗(yàn)

高速鐵路雨量監(jiān)測系統(tǒng)是列車行車安全的重要基礎(chǔ)設(shè)備,其準(zhǔn)確性與可靠性的高低直接關(guān)系到行車安全和運(yùn)輸效率。自2008年高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)，截至2013年在開通的36條高速鐵路上已部署589處雨量監(jiān)測點(diǎn)，其中90%以上的現(xiàn)場雨量監(jiān)測設(shè)備為非接觸式雨量傳感器，其測量的準(zhǔn)確性得到廣泛重視。

本文對(duì)非接觸式雨量監(jiān)測設(shè)備的測量原理進(jìn)行分析，研究基于人工模擬降雨和正交試驗(yàn)法對(duì)非接觸式雨量監(jiān)測設(shè)備的準(zhǔn)確性和可靠性的試驗(yàn)方法。

1 非接觸式雨量監(jiān)測設(shè)備測量及試驗(yàn)原理

非接觸式雨量監(jiān)測設(shè)備的雨量測量是基于雨滴的速度和形狀的測量，而雨滴的形狀僅與雨滴的降落速度有關(guān),因而檢驗(yàn)其測量準(zhǔn)確性的關(guān)鍵是需要知道當(dāng)前降落高度，即可通過調(diào)節(jié)供水壓強(qiáng)來實(shí)現(xiàn)模擬較寬范圍的降雨強(qiáng)度,達(dá)到檢測非接觸式雨量監(jiān)測設(shè)備的雨量測量的準(zhǔn)確性與可靠性。

1.1 雨滴降落速度

雨滴降落瞬時(shí)速度計(jì)算公式：

mw和ma分別為雨滴和空氣的質(zhì)量，g為重力加速度，v是雨滴降落的速度，cD為空氣阻力系數(shù)， ρ為空氣密度，A為阻力-壓力系數(shù)。其中cD和A不是常數(shù)，現(xiàn)只有關(guān)于雨滴質(zhì)量與速度的公式，而雨滴形狀與速度間的關(guān)系還沒有確定的公式，至今雨滴形狀與速度間的關(guān)系基本都是基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的研究。

影響雨滴形狀最重要的物理因素為表面張力和壓力。對(duì)于直徑小于1 mm的極小雨滴，表面張力使其體積達(dá)到最小即球形，這種情況下雨滴形狀與速度間的關(guān)系比較簡單，容易計(jì)算。

模擬降雨試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，當(dāng)降雨高度達(dá)到20 m時(shí)，所有雨滴的降落速度都可以達(dá)到終速[2]，但對(duì)于雨滴以一定初速下噴的模擬降雨器，當(dāng)雨滴達(dá)到一定初速時(shí)，降雨器高度只需2.4 m～3 m，雨滴的降落速度就可以達(dá)到終速[3～4]。

1.2 降雨強(qiáng)度

測得雨滴降落速度v（m/min）及雨滴等效球形直徑D之后，降雨強(qiáng)度I即可通過與降雨動(dòng)能之間的關(guān)系得出。

單個(gè)雨滴的動(dòng)能為：

降雨包含了許多大小不同的雨滴，單位面積地表（1m2）所接受到的總降雨動(dòng)能Ek（J?m-2）是在整個(gè)降雨過程中落在該區(qū)域內(nèi)的所有單個(gè)雨滴動(dòng)能的和，理論上可以寫成如下的積分表達(dá)形式：

式（3）中，Dmin和Dmax是降雨所包含的最大雨滴和最小雨滴的等效直徑， N*(D)dD表示單位地表所接受到的至今從D到D+ΔD之間的雨滴期望數(shù)。N*(D)是一個(gè)降雨時(shí)間T上的積分函數(shù)：

式（4）中，N'(D)dt表示時(shí)刻t到t+Δt之間單位地表直徑為D的雨滴期望數(shù)，并可由雨滴速度v和雨滴譜函數(shù)N(D)求得。

雨滴譜函數(shù)的Gamma分布的一般表達(dá)形式為：

式（5）中， N0≈8.0×103的常數(shù)， μ是與降雨類型有關(guān)的雨滴形狀因子，Λ是降雨強(qiáng)度I（mm/h）的冪函數(shù)，表達(dá)為[1]：

而對(duì)于以一定初速下噴的模擬降雨器，可以通過調(diào)節(jié)供水壓強(qiáng)來實(shí)現(xiàn)模擬較寬范圍的降雨強(qiáng)度[2]。

1.3 正交試驗(yàn)法

正交試驗(yàn)法就是科學(xué)的安排多因素試驗(yàn)，以較少的人力物力消耗而取得較多較全面信息的一種高效率試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，其特點(diǎn)是用部分試驗(yàn)來代替全面試驗(yàn)，通過對(duì)部分試驗(yàn)結(jié)果的分析來了解全面試驗(yàn)的情況。

正交試驗(yàn)法利用一套規(guī)格化的正交表安排試驗(yàn)，使部分試驗(yàn)中包含所有因素水平，部分試驗(yàn)點(diǎn)均衡地分布在全面試驗(yàn)的試驗(yàn)點(diǎn)中。

2 非接觸式雨量監(jiān)測設(shè)備準(zhǔn)確性和可靠性試驗(yàn)

非接觸式雨量計(jì)的測量準(zhǔn)確性通過測量數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)對(duì)比來進(jìn)行評(píng)價(jià)，其可靠性指標(biāo)可通過測量數(shù)據(jù)的完整性、一致性和故障率進(jìn)行評(píng)價(jià)。

試驗(yàn)在地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室人工降雨模擬大廳進(jìn)行，降雨噴頭為Spray V-jet噴頭，水壓為0.04 Mpa，降雨機(jī)與地面高度為6 m，能提供的降雨強(qiáng)度為6檔：1檔為無降雨，2～6檔降雨強(qiáng)度逐漸增加，各檔降雨強(qiáng)度如表1所示。

表1 各檔降雨強(qiáng)度（mm/h）

試驗(yàn)設(shè)備為2個(gè)Vaisala非接觸式雨量計(jì)、1個(gè)校準(zhǔn)后的翻斗式雨量計(jì)、2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)量筒，按照正交試驗(yàn)方法，試驗(yàn)采取降雨強(qiáng)度從小到大5檔依次進(jìn)行，分別持續(xù)5 min，然后更換各雨量監(jiān)測設(shè)備的擺放順序，重復(fù)上次降雨過程，共計(jì)3次，3次試驗(yàn)的設(shè)備布置圖如圖1所示。

圖1 設(shè)備布置圖

2.1 非接觸式雨量監(jiān)測設(shè)備準(zhǔn)確性分析

第1次試驗(yàn)降雨強(qiáng)度從0至降雨強(qiáng)度最大的時(shí)間為13:57:43～14:23:03，第2次試驗(yàn)降雨強(qiáng)度從0至降雨強(qiáng)度最大的時(shí)間為14:23:03～14:49:27，第3次試驗(yàn)降雨強(qiáng)度從0至降雨強(qiáng)度最大的時(shí)間為14:49:27～15:15:41，翻斗式雨量計(jì)測量的3次降雨過程累計(jì)降雨量分別為40.7 mm，39.2 mm，40.4 mm，最大誤差為3.7%。

雨量筒測量時(shí)間為14:58:25～15:15:41，1 000 ml雨量筒測量的累計(jì)降雨量為118 ml，2 000 ml雨量筒測量的累計(jì)降雨量為201 ml，其中1 000 ml雨量筒直徑為6.75 cm，2000 ml雨量筒直徑為8.65 cm，得到1 000 ml雨量筒測量的累計(jì)降雨量為33 mm，2 000 ml雨量筒測量的累計(jì)降雨量為34 mm，14:58:25～15:15:41期間翻斗式雨量計(jì)測得的累計(jì)降雨量為33.6 mm，其測量誤差小于氣象標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許誤差4%，實(shí)際最大誤差為1.7%。

當(dāng)降雨強(qiáng)度在標(biāo)稱雨強(qiáng)29 mm/h時(shí)，1號(hào)非接觸式雨量計(jì)與2號(hào)非接觸式雨量計(jì)測量的累計(jì)雨量（min）平均值差值為0.02 mm，測量值最大差值為0.10 mm；1號(hào)非接觸式雨量計(jì)與翻斗式雨量計(jì)測量的累計(jì)雨量（min）平均值差值為0.01 mm，測量值最大差值為0.2 mm；1號(hào)非接觸式雨量計(jì)與標(biāo)稱累計(jì)雨量（min）差值為0.02 mm，測量值最大差值為0.07 mm；2號(hào)非接觸式雨量計(jì)與翻斗式雨量計(jì)測量的累計(jì)雨量（min）平均值差值為0.03 mm，測量值最大差值為0.2 mm；2號(hào)非接觸式雨量計(jì)與標(biāo)稱累計(jì)雨量（min）差值為0.03 mm，測量值最大差值為0.08 mm；翻斗式雨量計(jì)與標(biāo)稱累計(jì)雨量（min）差值為0.01 mm，測量值最大差值為0.18 mm，誤差均在氣象標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許誤差范圍內(nèi)，如圖2所示。

在不同降雨強(qiáng)度條件下非接觸式雨量計(jì)與翻斗式雨量計(jì)測量值之間的累計(jì)雨量（min）差值如圖3所示。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，在人工模擬降雨條件下，本次試驗(yàn)中不超過60 mm/h的降雨過程中，非接觸式雨量計(jì)與翻斗式雨量計(jì)之間測量差值很小，不超過0.2 mm，差值在氣象標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許誤差范圍之內(nèi)；而當(dāng)降雨強(qiáng)度在60 mm/h以上時(shí)，非接觸式雨量計(jì)與翻斗式雨量計(jì)之間測量差值逐漸增大，疑因降雨機(jī)高度不夠，雨滴到達(dá)地面未達(dá)到終速度，導(dǎo)致非接觸式雨量計(jì)測量數(shù)據(jù)偏小。

圖2 非接觸雨量計(jì)與翻斗式雨量計(jì)測量結(jié)果動(dòng)態(tài)對(duì)比圖

圖3 非接觸式雨量計(jì)與翻斗式雨量計(jì)測量值的累計(jì)雨量（min）差值對(duì)比圖

2.2 非接觸式雨量監(jiān)測設(shè)備可靠性分析

2.2.1 數(shù)據(jù)完整性

試驗(yàn)自2014年11月5日13:57:43～15:15:41結(jié)束，2臺(tái)非接觸式雨量計(jì)分別采集數(shù)據(jù)4 679條，采集頻率為1 Hz，數(shù)據(jù)缺失率為0。

2.2.2 數(shù)據(jù)一致性

在不同降雨強(qiáng)度條件下非接觸式雨量計(jì)測量值之間的累計(jì)雨量（min）差值如圖4所示。

從以上數(shù)據(jù)可以得出非接觸式雨量計(jì)測量數(shù)據(jù)具有良好的一致性，相互之間的分鐘雨量測量差值在0.1 mm以下。

圖4 非接觸式雨量計(jì)測量值之間的累計(jì)雨量（min）差值對(duì)比圖

2.2.3 故障率

在試驗(yàn)過程中，未發(fā)生設(shè)備故障的情況，非接觸式雨量計(jì)在試驗(yàn)期間的故障率為0。

3 結(jié)束語

依據(jù)非接觸式雨量監(jiān)測設(shè)備的測量原理，利用正交試驗(yàn)方法，在人工模擬降雨環(huán)境下進(jìn)行了動(dòng)態(tài)對(duì)比試驗(yàn)，人工模擬降雨的重復(fù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有良好的一致性，翻斗式雨量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)器具有較高的精度，動(dòng)態(tài)對(duì)比分析非接觸式雨量監(jiān)測設(shè)備的測量誤差較小，可靠性較高，在人工模擬降雨環(huán)境下利用正交試驗(yàn)方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)對(duì)比試驗(yàn)可以作為非接觸式雨量監(jiān)測設(shè)備準(zhǔn)確性和可靠性的一種可行試驗(yàn)方法。

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[3]吳長文，徐寧娟.噴擺式人工降雨機(jī)的特性試驗(yàn)[J].南昌大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，17（1）：58-66.

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責(zé)任編輯 陳 蓉

本刊聲明

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Experiment method on reliability and veracity of non-contact rainfull gauge used in High-speed Railway

LI Yaqun1, LIU Jiangchuan2, ZHANG Deqiang1, SHEN Jingwei1
( 1.Institute of Computing Technologies, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China; 2.Daxi Passenger Dedicated Railway Co. Ltd., Taiyuan 030027, China )

From the point of view of measuring principle for non-contact rainfall gauge, using the method of orthogonal test, the dynamic comparison test was taken under the condition of simulated rainfall. The experimental data was used to analyze the accuracy and reliability of non-contact rainfall gauge.

High-speed Railway; rainfall gauge; non-contact; manual simulated rainfall; orthogonal test

U238∶TP39

A

1005-8451（2015）07-0042-04

2014-11-27

李亞群，工程師；劉江川，高級(jí)工程師。