倪 曉

（中鐵二院西北勘察設計有限責任公司，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

因為大風天氣的頻繁出現(xiàn)，不僅對鐵路沿線橋梁、車輛、通信設備造成不同程度的影響，甚至可能導致列車晚點或是列車傾覆的情況出現(xiàn)，嚴重擾亂了交通運輸秩序，降低了交通運輸效率。大風監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)對鐵路安全行車產(chǎn)生危害的大風災害進行監(jiān)測，有利于管理機構準確掌握災情和災情發(fā)展趨勢并迅速做出決策，采取應急措施。從而達到降低災害損害的目的，最終確保行車安全萬無一失。因此，建立鐵路大風監(jiān)測系統(tǒng)，對防范大風事故、保障鐵路運輸安全具有非?，F(xiàn)實的意義。

2 大風監(jiān)測系統(tǒng)設置必要性

隨著社會經(jīng)濟與科學技術的發(fā)展，更高的開行頻率、更快的運行速度、更輕的車體材質(zhì)提高了運營效率和旅客出行感受。但是，因為自然災害，尤其是強側風的產(chǎn)生，給列車的安全平穩(wěn)運營帶來了極大的安全隱患，并且嚴重干擾行車秩序，給鐵路安全運行維護帶來了很多困擾，因此，鐵路大風監(jiān)測系統(tǒng)對確保鐵路高效、安全運輸具有很重要的意義。

3 鐵路大風監(jiān)測系統(tǒng)設計方案

文章針對西部某鐵路大風監(jiān)測系統(tǒng)進行方案設計，大風監(jiān)測系統(tǒng)由中心系統(tǒng)設備、監(jiān)測終端、現(xiàn)場監(jiān)測設備及承載網(wǎng)等組成，其系統(tǒng)圖如圖1所示。

3.1 現(xiàn)場監(jiān)測設備

大風監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)測設備由風速風向儀和監(jiān)控單元2部分組成。

（1）風速風向儀設置原則。根據(jù)本段沿線氣候特征并參照《鐵路自然災害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)工程技術規(guī)范》（Q/CR 9152—2018）[1]相關技術要求：

①大風監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)測設備設置在鐵路沿線20年來最大風速值大于15 m/s的區(qū)段。

②大風監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)測設備設置間距為1～5 km，山區(qū)埡口、峽谷、河谷等易產(chǎn)生大風的地段。

③大風監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)測設備在橋梁、高路堤等地段設置間距為5～10 km。

（2）風速風向儀安裝條件。大風監(jiān)測系統(tǒng)風速風向儀鐵路沿線設計中一般安裝在通信鐵塔或者接觸網(wǎng)桿上，會根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行選擇，在不影響數(shù)據(jù)采集準確性的情況下，滿足設備安裝條件。

安裝于通信鐵塔上時，安裝位置距離軌面約10m，智能控制單元與風速風向計結合安裝于通信鐵塔上。

如現(xiàn)場無通信鐵塔或通信鐵塔安裝條件不滿足技術要求，需安裝在距軌面垂直高度4 000±100 mm的接觸網(wǎng)桿上，安裝時應避開支柱上的接觸網(wǎng)設備，如設置有隔離開關、避雷器、下錨、風向風速計托架和安裝厚度不小于10 mm的橡膠墊片等接觸網(wǎng)設備。

（3）風速風向儀設備比選。風速風向儀目前應用比較廣泛的主要有風杯式風速風向儀、超聲波式風速風向儀、熱場式風速風向儀等。

根據(jù)設備構架原理，主要優(yōu)缺點對照分析見表1。

圖1 鐵路大風監(jiān)測系統(tǒng)圖

表1 風速風向儀設備比選

設計過程中，應結合鐵路線路里程、鐵路周圍環(huán)境及維護情況，并且充分考慮系統(tǒng)建設成本等因素，來選擇合適的風速計。目前我國西部地區(qū)部分鐵路因鐵路線路里程長、人煙稀少、維護困難的現(xiàn)狀，同時充分考慮系統(tǒng)建設成本等因素，普遍采用超聲波式風速計。

（4）監(jiān)控單元設置。監(jiān)控單元是對現(xiàn)場風速風向儀采集到的數(shù)據(jù)進行接收處理，并將數(shù)據(jù)傳輸至上級系統(tǒng)。監(jiān)控單元采用模塊化結構，由主機模塊、各種監(jiān)控功能模塊、繼電器組合模塊、防雷單元（電源、線纜）、網(wǎng)絡接口、電源、機柜等組成。因西部地區(qū)每年降水稀少，空氣干燥，相對濕度多數(shù)地區(qū)在30%～40%，并且受高空西風氣流影響，部分地區(qū)全年8級以上的大風日數(shù)大于50 d，西部和北部地區(qū)可達100～165 d，在同等風速條件下，風壓比平原地區(qū)受空氣密度影響要小20%～40%。因此，為了控制投資，監(jiān)控單元僅設置了風監(jiān)測模塊，但同時由于近年來極端天氣頻繁出現(xiàn)，需要在后期增加雨雪天氣的現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，因此僅對模塊進行擴展，而保留了其他災害監(jiān)測子系統(tǒng)擴展接口，無須整體更換設備，最大限度地利用設備。監(jiān)控單元安裝于鐵路沿線的通信區(qū)間基站、中繼站等通信機械室內(nèi)，與風速風向儀同址安裝。

（5）現(xiàn)場設備傳輸方式對比。大風監(jiān)測系統(tǒng)一般采用有線或無線方式進行數(shù)據(jù)信息傳輸至監(jiān)控單元，其優(yōu)缺點對照分析見表2。

表2 傳輸方式對比表

通過有線、無線傳輸方式的優(yōu)缺點分析，并綜合現(xiàn)場沿線的地質(zhì)、氣候及基礎設施的建設情況，為進一步確保系統(tǒng)的可靠性、安全性，應選擇合適的傳輸方式承載大風監(jiān)測系統(tǒng)相關數(shù)據(jù)信息。但目前國鐵使用最多的是有線傳輸，因為有線傳輸利用鐵路專網(wǎng)傳輸，滿足傳輸可靠性與安全性，且具有便于維護、建設費用低等有利因素。風速風向儀與監(jiān)控單元之間采用光纜連接，光纜敷設在區(qū)間通信信號光、電纜槽內(nèi)。在沒有電纜槽區(qū)間內(nèi)，需直埋光纜，直埋光纜采用鋼管防護；跨水溝、跨電力電纜槽采用鋼管加混凝土包封防護；區(qū)間光纜上下橋利用橋梁中光、電纜鋸齒口敷設；區(qū)間橋上光、電纜引下利用通信橋墩鋼槽引下滑道敷設。

（6）現(xiàn)場設備供電及防雷。風速風向計由監(jiān)控單元設備采用WDZ-YJY23 3×6 mm2電纜為其供電且自帶UPS電源，備用時間不小于30 min。監(jiān)控單元由通信機房內(nèi)兩路一級負荷的220 V單相交流電源專用配電箱供電，并且監(jiān)控單元電源設備按雙套配置，互為備用，單套電源模塊備用時間不小于3 h。監(jiān)控單元電源設備中交流不間斷電源（UPS）等設備的功能及性能，應符合《鐵路通信電源 第3部分：通信用不間斷電源設備》有關技術標準的規(guī)定[3]。電源需納入鐵路電源及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。

當大風監(jiān)測系統(tǒng)電纜引入室內(nèi)時，將內(nèi)外兩側的金屬護套斷開，采用截面積不小于25 mm2的外線側的屏蔽鋼帶及金屬保護層的多股銅線接入引入井接地排，并將屏蔽鋼帶及設備側面的金屬護層懸浮。監(jiān)控單元、室外的現(xiàn)場采集設備各端口均配置防雷單元，完成線纜防雷，監(jiān)控單元的電源設備進線端口配置浪涌保護模塊，區(qū)間電纜全部做好防雷接地后才進入設備機房。電源防雷器/浪涌保護器應靠近地線排和被防護的設備安裝，浪涌保護器地線長度應小于1.0 m；與被防護設備之間的連線應短而直，連接線不宜超過0.5 m。SPD設備應通過CRCC認證，并采用凱文接線方式，相關配線及配線方案由防雷設備廠家負責。大風監(jiān)測系統(tǒng)室外監(jiān)測設備保護接地納入綜合接地系統(tǒng)，大風監(jiān)測設備與接觸網(wǎng)桿電氣連接后采用50 mm2地線接入綜合接地系統(tǒng)地位置，并且應避免與設有避雷器的接觸網(wǎng)桿在同一位置接入綜合接地系統(tǒng)。

3.2 通信網(wǎng)絡構成方案

為了確保傳輸可靠，大風監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡目前多采用有線傳輸方式，數(shù)據(jù)信息由本線通信傳輸、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)承載。

大風監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場采集設備采集相關數(shù)據(jù)上傳至智能控制單元，智能控制單元經(jīng)初步處理后上傳至鐵路局調(diào)度所大風監(jiān)測系統(tǒng)中心。對各養(yǎng)護管理單位的監(jiān)控、維護終端，由大風監(jiān)測系統(tǒng)中心下達監(jiān)測信息。監(jiān)控單元接入網(wǎng)絡由通信傳輸系統(tǒng)提供的通道（接口為FE電口），通過以太網(wǎng)匯聚接入各車站大風監(jiān)測系統(tǒng)接入點，構成雙星型網(wǎng)絡[4]。調(diào)度中心大風監(jiān)測系統(tǒng)中心通過通信傳輸系統(tǒng)提供的通道與之相連。鐵路區(qū)間大風監(jiān)測數(shù)據(jù)通過主備用各1×2 M通道（接口均為FE口）與就近站點相連，各站點通過傳輸系統(tǒng)通過主備用各2×2 M通道（接口均為FE口）與鐵路局調(diào)度中心大風監(jiān)測系統(tǒng)中心相連。鐵路局大風監(jiān)測系統(tǒng)中心至監(jiān)測終端之間通過主備用1×2 M通道（接口均為FE口）互聯(lián)。

系統(tǒng)采用雙以太網(wǎng)、TCP/IP協(xié)議并滿足信息傳輸?shù)膶崟r性要求。為確保信息傳輸?shù)目煽啃裕p網(wǎng)絡接口分別接入通信傳輸及接入系統(tǒng)的不同業(yè)務板卡。

3.3 中心系統(tǒng)設置

信息處理平臺、監(jiān)控終端等設備構成了鐵路局的中心系統(tǒng)。以下是中心裝備的總體作用：

（1）完成風速、風向等信息的處理和判別；

（2）根據(jù)判別結果將報警信息及行車管制預案推送至鐵路局調(diào)度中心調(diào)度臺大風監(jiān)測系統(tǒng)終端；

（3）完成現(xiàn)場監(jiān)控資料整理為基礎資料錄入，報警信息記錄和各類風速、風向等事故信息的錄入工作。

根據(jù)功能需求，信息處理平臺設置1臺數(shù)據(jù)庫服務器、1臺應用服務器，其中數(shù)據(jù)庫服務器負責鐵路局系統(tǒng)數(shù)據(jù)（實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)、設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)及系統(tǒng)管理等有關數(shù)據(jù)）的集中存儲，應用服務器負責接收現(xiàn)場監(jiān)測設備實時數(shù)據(jù)并生成災害報警和設備故障報警信息、將監(jiān)測數(shù)據(jù)和報警數(shù)據(jù)實時傳送至各監(jiān)控終端、調(diào)度人員需對現(xiàn)場情況實時掌握。服務器采用主備冗余方案設計[5]。

監(jiān)測終端包括監(jiān)測業(yè)務終端和監(jiān)測維護終端。監(jiān)測業(yè)務終端主要任務是對前端收集設備傳送數(shù)據(jù)的收集和處置，一般設置在鐵路局調(diào)度臺和通信段網(wǎng)管中心。監(jiān)測維護終端主要任務是對鐵路現(xiàn)場大風數(shù)據(jù)實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)報警信息及時處理，現(xiàn)場采集設備和監(jiān)控單元設備及網(wǎng)絡運行是否正常等監(jiān)測數(shù)據(jù)收集，一般設置在沿線通信車間，工作人員須定期對現(xiàn)場設備進行維護。

4 總結

列車的速度和列車的荷載存在關聯(lián)性，采用輕材質(zhì)的材料制造列車，可以提高列車的行駛速度，但同時這也使側向強風帶來越來越嚴重的問題。另外，浮力和俯仰力矩會在高速運行時產(chǎn)生，而且隨著運行速度的提高，浮力和俯仰力矩也越來越大，運行在這種狀態(tài)下的列車極易受到大風的影響，從而引發(fā)行車事故。由此，一套合理可行、易于維護的大風監(jiān)測體系的建立和完善，對鐵路局及時準確掌握大風災情動態(tài)是大有裨益的；而且對管理機構的快速決策、應急處置等都有好處。同時鐵路大風監(jiān)測設備前端采集設備風速風向儀為無人值守設備，設備自身除具備可靠的質(zhì)量性能外也須具備自動恢復能力。監(jiān)測終端遠程掌控設備運行實時狀態(tài)，并對設備定期維護外，也可進行遠程維護。所以在設備的選型上，要有前瞻性，系統(tǒng)設計中具有可擴展性，在保證鐵路安全、高效運行的前提下，同時考慮到降低投資與維護成本。