高速铁路风监测设备比对试验方法的研究

武明生，秦成文，徐成伟

（1.中国铁道科学研究院 电子计算技术研究所 ，北京 100081；2.广州铁路（集团）公司 工务处 ，广州 510088）

高速铁路以其速度快、客运量大、舒适度高、能耗低等特点，已成为铁路客运系统的主要运输方式。同时，随着速度的提高，高速铁路运营的安全问题引起了人们的普遍关注。地面风是对行车安全产生影响的重要因素之一，为此，开发了高速铁路风监测系统，其风速采集设备为风监测设备。

目前，国内缺少对高速铁路风监测设备进行检定的有效手段，主要是借助气象部门风洞实验室来完成。为了更好地确认风监测设备的准确性和稳定性，本文研究高速铁路风监测设备比对试验方法，可为高速铁路风监测设备上线使用前的检定工作提供参考。

1 背景概述

高速铁路风监测系统主要由风监测设备、监控单元、监控数据处理设备和监控终端组成。高速铁路风监测系统是行车安全的重要保障环节，属铁路一类设备，其主要作用是提供大风报警信息，为行车指挥命令的下达提供参考依据。风监测设备数据采集的准确性、稳定性是大风报警信息具备可用性的必要条件，对于准确地为行车调度人员提供大风报警信息，从而确保动车组安全运行具有重要的现实意义。

2 存在问题

国内外对高速铁路风监测设备的检定工作主要通过风洞试验完成，其中，日本新干线、法国地中海等国外高速铁路风监测系统使用的风监测设备主要为机械式，我国高速铁路风监测系统使用的风监测设备有超声波和热场式两种。

风洞试验是依据运动学相对性原理将被检定的设备固定在地面人工环境中，人为制造气流流过，以此模拟空中各种复杂的地面风状态，获取试验数据。

风洞实验固有的模拟存在3方面的不足：

（1）边界效应或边界干扰：静止大气是无边界的，在风洞中，气流是有边界的，边界的存在限制了边界。

（2）支架干扰：用支架把模型支撑在气流中，存在对模型流场的干扰。

（3）相似原理：风洞实验的理论基础是相似原理，要求风洞流场与真实飞行流场之间满足所有的相似准则，或两个流场对应的所有相似准则数相等，风洞试验很难完全满足。

基于以上3方面的不足，风洞试验宜用于对国外高速铁路机械式风监测设备进行检定，目前还不能对我国高速铁路基于超声波或热场式风监测设备进行有效检定。

3 设计方案

为了屏蔽风洞试验的缺点，将通过建立模拟风场的方式进行风监测设备与风速标准器之间的比对试验，从而确定风监测设备的准确性、稳定性特征值，为我国高速铁路风监测设备进行检定提供技术参考。依据试验地点选择不同，比对试验有两种方案。

方案1：高速铁路正线现场比对试验。

优点：可以真实地验证高速铁路风监测设备的准确性和稳定性。

缺点：因现场环境限制，很难建立符合气象标准要求的模拟风场，现场施工和维护困难，不适合长期试验，同时单个或几个监测点的比对结果不具备代表性。

方案2：专门试验环境比对试验。

优点：可按照气象部门有关标准要求，建立符合条件的模拟风场，维护方便，适合长期试验，同时可对多个风监测设备进行比对试验。

缺点：高速铁路正线风监测设备需要拆卸后或安装前进行比对试验。

风监测设备及其标准器的安装高度、间距等指标是建立具有同一风源模拟风场的必要条件，比较方案1和方案2的优缺点，推荐采用方案2，进行比对试验方法研究。

3.1 硬件组成

高速铁路风监测设备比对试验方案中的主要硬件由风监测设备、服务器、监测终端3部分组成，如图1所示。

图1 比对试验硬件组成拓扑示意图

风监测设备包括标准器和被比对风监测设备，负责采集风速数据，并通过网络传至应用服务器。

应用服务器接收标准器、被比对风监测设备发送来的数据，进行分析、处理和存储，并把相关数据传至监测终端。

监测终端接收应用服务器发送的标准器、被比对风监测设备数据，通过对相关数据的比对和分析，给出被测风监测设备的特征值。

3.2 模拟风场

依据气象部门相关标准，利用3个风速标准器构建比对试验模拟风场。其中，各标准器安装高度在10 m～12 m之间，相互距离为5 m。被比对风监测设备放置在模拟风场外侧，安装高度与标准器一致，相互距离（含标准器）5 m，设备部署俯视示意图见图2。

模拟风场尽可能建立在较为空旷的场所，以屏蔽各种干扰，确保标准器、被比对风监测设备处于同一风源中。

3.3 标准器选型

已建高速铁路风监测系统选用的风监测设备主要有超声波式和热场式两种，由于超声波式和热场式风监测设备在国内外还不能进行有效检定，不能作为比对试验标准器。

因此，在模拟风场构建时，选用国外高精度机械式风监测设备作为比对试验标准器在试验中使用，该设备经国家气象部门检定并符合“1/3~1/10”准则。

图2 比对试验模拟风场设备部署俯视示意图

4 数据分析

4.1 分析方法

通过对标准器的检定和校准，确定其系统误差（误差表、误差曲线或计算公式），对标准器的监测数据进行修正，形成约定真值。

在比对试验中，利用标准器修正后的监测数据与被比对风监测设备进行比较，确定被比对风监测设备数据样本的绝对误差、标准误差、平均偏差、缺测率和粗差率等特征值。

根据《地面气象观测规范》第1部分总则（QX/T45-2007）等技术文件及标准器精度、被比对风监测设备精度，确定各特征值范围要求，验证被比对风监测设备的准确性和稳定性是否符合技术要求。

4.2 样本建立

参考气象部门相关设备静态试验和动态考核情况，为了确定被比对风监测设备的准确性和稳定性，单个被比对风监测设备比对时间为1年，比对内容为风速秒数据。

把标准器及被比对风监测设备每天的数据定义为一个样本，1年的数据定义为一个样本组，进行数据分析。

4.3 异常值剔除

为了提高数据分析的有效性，在确定绝对误差、标准误差、平均偏差特征值时，依据“三倍标准偏差准则”对采集数据进行异常值剔除。

4.4 分析指标

通过对标准器、被比对风监测设备风速秒数据进行分析，分别计算出绝对误差、标准误差、平均偏差、缺测率、粗差率，其中，绝对误差、标准误差评价被比对风监测设备的准确性，平均偏差、缺测率、粗差率评价被比对风监测设备的稳定性。

4.4.1 绝对误差

式（1）中，△为绝对误差 ，X为被比对风监测设备测量值，L为剔除系统误差后的标准器测量值。

4.4.2 标准误差

设n个测量值的误差为E1，E2，…，En，标准误差为σ。

式（2）中， E =X i – T，E为误差，X i为被比对风监测设备测量值，T为剔除系统误差后的标准器测量值。

4.4.3 平均偏差

式（3）中， d－为平均偏差，xi为某时刻被比对风监测设备与标准器采集数据差的绝对值，n为测量次数， x－为 xi平均值。

4.4.4 缺测率

缺测率指在规定时段内，某一气象要素的缺测次数与该时段内该要素观测总数之比，用百分数表示。

4.4.5 粗差率

根据异常值剔除时计算的标准偏差S，逐个检查比对差值，若有|X i- X| > 3S时，剔除其中一个最大者，再按计算标准差的公式计算新的S，若还有差值|Xi - X | > 3S者，再剔除其中的一个最大者，又计算新的S，一直到没有数据需要剔除为止。

4.5 仿真数据分析

本文以高速铁路系统试验国家工程实验室安全保障实验部风速秒数据作为比对试验的仿真数据。使用xi（x1，x2，x3，…，x60）表示被比对设备采集的风速数据，使用yi（y1，y2，y3，…，y60）表示标准器采集的风速数据，使用zi（z1，z2，z3，…，z60）表示同时刻被比对设备与标准器采集的风速数据差值，即zi=xi-yi（i=1，2，…，60）。

被比对设备与标准器采集的风速数据（单位为：m/s）如下：

被比对设备（xi）：3.6，4.2，5，4.5，4.9，5.5，6.5，5.6，5.4，4.8，4.1，3.2，3.2，3.2，2.7，2.8，2.6，2，2.6，3.4，3.8，4.8，5.4，5.4，5.9，6.8，7.1，6.8，8.3，9.3，10.2，10.1，8.1，8.1，6.2，4.1，3，3.1，5.1，4.9，5.1，6.7，3.7，3.7，3.7，3.2，4.3，4.1，3.9，4.4，3.8，3.1，2.8，2.8，4.2，4.7，4.2，2.4，2.8，4.4。

标准器（yi）：3.7，5.3，5.3，5.1，5.3，6，6.3，5.9，5.1，4.4，4，3.9，3.6，3.9，3.3，2.9，2.8，2.6，2.8，3.1，3.7，4.3，5.1，4.8，5.3，5.8，7.3，8.6，8.7，9.1，10.8，10.9，8.6，9.5，7.1，5.6，4.6，4.5，5.6，5.9，5.5，6.5，6，7.3，5.7，6.3，5.8，5.7，5.6，5.3，5.3，5，4.8，5，5.9，6.1，4.9，4.4，4.2，4.8。

剔除异常值（第44个数据组）后，依据公式（1）可知样本组的绝对误差为|zi|（i=1,2,…59），具体数值如下：

△：0.1，1.1，0.3，0.6，0.4，0.5，0.2，0.3，0.3，0.4，0.1，0.7，0.4，0.7，0.6，0.1，0.2，0.6，0.2，0.3，0.1，0.5，0.3，0.6，0.6，1，0.2，1.8，0.4，0.2，0.6，0.8，0.5，1.4，0.9，1.5，1.6，1.4，0.5，1，0.4，0.2，2.3，2，3.1，1.5，1.6，1.7，0.9，1.5，1.9，2，2.2，1.7，1.4，0.7，2，1.4，0.4。

依据公式（2）、（3）、（4）和（5），计算出被比对设备风速数据标准误差、平均偏差、缺测率、粗差率分别为0.83、0.71、0、1.67%。

本比对试验模型建立在空旷的场所且标准器、被比对设备安装的高度、间距符合气象部门地面风监测要求，屏蔽了传统风洞试验边界效应、支架干扰、相似原理等缺点，数据分析方法为气象部门自动气象站数据分析常规分析方法，上述仿真数据分析可以真实地反应被比对设备的准确性和稳定性特征值。

5 结束语

高速铁路风监测设备有效检定是确保高速铁路风监测系统正常运行的主要因素之一。依据气象部门相关标准，通过选用符合要求的风速标准器，合理调整标准器安装高度、水平距离等参数，可建立具有同一风源的模拟风场作为比对实验环境。通过对风速秒数据绝对误差、标准误差、平均偏差、缺测率、粗差率等准确性、稳定性特征值进行分析，可为高速铁路风监测系统风监测设备的检定工作提供有益的参考。

[1]高速铁路设计规范（试行）.TB10621-2009[S].北京：中国铁道出版社，2010.

[2] 王 彤.高速铁路防灾安全监控系统研究与开发[J].中国铁路，2009（8）：25-28.

[3]中国气象局.地面气象观测规范.第1部分总则（QX/T45-2007）[S].北京：气象出版社，2008.

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[5]张建敏，罗 昶，吕文华.气象计量测试指南[M].北京：中国质检出版社，2011.