高速铁路非接触式雨量监测设备准确性与可靠性试验方法

李亚群，刘江川，张德强，沈敬伟

（1.中国铁道科学研究院 电子计算技术研究所， 北京 100081；2. 大西铁路客运专线有限责任公司， 太原 030027）

高速铁路非接触式雨量监测设备准确性与可靠性试验方法

李亚群1，刘江川2，张德强1，沈敬伟1

（1.中国铁道科学研究院 电子计算技术研究所， 北京 100081；2. 大西铁路客运专线有限责任公司， 太原 030027）

从非接触式雨量监测设备的测量原理出发，利用正交试验方法，在人工模拟降雨环境下进行动态对比试验，利用试验数据分析非接触式雨量监测设备的准确性和可靠性，探讨针对非接触式雨量监测设备准确性和可靠性的试验方法。

高速铁路；雨量监测设备；非接触式；人工模拟降雨；正交试验

高速铁路雨量监测系统是列车行车安全的重要基础设备,其准确性与可靠性的高低直接关系到行车安全和运输效率。自2008年高速铁路灾害监测系统建设，截至2013年在开通的36条高速铁路上已部署589处雨量监测点，其中90%以上的现场雨量监测设备为非接触式雨量传感器，其测量的准确性得到广泛重视。

本文对非接触式雨量监测设备的测量原理进行分析，研究基于人工模拟降雨和正交试验法对非接触式雨量监测设备的准确性和可靠性的试验方法。

1 非接触式雨量监测设备测量及试验原理

非接触式雨量监测设备的雨量测量是基于雨滴的速度和形状的测量，而雨滴的形状仅与雨滴的降落速度有关,因而检验其测量准确性的关键是需要知道当前降落高度，即可通过调节供水压强来实现模拟较宽范围的降雨强度,达到检测非接触式雨量监测设备的雨量测量的准确性与可靠性。

1.1 雨滴降落速度

雨滴降落瞬时速度计算公式：

mw和ma分别为雨滴和空气的质量，g为重力加速度，v是雨滴降落的速度，cD为空气阻力系数， ρ为空气密度，A为阻力-压力系数。其中cD和A不是常数，现只有关于雨滴质量与速度的公式，而雨滴形状与速度间的关系还没有确定的公式，至今雨滴形状与速度间的关系基本都是基于试验数据的研究。

影响雨滴形状最重要的物理因素为表面张力和压力。对于直径小于1 mm的极小雨滴，表面张力使其体积达到最小即球形，这种情况下雨滴形状与速度间的关系比较简单，容易计算。

模拟降雨试验结果证实，当降雨高度达到20 m时，所有雨滴的降落速度都可以达到终速[2]，但对于雨滴以一定初速下喷的模拟降雨器，当雨滴达到一定初速时，降雨器高度只需2.4 m～3 m，雨滴的降落速度就可以达到终速[3～4]。

1.2 降雨强度

测得雨滴降落速度v（m/min）及雨滴等效球形直径D之后，降雨强度I即可通过与降雨动能之间的关系得出。

单个雨滴的动能为：

降雨包含了许多大小不同的雨滴，单位面积地表（1m2）所接受到的总降雨动能Ek（J☒m-2）是在整个降雨过程中落在该区域内的所有单个雨滴动能的和，理论上可以写成如下的积分表达形式：

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径， N*(D)dD表示单位地表所接受到的至今从D到D+ΔD之间的雨滴期望数。N*(D)是一个降雨时间T上的积分函数：

式（4）中，N'(D)dt表示时刻t到t+Δt之间单位地表直径为D的雨滴期望数，并可由雨滴速度v和雨滴谱函数N(D)求得。

雨滴谱函数的Gamma分布的一般表达形式为：

式（5）中， N0≈8.0×103的常数， μ是与降雨类型有关的雨滴形状因子，Λ是降雨强度I（mm/h）的幂函数，表达为[1]：

而对于以一定初速下喷的模拟降雨器，可以通过调节供水压强来实现模拟较宽范围的降雨强度[2]。

1.3 正交试验法

正交试验法就是科学的安排多因素试验，以较少的人力物力消耗而取得较多较全面信息的一种高效率试验设计方法，其特点是用部分试验来代替全面试验，通过对部分试验结果的分析来了解全面试验的情况。

正交试验法利用一套规格化的正交表安排试验，使部分试验中包含所有因素水平，部分试验点均衡地分布在全面试验的试验点中。

2 非接触式雨量监测设备准确性和可靠性试验

非接触式雨量计的测量准确性通过测量数据的动态对比来进行评价，其可靠性指标可通过测量数据的完整性、一致性和故障率进行评价。

试验在地表过程与资源生态国家重点实验室人工降雨模拟大厅进行，降雨喷头为Spray V-jet喷头，水压为0.04 Mpa，降雨机与地面高度为6 m，能提供的降雨强度为6档：1档为无降雨，2～6档降雨强度逐渐增加，各档降雨强度如表1所示。

表1 各档降雨强度（mm/h）

试验设备为2个Vaisala非接触式雨量计、1个校准后的翻斗式雨量计、2个标准量筒，按照正交试验方法，试验采取降雨强度从小到大5档依次进行，分别持续5 min，然后更换各雨量监测设备的摆放顺序，重复上次降雨过程，共计3次，3次试验的设备布置图如图1所示。

图1 设备布置图

2.1 非接触式雨量监测设备准确性分析

第1次试验降雨强度从0至降雨强度最大的时间为13:57:43～14:23:03，第2次试验降雨强度从0至降雨强度最大的时间为14:23:03～14:49:27，第3次试验降雨强度从0至降雨强度最大的时间为14:49:27～15:15:41，翻斗式雨量计测量的3次降雨过程累计降雨量分别为40.7 mm，39.2 mm，40.4 mm，最大误差为3.7%。

雨量筒测量时间为14:58:25～15:15:41，1 000 ml雨量筒测量的累计降雨量为118 ml，2 000 ml雨量筒测量的累计降雨量为201 ml，其中1 000 ml雨量筒直径为6.75 cm，2000 ml雨量筒直径为8.65 cm，得到1 000 ml雨量筒测量的累计降雨量为33 mm，2 000 ml雨量筒测量的累计降雨量为34 mm，14:58:25～15:15:41期间翻斗式雨量计测得的累计降雨量为33.6 mm，其测量误差小于气象标准规定的允许误差4%，实际最大误差为1.7%。

当降雨强度在标称雨强29 mm/h时，1号非接触式雨量计与2号非接触式雨量计测量的累计雨量（min）平均值差值为0.02 mm，测量值最大差值为0.10 mm；1号非接触式雨量计与翻斗式雨量计测量的累计雨量（min）平均值差值为0.01 mm，测量值最大差值为0.2 mm；1号非接触式雨量计与标称累计雨量（min）差值为0.02 mm，测量值最大差值为0.07 mm；2号非接触式雨量计与翻斗式雨量计测量的累计雨量（min）平均值差值为0.03 mm，测量值最大差值为0.2 mm；2号非接触式雨量计与标称累计雨量（min）差值为0.03 mm，测量值最大差值为0.08 mm；翻斗式雨量计与标称累计雨量（min）差值为0.01 mm，测量值最大差值为0.18 mm，误差均在气象标准规定的允许误差范围内，如图2所示。

在不同降雨强度条件下非接触式雨量计与翻斗式雨量计测量值之间的累计雨量（min）差值如图3所示。

从以上数据可以看出，在人工模拟降雨条件下，本次试验中不超过60 mm/h的降雨过程中，非接触式雨量计与翻斗式雨量计之间测量差值很小，不超过0.2 mm，差值在气象标准规定的允许误差范围之内；而当降雨强度在60 mm/h以上时，非接触式雨量计与翻斗式雨量计之间测量差值逐渐增大，疑因降雨机高度不够，雨滴到达地面未达到终速度，导致非接触式雨量计测量数据偏小。

图2 非接触雨量计与翻斗式雨量计测量结果动态对比图

图3 非接触式雨量计与翻斗式雨量计测量值的累计雨量（min）差值对比图

2.2 非接触式雨量监测设备可靠性分析

2.2.1 数据完整性

试验自2014年11月5日13:57:43～15:15:41结束，2台非接触式雨量计分别采集数据4 679条，采集频率为1 Hz，数据缺失率为0。

2.2.2 数据一致性

在不同降雨强度条件下非接触式雨量计测量值之间的累计雨量（min）差值如图4所示。

从以上数据可以得出非接触式雨量计测量数据具有良好的一致性，相互之间的分钟雨量测量差值在0.1 mm以下。

图4 非接触式雨量计测量值之间的累计雨量（min）差值对比图

2.2.3 故障率

在试验过程中，未发生设备故障的情况，非接触式雨量计在试验期间的故障率为0。

3 结束语

依据非接触式雨量监测设备的测量原理，利用正交试验方法，在人工模拟降雨环境下进行了动态对比试验，人工模拟降雨的重复试验数据具有良好的一致性，翻斗式雨量计作为标准器具有较高的精度，动态对比分析非接触式雨量监测设备的测量误差较小，可靠性较高，在人工模拟降雨环境下利用正交试验方法进行动态对比试验可以作为非接触式雨量监测设备准确性和可靠性的一种可行试验方法。

[1]UlbrichCW. Natural variation in the analytical form of the raindrop size distribution[J]. J. Climate App1. Meteor.,1983(22): 1764-1775.

[2]SheltonCH, BernuthRD, Rajbhandari S P. Acontinuous application rainfalls imulator[J]. Transactions of the ASAE, 1985.

[3]吴长文，徐宁娟.喷摆式人工降雨机的特性试验[J].南昌大学学报，1995，17（1）：58-66.

[4]薛燕妮，徐向舟，王冉冉，等.人工模拟降雨的能量相似及其实现[J].中国水土保持科学，2007，5（6）：102-105.

责任编辑 陈 蓉

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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

李亚群，工程师；刘江川，高级工程师。