高速铁路大风监测系统运用规则优化研究

王 瑞

WANG Rui

（中国铁道科学研究院 研究生部，北京 100081）

(Postgraduate Department， China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081， China)

0 引言

铁路行车安全面临复杂的自然灾害及突发事故威胁[1-2]，大风作为其中的一个因素，对铁路运输安全具有重要影响，各国由强风造成的安全事故时有发生。因此，国外高速铁路发达的国家均比较重视对铁路强风的研究，并建设了相应的大风监测(预警) 系统[3-7]。例如，日本的强风预警系统[3]和法国的大风报警系统[4]等。

我国高速铁路自京津城际铁路 (北京南—天津)开始，随工程同步建设了高速铁路自然灾害及异物侵限监测系统 (以下简称“灾害监测系统”)，大风监测系统作为其中的一个子系统，为列车运行提供大风速报警信息和运营管理建议，以确保列车运行安全。截至 2017 年底，我国开通运营的高速铁路已超过 2.5 万 km，除昆玉河铁路 (昆明—河口) 不满足设置条件外，其他高速铁路均建设了大风监测系统，系统为列车在大风环境下的运营发挥了重要的安全技术保障作用。

合理的大风监测系统运用规则是决定大风监测系统应用效果的关键，特别是大风报警限速区段和报警解除时限的设置，直接影响列车运行安全、运行效率和调度员大风报警处置工作。国外大风监测系统运用规则的设置主要依据系统建设初期的试验、运营过程中积累的经验等。例如，法国大风监测系统的建设要经过长达 1.5～2 年的试验；日本早期通过所谓的大风管制措施降低强风的危害，运用规则的设置一般依据经验，阈值设置相对保守，当风速低于阈值并持续 30 min 后解除管制，该规则中由于强风管制对列车运行效率影响较大，研发了强风预警系统，在实测风速和最大预测风速均低于阈值时即时解除管制，列车运行管制时间平均缩短20%～30%，大大提高了铁路运营效率[8]。目前，我国高速铁路对大风报警规则的研究还较少，特别是结合大风监测数据对相关运用规则进行的后评估优化研究，运用中存在限速区段交叉重叠严重、报警解除时限不合理等问题，导致调度员大风报警处置繁琐，严重影响了列车运行效率，亟需开展优化研究。

1 高速铁路大风监测系统运用现状分析

目前，大风报警限速区段一般设置为发生报警监测点的上一个监测点至下一个监测点的区段，限速区段存在严重的交叉限速问题，即现场所谓的“套袖”。当多点发生不同级别的大风报警时，限速区段和限速等级需调度人员人工设置，逻辑判断复杂，处置繁琐。大风报警限速区段“套袖”示例如图 1 所示。当大风监测点1发生大风二级报警，限速区段为 A-C，在该报警尚未解除时，大风监测点 2 发生大风一级报警，限速区段为 B-D，此时B-C 为“套袖”区间，采用高级别报警。之后大风监测点 1 达到大风报警解除条件，区段 A-C 解除大风报警，但大风监测点 2 尚未达到报警解除条件，此时，调度员需要重新设置 B-C 区间为一级报警限速。个别铁路局集团有限公司为降低大风报警处置的难度，大风报警限速区段采用大风报警监测点所在左侧区段的中心至右侧区段中心的区段作为大风报警限速区段，以避免“套袖”情况。大风报警限速区段“不套袖”示例如图 2 所示。

依据相关标准，大风报警解除时限采用风速低于报警阈值并持续 10 min 后解除当前报警的方式。国外大风报警解除时间相对较长。例如，东日本旅客铁路公司运营的线路，未安装强风预警系统的线路，在风速低于阈值并持续 30 min 后解除报警；法国在风速风向低于阈值并持续 15 min 后解除报警。我国高速铁路纵横于广大的国土范围内，各线路面临的风灾类型也不尽相同，现场应用对报警解除时间的需求也不尽相同。经调研，部分受大风影响较小的线路，缩短了大风报警解除时限，在风速低于报警阈值并持续 5 min 后即解除当前大风报警，以降低对列车运行效率的影响；而对部分大风报警频繁的线路，按照风速低于报警阈值并持续 10 min 后解除当前报警，通常几分钟内系统再次发出报警限速，调度需重新设置大风限速，大风报警处置频繁，调度员处置困难，特别是在大风季节，因而在实际执行中，在大风达到限速解除条件后，调度员仍然需要观察一段时间，待大风情况平稳后再解除报警限速。

图 1 大风报警限速区段“套袖”示例Fig.1 Illustration of train operation restriction section with “overlaps”

图 2 大风报警限速区段“不套袖”示例Fig.2 Illustration of train operation restriction section without“overlaps”

综上所述，高速铁路大风监测系统大风报警限速区段、报警解除时限的设置直接影响了大风监测系统的运用效果和列车的运行效率，亟需进一步优化研究。通过大风监测数据的仿真分析，对大风报警限速区段、报警解除时间进行优化，以提高调度员大风报警的处置效率，降低调度人员的工作量。

2 高速铁路大风监测系统运用规则优化研究

2.1 大风报警限速区段优化

根据现场调研，目前高速铁路大风报警限速区段设置有 2 种方式，一是限速区段重叠，即大风报警限速区段为发生报警监测点的上一个监测点至下一个监测点的区段；二是限速区段不重叠，即限速区段从监测点所在左侧区段的中心至右侧区段的中心位置，并取整公里标作为限速区段。限速区段的设置需要考虑调度员大风报警处置和大风限速对列车运行效率的影响，以调度员大风报警处置次数尽可能少、由大风报警导致列车限速的时间尽可能短为优。针对限速区段重叠和不重叠的方案，以某线路沿线 23 处大风监测点 2016 年 1 月至 6 月期间大风监测数据为例进行模拟仿真，限速区段重叠和不重叠情况下报警处置次数和列车运行影响时长统计结果如表 1 所示。

表 1 限速区段重叠和不重叠情况下报警处置次数和列车运行影响时长统计Tab.1 Statistics of dispatchers’ disposal times and trains operation impact time caused by wind alarm under train operation restriction section with “overlaps” and without “overlaps”

由表 1 可以看出，限速区段不重叠的大风报警限速方案累计报警处置次数比限速区段重合时减少 21.3%，大风报警对列车运行的影响时间减少39.5%，调度员大风报警处置次数和大风报警对列车运行效率影响均有明显降低。因此，建议采用限速区段不重叠的大风报警限速方式，以减少调度人员的工作量，并提高列车在大风天气下的运行效率。

2.2 大风报警解除时限优化

对于报警解除时限的优化，分别选取第 1 节现场调研的 2 种典型线路进行分析，即一种是需要缩短报警解除时限的线路，以某线路L1为代表；另一种是需要延长报警解除时限的线路，以某线路L2为代表。报警解除时限的优化目标是使得由于大风报警导致的铁路列车运行效率降低尽可能小。由于运行效率由大风报警限速对列车运行的影响时间和调度员报警处置次数共同体现，因而应在较少的调度员大风报警处置次数条件下，使得大风报警对列车运行的影响时间尽可能短。为定量刻画列车影响时长、调度报警处置次数与报警解除时间之间的关系，对大风报警影响时长增长率与调度员报警处置次数减少率的比值进行量化分析，具体公式可表示为

式中：α为大风报警影响时长增长率与调度员报警处置次数减少率的比值，当α＜1 时表示调度员报警处置次数的减少率高于大风报警对列车影响时长的增长率，当α＞1 时表示调度员报警处置次数的减少率低于大风报警对列车影响时长的增长率，当α取值最小时表示调度员报警处置次数的减少率与大风报警对列车影响时长的增长率比值整体达到最优值；Tt- 为大风报警对列车运行的影响时间，在统计时间内，计算风速达到报警条件时开始报警，风速低于报警阈值并持续时间后解除报警的时间，(报警结束时间-报警开始时间)，min；为报警解除时限为时的报警处置次数，次；为大风报警解除时限，为便于现场调度人员使用，取整数值， min。

针对现场调研的 2 种典型线路L1和L2，分别计算大风报警使列车影响时长增长率与调度报警处置次数减少率的比值α与报警解除时间的关系。α与报警解除时间的关系如图 3所示。从图 3a 中可以看出，对于线路L1，大风报警解除时限取 10 min 时，α最小，因而线路L1最优的大风报警解除时间理论值为 10 min。同时可以看出，报警解除时限取 5，6，7，9 min 时，α的值相对也较低，因而建议大风报警解除时限取 10 min，具体设置可依据现场需求在 5～10 min 取值。从图 3b 可以看出，对于线路L2，大风报警解除时限取 21 min 时，α最小，因而线路L2的最优报警解除时间为 21 min。

图 3 α 与报警解除时间的关系Fig.3 The relationship between α and wind alarm release time

从图 3 中可以看出，线路L1和L2的大风特点有显著差别，线路L1中，α均大于 1，说明大风报警对列车影响时长的增长率大于调度员报警处置次数的减少率，由于该线路不是大风频繁发生的线路，因而相对于调度员的处置工作量，大风报警对列车运行的影响较大。而对于线路L2，除个别点外，α基本均小于 1，说明调度员报警处置次数的减少率大于大风报警对列车影响时长的增长率，由于该线路大风频繁发生，因而调度员大风报警的处置工作量较大。

3 研究结论

高速铁路大风监测系统大风报警限速区段、报警解除时限对列车运行效率、调度员处置工作具有重要影响，基于大风监测数据仿真分析，对高速铁路大风报警限速区段和报警解除时限进行了优化，得出以下结论。

（1）大风报警限速区段不重叠的设置方案比限速区段重叠的设置方案可明显减少调度员大风报警处置的次数和对列车运行效率的影响。因此，建议大风报警限速区段采用不重叠的设置方案。

（2）综合考虑调度员报警处置次数和对列车运行影响时间，线路L1最优的大风报警解除时间为10 min，线路L2最优的大风报警解除时间为 21 min。考虑到每条线路大风特点，建议全路灾害监测系统大风报警解除时限不宜采用统一的标准，而是在各线路大风监测历史数据分析、线路受大风的影响特点分析等的基础上按线路大风的特点进行分别设置。

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