浅谈铁路大风监测系统方案设计

倪 晓

（中铁二院西北勘察设计有限责任公司，甘肃 兰州 730000）

1 引言

因为大风天气的频繁出现，不仅对铁路沿线桥梁、车辆、通信设备造成不同程度的影响，甚至可能导致列车晚点或是列车倾覆的情况出现，严重扰乱了交通运输秩序，降低了交通运输效率。大风监测系统可以实现对铁路安全行车产生危害的大风灾害进行监测，有利于管理机构准确掌握灾情和灾情发展趋势并迅速做出决策，采取应急措施。从而达到降低灾害损害的目的，最终确保行车安全万无一失。因此，建立铁路大风监测系统，对防范大风事故、保障铁路运输安全具有非常现实的意义。

2 大风监测系统设置必要性

随着社会经济与科学技术的发展，更高的开行频率、更快的运行速度、更轻的车体材质提高了运营效率和旅客出行感受。但是，因为自然灾害，尤其是强侧风的产生，给列车的安全平稳运营带来了极大的安全隐患，并且严重干扰行车秩序，给铁路安全运行维护带来了很多困扰，因此，铁路大风监测系统对确保铁路高效、安全运输具有很重要的意义。

3 铁路大风监测系统设计方案

文章针对西部某铁路大风监测系统进行方案设计，大风监测系统由中心系统设备、监测终端、现场监测设备及承载网等组成，其系统图如图1所示。

3.1 现场监测设备

大风监测系统的现场监测设备由风速风向仪和监控单元2部分组成。

（1）风速风向仪设置原则。根据本段沿线气候特征并参照《铁路自然灾害及异物侵限监测系统工程技术规范》（Q/CR 9152—2018）[1]相关技术要求：

①大风监测系统的现场监测设备设置在铁路沿线20年来最大风速值大于15 m/s的区段。

②大风监测系统现场监测设备设置间距为1～5 km，山区垭口、峡谷、河谷等易产生大风的地段。

③大风监测系统现场监测设备在桥梁、高路堤等地段设置间距为5～10 km。

（2）风速风向仪安装条件。大风监测系统风速风向仪铁路沿线设计中一般安装在通信铁塔或者接触网杆上，会根据现场实际情况进行选择，在不影响数据采集准确性的情况下，满足设备安装条件。

安装于通信铁塔上时，安装位置距离轨面约10m，智能控制单元与风速风向计结合安装于通信铁塔上。

如现场无通信铁塔或通信铁塔安装条件不满足技术要求，需安装在距轨面垂直高度4 000±100 mm的接触网杆上，安装时应避开支柱上的接触网设备，如设置有隔离开关、避雷器、下锚、风向风速计托架和安装厚度不小于10 mm的橡胶垫片等接触网设备。

（3）风速风向仪设备比选。风速风向仪目前应用比较广泛的主要有风杯式风速风向仪、超声波式风速风向仪、热场式风速风向仪等。

根据设备构架原理，主要优缺点对照分析见表1。

图1 铁路大风监测系统图

表1 风速风向仪设备比选

设计过程中，应结合铁路线路里程、铁路周围环境及维护情况，并且充分考虑系统建设成本等因素，来选择合适的风速计。目前我国西部地区部分铁路因铁路线路里程长、人烟稀少、维护困难的现状，同时充分考虑系统建设成本等因素，普遍采用超声波式风速计。

（4）监控单元设置。监控单元是对现场风速风向仪采集到的数据进行接收处理，并将数据传输至上级系统。监控单元采用模块化结构，由主机模块、各种监控功能模块、继电器组合模块、防雷单元（电源、线缆）、网络接口、电源、机柜等组成。因西部地区每年降水稀少，空气干燥，相对湿度多数地区在30%～40%，并且受高空西风气流影响，部分地区全年8级以上的大风日数大于50 d，西部和北部地区可达100～165 d，在同等风速条件下，风压比平原地区受空气密度影响要小20%～40%。因此，为了控制投资，监控单元仅设置了风监测模块，但同时由于近年来极端天气频繁出现，需要在后期增加雨雪天气的现场采集数据，因此仅对模块进行扩展，而保留了其他灾害监测子系统扩展接口，无须整体更换设备，最大限度地利用设备。监控单元安装于铁路沿线的通信区间基站、中继站等通信机械室内，与风速风向仪同址安装。

（5）现场设备传输方式对比。大风监测系统一般采用有线或无线方式进行数据信息传输至监控单元，其优缺点对照分析见表2。

表2 传输方式对比表

通过有线、无线传输方式的优缺点分析，并综合现场沿线的地质、气候及基础设施的建设情况，为进一步确保系统的可靠性、安全性，应选择合适的传输方式承载大风监测系统相关数据信息。但目前国铁使用最多的是有线传输，因为有线传输利用铁路专网传输，满足传输可靠性与安全性，且具有便于维护、建设费用低等有利因素。风速风向仪与监控单元之间采用光缆连接，光缆敷设在区间通信信号光、电缆槽内。在没有电缆槽区间内，需直埋光缆，直埋光缆采用钢管防护；跨水沟、跨电力电缆槽采用钢管加混凝土包封防护；区间光缆上下桥利用桥梁中光、电缆锯齿口敷设；区间桥上光、电缆引下利用通信桥墩钢槽引下滑道敷设。

（6）现场设备供电及防雷。风速风向计由监控单元设备采用WDZ-YJY23 3×6 mm2电缆为其供电且自带UPS电源，备用时间不小于30 min。监控单元由通信机房内两路一级负荷的220 V单相交流电源专用配电箱供电，并且监控单元电源设备按双套配置，互为备用，单套电源模块备用时间不小于3 h。监控单元电源设备中交流不间断电源（UPS）等设备的功能及性能，应符合《铁路通信电源 第3部分：通信用不间断电源设备》有关技术标准的规定[3]。电源需纳入铁路电源及环境监控系统。

当大风监测系统电缆引入室内时，将内外两侧的金属护套断开，采用截面积不小于25 mm2的外线侧的屏蔽钢带及金属保护层的多股铜线接入引入井接地排，并将屏蔽钢带及设备侧面的金属护层悬浮。监控单元、室外的现场采集设备各端口均配置防雷单元，完成线缆防雷，监控单元的电源设备进线端口配置浪涌保护模块，区间电缆全部做好防雷接地后才进入设备机房。电源防雷器/浪涌保护器应靠近地线排和被防护的设备安装，浪涌保护器地线长度应小于1.0 m；与被防护设备之间的连线应短而直，连接线不宜超过0.5 m。SPD设备应通过CRCC认证，并采用凯文接线方式，相关配线及配线方案由防雷设备厂家负责。大风监测系统室外监测设备保护接地纳入综合接地系统，大风监测设备与接触网杆电气连接后采用50 mm2地线接入综合接地系统地位置，并且应避免与设有避雷器的接触网杆在同一位置接入综合接地系统。

3.2 通信网络构成方案

为了确保传输可靠，大风监测系统网络目前多采用有线传输方式，数据信息由本线通信传输、数据通信网承载。

大风监测系统现场采集设备采集相关数据上传至智能控制单元，智能控制单元经初步处理后上传至铁路局调度所大风监测系统中心。对各养护管理单位的监控、维护终端，由大风监测系统中心下达监测信息。监控单元接入网络由通信传输系统提供的通道（接口为FE电口），通过以太网汇聚接入各车站大风监测系统接入点，构成双星型网络[4]。调度中心大风监测系统中心通过通信传输系统提供的通道与之相连。铁路区间大风监测数据通过主备用各1×2 M通道（接口均为FE口）与就近站点相连，各站点通过传输系统通过主备用各2×2 M通道（接口均为FE口）与铁路局调度中心大风监测系统中心相连。铁路局大风监测系统中心至监测终端之间通过主备用1×2 M通道（接口均为FE口）互联。

系统采用双以太网、TCP/IP协议并满足信息传输的实时性要求。为确保信息传输的可靠性，双网络接口分别接入通信传输及接入系统的不同业务板卡。

3.3 中心系统设置

信息处理平台、监控终端等设备构成了铁路局的中心系统。以下是中心装备的总体作用：

（1）完成风速、风向等信息的处理和判别；

（2）根据判别结果将报警信息及行车管制预案推送至铁路局调度中心调度台大风监测系统终端；

（3）完成现场监控资料整理为基础资料录入，报警信息记录和各类风速、风向等事故信息的录入工作。

根据功能需求，信息处理平台设置1台数据库服务器、1台应用服务器，其中数据库服务器负责铁路局系统数据（实时监测数据、报警数据、设备运行状态数据及系统管理等有关数据）的集中存储，应用服务器负责接收现场监测设备实时数据并生成灾害报警和设备故障报警信息、将监测数据和报警数据实时传送至各监控终端、调度人员需对现场情况实时掌握。服务器采用主备冗余方案设计[5]。

监测终端包括监测业务终端和监测维护终端。监测业务终端主要任务是对前端收集设备传送数据的收集和处置，一般设置在铁路局调度台和通信段网管中心。监测维护终端主要任务是对铁路现场大风数据实时监测、数据报警信息及时处理，现场采集设备和监控单元设备及网络运行是否正常等监测数据收集，一般设置在沿线通信车间，工作人员须定期对现场设备进行维护。

4 总结

列车的速度和列车的荷载存在关联性，采用轻材质的材料制造列车，可以提高列车的行驶速度，但同时这也使侧向强风带来越来越严重的问题。另外，浮力和俯仰力矩会在高速运行时产生，而且随着运行速度的提高，浮力和俯仰力矩也越来越大，运行在这种状态下的列车极易受到大风的影响，从而引发行车事故。由此，一套合理可行、易于维护的大风监测体系的建立和完善，对铁路局及时准确掌握大风灾情动态是大有裨益的；而且对管理机构的快速决策、应急处置等都有好处。同时铁路大风监测设备前端采集设备风速风向仪为无人值守设备，设备自身除具备可靠的质量性能外也须具备自动恢复能力。监测终端远程掌控设备运行实时状态，并对设备定期维护外，也可进行远程维护。所以在设备的选型上，要有前瞻性，系统设计中具有可扩展性，在保证铁路安全、高效运行的前提下，同时考虑到降低投资与维护成本。