蒲井崗

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010）

1 研究背景

由于我國(guó)氣候多變，每年臺(tái)風(fēng)天氣頻發(fā)，且風(fēng)速較高，頻繁而強(qiáng)烈的大風(fēng)及雷電會(huì)給地鐵列車的運(yùn)行安全帶來極大的挑戰(zhàn)，對(duì)地鐵的出行造成一定的破壞性影響，尤其在高架區(qū)間的地段，影響尤為嚴(yán)重。因此，地鐵高架有必要設(shè)置強(qiáng)有力的防風(fēng)和防雷保護(hù)措施，并準(zhǔn)確獲取沿線的風(fēng)速、風(fēng)向等氣象信息，從而達(dá)到指導(dǎo)高架地鐵列車安全運(yùn)行的目的。但由于地鐵高架區(qū)間構(gòu)建筑的特殊性——高架區(qū)間管線密集，空間狹小，機(jī)電設(shè)備無(wú)處安裝，造成高架區(qū)間風(fēng)力檢測(cè)的設(shè)計(jì)及施工作業(yè)難以開展。因此，我國(guó)各地大多數(shù)城市軌道交通缺乏對(duì)高架區(qū)間氣象信息的檢測(cè)措施，或只在高架車站內(nèi)部設(shè)置風(fēng)力檢測(cè)裝置，大大忽視了對(duì)高架段的氣象監(jiān)測(cè)。

福州至長(zhǎng)樂機(jī)場(chǎng)軌道交通帝封江、祥謙、首占均為高架車站。據(jù)福州的氣候資料顯示，每年有大量的時(shí)間風(fēng)速比較高，且臺(tái)風(fēng)較多，通常情況下的風(fēng)況為：歷年4-8月常為東南風(fēng)，9月至次年3月常為東北風(fēng)，熱帶氣旋常發(fā)生在5-11月份，風(fēng)力一般為6～9級(jí)，陣風(fēng)可達(dá)10～11級(jí)。頻繁而強(qiáng)烈的風(fēng)況給福州地鐵，尤其是高架車站和區(qū)間的運(yùn)行安全，帶來了一定的威脅和巨大的挑戰(zhàn)。

2 研究目的

本研究擬通過設(shè)置福州地鐵高架區(qū)間的氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)將地鐵高架上的氣象信息收集并上傳至地鐵控制中心，對(duì)氣象進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，采集到的氣象信息與氣象部門進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，再通過信息分享、信息分析、信息預(yù)測(cè)及反饋后，極大地方便運(yùn)營(yíng)監(jiān)管，大大提高福州地鐵運(yùn)營(yíng)的可靠性和安全性，減少不必要的損失。

3 研究方案

3.1 方案一：由地鐵BAS系統(tǒng)設(shè)置傳感器測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向[1]

為了使風(fēng)速風(fēng)向傳感器能夠準(zhǔn)確、全面地反映出帝封江、祥謙、首占站高架線路段的風(fēng)速風(fēng)向信息，需在帝封江、祥謙、首占站3個(gè)車站的站外東南方位和西北方位高架橋側(cè)翼設(shè)置風(fēng)速風(fēng)向傳感器。

3.1.1 風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量的實(shí)現(xiàn)和使用

風(fēng)速傳感器中的變送器部分先將風(fēng)力轉(zhuǎn)換為脈沖電信號(hào)輸出，再由BAS設(shè)置在該風(fēng)速傳感器附近的遠(yuǎn)程監(jiān)控箱中的I/O模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并經(jīng)由車站BAS局域網(wǎng)絡(luò)、專業(yè)之間接口將風(fēng)速信息傳輸給ISCS專業(yè)，直至地鐵控制中心。當(dāng)風(fēng)速過高時(shí)，進(jìn)行預(yù)警和報(bào)警，通知調(diào)度人員進(jìn)行相關(guān)處理。

3.1.2 安裝方式及防雷措施

風(fēng)速風(fēng)向傳感器安裝處，均采用角鋼（L50×5）支架固定的安裝方式。同時(shí)，需要進(jìn)行以下兩方面的特殊處理。

（1）為避免列車經(jīng)過時(shí)的強(qiáng)大氣流對(duì)風(fēng)速風(fēng)向傳感器的測(cè)量造成影響或引起誤報(bào)警，采用支架向高架橋外側(cè)橫向伸出1.2 m的方式進(jìn)行安裝。

（2）由于風(fēng)速風(fēng)向傳感器安裝位置比較空曠，高度較高，且為凸起物，因此，需考慮該設(shè)備的防雷措施。建議由BAS專業(yè)為風(fēng)速風(fēng)向傳感器設(shè)置單獨(dú)的避雷針，采用φ10 mm的圓鋼材料，直接焊接在風(fēng)速風(fēng)向傳感器的安裝支架上，安裝支架與高架橋側(cè)墻上的低壓配電專業(yè)的避雷帶進(jìn)行焊接。安裝方式及防雷措施如圖1所示。

圖1 安裝方式及防雷措施大樣圖

3.2 方案二：采用氣象局高架沿線已有氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供氣象信息[2]

3.2.1 服務(wù)內(nèi)容

氣象預(yù)報(bào)服務(wù)內(nèi)容需包括以下內(nèi)容。

（1）強(qiáng)對(duì)流天氣突發(fā)性天氣預(yù)報(bào)。突發(fā)性天氣前1～3 h提供。

（2）高架地鐵沿線3 d滾動(dòng)天氣預(yù)報(bào)。內(nèi)容包括未來3 d的天氣狀況、晴雨、溫度、風(fēng)向、風(fēng)力，重點(diǎn)預(yù)報(bào)暴雨、高溫、霧、大風(fēng)等天氣[3]。

（3）臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)。即臺(tái)風(fēng)未來的移向、移速、強(qiáng)度變化及未來3 d的位置、強(qiáng)度等，圖文并茂，視臺(tái)風(fēng)離福州的距離定發(fā)布的次數(shù)，當(dāng)熱帶氣旋位于北緯10°～25°，東經(jīng)130°以西時(shí)每天服務(wù)2次。當(dāng)熱帶氣旋位于北緯10°～25°，東經(jīng)125°以西時(shí)，每天服務(wù)4次。

（4）臺(tái)風(fēng)實(shí)況。即臺(tái)風(fēng)定位、中心強(qiáng)度及大風(fēng)范圍半徑等，視臺(tái)風(fēng)離高架地鐵附近距離的遠(yuǎn)近確定進(jìn)行隔6 h、3 h、1 h定位，當(dāng)發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)將對(duì)高架地鐵附近產(chǎn)生嚴(yán)重影響時(shí)，發(fā)布每半小時(shí)1次的定位預(yù)報(bào)，并作出及時(shí)的提醒。

（5）福州市預(yù)警信號(hào)。福州市臺(tái)風(fēng)、暴雨、寒冷、高溫、大霧、灰霾天氣、雷雨大風(fēng)、道路結(jié)冰、冰雹等預(yù)警信號(hào)，預(yù)警信號(hào)發(fā)布后即時(shí)提供[4]。

3.2.2 傳輸方式

可采用以下兩種方式進(jìn)行信息的傳輸。

（1）地鐵公司通過氣象臺(tái)提供的用戶名和密碼直接上氣象局網(wǎng)站調(diào)用上述氣象信息，突發(fā)性天氣預(yù)報(bào)則由氣象臺(tái)發(fā)送到地鐵公司提供的手機(jī)上。

（2）利用地鐵自身信息平臺(tái)接收信息。

為保證信息傳輸?shù)膶Ｓ眯约翱煽啃?，推薦采用第二種傳輸方式。

3.3 方案三：利用氣象局現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)備配備在地鐵車站設(shè)置自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)站的方式

除方案二中所述，利用氣象局現(xiàn)有設(shè)備所能監(jiān)測(cè)到的信息外，建議在高架區(qū)間段列車行駛轉(zhuǎn)彎半徑較大處、爬升坡度較大處、列車行駛跨江處設(shè)置自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)站，采集逐時(shí)氣溫、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速、降水、紫外線強(qiáng)度，并將這些氣象數(shù)據(jù)雙方共享[5]，這有利于氣象臺(tái)作出針對(duì)性的高架地鐵沿線預(yù)報(bào)，并對(duì)地鐵公司今后的日常營(yíng)運(yùn)大有好處。

3.3.1 自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)站工作原理

自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)傳輸主要采用現(xiàn)有的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)作為媒體，一方面降低建設(shè)成本，另一方面可以提高傳輸?shù)目煽啃浴Ｖ饕С只谑謾C(jī)短信、GPRS通信方式。同時(shí)支持有線通信（基于直線連接、電話撥號(hào)方式）。它主要由傳感器（包括風(fēng)速、風(fēng)向）、數(shù)據(jù)采集器、供電系統(tǒng)、中心站管理軟件等組成。

3.3.2 自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)站安裝方式

在車站，自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)站采用不銹鋼支架固定的方式安裝于鋼結(jié)構(gòu)金屬屋面頂部避雷針保護(hù)范圍之內(nèi)，因此，需鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)給予配合，預(yù)留安裝及以后的檢修接口；在區(qū)間，自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)站采用方案一中風(fēng)速風(fēng)向傳感器在區(qū)間的安裝方式及防雷措施。

3.4 方案比選

三種方案比選見表1。

表1 三種方案比選

3.4.1 比選結(jié)論

方案一中，在區(qū)間設(shè)置風(fēng)速風(fēng)向傳感器時(shí)，需相應(yīng)增設(shè)遠(yuǎn)程監(jiān)控箱，而低壓配電專業(yè)在區(qū)間無(wú)一級(jí)負(fù)荷電源提供給遠(yuǎn)程監(jiān)控箱，從而需從車站敷設(shè)電源電纜至區(qū)間監(jiān)控箱，距離較長(zhǎng)，投資較大，且本方案采集的為實(shí)時(shí)信息；方案二和方案三均屬采用氣象局信息，為氣象監(jiān)測(cè)權(quán)威機(jī)構(gòu)所發(fā)布，且信息具有預(yù)報(bào)性、超前性，可以保證用戶有足夠的時(shí)間做好防災(zāi)準(zhǔn)備，保障了列車運(yùn)行安全。因此，通過以上綜合比選，推薦采用方案二、三結(jié)合的方式。

3.4.2 推薦方案的實(shí)施

高架區(qū)間氣象系統(tǒng)方案實(shí)施流程如下。

步驟1：在選好的高架區(qū)間目標(biāo)點(diǎn)安裝自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)站所需的電纜支架、橋梁擋板、鋼踏板、避雷針、光電轉(zhuǎn)換器、BAS遠(yuǎn)程控制箱及自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)站。

步驟2：自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)站采集到的數(shù)據(jù)通過通信線接入到目標(biāo)點(diǎn)設(shè)置的BAS遠(yuǎn)程控制箱。

步驟3：目標(biāo)點(diǎn)設(shè)置的BAS遠(yuǎn)程控制箱與就近車站的BAS遠(yuǎn)程控制箱通過光纖連接，將采集到的風(fēng)力、風(fēng)向等信息上傳至就近車站BAS系統(tǒng)。由于BAS系統(tǒng)集成在綜合監(jiān)控系統(tǒng)中，再通過車站現(xiàn)有的BAS與ISCS接口，將數(shù)據(jù)上傳至中央級(jí)綜合監(jiān)控系統(tǒng)中[6]。

步驟4：中央級(jí)綜合監(jiān)控系統(tǒng)借用線網(wǎng)骨干網(wǎng)將風(fēng)力信息傳輸至TCC線網(wǎng)指揮中心[7]。

步驟5：在TCC線網(wǎng)指揮中心大廳工作臺(tái)上設(shè)置氣象信息工作站，并分別與綜合監(jiān)控系統(tǒng)及氣象臺(tái)新增接口，進(jìn)行數(shù)據(jù)互通，供雙方檢測(cè)高架區(qū)間段風(fēng)力信息。

步驟6：地鐵公司在氣象信息工作站上通過氣象臺(tái)提供的用戶名和密碼直接調(diào)用以上氣象信息，突發(fā)性天氣預(yù)報(bào)則由氣象臺(tái)發(fā)送到氣象信息工作站上，最終在氣象信息工作站實(shí)現(xiàn)對(duì)高架區(qū)間段風(fēng)力信息的監(jiān)視及預(yù)警。

3.4.3 推薦方案作用及效果

（1）該方案利用地鐵車站現(xiàn)有的ISCS系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)及通信骨干網(wǎng)的組網(wǎng)方式[8]，節(jié)省了車站至TCC線網(wǎng)指揮中心管線敷設(shè)的巨大投資，充分發(fā)揮了車站內(nèi)既有系統(tǒng)的功能。

（2）災(zāi)害情況提前預(yù)警，以保證運(yùn)營(yíng)人員有足夠的時(shí)間作好預(yù)備處理，能有效避免如臺(tái)風(fēng)、暴雨等惡劣天氣給人民生命財(cái)產(chǎn)、高架地鐵線帶來不可預(yù)計(jì)的嚴(yán)重危害。

（3）由地鐵運(yùn)營(yíng)人員在控制中心第一時(shí)間了解到高架段氣象數(shù)據(jù)，并與氣象部門溝通，獲得量身定做的氣象預(yù)報(bào)服務(wù)，這有利于氣象臺(tái)作出針對(duì)性的高架地鐵沿線預(yù)報(bào)，并對(duì)地鐵公司今后的日常營(yíng)運(yùn)安全大有好處。

（4）應(yīng)用界面在控制中心集中顯示，便于運(yùn)營(yíng)監(jiān)管及其他專業(yè)、部門指揮。

現(xiàn)場(chǎng)施工安裝效果圖如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)施工安裝效果圖

4 高架區(qū)間氣象系統(tǒng)示意總圖

福州地鐵高架區(qū)間氣象系統(tǒng)示意總圖如圖3所示。

圖3 福州地鐵高架區(qū)間氣象系統(tǒng)示意總圖

5 結(jié)束語(yǔ)

福州地鐵高架區(qū)間通過氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能對(duì)沿線的風(fēng)速、風(fēng)向等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和必要的分析，并根據(jù)對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)的影響劃定不同的預(yù)警等級(jí)，為運(yùn)營(yíng)組織提供決策依據(jù)，保障了列車運(yùn)行及運(yùn)營(yíng)安全。其中，通過該系統(tǒng)，福州地鐵與福州市氣象局建立合作關(guān)系，氣象局根據(jù)福州地鐵線網(wǎng)（尤其是高架線路及地面線路）的地理位置和歷史氣象情況，提供專門的氣象信息服務(wù)，制訂互相之間的聯(lián)絡(luò)機(jī)制，并可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)查詢，為運(yùn)營(yíng)的行車組織和施工組織提供專業(yè)的技術(shù)支持[9]。