摘 要
铁路作为国家的经济大动脉，在交通运输系统中起着举足轻重的作用，而安全是确保铁路正常高效运输的前提，因而构建铁路安全防灾系统是至关重要的。
以下就哈密-乌鲁木齐区段安全防灾系统的风监测方案、风监测系统的工作流程、防误报、实时响应方案、报警位置定位方案以及安全防灾系统的网络平台搭建这几个方面作一个粗浅的探讨。
关键字：防灾安全系统 风监测
I
Abstract
Railway as a major economic artery of the country, play a decisive role in the transportation system, and the safety is the premise to ensure the normal and efficient transport and railway construction, railway safety system is very important.
The following is the Hami Urumqi section of safety system of wind monitoring scheme, wind monitoring system work flow, anti false alarm, real-time response plan, alarm location positioning scheme and safety system network platform to build these aspects make a shallow discussion.
Keywords:disaster prevention and safety system, air monitoring
II
目 录
摘 要 .......................................................................................................................... I Abstract ....................................................................................................................... I I 1 风监测系统方案 . ..................................................................................................... 1
1.1 监测点布设方案 ............................................................................................. 1
1.1.1 风速风向传感器布置 ............................................................................ 1 1.1.2 风速风向传感器基本布设原则 . ............................................................. 1 1.2 数据采集及处理 ............................................................................................. 2 1.3 监测单元接入方案 . ......................................................................................... 3 2 风监测系统的工作流程设计 . ................................................................................... 4 3 防误报和实时响应方案 ........................................................................................... 5
3.1 防误报方案 .................................................................................................... 5 3.2 实时响应方案 . ................................................................................................ 5 4 报警位置定位方案 .................................................................................................. 6 5 安全防灾系统的网络平台搭建 ................................................................................ 7
5.1 安全防灾系统的硬件平台搭建 . ....................................................................... 7 5.2 安全防灾系统的软件平台搭建 . ....................................................................... 7
III
1 风监测系统方案
安全防灾系统是架构于通信传输系统之上的一套集灾害信息采集、分析、处理和指导、辅助安全行车的平台，主要是对危及铁路运输安全的自然灾害及异物侵限等突发危害进行监测，并提供经处理后的灾害预警信息、限速信息或停运信息等，为运营调度中心运行计划调整、下达行车管制、抢险救援、维修提供依据，以保证列车运行的安全、正点、高效、舒适。
安全防灾系统采用统一的处理平台，由调度所设备、监控数据处理设备、监控单元、现场各监测设备及通信网络设备构成。
风监测系统是安全防灾系统的一个部分，为防止强风引起脱轨或飞来物造成事故，在高速铁路沿线重点地段设置风速风向传感器，实时采集风信息。
1.1 监测点布设方案 1.1.1 风速风向传感器布置
通过统计30年最大瞬时风速均值，时速300-350公里客运专线，不小于15m/s的地区设风速风向计；时速200-250公里客运专线，不小于20m/s的地区布设风速风向传感器。
1.1.2 风速风向传感器基本布设原则
1、山区垭口、峡谷、河谷等特殊区段或≥25m/s的大风区间，风速风向传感器的平均间距按1km 计算。
2、轨面高度10m 及以上的高架桥、高路堤等区段，风速风向传感器的平均间距按5-10km 计算。
3、除上述情况外的平原区段，风速风向传感器的平均布设间距按15-20km 计算。
4、根据哈密-乌鲁木齐区段客运专线运营速度及沿线气象条件、地理环境，合理布设并适时调整风速风向传感器的布设间距。
具体布点设计过程如下： (1)布点原则 A. 地形原则
对于具有垭口、长大桥梁、隧道口、高路基等典型地形地貌的路段，根据气象站的历史风速资料分析两年一遇的瞬时最大风速，再通过风速原则确定布点。
B. 风速原则
危险地段：两年一遇的最大瞬时风速大于30m/s；
控制地段：两年一遇的最大瞬时风速大于20m/s小于30m/s； 一般地段：两年一遇的最大瞬时风速小于20m/s；
在系统设计布点时，危险地段、控制地段需要实时观测风速风向。 C. 监测点数量和位置原则
在危险地段和控制地段设置监测点时，应根据地形确定布点的具体位置和数量，设置依据如下。
垭口：中心必须设置监测点，长度大于800m 的垭口根据地形情况适当增设。 桥梁：长度小于3km 的桥梁，布设1个监测点；长度大于3km ，且小于5km 的桥梁，则根据现场地形情况布设1~2个监测点；长度大于5km ，且小于15km 的桥梁，布设3个监测点。桥中必须设置监测点。
高路堤：高路堤的布点原则参照桥梁的布点原则。
一般地段：除危险地段和控制地段之外，当一般地段连续长度超过15公里，应布置监测点。 (2)布点方案
通过现场考察、计算并结合布点原则得出线路风监测点的布点方案。风速风向传感器设于线路的迎风侧，一般安装于接触网杆上；风速风向计距轨面高度4-4.5m 。
1.2 数据采集及处理
由风速风向传感器采集到的风速、风向数据，对其进行分析统计处理，实时监测各参数的变化情况。以友好、灵活的图形界面显示实时数据，创建各参数的数据趁势曲线图、运行参数棒图、报警画面及音响提示，实现对数据的实时监测。当数据超出阈值时发出警报，铁路调度人员确认警报信息和现场情况后，及时采取对应措施。比如我国高速铁路的防风设计目标为：在侧风风速20m/s以下，高速列车可正常运行；在侧风风速20m/s~25m/s情况下，高速铁路限速200km/h运行；在侧风风速25m/s~30m/s情况下，高速铁路限速160km/h运行；在侧风风速30m/s~35m/s情况下，高速铁路限速70km/h运行；在侧风风速超过35m/s时，高速列车停运。
此外还应建立风速预测功能，根据沿线测风站某一确定时刻之前的实时历史风速，自动计算以后时刻的风速预测值。
1.3 监测单元接入方案
监测单元采用模块化结构，能够根据需要完成各项监测功能，并将监测数据实时传送至监控数据处理设备及本地服务器。
监测单元主、备机之间互为补充，通过CAN 总线互联互通。检测系统预留了数字量输入输出接口，不仅提供有线接入，还提供无线传输通道，可以通过参数配置方式决定是否发送无线信号，以及无线信号发送的目的地。监测单元还提供了与列控系统之间的传输通道接口，便于直接与列控系统通讯。
图 1.3
2 风监测系统的工作流程设计
风监测系统工作流程设计如下图：
图 2
3 防误报和实时响应方案
3.1 防误报方案
风速风向实时监测报警功能是风监测系统的基础功能，风传感器采用双套布置，对双套风速风向仪采集的数据进行比较判别，根据趋势分析滤除意外干扰。
对于双套布置的风传感器，在单套故障的情况下，系统先只作出报警和通知维修人员维修的动作，并不直接输出控制，只有在双套设备同时正常并同时报警时才输出控制，保证信息准确可靠，消除误报漏报。
3.2 实时响应方案
动态实时显示管辖范围内防灾安全监控信息，基层站段级防灾安全监控子模块在用户界面上动态、集中地展现管辖范围内所有监测点的安全监测信息，包括管辖范围内各类铁路灾害监测项的实时变化值和监测系统的运行状态。对于各个联网监测点设备运行状态进行的动态监测，可诊断和定位故障类型，并执行自动报警。
系统对一个风季历史风监测数据进行挖掘和分析，可提前2分钟-5分钟对未来强风进行预警，预警值和未来实测值的平均误差不得超过±10%。
风监测报警功能在测量的3秒平均风速达到一定阈值门限后，系统发出报警信号，在测量风速小于一定阈值门限后解除报警。发出报警时限为风速达到报警门限不大于10秒钟报警，解除报警时限为大风降级后不大于10分钟。
4 报警位置定位方案
近年来，将GPS 技术用于铁路定位已有不少，虽然GPS 在任何气候条件下都能高度精确地定位，但在建筑物林立的大都市和较长隧道内GPS 会出现盲区，从而致使大量信息丢失，使GPS 的应用受到影响。因此，以GPS 为主体，结合GIS 方式对报警位置进行定位。
GPS 与GIS 连接起来后，用户可以很快的在GIS 的电子地图上找到自己的位置。GPS 接收机实时接收卫星信号并转换为坐标信息，与地图数据进行匹配，报警位置附和到铁路线路上，GPS 信号丢失时依据GIS 距离计算功能推算报警位置，以实现对报警位置定位。
5 安全防灾系统的网络平台搭建
安全防灾系统除了对风灾害进行监测外，还对雨、雪、地震、突发事故塌方落石、异物侵限等进行监测，各子系统构建方法与风监测子系统基本相同。
5.1 安全防灾系统的硬件平台搭建
安全防灾监测系统采用统一的处理平台，由调度指挥中心级设备、基层站段级设备、现场监测采集设备组成。 1、调度中心级设备
在调度中心这一级设置一台计算机作为数据库服务器，一台计算机用作应用服务器，另一台计算机作为浏览器，提供用户操作界面，监视全线或管辖范围内的灾害警报信息。
2、基层站段级设备
在基层站段级含车站、综合维修段等基层站断设置一台计算机作为浏览器用来显示各种灾害监测信息、报警信息和设备运行状态信息，同时在灾害、事故和故障抢修恢复后，通过终端显示灾害恢复信息。
3、现场监测采集设备
系统的现场监测采集设备由放置在客运专线沿路的风速风向传感器、雨量计、地震仪和防护开关等组成，对现场环境进行数据采集，并作出简单的分类及处理。
5.2 安全防灾系统的软件平台搭建
安全防灾系统采用三层体系结构，在逻辑上将应用功能分为三层，分别为客户显示层、业务逻辑层和数据层。
客户显示层是为客户提供应用服务的图形界面，有助于用户理解和高效地定位应用服务。
业务逻辑层位于显示层和数据层之间，这个层次封装了与系统关联的应用模型，并把用户表示层和数据代码层分开，提供客户应用程序和数据服务之间的联系，主要功能是执行应用策略和封装应用模式，并将封装的模式呈现给客户应用程序。
数据层是三层模式中最底层，用来定义、维护、访问和更新数据并管理和满足应用服务对数据的请求。
摘 要
铁路作为国家的经济大动脉，在交通运输系统中起着举足轻重的作用，而安全是确保铁路正常高效运输的前提，因而构建铁路安全防灾系统是至关重要的。
以下就哈密-乌鲁木齐区段安全防灾系统的风监测方案、风监测系统的工作流程、防误报、实时响应方案、报警位置定位方案以及安全防灾系统的网络平台搭建这几个方面作一个粗浅的探讨。
关键字：防灾安全系统 风监测
I
Abstract
Railway as a major economic artery of the country, play a decisive role in the transportation system, and the safety is the premise to ensure the normal and efficient transport and railway construction, railway safety system is very important.
The following is the Hami Urumqi section of safety system of wind monitoring scheme, wind monitoring system work flow, anti false alarm, real-time response plan, alarm location positioning scheme and safety system network platform to build these aspects make a shallow discussion.
Keywords:disaster prevention and safety system, air monitoring
II
目 录
摘 要 .......................................................................................................................... I Abstract ....................................................................................................................... I I 1 风监测系统方案 . ..................................................................................................... 1
1.1 监测点布设方案 ............................................................................................. 1
1.1.1 风速风向传感器布置 ............................................................................ 1 1.1.2 风速风向传感器基本布设原则 . ............................................................. 1 1.2 数据采集及处理 ............................................................................................. 2 1.3 监测单元接入方案 . ......................................................................................... 3 2 风监测系统的工作流程设计 . ................................................................................... 4 3 防误报和实时响应方案 ........................................................................................... 5
3.1 防误报方案 .................................................................................................... 5 3.2 实时响应方案 . ................................................................................................ 5 4 报警位置定位方案 .................................................................................................. 6 5 安全防灾系统的网络平台搭建 ................................................................................ 7
5.1 安全防灾系统的硬件平台搭建 . ....................................................................... 7 5.2 安全防灾系统的软件平台搭建 . ....................................................................... 7
III
1 风监测系统方案
安全防灾系统是架构于通信传输系统之上的一套集灾害信息采集、分析、处理和指导、辅助安全行车的平台，主要是对危及铁路运输安全的自然灾害及异物侵限等突发危害进行监测，并提供经处理后的灾害预警信息、限速信息或停运信息等，为运营调度中心运行计划调整、下达行车管制、抢险救援、维修提供依据，以保证列车运行的安全、正点、高效、舒适。
安全防灾系统采用统一的处理平台，由调度所设备、监控数据处理设备、监控单元、现场各监测设备及通信网络设备构成。
风监测系统是安全防灾系统的一个部分，为防止强风引起脱轨或飞来物造成事故，在高速铁路沿线重点地段设置风速风向传感器，实时采集风信息。
1.1 监测点布设方案 1.1.1 风速风向传感器布置
通过统计30年最大瞬时风速均值，时速300-350公里客运专线，不小于15m/s的地区设风速风向计；时速200-250公里客运专线，不小于20m/s的地区布设风速风向传感器。
1.1.2 风速风向传感器基本布设原则
1、山区垭口、峡谷、河谷等特殊区段或≥25m/s的大风区间，风速风向传感器的平均间距按1km 计算。
2、轨面高度10m 及以上的高架桥、高路堤等区段，风速风向传感器的平均间距按5-10km 计算。
3、除上述情况外的平原区段，风速风向传感器的平均布设间距按15-20km 计算。
4、根据哈密-乌鲁木齐区段客运专线运营速度及沿线气象条件、地理环境，合理布设并适时调整风速风向传感器的布设间距。
具体布点设计过程如下： (1)布点原则 A. 地形原则
对于具有垭口、长大桥梁、隧道口、高路基等典型地形地貌的路段，根据气象站的历史风速资料分析两年一遇的瞬时最大风速，再通过风速原则确定布点。
B. 风速原则
危险地段：两年一遇的最大瞬时风速大于30m/s；
控制地段：两年一遇的最大瞬时风速大于20m/s小于30m/s； 一般地段：两年一遇的最大瞬时风速小于20m/s；
在系统设计布点时，危险地段、控制地段需要实时观测风速风向。 C. 监测点数量和位置原则
在危险地段和控制地段设置监测点时，应根据地形确定布点的具体位置和数量，设置依据如下。
垭口：中心必须设置监测点，长度大于800m 的垭口根据地形情况适当增设。 桥梁：长度小于3km 的桥梁，布设1个监测点；长度大于3km ，且小于5km 的桥梁，则根据现场地形情况布设1~2个监测点；长度大于5km ，且小于15km 的桥梁，布设3个监测点。桥中必须设置监测点。
高路堤：高路堤的布点原则参照桥梁的布点原则。
一般地段：除危险地段和控制地段之外，当一般地段连续长度超过15公里，应布置监测点。 (2)布点方案
通过现场考察、计算并结合布点原则得出线路风监测点的布点方案。风速风向传感器设于线路的迎风侧，一般安装于接触网杆上；风速风向计距轨面高度4-4.5m 。
1.2 数据采集及处理
由风速风向传感器采集到的风速、风向数据，对其进行分析统计处理，实时监测各参数的变化情况。以友好、灵活的图形界面显示实时数据，创建各参数的数据趁势曲线图、运行参数棒图、报警画面及音响提示，实现对数据的实时监测。当数据超出阈值时发出警报，铁路调度人员确认警报信息和现场情况后，及时采取对应措施。比如我国高速铁路的防风设计目标为：在侧风风速20m/s以下，高速列车可正常运行；在侧风风速20m/s~25m/s情况下，高速铁路限速200km/h运行；在侧风风速25m/s~30m/s情况下，高速铁路限速160km/h运行；在侧风风速30m/s~35m/s情况下，高速铁路限速70km/h运行；在侧风风速超过35m/s时，高速列车停运。
此外还应建立风速预测功能，根据沿线测风站某一确定时刻之前的实时历史风速，自动计算以后时刻的风速预测值。
1.3 监测单元接入方案
监测单元采用模块化结构，能够根据需要完成各项监测功能，并将监测数据实时传送至监控数据处理设备及本地服务器。
监测单元主、备机之间互为补充，通过CAN 总线互联互通。检测系统预留了数字量输入输出接口，不仅提供有线接入，还提供无线传输通道，可以通过参数配置方式决定是否发送无线信号，以及无线信号发送的目的地。监测单元还提供了与列控系统之间的传输通道接口，便于直接与列控系统通讯。
图 1.3
2 风监测系统的工作流程设计
风监测系统工作流程设计如下图：
图 2
3 防误报和实时响应方案
3.1 防误报方案
风速风向实时监测报警功能是风监测系统的基础功能，风传感器采用双套布置，对双套风速风向仪采集的数据进行比较判别，根据趋势分析滤除意外干扰。
对于双套布置的风传感器，在单套故障的情况下，系统先只作出报警和通知维修人员维修的动作，并不直接输出控制，只有在双套设备同时正常并同时报警时才输出控制，保证信息准确可靠，消除误报漏报。
3.2 实时响应方案
动态实时显示管辖范围内防灾安全监控信息，基层站段级防灾安全监控子模块在用户界面上动态、集中地展现管辖范围内所有监测点的安全监测信息，包括管辖范围内各类铁路灾害监测项的实时变化值和监测系统的运行状态。对于各个联网监测点设备运行状态进行的动态监测，可诊断和定位故障类型，并执行自动报警。
系统对一个风季历史风监测数据进行挖掘和分析，可提前2分钟-5分钟对未来强风进行预警，预警值和未来实测值的平均误差不得超过±10%。
风监测报警功能在测量的3秒平均风速达到一定阈值门限后，系统发出报警信号，在测量风速小于一定阈值门限后解除报警。发出报警时限为风速达到报警门限不大于10秒钟报警，解除报警时限为大风降级后不大于10分钟。
4 报警位置定位方案
近年来，将GPS 技术用于铁路定位已有不少，虽然GPS 在任何气候条件下都能高度精确地定位，但在建筑物林立的大都市和较长隧道内GPS 会出现盲区，从而致使大量信息丢失，使GPS 的应用受到影响。因此，以GPS 为主体，结合GIS 方式对报警位置进行定位。
GPS 与GIS 连接起来后，用户可以很快的在GIS 的电子地图上找到自己的位置。GPS 接收机实时接收卫星信号并转换为坐标信息，与地图数据进行匹配，报警位置附和到铁路线路上，GPS 信号丢失时依据GIS 距离计算功能推算报警位置，以实现对报警位置定位。
5 安全防灾系统的网络平台搭建
安全防灾系统除了对风灾害进行监测外，还对雨、雪、地震、突发事故塌方落石、异物侵限等进行监测，各子系统构建方法与风监测子系统基本相同。
5.1 安全防灾系统的硬件平台搭建
安全防灾监测系统采用统一的处理平台，由调度指挥中心级设备、基层站段级设备、现场监测采集设备组成。 1、调度中心级设备
在调度中心这一级设置一台计算机作为数据库服务器，一台计算机用作应用服务器，另一台计算机作为浏览器，提供用户操作界面，监视全线或管辖范围内的灾害警报信息。
2、基层站段级设备
在基层站段级含车站、综合维修段等基层站断设置一台计算机作为浏览器用来显示各种灾害监测信息、报警信息和设备运行状态信息，同时在灾害、事故和故障抢修恢复后，通过终端显示灾害恢复信息。
3、现场监测采集设备
系统的现场监测采集设备由放置在客运专线沿路的风速风向传感器、雨量计、地震仪和防护开关等组成，对现场环境进行数据采集，并作出简单的分类及处理。
5.2 安全防灾系统的软件平台搭建
安全防灾系统采用三层体系结构，在逻辑上将应用功能分为三层，分别为客户显示层、业务逻辑层和数据层。
客户显示层是为客户提供应用服务的图形界面，有助于用户理解和高效地定位应用服务。
业务逻辑层位于显示层和数据层之间，这个层次封装了与系统关联的应用模型，并把用户表示层和数据代码层分开，提供客户应用程序和数据服务之间的联系，主要功能是执行应用策略和封装应用模式，并将封装的模式呈现给客户应用程序。
数据层是三层模式中最底层，用来定义、维护、访问和更新数据并管理和满足应用服务对数据的请求。