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近年来,我国高速铁路在交通运输体系中扮演的角色日益突出,成为我国铁路发展的主要趋势。与普通列车相比,高速列车运行速度快,车体轻,对大风影响敏感,更容易发生脱轨和倾覆事故。对铁路沿线大风进行预警可以有效地避免事故的发生。获得可靠的大风监测数据是建立大风预警系统的基础之一,而大风监测点的布设方法对于确保监测数据的代表性和有效性十分重要。
本研究通过对风速时间和空间变化特征及其对高速列车运行安全性影响的分析,提出了基本监测点与特殊监测点相结合的布设方法。基本监测点是根据铁路沿线风速变化特性进行布设的测点,对铁路沿线大风发生概率高的区段进行监测。特殊监测点是根据铁路线型特征进行布设的测点,对铁路沿线脱轨和倾覆概率高的线型路段进行监测。
对于基本监测点,首先以沿线气象资料为基础,分析了自然因素影响下高速铁路沿线的风速特性,建立了风速空间分布模型与极值分布模型;进而识别出高速铁路沿线主要的大风区间,在大风发生概率高的区域设置候选基本监测点;其次为了减少监测点的数量、降低布点成本,并保证从基本监测点上获得的气象数据能够推算出沿线任意位置上的风速,通过对已有风速资料的历时、时距以及空间距离对相关系数影响的分析,确定出最大影响半径,再利用空间分布模型对沿线缺少气象数据区域内的风速进行插值计算,并对插值风速建立极值分布模型;最后在保持相邻监测点间的距离不少于最大影响半径的条件下,将15m/s以上大风发生概率高的区间的候选点设为基本监测点。
对于特殊监测点,首先通过综合分析线路特征、列车动力学特性、运行方案等非自然因素的影响,对列车运行安全性进行评估;然后计算不同区段发生脱轨或倾覆事故的概率;最后在发生事故概率较高的区段设置特殊监测点。
根据上述铁路沿线大风监测点布设方法,对京津城际客运专线进行了大风监测点布设分析。结果表明,在统计资料历时与时距保持不变的条件下,测点空间相关系数呈现出随距离增大而减小的总体趋势,京津城际客运专线沿线的最大影响半径约为20km。通过反距离权重法计算京津城际客运专线沿线未布点区域的风速,再利用三参数Weibull分布拟合插值风速的极值分布。在此基础上得出沿线需要布设6个基本监测点,分别位于第2、6、8、11、15、19区段内。对列车运行安全性的分析表明,年脱轨与倾覆次数均高于0.1次的有5个区段,需要布设5个特殊监测点,分别位于第2、3、11、16、18区段内。京津城际客运专线沿线需要布设的监测点共计9个。将其与已有的监测点布局进行比较发现,7个现有监测点与计算出的布点方案吻合,现有布点方案较合理。