福州地鐵高架區間氣象監測系統應用研究

蒲井崗

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010）

1 研究背景

由于我國氣候多變，每年臺風天氣頻發，且風速較高，頻繁而強烈的大風及雷電會給地鐵列車的運行安全帶來極大的挑戰，對地鐵的出行造成一定的破壞性影響，尤其在高架區間的地段，影響尤為嚴重。因此，地鐵高架有必要設置強有力的防風和防雷保護措施，并準確獲取沿線的風速、風向等氣象信息，從而達到指導高架地鐵列車安全運行的目的。但由于地鐵高架區間構建筑的特殊性——高架區間管線密集，空間狹小，機電設備無處安裝，造成高架區間風力檢測的設計及施工作業難以開展。因此，我國各地大多數城市軌道交通缺乏對高架區間氣象信息的檢測措施，或只在高架車站內部設置風力檢測裝置，大大忽視了對高架段的氣象監測。

福州至長樂機場軌道交通帝封江、祥謙、首占均為高架車站。據福州的氣候資料顯示，每年有大量的時間風速比較高，且臺風較多，通常情況下的風況為：歷年4-8月常為東南風，9月至次年3月常為東北風，熱帶氣旋常發生在5-11月份，風力一般為6～9級，陣風可達10～11級。頻繁而強烈的風況給福州地鐵，尤其是高架車站和區間的運行安全，帶來了一定的威脅和巨大的挑戰。

2 研究目的

本研究擬通過設置福州地鐵高架區間的氣象監測系統，實現將地鐵高架上的氣象信息收集并上傳至地鐵控制中心，對氣象進行實時監測。同時，采集到的氣象信息與氣象部門進行數據交互，再通過信息分享、信息分析、信息預測及反饋后，極大地方便運營監管，大大提高福州地鐵運營的可靠性和安全性，減少不必要的損失。

3 研究方案

3.1 方案一：由地鐵BAS系統設置傳感器測量風速風向[1]

為了使風速風向傳感器能夠準確、全面地反映出帝封江、祥謙、首占站高架線路段的風速風向信息，需在帝封江、祥謙、首占站3個車站的站外東南方位和西北方位高架橋側翼設置風速風向傳感器。

3.1.1 風速風向測量的實現和使用

風速傳感器中的變送器部分先將風力轉換為脈沖電信號輸出，再由BAS設置在該風速傳感器附近的遠程監控箱中的I/O模塊進行數據采集，并經由車站BAS局域網絡、專業之間接口將風速信息傳輸給ISCS專業，直至地鐵控制中心。當風速過高時，進行預警和報警，通知調度人員進行相關處理。

3.1.2 安裝方式及防雷措施

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

（1）為避免列車經過時的強大氣流對風速風向傳感器的測量造成影響或引起誤報警，采用支架向高架橋外側橫向伸出1.2 m的方式進行安裝。

（2）由于風速風向傳感器安裝位置比較空曠，高度較高，且為凸起物，因此，需考慮該設備的防雷措施。建議由BAS專業為風速風向傳感器設置單獨的避雷針，采用φ10 mm的圓鋼材料，直接焊接在風速風向傳感器的安裝支架上，安裝支架與高架橋側墻上的低壓配電專業的避雷帶進行焊接。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測系統提供氣象信息[2]

3.2.1 服務內容

氣象預報服務內容需包括以下內容。

（1）強對流天氣突發性天氣預報。突發性天氣前1～3 h提供。

（2）高架地鐵沿線3 d滾動天氣預報。內容包括未來3 d的天氣狀況、晴雨、溫度、風向、風力，重點預報暴雨、高溫、霧、大風等天氣[3]。

（3）臺風預報。即臺風未來的移向、移速、強度變化及未來3 d的位置、強度等，圖文并茂，視臺風離福州的距離定發布的次數，當熱帶氣旋位于北緯10°～25°，東經130°以西時每天服務2次。當熱帶氣旋位于北緯10°～25°，東經125°以西時，每天服務4次。

（4）臺風實況。即臺風定位、中心強度及大風范圍半徑等，視臺風離高架地鐵附近距離的遠近確定進行隔6 h、3 h、1 h定位，當發現臺風將對高架地鐵附近產生嚴重影響時，發布每半小時1次的定位預報，并作出及時的提醒。

（5）福州市預警信號。福州市臺風、暴雨、寒冷、高溫、大霧、灰霾天氣、雷雨大風、道路結冰、冰雹等預警信號，預警信號發布后即時提供[4]。

3.2.2 傳輸方式

可采用以下兩種方式進行信息的傳輸。

（1）地鐵公司通過氣象臺提供的用戶名和密碼直接上氣象局網站調用上述氣象信息，突發性天氣預報則由氣象臺發送到地鐵公司提供的手機上。

（2）利用地鐵自身信息平臺接收信息。

為保證信息傳輸的專用性及可靠性，推薦采用第二種傳輸方式。

3.3 方案三：利用氣象局現有系統設備配備在地鐵車站設置自動氣象監測站的方式

除方案二中所述，利用氣象局現有設備所能監測到的信息外，建議在高架區間段列車行駛轉彎半徑較大處、爬升坡度較大處、列車行駛跨江處設置自動氣象監測站，采集逐時氣溫、氣壓、風向、風速、降水、紫外線強度，并將這些氣象數據雙方共享[5]，這有利于氣象臺作出針對性的高架地鐵沿線預報，并對地鐵公司今后的日常營運大有好處。

3.3.1 自動氣象監測站工作原理

自動氣象監測站數據傳輸主要采用現有的無線網絡作為媒體，一方面降低建設成本，另一方面可以提高傳輸的可靠性。主要支持基于手機短信、GPRS通信方式。同時支持有線通信（基于直線連接、電話撥號方式）。它主要由傳感器（包括風速、風向）、數據采集器、供電系統、中心站管理軟件等組成。

3.3.2 自動氣象監測站安裝方式

在車站，自動氣象監測站采用不銹鋼支架固定的方式安裝于鋼結構金屬屋面頂部避雷針保護范圍之內，因此，需鋼結構專業給予配合，預留安裝及以后的檢修接口；在區間，自動氣象監測站采用方案一中風速風向傳感器在區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 比選結論

方案一中，在區間設置風速風向傳感器時，需相應增設遠程監控箱，而低壓配電專業在區間無一級負荷電源提供給遠程監控箱，從而需從車站敷設電源電纜至區間監控箱，距離較長，投資較大，且本方案采集的為實時信息；方案二和方案三均屬采用氣象局信息，為氣象監測權威機構所發布，且信息具有預報性、超前性，可以保證用戶有足夠的時間做好防災準備，保障了列車運行安全。因此，通過以上綜合比選，推薦采用方案二、三結合的方式。

3.4.2 推薦方案的實施

高架區間氣象系統方案實施流程如下。

步驟1：在選好的高架區間目標點安裝自動氣象監測站所需的電纜支架、橋梁擋板、鋼踏板、避雷針、光電轉換器、BAS遠程控制箱及自動氣象監測站。

步驟2：自動氣象監測站采集到的數據通過通信線接入到目標點設置的BAS遠程控制箱。

步驟3：目標點設置的BAS遠程控制箱與就近車站的BAS遠程控制箱通過光纖連接，將采集到的風力、風向等信息上傳至就近車站BAS系統。由于BAS系統集成在綜合監控系統中，再通過車站現有的BAS與ISCS接口，將數據上傳至中央級綜合監控系統中[6]。

步驟4：中央級綜合監控系統借用線網骨干網將風力信息傳輸至TCC線網指揮中心[7]。

步驟5：在TCC線網指揮中心大廳工作臺上設置氣象信息工作站，并分別與綜合監控系統及氣象臺新增接口，進行數據互通，供雙方檢測高架區間段風力信息。

步驟6：地鐵公司在氣象信息工作站上通過氣象臺提供的用戶名和密碼直接調用以上氣象信息，突發性天氣預報則由氣象臺發送到氣象信息工作站上，最終在氣象信息工作站實現對高架區間段風力信息的監視及預警。

3.4.3 推薦方案作用及效果

（1）該方案利用地鐵車站現有的ISCS系統、綜合監控系統及通信骨干網的組網方式[8]，節省了車站至TCC線網指揮中心管線敷設的巨大投資，充分發揮了車站內既有系統的功能。

（2）災害情況提前預警，以保證運營人員有足夠的時間作好預備處理，能有效避免如臺風、暴雨等惡劣天氣給人民生命財產、高架地鐵線帶來不可預計的嚴重危害。

（3）由地鐵運營人員在控制中心第一時間了解到高架段氣象數據，并與氣象部門溝通，獲得量身定做的氣象預報服務，這有利于氣象臺作出針對性的高架地鐵沿線預報，并對地鐵公司今后的日常營運安全大有好處。

（4）應用界面在控制中心集中顯示，便于運營監管及其他專業、部門指揮。

現場施工安裝效果圖如圖2所示。

圖2 現場施工安裝效果圖

4 高架區間氣象系統示意總圖

福州地鐵高架區間氣象系統示意總圖如圖3所示。

圖3 福州地鐵高架區間氣象系統示意總圖

5 結束語

福州地鐵高架區間通過氣象監測系統，能對沿線的風速、風向等信息進行實時監測和必要的分析，并根據對地鐵運營的影響劃定不同的預警等級，為運營組織提供決策依據，保障了列車運行及運營安全。其中，通過該系統，福州地鐵與福州市氣象局建立合作關系，氣象局根據福州地鐵線網（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，制訂互相之間的聯絡機制，并可以通過網絡實時查詢，為運營的行車組織和施工組織提供專業的技術支持[9]。