高速铁路大风防灾行车指挥系统预警机理、报警控制及可靠性研究

Severe wind is one of the main meteorological disasters that lead to train accidents, and it may cause rail network interruption and even train crash, which brings great social impact. The safety problems are even bigger for EMU with high speed, light weight and low overturning capacity. However, wind/train/road/catenary/windbreak/terrain coupling aerodynamics, reconstruction of wind field space near ground and local short-term high precision wind field prediction are academic problems still unsolved. In this program, cross-wind & dynamic model experiment, numerical analysis and full-scale test will be adopted to study on multi-coupled flow and control mechanism. The results will reveal the law of high-speed train aerodynamic behavior under wind conditions, and get series of aerodynamic load spectrums and uncover the overturning mechanism through transient vehicle stability model establishment. Besides, the program will also propose real-time calculation method and high precision forecasting model of wind filed around the railway line, build redundant fault tolerance and reliability self-sustaining mechanism of traffic safety command system in severe wind environment. The research results will lay theoretical foundation for the design of high-speed trains, windbreak facilities and forewarning system to grantee the train safety in wind areas.

恶劣风是导致列车事故的主要气象灾害之一，轻则路网中断，重则车毁人亡，社会影响极大；动车组速度高、自重轻，抗倾覆能力低，安全问题更为突出。但列车高速运行情况下，风/车/路/网/墙/地形地貌耦合空气流动及控制机理、近地风场空间重构、局地短时风场高精度预测仍是未解决的科学难题。本项目采用高速列车气动性能横风-动模型实验、数值分析和实车试验相结合的方法，对恶劣风环境下多元耦合流动及控制机理开展研究，揭示大风环境下高速列车空气动力学行为规律，得到系列气动载荷谱；建立空气动力、机械动力等耦合作用下的车辆倾覆动力学模型，揭示车辆倾覆机理；提出铁路沿线近地风场实时计算方法及局地短时高精度预测模型；构建恶劣风环境下行车安全指挥系统冗余容错及可靠性自维持机制。研究成果为我国高速列车研制、防风设施设计及大风预警系统研建提供理论基础，保障风区列车运行安全。

本项目针对风/车/路/网/墙/地形地貌耦合空气流动及控制机理、近地风场空间重构、局地短时风场高精度预测等科学难题，采用数值计算、模型试验和实车试验相结合的方法，对铁路沿线风速时空预测、恶劣风环境下行车安全问题的诱发及控制机理、恶劣风环境行车安全指挥系统可靠性开展研究，得到如下结论：.（1）铁路沿线风速时间预测方面. 1）建立了小波分析-闭环时间序列、模式经验分解-闭环时间序列等不同组合的统计与智能混合预测模型。. 2）建立了小波分析-神经网络、模式经验分解-神经网络等多智能混合模型。. 3）验证了不同预测模型在多次运行环境下的鲁棒性和输出实时性，考虑风速产生背景，提出了非平稳风速信号的智能、统计和物理方法的混合预测新算法。.（2）铁路沿线近地风场空间推演方面. 1）提出了铁路沿线近地风场实时计算方法。. 2）建立了由区域内有限个测风点风参数表征的铁路沿线近地风场预测模型。.（3）恶劣风环境下行车安全问题的诱发及控制机理方面. 1）得到了风/车/路/网/墙/地形地貌耦合下列车周围多尺度复杂流场结构，建立了大风环境下列车系列气动载荷谱。. 2）建立了风特性、空气动力、机械动力等耦合作用下的车辆倾覆动力学模型，确定了高速列车在大风作用下的倾覆机理。. 3）揭示了不同车体、防风设施周围的流场结构，得到了车体、防风设施外形优化结构。.（4）恶劣风环境行车安全指挥系统可靠性研究方面. 1）研究了风速风向检测单元在风沙、降雨等恶劣条件下的环境效应，得到了风速风向检测单元环境适应性。. 2）建立了风速风向双检测单元数据基于时间序列滚动预测模型的仲裁机制和监测系统冗余容错机制。.研究成果为我国高速列车研制、防风设施设计及大风预警系统研建提供了理论基础，成果应用于新疆等铁路，有力保障了大风环境下行车安全，大幅减少了大风造成的列车限速、停轮、旅客滞留、货物积压等损失，取得了显著的社会经济效益。