一种斜井施工通风既有隧道列车运行安全预警方法及系统与流程

1.本技术涉及列车运行安全领域，具体而言，涉及一种斜井施工通风既有隧道列车运行安全预警方法及系统。


背景技术：

2.我国交通基础设施建设蓬勃发展，其中铁路的发展日新月异。中国铁路经过70多年的发展，营业里程已经突破了14万公里，建设中心也逐渐向海拔高、多山岭地区的西南、西北地区转移，且由于建设隧道里程较长，一般存在多个通风阶段和多工作面同时掘进的通风要求，通风方案也形形色色。最新的施工通风方案中，尝试利用既有运行隧道及斜井进行施工通风，此方案对既有隧道列车运行势必带来影响，甚至引发列车倾覆。
3.当前还没有一种适宜的技术方案，能够对此类通风情况下列车运行安全进行评价预警。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是如何在利用既有运行隧道及斜井进行施工通风时对列车的运行安全提供预警，目的在于提供一种斜井施工通风既有隧道列车运行安全预警方法及系统。
5.本发明通过下述技术方案实现：
6.一方面，本发明提供一种斜井施工通风既有隧道列车运行安全预警方法，该方法包括如下步骤：
7.拟定既有隧道内部风速测点位置；
8.根据施工现场工况进行数值模拟计算，得到斜井的不同取风速度、不同列车车速下风速测点位置处的模拟测点风速；
9.根据模拟测点风速得到不同取风速度、不同车速对应的列车所受横力；
10.构建所述列车所受横力关于所述取风速度、车速的列车所受横力拟合方程；
11.获取现场测试取风速度和现场测试列车车速并通过前两者对拟合方程进行修正；
12.获取现场即时列车车速和即时取风风速，基于修正后的拟合方程得到列车即时所受横力；
13.当所述列车即时所受横力满足设定阈值时，输出预警信号。
14.在一些可能的实施例中，根据施工现场工况进行数值模拟计算，得到不同取风速度、不同列车车速下风速测点位置处的模拟测点风速时包括以下内容：
15.基于三维计算流体力学软件计算流体力学软件构建三维模型；
16.基于现场工况于三维模型中标记风速测点位置；
17.采用非结构化网格对模型计算域进行网格划分；
18.以不同取风速度、不同车速作为约束条件，应用重叠网格技术模拟列车运动；
19.提取被标记的风速测点位置的模拟测点风速。
20.在一些可能的实施例中，根据模拟测点风速得到不同取风速度、不同车速对应的列车所受横力时采用以下公式：
21.f＝ρv2a/2
22.其中，f为列车所受横力；ρ为空气密度；v为测点风速；a为列车在横风方向的投影面积。
23.在一些可能的实施例中，所述列车所受横力拟合方程采用welsim的curvefitter工具得到，且所述列车所受横力拟合方程为f＝f(vq,vc)，其中，f为列车所受横力，vq为斜井取风风速，vc为列车车速。
24.在一些可能的实施例中，获取现场测试取风速度和现场测试列车车速并通过前两者对拟合方程进行修正时包括以下内容：
25.获取现场风速测点位置处的实际测点风速、现场测试列车车速、现场测试取风风速；
26.基于公式获取现场列车实际所受横力，其中，f1为现场列车实际所受横力， v1为实际测点风速，ρ为空气密度，a为列车在横风方向的投影面积；
27.根据现场测试列车车速、现场测试取风风速，利用高精度拟合方法对所述拟合方程进行修正，修正后的拟合方程为f＝af(vq,vc)+c，其中，a和c为修正参数。
28.在一些可能的实施例中，所述设定阈值为列车车型对应的最大安全倾覆力。
29.另一方面，本发明提供一种斜井施工通风既有隧道列车运行安全预警系统，用以实现上述的斜井施工通风既有隧道列车运行安全预警方法，该系统包括：
30.数据获取模块，所述数据获取模块用以获取即时取风风速、即时车速；
31.数据处理模块，所述数据处理模块用以根据所述即时取风风速和即时车速获得列车即时所受横力值，并用以输出预警信号；
32.控制模块，所述控制模块用以接收所述预警信号并输出执行信号；
33.执行模块，所述执行模块用以响应于所述执行信号并作出预警动作。
34.在一些可能的实施例中，所述数据处理模块包括工业用pc上位机。
35.在一些可能的实施例中，所述执行模块包括用以安装在斜井与既有隧道连接处的电动闸门。
36.在一些可能的实施例中，所述数据获取模块包括用以安装在斜井中的风速传感器和用以安装在既有隧道顶部的测速传感器。
37.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
38.本发明实施例提供的一种既有隧道取风情况下列车运行安全的评价方法及防护系统，能够根据即时列车车速和即时取风风速获取列车通过斜井时所受的即时横向力，并能够基于即时横向力输出预警信号，为现场的通风施工工作作出正确指导，同时基于预警信号可以即时作出相应的防护方案，从而保证既有隧道中列车的运行安全。
附图说明
39.为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可
以根据这些附图获得其他相关的附图。
40.图1为本发明实施例提供的斜井施工通风既有隧道列车运行安全预警方法流程示意图；
41.图2为本发明实施例提供的斜井施工通风既有隧道列车运行安全预警系统的架构图；
42.图3为本发明实施例提供的斜井施工通风既有隧道列车运行安全预警系统工作流程示意图。
具体实施方式
43.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
44.在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
45.在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。
46.实施例1
47.如图1所示，本技术实施例提供一种斜井施工通风既有隧道列车运行安全预警方法，该方法包括如下步骤：
48.步骤s1，拟定既有隧道内部风速测点位置。
49.本技术实施例中，既有隧道内位于斜井附近的各个分段的风速存在一定的差别，故风速测点位置可以拟定为多个，列车通过斜井附近时，可以实现列车不同分段所处工况的参数获取。
50.步骤s2，根据施工现场工况进行数值模拟计算，得到斜井的不同取风速度、不同列车车速下风速测点位置处的模拟测点风速。
51.本技术实施例中，数值模拟计算可以通过数值模拟软件实现，数值模拟软件可以采用例如二次开发后的ansys fluent三维计算流体力学软件，在该软件中构建既有隧道的三维模型并根据上述拟定的风速测点位置在三维模型中相应位置处作出标记，采用非结构化网格对模型计算域进行网格划分，设定若干取风速度和若干列车车速作为约束条件，应用重叠网格技术模拟列车运动，提取标记处的模拟测点风速。其中，若取风速度为m种、列车车速为n种，则数值模拟工况共计m
×
n种。
52.步骤s3，根据模拟测点风速得到不同取风速度、不同车速对应的列车所受横力。
53.本技术实施例中，列车所受横力可以通过列车横力计算公式f＝ρv2a/2计算获得，其中， f为列车所受横力；ρ为空气密度；v为测点风速；a为列车在横风方向的投影面积。由于模拟测点风速是通过以取风速度、车速作为约束条件在三维力学模型中获得，故取风速
度和车速与列车所受横力具有一一对应的关系。
54.本技术实施例中，可以预先将上述的列车横力计算公式写入excel软件中，然后将多个风速测定位置处的模拟测点风速值批量导入excel软件内进行数值的批处理，从而批量获取多个模拟测点风速值对应的列车所受横力值，再提取多个列车所受横力值中的最大横力值。
55.步骤s4，构建所述列车所受横力关于所述取风速度、车速的列车所受横力拟合方程。
56.本技术实施例中，可以采用welsim的curvefitter工具对列车所受横力、取风速度、车速进行函数关系拟合，获得的拟合方程为f＝f(vq,vc)，其中，f为列车所受横力，vq为斜井取风风速，vc为列车车速。当然，在其他实施例中也可采用excel、origin等拟合工具进行列车所受横力、取风速度、车速的函数关系拟合。
57.步骤s5，获取现场测试取风速度和现场测试列车车速并通过前两者对拟合方程进行修正。
58.本技术实施例中，修正过程可以包括以下内容：
59.首先获取现场既有隧道中风速测点位置处的现场测定风速，其中，现场测定风速可以通过在测点位置处布设风速传感器获得；基于上述列车横力计算公式计算出列车所受横力，然后将对应的现场列车车速、现场取风风速和计算得到的列车所受横力带入先前得到的拟合方程中，运用高精度拟合方法对拟合方程中的参数进行修正，修正后的拟合方程为f＝ af(vq,vc)+c，其中，a和c为修正参数。
60.本技术实施例中，现场取风风速可以通过在现场布置的风速计测量得出，现场列车车速可以采用架设在列车轨道上的光电开关测量得出。
61.本技术实施例中，修正后的拟合方程相关系数应大于0.9。
62.在一些可能的实施例中，当既有隧道为双线隧道，则光电开关可以布置在距斜井中心纵向两侧2km处并放置在轨道板上，每个轨道板布置两个，共布置四个光电开关，用以测定交会情况下两列列车的车速；当既有隧道为单线隧道，只需在在距斜井中心纵向两侧2km处各布置一个光电开关即可。
63.步骤s6，获取现场即时列车车速和即时取风风速，基于修正后的拟合方程得到列车即时所受横力；当所述列车即时所受横力满足设定阈值时，输出预警信号。
64.本技术实施例中，若所述计算得到的横力值小于列车车型对应的安全倾覆力，则不发布预警；若所述计算得到的横力值大于列车车型对应的安全倾覆力，则发布预警。
65.综上所述，本技术实施例提供的一种斜井施工通风既有隧道列车运行安全预警方法，能够根据斜井中即时取风风速和既有隧道中列车车速获得列车所受横力，根据列车所受横力是否在安全倾覆力阈值范围内输出预警信号，从而能够使施工作业人员或者设计人员判断斜井中的取风风速异常，即基于当前取风风速下的施工工况不能保证既有隧道中列车的运行安全，继而能够为施工作业人员或者设计人员提供一定的施工或设计指导，进而保证施工全过程中列车的运行安全。
66.应当理解的是，在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指
令时，全部或部分地产生按照本技术实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘(sol标识state disk，ssd))等。
67.实施例2
68.参照图2所示，本实施例提供了一种斜井施工通风既有隧道列车运行安全预警系统，该系统可以包括数据获取模块、数据处理模块、控制模块和执行模块；数据获取模块用以获取即时取风风速、即时车速；数据处理模块用以根据所述即时取风风速和即时车速获得列车即时所受横力值，并用以输出预警信号；控制模块用以接收所述预警信号并输出执行信号；执行模块用以响应于所述执行信号并作出预警动作。
69.本技术实施例中，数据获取模块可以包括风速传感器和光电开关，风速传感器用以布设在既有隧道中拟定的风速测点位置以及斜井中以监测即时取风风速和即时测点风速；光电开关用以架设于轨道上用以监测列车车速。
70.本技术实施例中，数据处理模块可以采用工业用pc上位机，数据处理模块获取即时车速和即时取风风速，然后基于修正后的列车所受横力拟合方程进行解算并得到列车所受横力结果，再根据列车所受横力结果发出预警信号。
71.本技术实施例中，控制模块可以采用运动控制卡。
72.本技术实施例中，执行模块可以被配置为电动闸门，其与控制模块相连以受控于控制模块作出预警动作。
73.具体地，风速传感器采用三封杯式风速计，选择低惯性风标和精密电位器；数据获取模块还可以包括数据采集器，数据采集器配有gprs无线连接功能，能够接收风速传感器的数据，并通过光纤网络将数据发送到数据处理模块。其中，数据采集器采用嵌入式处理器，由三个模块构成：分别为输入模块、运算模块和通讯模块；输入模块用以将接收传感器发送过来的数据进行ad转换；运算模块用以判断接收到的数据是否准确以判断系统是否有故障，并在故障时发送故障码；通讯模块用以将数据上传至数据处理模块，通讯模块可以根据特殊指令应答上传。
74.具体地，斜井施工通风既有隧道列车运行安全预警系统时刻存在着数据交换和指令发布进程，通过gprs模块，利用光纤网络，可以把各个测点风速数据传到数据管理系统。更进一步的技术方案是，可采用商用5g网络替换光纤网络，以降低成本。
75.具体地，数据处理模块中的pc上位机可以选用研华ipc.610h，主板型号为aimb-742，使用intel865g/865gv芯片组，板载agp8x插槽以及1个agp插槽、2个isa插槽/5个pci 插槽，抗干扰性及拓展性能佳，可满足系统的使用需求。
76.具体地，如图3所示为控制系统工作流程图，电动闸门可以安装在斜井与既有隧道交汇处，关闭时可封闭整个斜井通路。电动闸门上安装有伺服电机，通过运动控制卡操控，控制电动闸门的开启与关闭。整个控制系统工作流程如下：
77.数据处理模块处理现场数据，若处理结果达到预警条件，向控制系统发送预警信
号，控制模块控制电动闸门关闭，隔断斜井取风对既有隧道流场影响；若处理结果未达到预警条件，则控制模块继续等待数据处理模块的预警信号。这里要说明的是，对于双线隧道内的列车交会情况，可在关闭电动闸门同时停止风机运行，以减少系统响应时间带来的影响。
78.更进一步地方案是，可根据现场情况动态调整风机功率，以实现施工通风与列车安全运行的动态平衡。
79.综上所述，本技术实施例提供的一种斜井施工通风既有隧道列车运行安全预警系统，能够根据数据处理模块的处理结果做出相应的预警动作，例如电闸门的关闭，从而可以在当前取风风速异常的情况下实现紧急防护，继而能够避免列车的倾覆风险，保证列车的运行安全。
80.需要说明的是，以上对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
81.应当理解，本发明使用的“系统”、“装置”和/或“模块”是用于区分不同级别的不同组件、元件、部件、部分或装配的一种方法。然而，如果其它词语可实现相同的目的，则可通过其他表达来替换所述词语。
82.如本发明和权利要求书所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和 /或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般来说，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其它的步骤或元素。
83.本发明中使用了流程图用来说明根据本技术的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或后面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或者同时处理各个步骤。同时，也可以将其它操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。
84.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种斜井施工通风既有隧道列车运行安全预警方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：拟定既有隧道内部风速测点位置；根据施工现场工况进行数值模拟计算，得到斜井的不同取风速度、不同列车车速下风速测点位置处的模拟测点风速；根据模拟测点风速得到不同取风速度、不同车速对应的列车所受横力；构建所述列车所受横力关于所述取风速度、车速的列车所受横力拟合方程；获取现场测试取风速度和现场测试列车车速并通过前两者对拟合方程进行修正；获取现场即时列车车速和即时取风风速，基于修正后的拟合方程得到列车即时所受横力；当所述列车即时所受横力满足设定阈值时，输出预警信号。2.根据权利要求1所述的斜井施工通风既有隧道列车运行安全预警方法，其特征在于，根据施工现场工况进行数值模拟计算，得到不同取风速度、不同列车车速下风速测点位置处的模拟测点风速时包括以下内容：基于三维计算流体力学软件构建三维模型；基于现场工况于三维模型中标记风速测点位置；采用非结构化网格对模型计算域进行网格划分；以不同取风速度、不同车速作为约束条件，应用重叠网格技术模拟列车运动；提取被标记的风速测点位置的模拟测点风速。3.根据权利要求1所述的斜井施工通风既有隧道列车运行安全预警方法，其特征在于，根据模拟测点风速得到不同取风速度、不同车速对应的列车所受横力时采用以下公式：f＝ρv2a/2其中，f为列车所受横力；ρ为空气密度；v为测点风速；a为列车在横风方向的投影面积。4.根据权利要求1所述的斜井施工通风既有隧道列车运行安全预警方法，其特征在于，所述列车所受横力拟合方程采用welsim的curvefitter工具得到，且所述列车所受横力拟合方程为f＝f(v
q
,v
c
)，其中，f为列车所受横力，v
q
为斜井取风风速，v
c
为列车车速。5.根据权利要求4所述的斜井施工通风既有隧道列车运行安全预警方法，其特征在于，获取现场测试取风速度和现场测试列车车速并通过前两者对拟合方程进行修正时包括以下内容：获取现场风速测点位置处的实际测点风速、现场测试列车车速、现场测试取风风速；基于公式获取现场列车实际所受横力，其中，f1为现场列车实际所受横力，v1为实际测点风速，ρ为空气密度，a为列车在横风方向的投影面积；根据现场测试列车车速、现场测试取风风速，利用高精度拟合方法对所述拟合方程进行修正，修正后的拟合方程为f＝af(v
q
,v
c
)+c，其中，a和c为修正参数。6.根据权利要求1所述的斜井施工通风既有隧道列车运行安全预警方法，其特征在于，所述设定阈值为列车车型对应的最大安全倾覆力。7.一种斜井施工通风既有隧道列车运行安全预警系统，用以实现如权利要求1～6任一项所述的斜井施工通风既有隧道列车运行安全预警方法，其特征在于，包括：
数据获取模块，所述数据获取模块用以获取即时取风风速、即时车速；数据处理模块，所述数据处理模块用以根据所述即时取风风速和即时车速获得列车即时所受横力值，并用以输出预警信号；控制模块，所述控制模块用以接收所述预警信号并输出执行信号；执行模块，所述执行模块用以响应于所述执行信号并作出预警动作。8.根据权利要求7所述的斜井施工通风既有隧道列车运行安全预警系统，其特征在于，所述数据处理模块包括工业用pc上位机。9.根据权利要求7所述的斜井施工通风既有隧道列车运行安全预警系统，其特征在于，所述执行模块包括用以安装在斜井与既有隧道连接处的电动闸门。10.根据权利要求7所述的斜井施工通风既有隧道列车运行安全预警系统，其特征在于，所述数据获取模块包括用以安装在斜井中的风速传感器和用以安装在既有隧道顶部的测速传感器。

技术总结
本发明公开了一种斜井施工通风既有隧道列车运行安全预警方法及系统，以解决现有技术中还没有在斜井施工下对既有隧道列车运行安全进行预警的问题。其中，预警方法包括步骤：拟定既有隧道内部风速测点位置；根据施工现场工况进行数值模拟计算，得到不同取风速度、不同列车车速下风速测点位置处的模拟测点风速；根据模拟测点风速得到列车所受横力；构建列车所受横力拟合方程；获取现场测试取风速度和现场测试列车车速并通过前两者对拟合方程进行修正；根据即时列车车速和即时取风风速得到列车即时所受横力；当所述列车即时所受横力满足设定阈值时，输出预警信号。本发明能够对既有隧道列车运行安全提供预警，为斜井施工作出指导，保证列车运行安全。保证列车运行安全。保证列车运行安全。


技术研发人员：马殷军 张振琼 张亮 寇发斌 吴剑 史宪明 田经纬
受保护的技术使用者：中铁西南科学研究院有限公司
技术研发日：2022.11.07
技术公布日：2023/3/21