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文档简介
《沿海地区市域铁路高影响天气要素监测与预
警技术规程》(征求意见稿)
编制说明
一、工作简况
(一)任务来源
本文件由浙江省交通投资集团有限公司智慧交通研究分公
司提出,经中国技术市场协会标准化工作委员会批准,正式列入
2023年团体标准制修订计划,标准名称为《沿海地区市域铁路
高影响天气要素监测与预警技术规程》。
(二)项目背景
本文件是积极落实党中央、国务院关于加快建设交通强国重
大战略决策部署,响应中国气象局、公安部、交通运输部、国家
铁路局、国家邮政局联合制定的《“十四五”交通气象保障规划》
(气发〔2021〕112号),以及国家铁路局、自然资源部、水利
部、应急管理部、中国气象局、中国地震局和中国国家铁路集团
有限公司,联合制定了《关于加强铁路自然灾害监测预警工作的
指导意见》(国铁安监[2021]42号)的相关要求,提升市域铁
路尤其是面临台风等特殊自然灾害的沿海地区市域铁路在面向
高影响天气的应对能力,保障线路安全运营和服务品质升级,加
强对市域铁路对沿线周边突发高影响天气要素的监测与预警能
力而特别提出。
(三)目的意义
制定本文件的目的是为提高沿海地区市域铁路应对台风、暴
雨、强对流等极端天气的能力,增强市域铁路在运营官过程中对
1
突发性气象风险的感知、预警能力,为有关单位开展气象风险监
测,获取科学、可用的监测数据提供支撑,推动市域铁路沿线气
象监测、预警技术的发展,并帮助运营人员从多维度开展合理、
高效的安全决策,保障沿海地区市域铁路列车的正常运行,减少
因极端天气带来的损失和影响。
(四)起草单位及起草人名单
本文件起草单位:上海交通大学、浙江省轨道交通运营管理
集团有限公司、浙江省轨道交通建设管理集团有限公司、浙江海
宁轨道交通运营管理有限公司、上海申浙数智轨道科技有限公司
等。
本文件主要起草人:赵闻强、陈昌进、XXX、XXX、XXX。
(五)主要起草过程
1.文本调研
浙江省交通投资集团有限公司智慧交通研究分公司于2023
年6月启动了文本的调研工作,并与2023年8月完成了相关资
料的收集和分析工作。
2.标准立项
浙江省交通投资集团有限公司智慧交通研究分公司向中国
技术市场协会标准化委员会提出申请,于2023年9月获得中国
技术市场协会标准化工作委员会批准立项。
3.组建标准起草工作组
2023年9月21日,召开项目启动会。
2023年10月8日,成立了上海交通大学、浙江省轨道交通
运营管理集团有限公司、浙江省轨道交通建设管理集团有限公司、
2
浙江海宁轨道交通运营管理有限公司、上海申浙数智轨道科技有
限公司等单位相关技术人员组成的标准起草工作组,并讨论标准
调研工作事项。
4.形成标准草案
2023年10月31日,起草组对资料收集情况进行汇报,并
对进行了线上讨论。
2023年11月25日,开展组内讨论,确定了标准框架和主
要内容。
2023年12月10日,对赵闻强、陈昌进、张志鹏、黄煜傑、
谢烨等起草的标准初稿进行现场讨论,并提出修改意见。
2023年12月22日,起草组根据修改意见进行修改,形成
标准草案。
5.形成征求意见稿
2023年12月29日,对标准草案进行讨论,起草组对草案
内容进行了修改,形成标准征求意见稿。
二、确定标准主要内容的论据
(一)编制原则
1.规范性原则
本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分:
标准化文件的结构和起草规则》以及《中国技术市场协会团体标
准工作程序》的规定起草。
2.一致性原则
在编写过程中着重参考了交通运输领域气象监测预警相关
的国标、地标、团标等技术专业标准并在技术上尽量保障与现有
3
标准的一致性。
(二)标准主要内容及适用范围
本文件规定了沿海地区市域铁路高影响天气气象要素监测
预警系统的监测内容、监测布点方法、监测预警后台系统、报警
预警规则等技术要求。
本文件适用于我国东南沿海地区市域铁路开展高影响天气
安全风险监测与预警工作。
(三)确定标准主要内容的论据
1.术语和定义
本文件使用的术语和定义包括从现有标准中引用的通用型
标准和本文件中新定义的概念。其中,关于“高影响天气”以及
“风速”、“降雨强度”等具体监测对象的术语,主要参考国家气
象行业标准QX/T334-2016高速铁路运行高影响天气条件等级
以及国家推荐性标准,如GB/T35227-2017地面气象观测规范
风向和风速、GB/T35228-2017地面气象观测规范降水量、GB/T
35224-2017地面气象观测规范天气现象等。此外,本文件为了
区分数据来源和类型,以及数据所导向的风险等级,定义了“气
象监测”、“气象预测”、“警戒状态”、“报警”、“预警”等术语,
其中“气象监测”、“预警”是气象部门的常用概念,在GB/T
36742-2018气象灾害防御重点单位气象安全保障规范中有相应
的描述。采用“警戒状态”作为“报警”、“预警”两种状态的统
称,定义“气象预测”用以和传统的“气象监测”中实时监测进
行区分,作为监测数据提前预测的描述。
2.监测内容
4
本文件中的监测内容包括监测项目与对应的传感器的性能
要求,主要依据中国气象局、交通运输部、国家铁路局在各个应
急预案指导文件中提出的环境风险点,结合运营实践经验和各类
事故教训,从中筛选出市域铁路运营中对应的气象风险,规定了
风、雨、冰雪、能见度、温度等监测项目,并结合行业成熟度、
市场成熟度等给出了详细的技术参数指标。针对线路运营单位自
身难以获取的气象监测项目进行了说明,并给出了相关建议。在
表格形式、内容分类、指标描述等行文细节部分参考了现行国家
标准GB/T33697-2017公路交通气象监测设施技术要求。
3.监测点布设
本文件中规定了气象监测点的布设原则、安装方法和注意事
项,以及数据采集与传输要求。依照在杭海城际等沿海地区高架
线路及地下线路的监测实践,提出了考虑气象风险和数据相似性
的监测布点原则,以及各个监测项目传感器的安装位置、采样能
力等相关指标,尤其针对需要具备预测能力的项目提出了相关的
边缘计算能力规定。同时部分内容描述参考了地方标准DB
61/T487-2010高速公路自动气象观测系统设置规范,DB14/T
2370-2021高速公路气象观测站建设规范。
4.监测预警后台系统
本文件规定了市域(郊)铁路气象监测预警后台系统的主要
功能及要求。参考了GB/T38637.2-2020物联网感知控制设备
接入第2部分:数据管理要求、QX/T480-2019公路交通气象
监测服务产品格式、T/CITSA21-2022高速公路交通气象系统架
构及技术规范等标准,并结合市域铁路现场的既有气象监测实践
5
经验和使用人员反馈,对系统部署、预测预警功能、数据存储管
理和数据传输安全等条目进行了规定
5.警戒规则
本文件主要规定警戒状态进入和退出的条件,以及针对强风
和暴雨两种高影响天气设置警戒等级。主要参考气象行业标准
QX/T334-2016高速铁路运行高影响天气条件等级,并在此基础
上结合市域铁路运营实践,发现监测点和第三方网格状预报之间
数据整体趋势相同,但在局部会有差异,同时在引入监测点数据
提前预测能力后,从风险发生概率角度能够提升当前沿线监测系
统的预警能力,可对现有警戒状态进行进一步细化,以适应风险
预警的需求。
三、主要试验[或验证]情况分析、技术经济论证、预期经济
效果
1.试验分析与综述报告
编写组基于杭海城际等东南沿海地区的典型市域(郊)铁路
(包括长距离高架线与长距离地下线)沿线气象监测系统的历史
微观监测数据与邻近的气象站宏观预报数据,开展预测预警、风
险分析等技术验证。我国东南沿海地区的气候主要为亚热带和热
带季风气候,线路易受梅汛期暴雨、台风天气等影响。部分线路
运营单位为应对频繁发生的高影响天气,已在线路部署了气象监
测系统,例如编写组前期在东南沿海某市域铁路上开展了气象监
测实践,线路共13个站点,目前在其中的8个地面站点(高架
站点)站台或辅助建筑物处布设了风雨监测传感器,在线路的运
行控制中心(OCC)部署了气象监测后台系统。目前系统采样和
6
存储数据的频率为1min一次,即每个站点每年产生超过52万个
气象采集样本,每个样本中有风速、各个时间尺度的累积雨量等
多元特征。因此,市域铁路的气象监测数据集具备进行大数据分
析和相关功能开发的基础,能够在现有的监测系统上拓展预警、
风险分析等模块。
(1)监测内容的试验分析、综述
在监测内容方面,本文件规定了沿线监测点的具体气象要素
监测内容和非局部的宏观监测气象要素内容。其中,沿线监测内
容是基于编写组对东南沿海高影响天气场景下的市域(郊)铁路
风险致灾链建模,提取其中风险事件发生概率较高的气象诱因作
为监测内容。如图1所示为强风天气风险链模型示例,编写组按
照同样的方法对暴雨、强风、高温、低温、低能见度五种极端天
气情况下,不同的轨道交通类型(包括无砟轨道、有砟轨道、地
上段、地下段等)进行了安全风险机理分析。
图1强风天气风险链模型
此外,参考现有的公路或高速铁路气象监测相关标准,梳理
出具有一定影响但无法在市域铁路沿线进行监测的气象要素(如
雷电、台风等大范围影响天气),提出引入第三方气象服务或气
7
象部门信息辅助实时监测。
(2)监测点布设方法的试验分析、综述
在监测点布设方面,本文件规定了监测点布设原则、监测设
备安装的规定、以及数据采集和传输的规定。
其中监测点布设原则在现有相关标准中规定高风险区段“监
测点间隔”的基础上,提出采用半定量半定性方法评估全线各个
区间和站点的风险大小,以求更加精准地定位气象风险监测点。
编写组在前期针对该问题构建了一种模糊贝叶斯网络,基于线路
沿线的环境要素和专家的先验知识评估沿线气象风险大小,验证
了该方法的可行性。
图2按照输入条件对线路进行区段划分
编写组对某市域铁路线路进行了多次添乘,记录了沿线用地
类型、轨道线性等信息,本项目基于添乘获得的信息对杭海线沿
线划分为28个不同环境的连续区段,如图2所示。区段编号a-b,
a代表原有的行车区间,b代表在行车区间内根据环境条件进一
步划分的行车区段。
将每个区段对应的父节点状态分别输入到模糊贝叶斯网络
中就可得到区段在常态天气和高影响天气下的风险(概率)大小。
8
横向比较区段在常态天气和预警级别天气下的各类风险概率值
变化,即可分析哪些区段对某种类型的极端天气风险敏感性更高。
相关案例如图3和图4对比所示。
桥梁浅基暴雨天气低洼地势排水标准
非浅基桥...100%常态天气100%非低洼地势0%排水能力低0%
浅基桥梁0%预警级别...0%低洼地势100%排水能力...100%
桥墩失稳风险道床板顶面积水风...雨水倒灌风险
低风险97%低风险100%低风险100%
中风险2%中风险0%中风险0%
高风险2%高风险0%高风险0%
图3模糊贝叶斯评估结果(区段1-1,常态雨天气)
桥梁浅基暴雨天气低洼地势排水标准
非浅基桥...100%常态天气0%非低洼地势0%排水能力低0%
浅基桥梁0%预警级别...100%低洼地势100%排水能力...100%
桥墩失稳风险道床板顶面积水风...雨水倒灌风险
低风险79%低风险38%低风险89%
中风险20%中风险54%中风险10%
高风险2%高风险7%高风险2%
图4模糊贝叶斯评估结果(区段1-1,暴雨预警天气)
此外,考虑实践中存量项目和新建项目的差异性,本文件特
别提出了已有监测点情形下利用已有的历史监测数据来辅助监
测点补设(加密)的原则,标准编写期间,编写组验证了通过两
个已有监测点间的历史报警相似度和监测数据趋势相似度来评
估监测点之间增设新监测点的必要性。
监测设备安装的规定旨在避免因设备安装的不规范而导致
监测数据系统性误差或监测设备失效。编写组通过分析相邻监测
点之间的数据异常性差异,结合实地调研勘察监测点的布设周围
环境是否存在问题,以及结合现有的标准和文献中对于高度和横
9
向距离等参数的规定与研究,确定最终本文件中推荐的一般性规
定。如图5所示,为编写组前期获得的某线路各个站点的风速监
测数据,整体上各站点的气象数据变化趋势一致,但相邻站点间
监测数值具有恒定存在的差异,如图6所示。因此,需要实地勘
察布设环境与监测设备是否存在问题,并对布设做出相应规定,
以减少此类因素对数据精确度的影响。
图5某线路各站点气象要素时变趋势一致性
图6某线路各站点气象要素空间差异性
10
在数据采样与传输方面,文件规定了数据的采集频率,预处
理能力和要求等事项。编写组首先对市域铁路运行特点分析,确
定气象要素采集和分析的有效时间颗粒度,根据时间颗粒度倒推
数据的采集频率。基于对不同气象要素的数据时空特性的分析,
规定不同气象要素的数据预处理规则,旨在以尽量小的数据量保
留更多的数据信息,以风速数据为重点,编写组验证了在一定时
间颗粒度内采用滑动平均方法处理原始风速序列,对原始数据信
息的损失程度不影响后续的分析和预测等。
(3)监测预警后台系统的试验分析、综述
气象监测预警后台系统的主要功能包括气象要素的可视化、
预测预警以及数据存储管理等。
编写组重点对风速和累积雨量两种气象要素的预测预警方
法进行了研究。采用传统的时间序列预测模型、机器学习模型、
深度学习模型,基于历史数据进行模型训练、调参、测试。经对
比验证,对于风速预测任务,当时间颗粒度为5min以上时,可
以基本消除脉冲风对预测误差的影响,实现未来5min以上的平
均平稳风速预测,其中深度学习模型能够获得更好的预测效果
(图7)。对于累积雨量预测,对比分钟累积雨量和小时累积雨
量数据特征,发现小时累积雨量的预测算法(图8)效果要优于
分钟累积雨量,且小时累计雨量和积水、内涝等水害联系更加密
切。根据目前的预测模型对比结论,由于目前采样只采集瞬时值,
尤其对于风速这种具有高频随机振动性质的数据,预测分析的时
间颗粒度越低时,噪声信号占比越大,不利于获得精确的预测结
果。因此,本文件中规定了传感装置需要边缘计算能力,通过预
11
先滑动平均处理数据等手段,提取有效数据信息,提升预测精度。
图7深度神经网络风速预测效果(10min平均)
图8深度神经网络小时累积雨量预测效果
针对其他市域铁路气象风险监测预警所需的能力,编写组在
前期开发了气象监测和预警系统样机,通过样机测试各项功能的
必要性、可行性,在基于现有气象监测系统架构规范提出后台系
统的相关规定。其中,数据存储管理方面的要求主要基于对现有
标准的梳理和分析。辅助决策建议库是基于对车辆(司机)、列
控中心、车站、工务、供电、电务等专业部门的调研,结合气象
风险链模型,梳理出全风险链的风险规避措施,作为本文件的资
料性附录。
(4)警戒规则的试验分析、综述
12
本文件规定了强风和暴雨两种典型的东南沿海地区高影响
天气预警规则。通过对比分析高速铁路、普速铁路、地方铁路等
相关高影响天气等级标准和应急预案文件,筛选、调整了合适的
气象要素阈值作为市域铁路的警戒等级阈值。此外,本文件考虑
了预测数据、气象部门预报数据等多源数据,在现有等级划分基
础上进一步细化了警戒规则子等级。编写组基于历史气象监测数
据与极端天气模拟数据对系统样机进行了实时警戒测试,验证了
警戒规则设置的有效性和合理性。
2.技术经济论证和预期经济效果
据不完全统计,2022年1月我国31个省(自治区、直辖市)
和新疆生产建设兵团共有51个城市开通运营城市轨道交通线路
270条(包括以城市轨道交通制式运营的城际轨道交通),运营
里程8759公里,实际开行列车285万列次。在已经运营的线路
中,很大一部分的线路制式是直接受气象环境影响的地面线路,
郑州地铁的经验教训也表明,即使是受影响程度相对较低的部分
地下线路,也会在高影响天气下发生严重的线路灾害,城市及城
际轨道交通的气象防灾能力已经越来越受到人们的重视。
本文件中规定的算法及系统等成果封装后可作为技术服务
产品面向铁路气象服务用户,根据不同线路特点提供个性化、精
准化的气象预报预警服务,可有效补充传统铁路气象预报服务偏
广域,而线路时空呈带状分布的矛盾冲突。
本文件的形成能够有效提高市域铁路调度运行部门应对高
影响天气的能力。运营部门可根据气象要素的时间、落区、强度
等有针对性地对重点路段设备设施进行巡查,做好安全保护措施
13
及出现损失时及时做好应对措施,在最大程度上减小高影响天气
对线路、列车及周边设备造成损失。当预测到出现即将抵达阈值
时,将对用户进行决策建议,例如列车减速、暂停等,提升线路
的安全性和智能化程度。上述工作都是无法通过常规的短期气象
预报服务来实现的。
此外,在揭示气象风险时空分布规律的基础上,利用科学的
辅助决策功能,可有效降低应急巡检人员的工作量,及时为运营
人员提出相应的巡道建议。
系统积累的历史检测数据和预测数据,及对应的风险处理报
表记录,也能为后续运营提供大量的经验案例,将预防性维护转
为预测性维护,对提升线路全寿命周期管理质量有着重要的意义。
四、采用国际标准和国内外先进标准的程度
本文件为首次自主制定,参考了GB/T32630—2016非结构
化数据管理系统技术要求、GB/T33697—2017公路交通气象监
测设施技术要求、GB/T35224—2017地面气象观测规范天气现
象、GB/T35227—2017地面气象观测规范风向和风速、GB/T
35228—2017地面气象观测规范降水量、GB/T36742-2018气
象灾害防御重点单位气象安全保障规范、GB/T37025—2018信
息安全技术物联网数据传输安全技术要求等国家标准相关内容
要求。本文件不涉及国际国外标准的采标情况。
五、重大分歧意见处理经过及依据
本文件在制定过程中未出现重大分歧意见。
六、与现行相关法律、法规及相关标准的协调性
14
本文件贯彻落实《中华人民共和国气象法》、《中华人民共和
国行政许可法》、《中华人民共和国突发事件应对法》等文件要求。
本文件符合现行的相关法律、法规的规定,与相关国家标准、
行业标准、地方标准相兼容。
七、知识产权情况说明
本文件未涉及专利等知识产权的问题。
八、其他应予说明的事项
无。
《沿海地区市域铁路高影响天气要素监测与预警技术规程》
团体标准起草组
2024年1月2日
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《沿海地区市域铁路高影响天气要素监测与预
警技术规程》(征求意见稿)
编制说明
一、工作简况
(一)任务来源
本文件由浙江省交通投资集团有限公司智慧交通研究分公
司提出,经中国技术市场协会标准化工作委员会批准,正式列入
2023年团体标准制修订计划,标准名称为《沿海地区市域铁路
高影响天气要素监测与预警技术规程》。
(二)项目背景
本文件是积极落实党中央、国务院关于加快建设交通强国重
大战略决策部署,响应中国气象局、公安部、交通运输部、国家
铁路局、国家邮政局联合制定的《“十四五”交通气象保障规划》
(气发〔2021〕112号),以及国家铁路局、自然资源部、水利
部、应急管理部、中国气象局、中国地震局和中国国家铁路集团
有限公司,联合制定了《关于加强铁路自然灾害监测预警工作的
指导意见》(国铁安监[2021]42号)的相关要求,提升市域铁
路尤其是面临台风等特殊自然灾害的沿海地区市域铁路在面向
高影响天气的应对能力,保障线路安全运营和服务品质升级,加
强对市域铁路对沿线周边突发高影响天气要素的监测与预警能
力而特别提出。
(三)目的意义
制定本文件的目的是为提高沿海地区市域铁路应对台风、暴
雨、强对流等极端天气的能力,增强市域铁路在运营官过程中对
1
突发性气象风险的感知、预警能力,为有关单位开展气象风险监
测,获取科学、可用的监测数据提供支撑,推动市域铁路沿线气
象监测、预警技术的发展,并帮助运营人员从多维度开展合理、
高效的安全决策,保障沿海地区市域铁路列车的正
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