基于地鐵復雜環(huán)境超聲波測風儀器優(yōu)勢的應用分析

鄺建新　梁心雄

摘要：目標是分析風向風速出現(xiàn)異常的原因，探究超聲波傳感器在地鐵復雜環(huán)境下儀器傾角的變化對風速測量的影響。目的是超聲風速風向儀具有測量精度高、響應速度快、配置靈活等特點，非常適合地鐵軌道沿線大氣環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的要求，從而保障地鐵軌道交通安全運營。結論是通過實驗數(shù)據(jù)表明超聲波傳感器是一種較為先進的測量風速風向的儀器，該儀器已在地鐵軌道旁這種復雜環(huán)境條件下得到成功應用。

關鍵詞：地鐵環(huán)境；傳感器；誤差函數(shù)；數(shù)據(jù)異常

中圖分類號：TP202 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）06-0195-03

1概述

由于地鐵軌道這種特殊復雜的風環(huán)境，采集的風向風速數(shù)據(jù)經(jīng)常出現(xiàn)異常，需要分析原因，提出改造措施，保障數(shù)據(jù)正確運行。為了準確實時監(jiān)測動態(tài)，安裝設備所處位置的風速風向數(shù)據(jù)對地鐵運行環(huán)境平臺來說就顯得尤為重要。

2傳感器分析

2.1故障分析

據(jù)調查，全國很多省份都出現(xiàn)過此類問題，即機械式風向傳感器出現(xiàn)主軸斷裂及尾翼板脫落的情況，引起此類問題的主要原因：一是風尾翼的結構升級導致問題產生；二是硬物擊打導致尾翼損壞。至于風速傳感器風杯飛出問題，與其結構同特殊風場、硬物擊打等方面有關。2016年下半年以來地鐵番禺區(qū)的自動氣象站風向傳感器主軸損壞率非常高，其中大部分為：風向傳感器主軸因為不可控的外力作用使其斷裂，并多次更換全新傳感器后重復出現(xiàn)同樣的設備損壞現(xiàn)象，風速傳感器出現(xiàn)風杯整體或一杯飛出的情況，但發(fā)生次數(shù)無前者頻繁。

2.2空氣動力模擬分析

自動氣象站數(shù)據(jù)庫查詢得知實測風速數(shù)值最大不超過65m/s，該型號風向傳感器抗風能力應在64m/s以上，地鐵列車經(jīng)過時對自動站所測風速的影響不是很大，另外由于平時所測的風速大多在17.2m/s以下（臺風、強對流等天氣影響除外），而風設備損壞現(xiàn)象經(jīng)常重復發(fā)生，可見列車風對風傳感器本身影響較大，是引起自動站風傳感器尾翼脫落的主要原因之一。同時，由于自動站風傳感器的支撐風桿高達6米，頂部有橫桿承重，底部并無三角架固定，加上地鐵列車經(jīng)過時離風桿只有大致一米左右距離，而且以50-75km/h左右的速度通過，在高架橋上極易引起自動氣象站風桿的節(jié)律性震動。從空氣動力學流場模擬方法看，平直氣流遇到障礙物時，會分成兩部分繞開障礙物。

地鐵列車快速通過安裝地點時會產生比較大而且是瞬間性很強的“慣性風”“切變風”，這種復雜環(huán)境下“慣性風”經(jīng)過時會產生較大的扭矩力和揚塵力翻，現(xiàn)場可能存在較多碎石屑及雜物就會瞬間被這種“慣性風”掀起，經(jīng)過碰撞可能會導致尾翼板的損壞；或者造成風速傳感器風杯飛出的情況。復雜環(huán)境下大致每隔3-6分鐘左右，會形成一個速度波峰，峰值在6m/s以內，波峰與波峰之間的時間間隔與四號線列車經(jīng)過的時間分布基本吻合，這表明，列車經(jīng)過對自動站本身及測出的實時風速值會產生一定的影響（實測風速偏差程度本文不作探討）。

2.3超聲波的束射性和指向性

超聲波由于優(yōu)良特性用在復雜環(huán)境下對木材、鋼材、混凝土等內部結構的無損檢測，此外，還有超聲波測距、測溫、測流體流速等。頻率高于20kHz的聲波是超聲波，諧波聲場的存在使超聲波這一合成聲場具有良好的指向性。是基波和高次諧波的合成，超聲波頻率高，波長短，衍射不嚴重，聲學參量陣使得聲波能量在傳播過程中不斷得到加強，沿直線傳播在一定距離內有良好的束射性和指向性，容易獲得集中的聲能。

2.4超聲波的換能器

大多數(shù)晶體材料敏感元件的參數(shù)包括壓電常數(shù)、介電常數(shù)和電阻率，機械強度、剛度、居里點和時間穩(wěn)定性。目前常用的振子是復合壓電材料，可以將極其微弱的機械振動轉換成電信號。超聲波換能器是超聲波發(fā)射和回波接收器件，作為整個檢測系統(tǒng)的重要組成部分，當檢測設備和工藝確定后，換能器的選擇便成為確保檢測質量的最主要因素，換能器的性能直接制約著整個檢測系統(tǒng)的性能，超聲波探頭的結構如圖2所示。

3超聲波測風儀器實驗分析

3.1設備調試

超聲波儀器是否有損壞，將超聲波儀器安裝在實驗臺上，并對超聲波儀器進行調準，直至超聲波儀器下方的箭頭指向風源方向，將超聲波儀器放置于地鐵環(huán)境中通過一根長線纜連接到電腦上接收所測數(shù)據(jù)，如3所示。

3.2數(shù)據(jù)采集

內部參數(shù)進行了默認設置，但是由于工程使用環(huán)境的不同，默認設置不一定滿足實際的使用要求，為此需要通過傳感器自帶的參數(shù)設置軟件將傳感器設置成為滿足系留氣球使用要求的數(shù)據(jù)格式。接口通訊格式按照8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無奇偶校驗位、1位結束位，傳輸速率為38400bps來設置。

3.3實驗數(shù)據(jù)

在進行實驗時，可以根據(jù)需要對地鐵環(huán)境的風速、風向、WXT520超聲波儀器氣象儀的傾斜角度進行調整，風速設置6m/s，16m/s，25m/s，風向的角度分別為0°，30°，60°，90°，傾角分為前傾（+）、后傾（-）、右傾（+）、左傾（-）四個方向，角度分別為-20°，-15°，-10°，-5°，0°，5°，10°，15°，20°，并且對各個實驗條件下的數(shù)據(jù)進行記錄。實驗數(shù)據(jù)的工作量比較大、數(shù)據(jù)繁多，在此只對幾種典型情況的部分數(shù)據(jù)進行分析。

1）風速5m/s，風向0°，后傾角30°的條件下，測得的部分風速風向的數(shù)據(jù)如表1所示。對表中數(shù)據(jù)進行分析處理，風速的均值為4.918 m/s，風向的均值為0.010733°，風速的方差為0.0023，風向的方差為1.1386，根據(jù)風速風向測量誤差函數(shù)算法可以解算出風速5.018 m/s，風向-0.0112°，誤差較小，與真實值比較接近，證明超聲波儀器測得數(shù)據(jù)精確。

2）風速15m/s，風向30°，前傾角30°的條件下，測得的部分風速風向的數(shù)據(jù)如表2所示。風速的均值為15.044m/s，風向的均值為60.477°風速的方差為0.0117，風向的方差為0.0565，根據(jù)風速風向測量誤差函數(shù)算法可以解算出風速15.0118 m/s，與真實值比較接近，證明超聲波儀器測得數(shù)據(jù)也是精確。

3）風速25m/s，風向30°，前傾角30。的條件下，測得的部分風速風向的數(shù)據(jù)如表3所示。風速的均值為25.086m/s，風向的均值為10.094°風速的方差為0.0106，風向的方差為0.0678，根據(jù)風速風向測量誤差函數(shù)算法可以解算出風速25.0239m/s，與真實值比較接近，證明超聲波儀器測得數(shù)據(jù)也是精確的。

4）風速25m/s，風向60°，后傾角60°的條件下，測得的部分風速風向的數(shù)據(jù)如表3所示。風速的均值為25.066m/s，風向的均值為30.234°風速的方差為0.0385，風向的方差為0.0338，根據(jù)風速風向測量誤差函數(shù)算法可以解算出風速25.0122 m/s，與真實值比較接近，證明超聲波儀器測得數(shù)據(jù)也是精確的。

超聲波測風儀，有別于傳統(tǒng)易損壞的風杯/風向標/螺旋槳風速風向傳感器，超聲波測風儀外形無迎風面，將風速風向整合為一，可有效降低陣風及切片風對機身的作用。對陣風、切片風等反應迅速準確，并且其內部自帶的加熱裝置可以在嚴冬下保證儀器正常工作無需人工定期維護，適用于陸地和海洋環(huán)境等特殊情況；由于它很好地克服了機械式風速風向傳感器固有的缺陷，因而能全天候地、長久地正常工作，越來越廣泛地得到使用。

4結論分析

超聲波測風儀實驗數(shù)據(jù)測試結果和真實值是基本一致的，結果表明超聲波傳感器是一種較為先進的測量風速風向的儀器，能夠滿足氣象阻尼系數(shù)，保證地鐵軌道旁這種復雜環(huán)境條件下風向風速數(shù)據(jù)的精準性。