基于地铁复杂环境超声波测风仪器优势的应用分析

邝建新　梁心雄

摘要：目标是分析风向风速出现异常的原因，探究超声波传感器在地铁复杂环境下仪器倾角的变化对风速测量的影响。目的是超声风速风向仪具有测量精度高、响应速度快、配置灵活等特点，非常适合地铁轨道沿线大气环境参数监测的要求，从而保障地铁轨道交通安全运营。结论是通过实验数据表明超声波传感器是一种较为先进的测量风速风向的仪器，该仪器已在地铁轨道旁这种复杂环境条件下得到成功应用。

关键词：地铁环境；传感器；误差函数；数据异常

中图分类号：TP202 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）06-0195-03

1概述

由于地铁轨道这种特殊复杂的风环境，采集的风向风速数据经常出现异常，需要分析原因，提出改造措施，保障数据正確运行。为了准确实时监测动态，安装设备所处位置的风速风向数据对地铁运行环境平台来说就显得尤为重要。

2传感器分析

2.1故障分析

据调查，全国很多省份都出现过此类问题，即机械式风向传感器出现主轴断裂及尾翼板脱落的情况，引起此类问题的主要原因：一是风尾翼的结构升级导致问题产生；二是硬物击打导致尾翼损坏。至于风速传感器风杯飞出问题，与其结构同特殊风场、硬物击打等方面有关。2016年下半年以来地铁番禺区的自动气象站风向传感器主轴损坏率非常高，其中大部分为：风向传感器主轴因为不可控的外力作用使其断裂，并多次更换全新传感器后重复出现同样的设备损坏现象，风速传感器出现风杯整体或一杯飞出的情况，但发生次数无前者频繁。

2.2空气动力模拟分析

自动气象站数据库查询得知实测风速数值最大不超过65m/s，该型号风向传感器抗风能力应在64m/s以上，地铁列车经过时对自动站所测风速的影响不是很大，另外由于平时所测的风速大多在17.2m/s以下（台风、强对流等天气影响除外），而风设备损坏现象经常重复发生，可见列车风对风传感器本身影响较大，是引起自动站风传感器尾翼脱落的主要原因之一。同时，由于自动站风传感器的支撑风杆高达6米，顶部有横杆承重，底部并无三角架固定，加上地铁列车经过时离风杆只有大致一米左右距离，而且以50-75km/h左右的速度通过，在高架桥上极易引起自动气象站风杆的节律性震动。从空气动力学流场模拟方法看，平直气流遇到障碍物时，会分成两部分绕开障碍物。

地铁列车快速通过安装地点时会产生比较大而且是瞬间性很强的“惯性风”“切变风”，这种复杂环境下“惯性风”经过时会产生较大的扭矩力和扬尘力翻，现场可能存在较多碎石屑及杂物就会瞬间被这种“惯性风”掀起，经过碰撞可能会导致尾翼板的损坏；或者造成风速传感器风杯飞出的情况。复杂环境下大致每隔3-6分钟左右，会形成一个速度波峰，峰值在6m/s以内，波峰与波峰之间的时间间隔与四号线列车经过的时间分布基本吻合，这表明，列车经过对自动站本身及测出的实时风速值会产生一定的影响（实测风速偏差程度本文不作探讨）。

2.3超声波的束射性和指向性

超声波由于优良特性用在复杂环境下对木材、钢材、混凝土等内部结构的无损检测，此外，还有超声波测距、测温、测流体流速等。频率高于20kHz的声波是超声波，谐波声场的存在使超声波这一合成声场具有良好的指向性。是基波和高次谐波的合成，超声波频率高，波长短，衍射不严重，声学参量阵使得声波能量在传播过程中不断得到加强，沿直线传播在一定距离内有良好的束射性和指向性，容易获得集中的声能。

2.4超声波的换能器

大多数晶体材料敏感元件的参数包括压电常数、介电常数和电阻率，机械强度、刚度、居里点和时间稳定性。目前常用的振子是复合压电材料，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号。超声波换能器是超声波发射和回波接收器件，作为整个检测系统的重要组成部分，当检测设备和工艺确定后，换能器的选择便成为确保检测质量的最主要因素，换能器的性能直接制约着整个检测系统的性能，超声波探头的结构如图2所示。

3超声波测风仪器实验分析

3.1设备调试

超声波仪器是否有损坏，将超声波仪器安装在实验台上，并对超声波仪器进行调准，直至超声波仪器下方的箭头指向风源方向，将超声波仪器放置于地铁环境中通过一根长线缆连接到电脑上接收所测数据，如3所示。

3.2数据采集

内部参数进行了默认设置，但是由于工程使用环境的不同，默认设置不一定满足实际的使用要求，为此需要通过传感器自带的参数设置软件将传感器设置成为满足系留气球使用要求的数据格式。接口通讯格式按照8位数据位、1位停止位、无奇偶校验位、1位结束位，传输速率为38400bps来设置。

3.3实验数据

在进行实验时，可以根据需要对地铁环境的风速、风向、WXT520超声波仪器气象仪的倾斜角度进行调整，风速设置6m/s，16m/s，25m/s，风向的角度分别为0°，30°，60°，90°，倾角分为前倾（+）、后倾（-）、右倾（+）、左倾（-）四个方向，角度分别为-20°，-15°，-10°，-5°，0°，5°，10°，15°，20°，并且对各个实验条件下的数据进行记录。实验数据的工作量比较大、数据繁多，在此只对几种典型情况的部分数据进行分析。

1）风速5m/s，风向0°，后倾角30°的条件下，测得的部分风速风向的数据如表1所示。对表中数据进行分析处理，风速的均值为4.918 m/s，风向的均值为0.010733°，风速的方差为0.0023，风向的方差为1.1386，根据风速风向测量误差函数算法可以解算出风速5.018 m/s，风向-0.0112°，误差较小，与真实值比较接近，证明超声波仪器测得数据精确。

2）风速15m/s，风向30°，前倾角30°的条件下，测得的部分风速风向的数据如表2所示。风速的均值为15.044m/s，风向的均值为60.477°风速的方差为0.0117，风向的方差为0.0565，根据风速风向测量误差函数算法可以解算出风速15.0118 m/s，与真实值比较接近，证明超声波仪器测得数据也是精确。

3）风速25m/s，风向30°，前倾角30。的条件下，测得的部分风速风向的数据如表3所示。风速的均值为25.086m/s，风向的均值为10.094°风速的方差为0.0106，风向的方差为0.0678，根据风速风向测量误差函数算法可以解算出风速25.0239m/s，与真实值比较接近，证明超声波仪器测得数据也是精确的。

4）风速25m/s，风向60°，后倾角60°的条件下，测得的部分风速风向的数据如表3所示。风速的均值为25.066m/s，风向的均值为30.234°风速的方差为0.0385，风向的方差为0.0338，根据风速风向测量误差函数算法可以解算出风速25.0122 m/s，与真实值比较接近，证明超声波仪器测得数据也是精确的。

超声波测风仪，有别于传统易损坏的风杯/风向标/螺旋桨风速风向传感器，超声波测风仪外形无迎风面，将风速风向整合为一，可有效降低阵风及切片风对机身的作用。对阵风、切片风等反应迅速准确，并且其内部自带的加热装置可以在严冬下保证仪器正常工作无需人工定期维护，适用于陆地和海洋环境等特殊情况；由于它很好地克服了机械式风速风向传感器固有的缺陷，因而能全天候地、长久地正常工作，越来越广泛地得到使用。

4结论分析

超声波测风仪实验数据测试结果和真实值是基本一致的，结果表明超声波传感器是一种较为先进的测量风速风向的仪器，能够满足气象阻尼系数，保证地铁轨道旁这种复杂环境条件下风向风速数据的精准性。