基于时间序列分析的铁路沿线脉动风特性描述方法技术

本发明专利技术提供了一种基于时间序列分析的铁路沿线脉动风特性描述方法，包括如下步骤：铁路沿线瞬时风速数据的采集与清洗；基于时间序列分析进行铁路沿线瞬时风速趋势提取与脉动风速计算；对脉动风速进行统计分析，获得铁路沿线脉动风特性的统计描述

【技术实现步骤摘要】
基于时间序列分析的铁路沿线脉动风特性描述方法


[0001]本专利技术涉及铁路沿线脉动风特性描述
，特别涉及一种基于时间序列分析的铁路沿线脉动风特性描述方法
。

技术介绍

[0002]自然界中风速是连续变化的，是随时间与空间变化的随机过程，可看作平均风速与脉动风速的叠加
。
现有研究多关注平均风速对铁路运输安全的影响，包括平均风速作用下列车的倾覆与脱轨风险以及桥梁
、
挡风墙
、
信号装置与接触网等附属设施的潜在危险性
。
[0003]脉动风速对铁路运输安全的影响同样不可忽略
。
在平均风速不变的情况下，脉动风速变化可能导致车辆背风侧涡旋发生变化，从而改变车辆受到的气动载荷，进一步影响车辆运行安全
。
另外，脉动风速还会加剧车辆与附属设施的风致振动，从而产生共振或疲劳破坏等一系列问题
。
因此，湍流侧风作用下列车与附属设施的气动特性正逐渐成为列车空气动力学领域的研究热点
。
[0004]准确描述铁路沿线脉动风特性是研究湍流侧风作用下列车气动特性的基础，包括湍流强度
、
湍流积分尺度
、
湍流功率谱密度与阵风因子等
。
对于铁路多经过山区等复杂地形的情况，现有研究表明复杂地形处瞬时风速具有显著的非平稳特性与多尺度特性
。
因此，现有的脉动风特性描述方法不适应铁路沿线脉动风特性描述问题，主要体现在以下两个方面：
[0005]第一，铁路沿线瞬时风速具有非平稳特性
。
目前风特性描述方法主要基于平稳随机过程，将瞬时风速视为各态历经的平稳过程，即其统计特性在
10min
内保持不变，这与铁路沿线的实际情况不相符
。
如上文所述，铁路沿线瞬时风速多具有非平稳特性，即其统计特性在
10min
内依然随时间发生变化，无法运用现有主流风特性描述方法
。
针对同样具有非平稳特性的台风，一些学者基于非参数检验方法提取时变平均风速并计算脉动风速
。
然而，由于铁路沿线瞬时风速具有与台风不同的频率特性，该方法会将一部分脉动风速识别为时变平均风速，从而得到不准确的脉动风特性
(
如低估湍流强度
)
，因此其不适应铁路沿线脉动风特性描述
。
[0006]第二，铁路沿线风场具有多尺度特性
。
铁路沿线山区等复杂地形周围存在大量涡旋脱落与气流剪切，它们与大气边界层中的大尺度涡旋相互掺混，形成了由多尺度涡旋组成的复杂流动结构
。
这与平坦地形处单一尺度的风场大不相同，多尺度涡旋掺混导致泰勒假设与各向同性湍流假设部分失效
(
现有风特性现场测量已经证明了这一点
)
，而这些假设却是现有主流脉动风特性描述方法的基础
。
现有方法基于泰勒假设描述湍流积分尺度，基于各向同性湍流描述湍流功率谱密度
。
在铁路沿线脉动风特性描述时，继续沿用泰勒假设与各向同性湍流会导致脉动风特性描述不准确
(
如低估湍流积分尺度
)
，因此现有方法不适用于铁路沿线脉动风特性描述
。
另外，多尺度特性导致铁路沿线风场具有强烈的空间相关性，需明确风特性测量位置，以获取具有代表性的瞬时风速
。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是：针对上述
技术介绍
中存在的不足，提供一种能够适应铁路沿线瞬时风速的非平稳特性与多尺度特性的铁路沿线脉动风特性描述方法，以规避铁路沿线复杂地形处多尺度涡旋结构的影响，测量能够准确表征铁路沿线风特性的瞬时风速；针对铁路沿线瞬时风速强烈的非平稳特性，提取瞬时风速趋势，从而获得准确的平稳的脉动风速数据；针对铁路沿线风场的多尺度特性，在不借助泰勒假设与各向同性湍流假设的前提下，准确描述铁路沿线脉动风特性，尤其是湍流积分尺度与湍流功率谱密度
。
[0008]为了达到上述目的，本专利技术提供了一种基于时间序列分析的铁路沿线脉动风特性描述方法，包括如下步骤：
[0009]S1
，铁路沿线瞬时风速数据的采集与清洗；
[0010]S2
，基于时间序列分析进行铁路沿线瞬时风速趋势提取与脉动风速计算；
[0011]S3
，对脉动风速进行统计分析，获得铁路沿线脉动风特性的统计描述
。
[0012]进一步地，
S1
中铁路沿线瞬时风速利用安装在距轨面预设高度处的风速计测量，通过数值仿真计算不同铁路线路横断面类型附近流速，以流速与远方来流风速差异不超过预设百分比为评判标准，确定不同线路横断面类型下测量位置与线路的最小水平距离
。
[0013]进一步地，
S1
中铁路线路横断面类型包括铁路路堤
、
铁路路堑
、
铁路桥梁；
[0014]对于铁路路堤，测量位置与铁路线路的最小距离为：
[0015]L
min
＝
2.5H
E
+6H
W
(1)
[0016]其中，
L
min
为测量位置与线路的最小距离，
H
E
为路堤高度，
H
W
为铁路挡风墙高度；
[0017]对于铁路路堑，测量位置在堑顶；
[0018]对于铁路桥梁，桥梁高度不超过
10m
时，测量位置与线路距离不小于
12m
；桥梁高度大于
10m
时，测量位置与线路距离无要求
。
[0019]进一步地，
S1
中对采集的瞬时风速数据进行内部一致性与时间一致性检查，订正错误数据，之后将数据分段，每段长度为预设时间段，计算每段数据平均风速与平均风向，剔除平均风速低于预设值的数据段，根据数据段内平均风向分解得到顺风向瞬时风速与横风向瞬时风速
。
[0020]进一步地，
S2
具体包括如下子步骤：
[0021]S21
，假设瞬时风速为平稳过程，此时瞬时风速减去平均风速得到的脉动风速也为平稳过程，通过时间序列的平稳性检验法来检验此时脉动风速是否为平稳过程；若是，则假设成立，跳至
S23
；若不是，则假设不成立，继续
S22
；
[0022]S22
：对瞬时风速信号进行小波分解与重构，提取瞬时风速时间趋势，瞬时风速减去其时间趋势得到脉动风速，通过时间序列的平稳性检验法来检验此时脉动风速是否为平稳过程；若是，则继续
S23
；若不是，则降低小波分解层数后重复
S22
；
[0023]S23
：得到平均风速或瞬时风速时间趋势与脉动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于时间序列分析的铁路沿线脉动风特性描述方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1
，铁路沿线瞬时风速数据的采集与清洗；
S2
，基于时间序列分析进行铁路沿线瞬时风速趋势提取与脉动风速计算；
S3
，对脉动风速进行统计分析，获得铁路沿线脉动风特性的统计描述
。2.
根据权利要求1所述的基于时间序列分析的铁路沿线脉动风特性描述方法，其特征在于，
S1
中铁路沿线瞬时风速利用安装在距轨面预设高度处的风速计测量，通过数值仿真计算不同铁路线路横断面类型附近流速，以流速与远方来流风速差异不超过预设百分比为评判标准，确定不同线路横断面类型下测量位置与线路的最小水平距离
。3.
根据权利要求2所述的基于时间序列分析的铁路沿线脉动风特性描述方法，其特征在于，
S1
中铁路线路横断面类型包括铁路路堤
、
铁路路堑
、
铁路桥梁；对于铁路路堤，测量位置与铁路线路的最小距离为：
L
min
＝
2.5H
E
+6H
W (1)
其中，
L
min
为测量位置与线路的最小距离，
H
E
为路堤高度，
H
W
为铁路挡风墙高度；对于铁路路堑，测量位置在堑顶；对于铁路桥梁，桥梁高度不超过
10m
时，测量位置与线路距离不小于
12m
；桥梁高度大于
10m
时，测量位置与线路距离无要求
。4.
根据权利要求3所述的基于时间序列分析的铁路沿线脉动风特性描述方法，其特征在于，
S1
中对采集的瞬时风速数据进行内部一致性与时间一致性检查，订正错误数据，之后将数据分段，每段长度为预设时间段，计算每段数据平均风速与平均风向，剔除平均风速低于预设值的数据段，根据数据段内平均风向分解得到顺风向瞬时风速与横风向瞬时风速
。5.
根据权利要求4所述的基于时间序列分析的铁路沿线脉动风特性描述方法，其特征在于，
S2
具体包括如下子步骤：
S21
，假设瞬时风速为平稳过程，此时瞬时风速减去平均风速得到的脉动风速也为平稳过程，通过时间序列的平稳性检验法来检验此时脉动风速是否为平稳过程；若是，则假设成立，跳至
S23
；若不是，则假设不成立，继续
S22
；
S22
：对瞬时风速信号进行小波分解与重构，提取瞬时风速时间趋势，瞬时风速减去其时间趋势得到脉动风速，通过时间序列的平稳性检验法来检验此时脉动风速是否为平稳过程；若是，则继续
S23
；若不是，则降低小波分解层数后重复
S22
；
S23
：得到平均风速或瞬时风速时间趋势与脉动风速
。6.
根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘堂红，高鸿瑞，陈晓栋，张洁，熊小慧，刘宏康，陈光，王家斌，孙博，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：