国家技术发明奖推荐项目恶劣风环境下铁路行车安全关键技术及应用.docx

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国家技术发明奖推荐书

（2016年度）

一、项目基本情况

项目

名称

项目名称

恶劣风环境下铁路行车安全关键技术及应用

公布名

恶劣风环境下铁路行车安全关键技术及应用

主要完成人

梁习锋（中南大学），许平（中南大学），田红旗（中南大学），

葛盛昌（乌鲁木齐铁路局），刘堂红（中南大学），杨明智（中南大学）

二、推荐单位意见

该项目紧密结合国家轨道交通发展重大需求，针对大风危及铁路行车安全问题，在国家高技术产业发展项目、原铁道部科研计划项目持续支持下，历时十余年，发明了恶劣风环境下铁路行车安全关键技术。

成果已应用于风灾严重的兰新和南疆铁路，京沪、沪杭、海南东环等沿海高铁，武广等内陆高铁，为保障大风环境下的行车安全做出了开拓性贡献。

该成果发明了风/车/路/网/墙/地形地貌耦合下列车安全运行阈值综合确定方法，流场涡结构控制与载荷平衡带域的阈值增强方法，铁路沿线局地短时近地风场滚动递推、模型重构、多点测风场点域空间映射的时空预测技术，多源异类信息融合、行车指挥安全预警决策技术。

该成果具有原创性、系统性和实用性，拥有自主知识产权，并经过了多年的铁路工程和运营实践，成效显著，整体技术达到了国际先进水平，其中多元复杂耦合体系下列车运行安全阈值确定与增强方法、铁路沿线局地短时近地风场预测与行车安全预警决策技术居国际领先水平。

该成果已获国家发明专利8项，软件著作权5项。

制定相关标准和规范4项，发表SCI及EI收录论文31篇。

培养博士、硕士研究生28名。

应用该成果，近3年仅兰新和南疆铁路因减少停轮时间带来的效益达4.96亿元，经济社会效益显著。

本申报材料真实有效，各栏目均符合填写要求，经公示，无异议。

推荐该项目为国家技术发明奖二等奖。

三、项目简介

恶劣风环境对铁路安全运输危害巨大。

亚欧大陆桥重要的陆路通道新疆铁路（新丝绸之路）年均8级及以上大风超过160天，曾发生大风吹翻列车事故21起。

为保证大风季节的行车安全，被迫采用停运、停轮措施，极大地降低了铁路运输效率。

对于受强台风影响的沿海高铁和局域突发大风影响的内陆高铁，由于高速列车质量轻、速度高，大风危及高铁安全更为突出。

因此，恶劣风环境下铁路行车安全问题亟待解决。

围绕恶劣风环境下铁路运输“安全、高效”两大根本目标，针对影响运行安全的风致列车倾覆、车体升重比超限、接触网风偏过大等问题，影响运输效率的限速、停运、停轮问题，历时10余年，分别从理论方法、关键技术、系统研制3个层次开展深入研究，发明了恶劣风环境下铁路行车安全关键技术：

①建立了恶劣风环境下铁路行车限速阈值确定及增强方法。

发明了风/车/路/网/墙/地形地貌耦合下车辆倾覆、车体升重比超限、接触网风偏过大的安全运行阈值综合确定方法，提出了流场涡结构控制与载荷平衡带域的阈值增强方法，制定了已实施的《铁路200-250km/h既有线技术管理办法》、《铁路客运专线技术管理办法》、《乌鲁木齐铁路局大风天气列车安全运行办法》中有关大风环境下行车限速的规定。

②建立了铁路沿线局地短时近地风场预测技术。

发明了基于风速特征匹配的铁路沿线非平稳跳跃矢量风滚动递推、模型重构的短时预测方法及从铁路沿线多测风点到近地风场的点域空间映射方法。

实现了时间高精度预测、空间无盲区监测、全线风速连续时空推演，使时间预测精度比传统时间序列法提高1倍以上。

③建立了多源信息融合的行车安全预警决策系统。

提出了多源异类信息融合、行车指挥安全预警决策技术，发明了多元协同行车安全预警决策系统，实现大风环境下所有列车停轮、限速或维持常速的自动指挥，成功应用于青藏、兰新铁路大风天气行车安全预警指挥系统和高速铁路防灾预警系统中。

获国家授权发明专利8项，计算机软件著作权5项；SCI、EI收录论文31篇；培养博士、硕士研究生28名。

已应用于风灾严重的兰新和南疆铁路，受强台风影响的沿海高铁、局域突发大风影响的内陆高铁。

采用该成果，近3年来，仅兰新、南疆铁路减少运能损失4.96亿元。

有力保障了大风环境下行车安全，大幅减少了大风造成的列车限速、停轮、旅客滞留、货物积压等损失，取得了显著的社会经济效益。

8

五、客观评价

（1）本项目获国家发明专利授权8项、计算机软件著作权5项，出版专著1部，SCI、EI收录论文31篇，制定相关标准和规范4项。

（2）国家相关部门鉴定意见及检测报告评价

①湖南省科学技术厅主持由中南大学完成的“大风灾害环境下铁路行车安全关键技术研究及应用”科技成果鉴定会，鉴定意见：

首次提出风/车/路/网/墙/局部地形地貌耦合的车辆倾覆、车体升重比超限、弓网失效的综合判定方法，确定多元复杂耦合体系下的列车运行安全阈值。

提出多元要素耦合流场涡结构控制与载荷域平衡的阈值增强方法。

提出多源信息融合和行车安全评判方法。

提出铁路沿线局地短时近地风场预测方法。

研发了大风灾害环境下风速风向传感器检测检定装置、接触网动态偏移量检测系统。

取得了显著的经济与社会效益。

该成果具有原创性、系统性、实用性和自主知识产权，并经过多年的铁路工程和运营实践，成效显著，整体技术达到了国际先进水平，其中多元复杂耦合体系下列车运行安全阈值确定与增强方法、铁路沿线局地短时近地风场预测与行车安全评判方法居国际领先水平（附件6）。

②由湖南省科技厅组织测试专家组对中南大学完成的“大风灾害环境下铁路行车安全关键技术研究及应用”进行了实地测试和评估，采用模拟风速输入方法“对大风监测与预警指挥系统的安全速度限制进行了测试,得到的列车安全运行速度限值合理，给出的语音、屏显报警工作正常”；采用现场实地测试的方法分别对沪杭铁路、兰新铁路进行了实时风速预测和风场空间推演测试，误差很小；对接触网风偏监测进行了对比验证和模拟测试，认为“方法合理、数据可靠”（附件4、5、6、7）。

（3）相关单位验收意见评价

①由铁道部科技司对乌鲁木齐铁路局承担的铁道部科技专项实验研究课题“强侧风条件下列车运行安全性现场试验研究”进行了技术评审，评审意见“该项目针对新疆大风地区铁路防风安全运输的关键问题，对防风沙工程的有效性、大风监测系统应用功能的扩展、《大风天气列车安全运行办法》的完善进行综合研究。

得出了大风天气列车安全运行风速限值和车速限值等重要参数，对于完善防风安全体系具有重要意义和实用价值，取得了显著的社会、经济效益。

该项目工作量大、内容丰富、技术创新性强，是目前我国铁路防风安全运行研究领域较系统全面的成果”（附件6）。

②由乌鲁木齐铁路局和中南大学组织，铁道部科技司、运输局参加的“新疆铁路大风环境下列车及防风设施空气动力学综合试验”专家评审会，专家评价：

揭示了大风环境下客车、货车的空气动力学特性规律，明确了大风环境下各型挡风墙的防风能力，探明了强风沙作用下机车、客车车窗玻璃破碎机理，得到了不同车型、不同路况、不同列车运行速度下的临界倾覆风速，针对现有防风设施存在的薄弱环节提出了相应改造方案，有效提高了列车安全运行速度、临界倾覆风速，为修改完善乌鲁木齐铁路局现行《大风天气列车安全运行办法》、实现在保障列车运行安全基础上的运输效能最大化提供了科学依据（附件7）。

③由铁道部科技司对中南大学完成的《牵引供电系统安全性研究—大风环境下接触网风偏量监测系统研究》结题验收会，验收意见认为“该课题采用机器视觉开发了大风环境下接触网风偏量监测系统，实现了多目标、多参数同步测量。

对接触网悬挂关键部位的横向、抬升风偏进行实时监测，验证了系统的可行性”（附件5）。

（4）他人在学术刊物上的评价

①国际IEEELifeFellow（终身院士）、加拿大工程院院士OmMalik教授在其公开发表的学术论文《Areviewofwindpowerandwindspeedforecastingmethodswithdifferenttimehorizons》（26-28Sept.2010Publishedin:

NorthAmericanPowerSymposium）中大篇幅评价本成果：

该方法首先对原始时间序列数据进行分解，然后在分解层上面建立改进ARIMA模型，最后加权获得原始风速的超前多步预测结果。

运用平均绝对误差、均方根误差和平均相对误差等指标对该混合预测方法与经典时间序列模型和神经网络模型进行预测性能比较，结果表明：

在超前3步、5步和10步上，该混合预测方法有更高的预测精度。

同时该预测结果可信，因为符合我所认为的客观事实，即任何模型的超前预测精度都会随着超前步数的增大而降低（附件40）。

②2012年发表在英国SCI刊物《AppliedEnergy》（中文名：

应用能源学报）上的学术论文《ComparisonoftwonewARIMA-ANNandARIMA-Kalmanhybridmethodsforwindspeedprediction》获2012年国际ENI奖提名（ENI奖为国际环境与能源领域公认的最权威学术奖项）（仅用邮件通知，附件40）。

③中国工程院院士乐嘉陵、刘友梅为专著《列车空气动力学》分别作序，认为“提出了一系列经过试验验证的新的分析理论关系式，大风环境下列车气动特性关系式。

这些理论分析具有很高的学术和工程应用价值。

提出了大风环境下列车安全保障体系等。

是我国轨道交通领域在空气动力学方面的第一部学术专著，目前在国际上尚未有同类专著出版”。

“提出风向、风速、车速、路堤高度与列车气动性能理论关系式，…建立大风环境下行车安全保障系统等的理论基础。

建立了列车空气动力学安全研究与评估方法。

提出了风速-路况-车型耦合下的列车安全运行速度限值，为大风环境下行车指挥调度提供科学决策”（附件10）。

六、推广应用情况

（请依据客观数据和情况准确填写，不做评价性描述。

）

本成果形成了具有完全自主知识产权的恶劣风环境下铁路行车安全关键技术，从新疆铁路、局域大风突发的内陆高速铁路到台风频发的沿海高速铁路均应用了本成果，并已实施多年，在显著提升大风环境下列车运行安全性的同时，大大提高了运输效率，产生了巨大的社会经济效益，具有广阔的应用前景。

①用该成果所提出的风/车/路/网/墙/地形地貌耦合下列车运行安全阈值确定方法，在新疆铁路大风区段开展了大量实车现场测试试验和数值计算，确定了不同车型、不同路况、不同挡风墙条件下的车辆安全运行速度限值及网偏致弓网失效阈值，完善和修订了乌鲁木齐铁路局《大风天气列车安全运行办法》，在保障运输安全的基础上，大幅提高了新疆铁路风区在大风期间的安全运输效能（附件34②、50）。

②应用该成果所提出的研究方法对客运专线动车组在大风作用下的气动力及车辆稳定性进行了研究，得出了不同线路情况下，不同环境风风速对应的动车组安全运行速度限值，研究成果已纳入铁道部《铁路200-250km/h既有线技术管理办法》、《铁路客运专线技术管理办法》，为我国客运专线列车安全运行提供了保障（附件48、49）。

③建立了风速预测和风/车/路/网/墙/地形地貌工程化速度限值模型，已广泛应用于武广、京津、京沪、海南东环、沪杭、沪宁等高速铁路（附件37①、37②、38①、38②、39①、41①）。

④建立了一整套满足线路环境使用要求的风速风向传感器性能考核标定方法，对传感器的标定周期、环境适应性、可靠性、风向与风速启动特性、分辨力、电源适应性试验做了明确规定，制定了《高速铁路自然灾害及异物侵限监测系统——风速风向监测设备》技术条件。

（附件47）

表已提供证明的部分应用单位及经济效益概况（附件31～41、52、53）

应用单位名称

应用技术

应用的

起止时间

应用单位

联系人/电话

经济效益

（万元）

乌鲁木齐铁路局（10份）

技术发明1、2、3

2006-至今

谯泽诊/13909928657

49623

今创集团有限公司（5份）

技术发明1、2、3

2009-至今

殷和宜/18600428129

17206

七、主要知识产权证明目录（不超过10件）

知识产权类别

知识产权具体名称

国家

（地区）

授权号

授权日期

证书编号

权利人

发明人

发明专利有效状态

发明

专利

风车路网墙地形耦合下列车运行安全阈值确定方法及系统

中国

ZL201410227437.9

2015.2.25

1594418

中南大学

田红旗，刘堂红，梁习锋，杨明智，周丹，许平，张洁

有效

发明

专利

铁路沿线风速预测的方法

中国

ZL200910009302.4

2010.12.15

714133

中南大学

田红旗，梁习锋，潘迪夫，杨明智，高广军，刘辉

有效

发明

专利

铁路大风监测预警系统及方法

中国

ZL200810030748.0

2010.6.16

639563

中南大学

田红旗，许平，潘迪夫，高广军，鲁寨军，刘堂红，陈峰，姚曙光

有效

发明

专利

基于观测基准失稳补偿的接触网偏移量检测方法

中国

ZL201410261167.3

2015.5.13

1661945

中南大学

田红旗、梁习锋、鲁寨军、周伟、高广军、熊小慧、李鹏

有效

发明

专利

观测基准失稳补偿式接触网偏移量检测装置

中国

ZL201410261185.1

2015.5.13

1665522

中南大学

田红旗，梁习锋，鲁寨军，周伟，许平，刘堂红，王前选

有效

发明

专利

一种高速铁路沿线风速智能混合预测方法

中国

ZL201210036109.1

2014.8.6

1456745

中南大学

刘辉，田红旗，梁习锋，姚松，杨明智，鲁寨军，张雷

有效

发明

专利

铁路沿线近地风场点域映射空间预测方法

中国

ZL201410250671.3

2015.3.11

1600139

中南大学

田红旗，梁习锋，杨明智，张健，刘辉，张雷，李志伟

有效

发明

专利

多元信息融合的铁路行车安全态势评判方法及装置

中国

ZL201410250278.4

2015.5.13

1664160

中南大学

田红旗，许平，梁习锋，杨志刚，高广军，姚松，黄莎

有效

计算机软件著作权

强侧风下列车倾覆稳定性计算软件V1.0

中国

2008SR00635

2008.1.11

087814

中南大学

有效

计算机软件著作权

大风下列车限速计算分析软件1.0

中国

2014SR006322

2014.1.16

0675566

中南大学

有效

八、主要完成人情况

第一完成人:

梁习锋，中南大学，教授。

项目负责人，制定恶劣风环境下下铁路行车安全技术总体方案。

提出了风车路网墙地形耦合下列车运行安全阈值确定方法和接触网风偏量检测方法，得到倾覆阈值和风偏致弓网失效阈值；对技术发明点1、2、3作出了创造性的贡献；授权发明专利7项（附件1、2、28、29、30、31、32）；国家计算机软件著作权4项（附件33、34、35、36）。

第二完成人:

许平，中南大学，副教授。

提出了多元信息融合的铁路行车安全态势评判方法及铁路沿线风速点域映射空间预测方法，建立铁路沿线局地短时预测模型；对技术发明1、2、3作出创造性贡献；授权发明专利4项（附件1、3、28、32）；国家计算机软件著作权3项（附件33、36、37）。

第三完成人:

田红旗，中南大学，教授。

提出铁路沿线大风短时预测方法，建立了恶劣风环境下行车实时预警与指挥决策模型及铁路沿线风速点域映射空间预测；对技术发明1、2、3作出创造性贡献；授权发明专利8项（附件1、2、3、28、29、30、31、32）；国家计算机软件著作权4项（附件34、35、36、37）；出版著作1部（附件27，独立编著）。

第四完成人:

葛盛昌，乌鲁木齐铁路局，教授级高工。

现场技术负责人，提出大风环境下风偏量现场测试试验方法，提出铁路沿线非平稳跳跃矢量风短时预测方法；对技术发明1、3作出创造性贡献；国家计算机软件著作权3项（附件34、35、36）。

第五完成人:

刘堂红，中南大学，副教授。

建立风/车/路/网/墙/地形地貌等多参数耦合下列车周围多尺度复杂流场巨参数求解模型，提出控制涡结构，平衡载荷域的方法，确定出共线、复线的不同外形列车失稳倾覆控制的带域；对发明点1、3作出创造性的贡献；授权发明专利3项（附件1、3、28）；国家计算机软件著作权2项（附件33、37）。

第六完成人:

杨明智，中南大学，副教授。

建立风/车/路/网/墙/地形地貌等多参数耦合下列车周围多尺度复杂流场参数求解模型，提出了从多测风点到线路的近地风场点域空间映射模型；对发明点1、2作出了创造性的贡献；授权发明专利4项（附件1、2、30、31）；国家计算机软件著作权3项（附件33、34、36）。

完成人合作关系说明

本项目主要由中南大学梁习锋、许平、田红旗、刘堂红、杨明智，乌鲁木齐铁路局葛盛昌等人共同完成。

项目组成员长期从事恶劣风环境下铁路行车安全关键技术及应用方面的研究，有长期稳定的合作关系。

合作完成人葛盛昌，系乌鲁木齐铁路局科研所总工程师，从事铁路风沙防治及运行安全相关研究20余年。

自2003年开始与中南大学合作开展新疆铁路风监测预警、防风工程优化、大风条件下列车安全运行技术等相关研究和试验，主要完成了以下研究工作：

1. 铁道部专项试验项目“强侧风对列车运行安全影响的研究（2007X013-A）”（2007年）、“新疆铁路大风环境下列车及防风设施空气动力学综合试验（Z2008-031）”（2008年）、“新疆铁路大风地区测风点合理位置选取研究（2012T002-E）”（2012年）、“大风条件对自轮运转设备运行及作业安全影响研究（2013T004）”（2013年）等研究工作，主要负责试验大纲、实施细则的制定以及试验技术协调和试验列车的运行指挥，参与试验数据的分析和试验报告的撰写工作。

2. 共同完成乌鲁木齐铁路局风监测预警系统的研建、防风设施优化研究等工作，主要负责现场指挥和技术协调工作。

3. 参与恶劣风环境列车安全运行阈值的研究工作，并负责起草乌鲁木齐铁路局《大风条件下列车安全运行办法》。