CN111831012B - 一种桥上智能可调风屏障系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥上智能可调风屏障系统及其控制方法，根据风速检测传感器所检测到的实时风速控制挡风板的转动以及每个活动叶片的开合角度，实现对每个风屏障单元高度和透风率的控制，在不同的风速下动态调整每个风屏障单元，使其处于最佳姿态，能够满足车辆行车安全、桥梁安全稳定性、风屏障安全稳定性以及视野开阔等多个方面的要求。

Description

一种桥上智能可调风屏障系统及其控制方法

技术领域

本发明属于桥梁风屏障技术领域，尤其涉及一种桥上智能可调风屏障系统及其控制方法。

背景技术

当前，铁路交通在我国经济的发展中发挥着举足轻重的作用。参考《中国国家铁路集团有限公司2019年统计公报》，截至2019年，我国的铁路运营总里程达到13.9万公里，其中高铁总里程为3.5万公里，稳居全球第一。桥梁是铁路交通运输系统的重要组成部分，是跨越河海和峡谷地形的重要结构设施。在河海和峡谷地区的桥梁和车辆极易受到风荷载的影响。风对车桥系统的影响，不仅要考虑高风速情况下，桥梁发生颤振、静风失稳以及车辆行车安全事故；还应考虑低风速情况下，桥梁发生涡振，影响车辆运行平稳性。

目前，在桥梁栏杆处设置抑流板是控制低风速下桥梁涡振的有效方法。但在高风速段，桥梁不易产生涡振。抑流板不但不能起到很好的桥梁减振作用，甚至还会降低桥梁的静风稳定性。因此，传统的抑流板不能很好应对风速变化的情况。不仅是抑流板存在这样的矛盾，传统的风屏障在保证车辆安全行驶的问题上同样存在这样的矛盾。根据风屏障的结构形式和以往研究可知，风屏障的透风率和高度是影响挡风效果重要因素，风屏障透风率越小、高度越高，挡风效果越好，越有利于安全行车。但同时较小的透风率和较高的高度会使桥梁的截面形式发生改变，降低桥梁的颤振临界风速，对桥梁结构的颤振稳定性造成很大影响。不仅如此，风屏障自身的可靠度和挡风效果也有着十分密切的联系，挡风效果越好，可靠度越低。如果是跨海大桥，风屏障还会阻挡乘客的视野，影响乘客欣赏风景，降低桥梁的美观。反之，增加风屏障透风率，降低风屏障高度，可以降低桥梁的风致振动，提高桥梁和风屏障自身的安全性，开阔乘客视野，但又会降低车辆的行车安全。而且，如果桥梁长度过长，沿桥梁走向的风速会发生变化。但传统风屏障沿着桥梁统一设置，造成一些位置处的风屏障不能很好的应对该位置处风速，导致列车和桥梁所受风荷载发生突变，影响列车行驶和桥梁安全。

为解决上述问题，李珂等人提出基于可调姿态气动翼板的大跨度悬索桥颤振主动抑振方法，设计了可调姿态的抑流板，该设施可通过主动调节抑流板的角度来控制不同风速下桥梁颤振。但该设计仅考虑了桥梁的颤振稳定性，未对车辆的行车安全进行研究。龚尚国等人提出跨海大桥风屏障设计方法，仅从车辆行车安全一个角度出发，提出风速折减系数的概念，并用该系数进行风屏障高度和透风率的设计，但该方法未考虑风屏障自身和桥梁的安全稳定性；并且，该风屏障仍为传统静态、被动的抗风设施，不能应对复杂、变化的风场。李龙安等人提出全自动智能控制的桥梁风屏障，设计了透风率可调的风屏障设施，该设施在可根据风场变化调整风屏障透风率。但该方案不能对风屏障高度进行调整，风屏障姿态调整方式单一，不能很好的应对风速变化范围较广的情况。同时该方案仅考虑了高风速下车辆和桥梁的安全性，并未考虑风屏障自身的安全性以及低风速下的桥梁涡激振动。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种桥上智能可调风屏障系统及其控制方法，以解决现有风屏障系统不能同时满足车辆行车安全、桥梁安全稳定性、风屏障安全稳定性以及视野开阔等多个方面的要求。

本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种桥上智能可调风屏障系统，包括多个风屏障单元，每个所述风屏障单元包括基座、立柱、第一横梁、转动轴、第二横梁、挡风板、多个活动叶片、旋转机构、风速检测传感器、控制装置、第一驱动装置、第二驱动装置以及供电装置；

所述立柱的一端设于所述基座上，另一端与所述第一横梁连接，且第一横梁与基座平行；所述转动轴的一端与所述立柱转动连接，另一端与所述第二横梁连接，且第二横梁与第一横梁平行；所述挡风板设于所述转动轴上；在每个所述活动叶片的横向两端分别设有第一转轴和第二转轴，在所述立柱的侧面设有滑道，所述第一转轴可滑动地设于所述滑道内，所述第二转轴可转动地设于所述立柱的侧面或滑道内；每个所述活动叶片均与基座的长度方向平行；所述第一驱动装置的输出轴通过旋转机构与所述第一转轴连接；所述第二驱动装置的输出端与所述转动轴连接；

所述风速检测传感器、第一驱动装置的控制端、第二驱动装置的控制端分别与所述控制装置电性连接，所述供电装置分别与所述风速检测传感器的电源端、第一驱动装置的电源端、第二驱动装置的电源端以及控制装置的电源端电性连接。

本发明的桥上智能可调风屏障系统，根据风速检测传感器所检测到的风速控制挡风板的转动以及每个活动叶片的开合角度，实现对每个风屏障单元高度和透风率的控制，在不同的风速下动态调整每个风屏障单元，使其处于最佳姿态，能够满足车辆行车安全、桥梁安全稳定性、风屏障安全稳定性以及视野开阔等多个方面的要求。

进一步地，每个所述活动叶片均包括可动叶片和固定叶片，所述可动叶片与固定叶片之间通过铰接轴连接，在所述可动叶片沿着铰接轴长度方向的一端设有第一转轴，在所述固定叶片沿着铰接轴长度方向的一端设有第二转轴，所述第一转轴和第二转轴均平行于所述铰接轴，且远离铰接轴设置。

固定叶片通过第二转轴设于立柱侧面或滑道内，可动叶片通过第一转轴设于立柱侧面的滑道内，在第一驱动装置驱动下，第一转轴沿滑道滑动，控制可动叶片与固定叶片之间的开合角度，从而控制风屏障单元的透风率，当可动叶片与固定叶片之间开合角度达到180°时，风屏障的透风率最小，当可动叶片与固定叶片之间开合角度达到0°时，风屏障的透风率最大，实现了通过风速对透风率的控制。

进一步地，所述旋转机构包括滑杆、主链轮、从链轮以及链条；所述主链轮、从链轮可转动地设于所述立柱侧面，所述链条绕装在主链轮、从链轮上；所述滑杆与链条、每个活动叶片的第一转轴连接；所述主链轮的转轴与所述第一驱动装置的输出轴连接。

所有活动叶片的第一转轴均与滑杆连接，在第一驱动装置的作用下，主链轮转动，通过链条带动从链轮转动，滑杆在链条的带动下运动，从而带动与滑杆连接的第一转轴沿滑道上下移动，实现对活动叶片的开合角度控制。

进一步地，所述供电装置包括摩擦式纳米发电机、蓄电池、应急电源以及电源转换模块；所述摩擦式纳米发电机、应急电源分别与蓄电池电性连接，所述电源转换模块的输入端分别与蓄电池、应急电源电性连接，所述电源转换模块的输出端分别与所述风速检测传感器的电源端、第一驱动装置的电源端、第二驱动装置的电源端以及控制装置的电源端电性连接。

风屏障单元由摩擦式纳米发电机来供电，在无外部电源供电时也能够对风屏障单元进行高度和透风率的控制。

优选的，所述摩擦式纳米发电机镶嵌于所述活动叶片上，所述蓄电池设于所述基座上。摩擦式纳米发电机设在活动叶片上，风力较大，发电效率高。

进一步地，在所述风屏障单元的内侧和外侧分别设有多个风速检测传感器，且设于风屏障单元外侧的风速检测传感器远离风屏障单元。

内侧风速检测传感器用于检验风屏障单元的挡风效果，外侧风速检测传感器用于检测桥上的实时风速，外侧风速检测传感器远离风屏障单元，保证了所测风速不受风屏障单元的影响。

进一步地，在所述基座与第一横梁之间沿竖直方向每隔0.5m设置一根钢丝，防止活动叶片损坏时被风带至车道处，影响行车安全，造成安全事故。

本发明还提供一种桥上智能可调风屏障系统的控制方法，包括：

步骤1：检测桥上的实时风速；

步骤2：控制装置根据所述实时风速和不同风速所对应的最佳姿态生成控制指令，并将所述控制指令发送给第一驱动装置、第二驱动装置；

步骤3：所述第一驱动装置根据所述控制指令控制活动叶片的开合角度，调整风屏障系统的透风率，所述第二驱动装置根据所述控制指令控制挡风板的转动，调整风屏障系统的高度，使风屏障系统达到最佳姿态。

本发明的控制方法，在不同风速下调整风屏障系统的姿态（即风屏障高度和透风率），使风屏障系统以最佳姿态来兼顾行车安全、桥梁安全、风屏障系统安全以及视野开阔的要求；不同风速对应风屏障系统不同的最佳姿态，整个风屏障系统又是由多个风屏障单元组成，如果桥梁长度过长，沿桥梁走向的风速也会不同，在同一时间下不同位置的风屏障单元可能对应不同风速，因此，即使在同一时间下，不同位置的风屏障单元也可能有不同的最佳姿态，整个风屏障系统根据风速分段动态调整其姿态，使系统达到最佳姿态，能够同时满足行车安全、桥梁安全、风屏障系统安全以及视野开阔等要求，中间过程无需人工干预，实现了自动智能化调整，且调整精度高。

进一步地，所述步骤2中，不同风速所对应的最佳姿态的调整过程为：

当实时风速≤第一设定风速时，控制活动叶片完全闭合，使风屏障系统的透风率最大，并判断所述实时风速是否在涡振风速区间，如果是，则控制挡风板外翻，使挡风板作为抑流板；否则挡风板位于水平位置，使风屏障系统的高度最小；

当第一设定风速＜实时风速≤第二设定风速时，控制挡风板位于水平位置，活动叶片完全闭合，再调整活动叶片的开合角度，即调整风屏障系统的透风率以满足行车安全要求；

当第二设定风速＜实时风速时，控制挡风板位于竖直位置，活动叶片完全打开，再调整挡风板的位置，即调整风屏障系统的高度以满足行车安全、桥梁安全、风屏障系统安全以及视野开阔的要求。

在低风速段，认为行车安全，仅对桥梁涡振进行控制，在涡振风速区间时，将挡风板作为抑流板使用，达到抑制涡振的目的；在中风速段，认为风屏障系统和桥梁满足安全要求，仅对车辆行车安全进行判断，并通过调整透风率来达到行车安全的目的；在高风速段，则通过调整高度来达到行车安全、桥梁安全、风屏障系统安全以及视野开阔等要求；由此可得，不同风速下风屏障系统的最佳姿态，将最佳姿态参数储存在控制装置内，以便根据风速将风屏障系统调整至最佳姿态。

进一步地，当第一设定风速＜实时风速≤第二设定风速时，设设定风速V₁的初始值为第二设定风速，透风率D的初始值为最大透风率，透风率的调整过程为：

步骤2.11 判断车辆行车是否安全，如果否，则增大活动叶片的开合角度，使D=D－ΔD，其中ΔD为透风率的调整量；否则转入步骤2.12；

步骤2.12记录该设定风速V₁下活动叶片的开合角度，判断设定风速V₁是否小于第一设定风速，如果否，则V₁=V₁－ΔV₁，设透风率D为最大透风率，并转入步骤2.11，其中ΔV₁为设定风速V₁的调整量；否则转入步骤2.13；

步骤2.13 将不同设定风速V₁对应的活动叶片的开合角度或透风率储存在控制装置内，即获得第一设定风速至第二设定风速段内不同风速下风屏障单元的最佳透风率。

对于第一设定风速至第二设定风速段（中风速段），在每个设定风速下调整透风率，得到该设定风速下行车安全的最大透风率，即得到该风速段内每个风速下的最佳透风率，将其存储在控制装置内，根据实时风速和不同设定风速对应的最佳透风率来调整活动叶片的开合角度，使风屏障系统在整个中风速段都保持最佳姿态，满足行车安全要求。

进一步地，当第二设定风速＜实时风速时，设设定风速V₂的初始值为第二设定风速，高度H的初始值为最大高度，即挡风板位于竖直位置，风屏障系统的高度的调整过程为：

步骤2.21 判断桥梁和风屏障系统是否安全，如果否，则调整挡风板，使H=H－ΔH，其中ΔH为风屏障系统高度的调整量；否则转入步骤2.22；

步骤2.22 判断车辆行车是否安全，如果是，则考虑视野要求调整挡风板，使H=H－ΔH；否则转入步骤2.23；

步骤2.23 判断是否为该设定风速下第一次进行车辆行车安全判断，如果是，则封闭交通，在大于或等于该设定风速时，控制挡风板位于水平位置，活动叶片完全闭合；否则转入步骤3.24；

步骤2.24 记录该设定风速V₂下车辆行车不安全时的上一个高度，判断设定风速V₂是否大于第三设定风速，第三设定风速＞第二设定风速，如果否，则V₂=V₂+ΔV₂，设高度H为最大高度，并转入步骤2.21，其中ΔV₂为设定风速V₂的调整量，否则转入步骤2.25；

步骤2.25将不同设定风速V₂对应的风屏障系统高度储存在控制装置内，即获得第二设定风速至第三设定风速段内不同风速下风屏障单元的最佳高度。

对于第二设定风速至第三设定风速段，在每个设定风速下调整风屏障高度，得到该设定风速下视野开阔、桥梁安全、风屏障安全以及行车安全的最大高度，即得到该风速段内每个风速下的最佳高度，将其存储在控制装置内，根据实时风速和不同设定风速对应的最佳高度来调整挡风板的位置，使风屏障系统在整个高风速段都保持最佳姿态，满足视野开阔、桥梁安全、风屏障安全以及行车安全要求。

有益效果

与现有技术相比，本发明所提供的一种桥上智能可调风屏障系统及其控制方法，根据风速检测传感器所检测到的实时风速控制挡风板的转动以及每个活动叶片的开合角度，实现对每个风屏障单元高度和透风率的控制，在不同的风速下动态调整每个风屏障单元，使其处于最佳姿态，能够满足车辆行车安全、桥梁安全稳定性、风屏障安全稳定性以及视野开阔等多个方面的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中桥上智能可调风屏障系统的布置图；

图2是本发明实施例中桥上智能可调风屏障系统的控制原理图；

图3是本发明实施例中桥上智能可调风屏障系统的三维图；

图4是本发明实施例中桥上智能可调风屏障系统的三维装配图；

图5是本发明实施例中桥上智能可调风屏障系统的侧面图；

图6是本发明实施例中活动叶片放大图（图5虚线框的放大图）；

图7是本发明实施例中桥上智能可调风屏障系统的控制流程图；

图8是本发明实施例中在低风速段桥上智能可调风屏障系统的状态图，图中挡风板外翻，活动叶片完全闭合；

图9是本发明实施例中在中风速段桥上智能可调风屏障系统的状态图，图中挡风板水平，活动叶片完全打开；

图10是本发明实施例中在高风速段桥上智能可调风屏障系统的状态图，图中挡风板竖直，活动叶片完全打开；

图11是本发明实施例中四塔斜拉桥的截面结构示意图；

其中，1-基座，2-立柱，3-第一横梁，4-转动轴，5-第二横梁，6-挡风板，7-活动叶片，701-可动叶片，702-固定叶片，703-第一转轴，704-第二转轴，8-旋转机构，801-主链轮，802-从链轮，803-链条，804-滑杆，9-滑道，10-外侧风速检测传感器，11-内侧风速检测传感器，12-蓄电池，13-路灯灯柱，14-接触网立柱，15-风屏障单元。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-5所示，本发明所提供的一种桥上智能可调风屏障系统，包括多个风屏障单元15，每个风屏障单元15包括基座1、立柱2、第一横梁3、转动轴4、第二横梁5、挡风板6、多个活动叶片7、旋转机构8、风速检测传感器、控制装置、第一驱动装置、第二驱动装置以及供电装置；立柱2的一端设于基座1上，另一端与第一横梁3连接，且第一横梁3与基座1平行；转动轴4的一端与立柱2转动连接，另一端与第二横梁5连接，且第二横梁5与第一横梁3平行；挡风板6设于转动轴4上；在每个活动叶片7的横向两端分别设有第一转轴703和第二转轴704，在立柱2的侧面设有滑道9，第一转轴703可滑动地设于滑道9内，第二转轴704可转动地设于立柱2的侧面或滑道9内；每个活动叶片7均与基座1的长度方向平行；第一驱动装置的输出轴通过旋转机构8与第一转轴703连接；第二驱动装置的输出端与转动轴4连接；风速检测传感器、第一驱动装置的控制端、第二驱动装置的控制端分别与控制装置电性连接，供电装置分别与风速检测传感器的电源端、第一驱动装置的电源端、第二驱动装置的电源端以及控制装置的电源端电性连接。

如图1所示，将多个风屏障单元15沿桥梁长度方向在车道两侧呈一字排开布置，每个风屏障单元15对应有多个风速检测传感器，风速检测传感器可以根据需求选择对应型号的风速仪，在设于风屏障单元15的内侧和外侧分别设有多个风速检测传感器，且设于风屏障单元15外侧的风速检测传感器远离风屏障单元15，保证了所测风速不受风屏障单元15的影响。内侧风速检测传感器11用于检验风屏障单元15的挡风效果，外侧风速检测传感器10用于检测桥上的实时风速，内侧风速检测传感器11、外侧风速检测传感器10可分别设于接触网立柱14、路灯灯柱13上（在接触网立柱14上设有一排内侧风速检测传感器11，在路灯灯柱13上设有一排外侧风速检测传感器10），并将外侧风速检测传感器10、内侧风速检测传感器11所用数据线分别同路灯灯柱13、接触网立柱14内电线一同布置并与控制装置连接。

供电装置包括摩擦式纳米发电机、蓄电池12、应急电源以及电源转换模块；摩擦式纳米发电机通过整流器与蓄电池12电性连接，应急电源与蓄电池12电性连接，电源转换模块的输入端分别与蓄电池12、应急电源电性连接，电源转换模块的输出端分别与风速检测传感器的电源端、第一驱动装置的电源端、第二驱动装置的电源端以及控制装置的电源端电性连接。摩擦式纳米发电机由多个发电单元构成，每个发电单元由铜电极和全氟乙丙烯膜组成，全氟乙丙烯膜随风颤动与铜电极发生摩擦产生电流并储存于蓄电池12内，且摩擦式纳米发电机镶嵌于活动叶片7上，风力较大，发电效率高，蓄电池12设于基座1上。每个风屏障单元15均由摩擦式纳米发电机来供电，在无外部电源供电时也能够对风屏障单元15进行高度和透风率的控制。

第二驱动装置为两个驱动电机，均设于第一横梁3内，第一横梁3为中空结构，第二驱动装置的输出轴与转动轴4连接，通过控制驱动电机的转动来控制转动轴4的转动，从而调整挡风板6的位置，从而调整风屏障单元15的高度。

如图3-5所示，旋转机构8包括滑杆804、主链轮801、从链轮802以及链条803；主链轮801、从链轮802转动设于立柱2侧面，链条803绕装在主链轮801、从链轮802上；滑杆804与链条803、每个活动叶片7的第一转轴703连接；主链轮801的转轴与第一驱动装置的输出轴连接。所有活动叶片7的第一转轴703均与滑杆804连接，在第一驱动装置的作用下，主链轮801转动，通过链条803带动从链轮802转动，滑杆804在链条803的带动下运动，从而带动与滑杆804连接的第一转轴703沿滑道9上下移动，实现对活动叶片7的开合角度控制，第一驱动装置可以为驱动电机。

如图6所示，每个活动叶片7均包括可动叶片701和固定叶片702，可动叶片701与固定叶片702之间通过合页铰接，在可动叶片701沿着铰接轴长度方向的一端设有第一转轴703，在固定叶片702沿着铰接轴长度方向的一端设有第二转轴704，第一转轴703和第二转轴704均平行于铰接轴，且远离铰接轴设置。固定叶片702通过第二转轴704设于立柱2侧面（每个活动叶片7对应一个滑道9时）和/或滑道9内（仅一个滑道9时），当每个活动叶片7对应一个滑道9时，每个滑道9的长度与活动叶片7完全打开的长度适应，第二转轴704可以设于对应的滑道9内或立柱2侧面；当一个风屏障单元15的所有活动叶片7共用一个滑道9时，滑道9的长度与所有活动叶片7完全打开的长度之和适应，第二转轴704设于滑道9内。可动叶片701通过第一转轴703设于立柱2侧面的滑道9内，由于第一转轴703与滑杆804连接，因此，在第一驱动装置驱动下，第一转轴703沿滑道9滑动，控制可动叶片701与固定叶片702之间的开合角度，从而控制风屏障单元15的透风率，当可动叶片701与固定叶片702之间开合角度达到180°时（完全打开），风屏障的透风率最小，为5%，当可动叶片701与固定叶片702之间开合角度达到0°时（完全闭合），风屏障的透风率最大，为95%，实现了通过风速对透风率的控制。考虑到不可能完全透风或完全不透风的情况，最小透风率为5%，最大透风率为95%，不可能为0或100%。透风率可以通过在活动叶片7的内外侧设置风速传感器来计算，外侧风速传感器检测的风速与内侧风速传感器检测的风速之差，再与外侧风速传感器检测的风速之比即为透风率。为了便于安装和控制，旋转机构8、滑道9、第一转轴703和第二转轴704位于立柱2的同一侧。

为了使风屏障单元15便于安装、不易损坏并且提高其实用性，除活动叶片7外，整个风屏障单元15的各部件（包括滑道9、滑杆804、主链轮801、从链轮802、链条803、第一转轴703和第二转轴704等）均封装在立柱2中。活动叶片7为易损部件，需将其设置为易安装、可拆卸的构造，在发生损坏时可直接替换。在基座1与第一横梁3之间沿竖直方向每隔0.5m设置一根钢丝，防止活动叶片7损坏时被风带至车道处，影响行车安全，造成安全事故。

本发明提供一种桥上智能可调风屏障系统的控制方法，应用于如上实施例所述的桥上智能可调风屏障系统，包括：

1、检测桥上的实时风速。

采用每个风屏障单元15的外侧风速检测传感器来检测桥上的实时风速。

2、控制装置根据实时风速和不同风速所对应的最佳姿态生成控制指令，并将控制指令发送给第一驱动装置、第二驱动装置。

比对实时风速与设定风速，当实时风速与设定风速一致时，该设定风速所对应的最佳姿态即为风屏障单元15的目标姿态，控制装置生成控制指令控制第一驱动装置和第二驱动装置动作，从而调整挡风板6的位置和活动叶片7的开合角度，使风屏障单元15达到目标姿态，满足行车安全、桥梁安全、风屏障系统安全以及视野开阔的要求。

如图7所示，不同风速所对应的最佳姿态的调整过程为：

（1）当实时风速≤第一设定风速（即低风速段）时，控制活动叶片7完全闭合，使风屏障系统的透风率最大，并判断实时风速是否在涡振风速区间，如果是，则控制挡风板6外翻（如图8所示），使挡风板6作为抑流板；否则挡风板6位于水平位置（如图9所示），使风屏障系统的高度最小。

在低风速段，认为行车安全（风速越低行车越安全）、桥梁安全以及风屏障安全，仅对桥梁涡振进行控制，在涡振风速区间时，将挡风板6作为抑流板使用，达到抑制涡振的目的。涡振风速区间可以通过桥梁节段模型风洞测振试验来获取，为现有技术，可参考李明,孙延国,李明水,周强.非对称П型梁和流线型箱梁气动性能风洞试验研究[J].振动与冲击,2019,38(08):54-60.。在低风速段，风屏障系统的最佳姿态为：a.不在涡振风速区间，挡风板6位于水平位置，使风屏障系统的高度最小，活动叶片7完全闭合，使风屏障系统的透风率最大（视野开阔）；b.在涡振风速区间，挡风板6外翻（本实施例中，最佳外翻角度为挡风板6与竖直线之间的夹角为60°），使挡风板6作为抑流板，活动叶片7完全闭合，使风屏障系统的透风率最大。

（2）当第一设定风速＜实时风速≤第二设定风速时，控制挡风板6位于水平位置，活动叶片7完全闭合（即透风率D的初始值为最大透风率95%），再调整活动叶片7的开合角度，即调整风屏障系统的透风率以满足行车安全要求，如图9所示。设设定风速V₁的初始值为第二设定风速，透风率的调整过程为：

步骤2.11 判断车辆行车是否安全，如果否，则增大活动叶片7的开合角度，使D=D－ΔD，其中ΔD为透风率的调整量，本实施例中，ΔD为15%；否则转入步骤2.12。D=D－ΔD为循环执行过程，当进行一次调整时，将调整前的透风率D减去调整量ΔD再赋给D，此时D为该次调整后的透风率，在下一次调整时，D又为调整前的透风率，依次循环，直到满足条件。

步骤2.12记录该设定风速V₁下活动叶片7的开合角度（即该风速下的最佳透风率），判断设定风速V₁是否小于第一设定风速（如果小于第一设定风速，则为低风速段，无需调整透风率），如果否，则V₁=V₁－ΔV₁，本实施例中ΔV₁为2m/s，设透风率D为最大透风率（保证每个设定风速均从最大透风率开始调整），并转入步骤2.11，其中ΔV₁为设定风速V₁的调整量，本实施例中，ΔV₁为2m/s；否则转入步骤2.13。

步骤2.13 将不同设定风速V₁对应的活动叶片7的开合角度或透风率储存在控制装置内，即获得第一设定风速至第二设定风速段内不同风速下风屏障单元15的最佳透风率。

对于第一设定风速至第二设定风速段（中风速段），在每个设定风速下调整透风率（从最大透风率（活动叶片7完全闭合）逐步减小），得到该设定风速下行车安全的最大透风率，即得到该风速段内每个风速下的最佳透风率，将其存储在控制装置内，根据实时风速和不同设定风速对应的最佳透风率来调整活动叶片7的开合角度，使风屏障系统在整个中风速段都保持最佳姿态，满足行车安全要求。

行车安全判断过程为：通过桥梁节段模型风洞测振试验测得车桥系统的气动力参数（参考文献：李永乐,胡朋,张明金,强士中.风—车—桥系统车辆风荷载突变效应风洞试验研究[J].空气动力学学报,2011,29(05):548-554+566.）；根据气动力参数，利用风-车-轨-桥耦合振动计算程序计算车辆的振动响应；最后，根据《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》中的评价指标确定列车运行安全性。行车安全判断为现有技术。

（3）当第二设定风速＜实时风速时，控制挡风板6位于竖直位置（即高度H的初始值为最大高度），活动叶片7完全打开，再调整挡风板6的位置，即调整风屏障系统的高度以满足行车安全、桥梁安全、风屏障系统安全以及视野开阔的要求，如图10所示。设设定风速V₂的初始值为第二设定风速，风屏障系统的高度的调整过程为：

步骤2.21 判断桥梁和风屏障系统是否安全，如果否，则调整挡风板6，使H=H－ΔH，其中ΔH为风屏障系统高度的调整量，本实施例中ΔH为25cm，获得桥梁和风屏障同时安全的最大高度；否则转入步骤2.22。

步骤2.22 判断车辆行车是否安全，如果是，则考虑视野要求调整挡风板6，使H=H－ΔH，在保证行车安全的情况下降低风屏障单元15的高度，以获得满足行车安全和视野开阔要求的最佳高度；否则转入步骤2.23。

步骤2.23 判断是否为该设定风速下第一次进行车辆行车安全判断，如果是，则封闭交通，在大于或等于该设定风速时，控制挡风板6位于水平位置，活动叶片7完全闭合；否则转入步骤3.24。

通过步骤2.21获得桥梁和风屏障同时安全的最大高度时，再进行行车安全判断，如果第一次进行行车安全判断的结果就是不安全，那么说明该设定风速下没有同时满足桥梁安全、风屏障安全以及行车安全的最佳高度，此时为了避免安全事故，应封闭交通，再控制挡风板6位于水平位置，使风屏障高度最小，控制活动叶片7完全闭合，使透风率最大，大于等于该设定风速均按照此姿态来调整风屏障单元15。

步骤2.24 记录该设定风速V₂下车辆行车不安全时的上一个高度（即满足视野开阔和行车安全的最大高度），即得到满足视野开阔、桥梁安全、风屏障安全以及行车安全的最佳高度，判断设定风速V₂是否大于第三设定风速，第三设定风速＞第二设定风速，如果否，则V₂=V₂+ΔV₂，本实施例中ΔV₂为2m/s，设高度H为最大高度（保证每个设定风速均从最大高度开始调整），并转入步骤2.21，其中ΔV₂为设定风速V₂的调整量，否则转入步骤2.25。

步骤2.25将不同设定风速V₂对应的风屏障系统高度储存在控制装置内，即获得第二设定风速至第三设定风速段内不同风速下风屏障单元15的最佳高度。

对于第二设定风速至第三设定风速段（高风速段），在每个设定风速下调整风屏障高度（从最大高度（挡风板6位于竖直位置）逐步减小），得到该设定风速下视野开阔、桥梁安全、风屏障安全以及行车安全的最大高度，即得到该风速段内每个风速下的最佳高度，将其存储在控制装置内，根据实时风速和不同设定风速对应的最佳高度来调整挡风板6的位置，使风屏障系统在整个高风速段都保持最佳姿态，满足视野开阔、桥梁安全、风屏障安全以及行车安全要求。

桥梁安全性判断为现有技术，参考文献：李明,孙延国,李明水,周强.非对称П型梁和流线型箱梁气动性能风洞试验研究[J].振动与冲击,2019,38(08):54-60.，具体为：对桥梁进行节段模型风洞测振试验，根据《公路桥梁抗风设计规范》中的评价指标确定桥梁结构安全性。

风屏障安全性判断为现有技术，参考文献：马雨聪. 铁路桥梁风屏障可靠度研究[D].大连海事大学,2018.，具体为：首先，通过CFD数值模拟对风屏障气动参数进行模拟计算，在此基础上，利用ANSYS对风屏障进行动力响应计算，最后根据《钢结构设计规范》中的评价指标确定的风屏障安全性。

第一设定风速、第二设定风速以及第三设定风速均是通过实验得到的，本实施中，第一设定风速、第二设定风速以及第三设定风速分别为14m/s、22m/s、36m/s。

3、第一驱动装置根据控制指令控制活动叶片7的开合角度，调整风屏障系统的透风率，第二驱动装置根据控制指令控制挡风板6的转动，调整风屏障系统的高度，使风屏障系统达到最佳姿态，以满足行车安全、桥梁安全、风屏障系统安全以及视野开阔的要求。

本发明的控制方法，在不同风速下调整风屏障系统的姿态（即风屏障高度和透风率），使风屏障系统以最佳姿态来兼顾行车安全、桥梁安全、风屏障系统安全以及视野开阔的要求；不同风速对应风屏障系统不同的最佳姿态，整个风屏障系统又是由多个风屏障单元15组成，在自然风速相同的条件下，不同位置的风屏障单元15可能对应不同风速（中间风屏障单元15风速相对较大，两侧风屏障单元15风速相对较小），因此，即使在同一自然风速下，不同位置的风屏障单元15也可能有不同的最佳姿态，整个风屏障系统根据风速分段动态调整其姿态，使系统达到最佳姿态，能够同时满足行车安全、桥梁安全、风屏障系统安全以及视野开阔等要求，中间过程无需人工干预，实现了自动智能化调整，且调整精度高。

如图11所示，以四塔斜拉桥为例进行本发明桥上智能可调风屏障系统的控制方法的说明。在中高风速段共设计表1所示的11种风屏障姿态，通过试验和数值模拟相结合的方法得到满足列车、桥梁和风屏障安全性要求的不同风速下风屏障系统的最佳姿态。该步骤工作量很大，采用表2和表3所设计的测试顺序进行试验，能大幅度减少工作量。

表 风屏障姿态

在中风速段（14~22m/s）认为风屏障和桥梁均能满足安全要求，仅对列车行车安全性进行试验。表2中C表示对列车进行试验，确定列车的安全性。数字表示测试顺序，由左下角向右上角进行试验，确定列车的安全性。当在某个斜线上（如表2的C_7~C_10），列车安全性均满足要求时停止试验，认为该斜线右上边的工况均能满足列车安全性要求。

表2 中风速段测试顺序

在高风速段（22~36m/s），对列车、桥梁和风屏障自身的安全性进行测试。具体测试顺序如表3所示，表3中C、Q和F分别表示对列车、桥梁和风屏障进行试验。对于列车由左下角向右上角进行试验，对于桥梁和风屏障由右下角向左上角进行试验，同样的在某个斜线上安全性均满足要求时停止试验。

表3 高风速段测试顺序

通过以上实验得到四塔斜拉桥各风速下最佳风屏障姿态参数如表4所示。

表4 四塔斜拉桥各风速下最佳风屏障姿态参数

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种桥上智能可调风屏障系统，包括多个风屏障单元，其特征在于：每个所述风屏障单元包括基座、立柱、第一横梁、转动轴、第二横梁、挡风板、多个活动叶片、旋转机构、风速检测传感器、控制装置、第一驱动装置、第二驱动装置以及供电装置；

所述立柱的一端设于所述基座上，另一端与所述第一横梁连接，且第一横梁与基座平行；所述转动轴的一端与所述立柱转动连接，另一端与所述第二横梁连接，且第二横梁与第一横梁平行；所述挡风板设于所述转动轴上；在每个所述活动叶片的横向两端分别设有第一转轴和第二转轴，在所述立柱的侧面设有滑道，所述第一转轴可滑动地设于所述滑道内，所述第二转轴可转动地设于所述立柱的侧面或滑道内；每个所述活动叶片均与基座的长度方向平行；所述第一驱动装置的输出轴通过旋转机构与所述第一转轴连接；所述第二驱动装置的输出端与所述转动轴连接；

所述风速检测传感器、第一驱动装置的控制端、第二驱动装置的控制端分别与所述控制装置电性连接，所述供电装置分别与所述风速检测传感器的电源端、第一驱动装置的电源端、第二驱动装置的电源端以及控制装置的电源端电性连接；

其中，每个所述活动叶片均包括可动叶片和固定叶片，所述可动叶片与固定叶片之间通过铰接轴连接，在所述可动叶片沿着铰接轴长度方向的一端设有第一转轴，在所述固定叶片沿着铰接轴长度方向的一端设有第二转轴，所述第一转轴和第二转轴均平行于所述铰接轴，且远离铰接轴设置。

2.如权利要求1所述的一种桥上智能可调风屏障系统，其特征在于：所述旋转机构包括滑杆、主链轮、从链轮以及链条；所述主链轮、从链轮可转动地设于所述立柱侧面，所述链条绕装在主链轮、从链轮上；所述滑杆与链条、每个活动叶片的第一转轴连接；所述主链轮的转轴与所述第一驱动装置的输出轴连接。

3.如权利要求1所述的一种桥上智能可调风屏障系统，其特征在于：所述供电装置包括摩擦式纳米发电机、蓄电池、应急电源以及电源转换模块；所述摩擦式纳米发电机、应急电源分别与蓄电池电性连接，所述电源转换模块的输入端分别与蓄电池、应急电源电性连接，所述电源转换模块的输出端分别与所述风速检测传感器的电源端、第一驱动装置的电源端、第二驱动装置的电源端以及控制装置的电源端电性连接。

4.如权利要求3所述的一种桥上智能可调风屏障系统，其特征在于：所述摩擦式纳米发电机镶嵌于所述活动叶片上，所述蓄电池设于所述基座上。

5.如权利要求1所述的一种桥上智能可调风屏障系统，其特征在于：在所述风屏障单元的内侧和外侧分别设有多个风速检测传感器，且设于风屏障单元外侧的风速检测传感器远离风屏障单元。

6.如权利要求1-5中任一项所述的一种桥上智能可调风屏障系统，其特征在于：在所述基座与第一横梁之间沿竖直方向每隔0.5m设置一根钢丝。

7.一种如权利要求1-6中任一项所述桥上智能可调风屏障系统的控制方法，其特征在于，包括：

步骤1：检测桥上的实时风速；

步骤2：控制装置根据所述实时风速和不同风速所对应的最佳姿态生成控制指令，并将所述控制指令发送给第一驱动装置、第二驱动装置；

步骤3：所述第一驱动装置根据所述控制指令控制活动叶片的开合角度，调整风屏障系统的透风率，所述第二驱动装置根据所述控制指令控制挡风板的转动，调整风屏障系统的高度，使风屏障系统达到最佳姿态。

8.如权利要求7所述的桥上智能可调风屏障系统的控制方法，其特征在于：所述步骤2中，不同风速所对应的最佳姿态的调整过程为：

当实时风速≤第一设定风速时，控制活动叶片完全闭合，使风屏障系统的透风率最大，并判断所述实时风速是否在涡振风速区间，如果是，则控制挡风板外翻，使挡风板作为抑流板；否则挡风板位于水平位置，使风屏障系统的高度最小；

当第一设定风速＜实时风速≤第二设定风速时，控制挡风板位于水平位置，活动叶片完全闭合，再调整活动叶片的开合角度，即调整风屏障系统的透风率以满足行车安全要求；

当第二设定风速＜实时风速时，控制挡风板位于竖直位置，活动叶片完全打开，再调整挡风板的位置，即调整风屏障系统的高度以满足行车安全、桥梁安全、风屏障系统安全以及视野开阔的要求。

9.如权利要求8所述的桥上智能可调风屏障系统的控制方法，其特征在于：当第一设定风速＜实时风速≤第二设定风速时，设设定风速V₁的初始值为第二设定风速，透风率D的初始值为最大透风率，透风率的调整过程为：

步骤2.11判断车辆行车是否安全，如果否，则增大活动叶片的开合角度，使D＝D－ΔD，其中ΔD为透风率的调整量；否则转入步骤2.12；

步骤2.12记录该设定风速V₁下活动叶片的开合角度，判断设定风速V₁是否小于第一设定风速，如果否，则V₁＝V₁－ΔV₁，设透风率D为最大透风率，并转入步骤2.11，其中ΔV₁为设定风速V₁的调整量；否则转入步骤2.13；

步骤2.13将不同设定风速V₁对应的活动叶片的开合角度或透风率储存在控制装置内，即获得第一设定风速至第二设定风速段内不同风速下风屏障单元的最佳透风率。

10.如权利要求8所述的桥上智能可调风屏障系统的控制方法，其特征在于：当第二设定风速＜实时风速时，设设定风速V₂的初始值为第二设定风速，高度H的初始值为最大高度，即挡风板位于竖直位置，风屏障系统的高度的调整过程为：

步骤2.21判断桥梁和风屏障系统是否安全，如果否，则调整挡风板，使H＝H－ΔH，其中ΔH为风屏障系统高度的调整量；否则转入步骤2.22；

步骤2.22判断车辆行车是否安全，如果是，则考虑视野、桥梁安全以及风屏障安全调整挡风板，使H＝H－ΔH；否则转入步骤2.23；

步骤2.23判断是否为该设定风速下第一次进行车辆行车安全判断，如果是，则封闭交通，在大于或等于该设定风速时，控制挡风板位于水平位置，活动叶片完全闭合；否则转入步骤3.24；

步骤2.24记录该设定风速V₂下车辆行车不安全时的上一个高度，判断设定风速V₂是否大于第三设定风速，第三设定风速＞第二设定风速，如果否，则V₂＝V₂+ΔV₂，设高度H为最大高度，并转入步骤2.21，其中ΔV₂为设定风速V₂的调整量，否则转入步骤2.25；

步骤2.25将不同设定风速V₂对应的风屏障系统高度储存在控制装置内，即获得第二设定风速至第三设定风速段内不同风速下风屏障单元的最佳高度。