累積絕對速度CAV和峰值加速度PGA聯(lián)合報警在高鐵地震監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用*

黃 俊，姚運生，陳志高，楊 江

（中國地震局地震研究所地震預(yù)警湖北省重點實驗室，湖北武漢430071）

累積絕對速度CAV和峰值加速度PGA聯(lián)合報警在高鐵地震監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用*

黃 俊，姚運生，陳志高，楊 江

（中國地震局地震研究所地震預(yù)警湖北省重點實驗室，湖北武漢430071）

美國電力研究所EPRI在1991年通過研究認為累積絕對速度CAV對低頻震動敏感而對高頻震動不敏感，能很好避免沒有破壞性的高頻小震報警。簡要介紹CAV的概念和標(biāo)準(zhǔn)化算法，并以汶川地震及部分余震數(shù)據(jù)為例，分析高鐵采用CAV參數(shù)報警的可行性，結(jié)果表明高鐵地震監(jiān)測預(yù)警中CAV參數(shù)可能會對破壞性小的遠震大震報警，但CAV參數(shù)和峰值加速度PGA參數(shù)聯(lián)合報警能有效地排除近震小震和遠震大震對高鐵地震報警的干擾。

高鐵地震監(jiān)測預(yù)警；報警參數(shù)；標(biāo)準(zhǔn)化CAV算法；峰值加速度

地震預(yù)警系統(tǒng)能在地震動強度達到或超過預(yù)警水平時，在一定的范圍內(nèi)采取適當(dāng)?shù)姆绞较蛘谶\行的列車發(fā)出地震警報，使之在破壞性地震波到達之前采取緊急處置手段［1］。目前我國高鐵地震監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)通常將是峰值加速度PGA作為控車與否的參數(shù)［2－3］，但峰值加速度只代表地震動的大小，并不能反映地震的持續(xù)破壞能力，可能會對較大的干擾或峰值大破壞小的高頻小震報警。為避免這種干擾的發(fā)生，美國電力研究所EPRI在核電地震監(jiān)測報警設(shè)計中認為當(dāng)反應(yīng)譜參數(shù)和CAV閾值同時超出規(guī)定的限值，即認為超出運行基準(zhǔn)地震（OBE），發(fā)出報警［4］。我國三代核電站的地震監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)也考慮采用此種報警方式。由于反應(yīng)譜一般是在地震動結(jié)束之后計算的，考慮高鐵地震報警的實時性，本文只研究CAV作為報警參數(shù)的情況。

1 CAV的概念及標(biāo)準(zhǔn)化CAV算法

CAV的概念由美國電力設(shè)計院EPRI在1988年提出。CAV最初被定義為加速度絕對值對時間歷程的積分。但由于此算法的CAV值過于依賴時間歷程，因此EPRI在1991年提出了標(biāo)準(zhǔn)化的CAV算法［5］。標(biāo)準(zhǔn)化的CAV算法如下：

式中：a（t）為1 s間隔內(nèi)的加速度，其中至少有一個值超過0.025 g；i取1，2，…，n，n表示以s為單位的記錄長度。EPRI通過處理地震數(shù)據(jù)，確定CAV潛在破壞閾值為0.16（g－sec），對應(yīng)的修正的麥加利地震烈度（MMI）為Ⅶ度。使用標(biāo)準(zhǔn)的CAV算法計算2008年5月12日汶川5.8級余震理縣木卡臺東西向記錄的地震時程，結(jié)果如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)CAV算法算例

2 我國高鐵地震監(jiān)測預(yù)警原理

目前我國已經(jīng)建設(shè)的京津、京滬地震監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，其原理都是在高鐵沿線地震基本烈度在Ⅶ度及以上的區(qū)段以20～30 km左右的間隔布設(shè)地震監(jiān)測預(yù)警臺，當(dāng)沿線地震監(jiān)測預(yù)警臺站中相鄰的三個地震監(jiān)測預(yù)警臺中有兩個臺檢測到的地震加速度值超過0.04 g時即發(fā)出地震報警停車，原理示意圖如圖2所示。這種報警方式優(yōu)點是易于操作且?guī)缀醪粫霈F(xiàn)誤報，即使三個地震臺中有一個地震臺儀器發(fā)生故障不能正常工作依然可以發(fā)出報警控車，但是由于是基于多臺報警，所以報警延時長，并存在一定漏報風(fēng)險［2］。

圖2 京津、京滬高鐵地震監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)原理示意圖

3 CAV參數(shù)在高鐵地震監(jiān)測預(yù)警的應(yīng)用分析

3.1 CAV參數(shù)在高鐵地震監(jiān)測預(yù)警中的可行性分析

CAV算法以是否超過0.025 g作為對加速度積分的條件。經(jīng)實測京津高鐵和京滬高鐵沿線變電所的背景噪聲，統(tǒng)計得到的背景噪聲峰值都未超過0.025 g。并且CAV算法是一個累積的過程，對于只有若干個加速度值超過0.04g的高頻小震或者噪聲干擾，CAV值會很小。因此CAV參數(shù)可以有效的防止高鐵沿線高頻小震和其他干擾，可以作為高鐵地震監(jiān)測預(yù)警參數(shù)。

3.2 CAV參數(shù)在高鐵地震監(jiān)測預(yù)警中的報警閾值確定

CAV參數(shù)最先在核電設(shè)計提出，0.16（g-sec）的報警閾值相當(dāng)于修正的麥加利地震烈度Ⅶ度，而中國目前高鐵地震監(jiān)測預(yù)警設(shè)計中假定當(dāng)自由場監(jiān)測到的地震動達到0.047 g時高鐵軌道所承受的橫向加速度值可達到0.12 g［6－7］，這時列車可能脫軌，考慮安全因素取報警閾值為0.04 g［2］。高鐵軌道上的列車是以200～300 km／h的速度運行，相對核電站來說在破壞性地震面前更加脆弱。因此選取CAV參數(shù)作報警參數(shù)時不能簡單地使用核電地震報警閾值，而應(yīng)該結(jié)合目前高鐵地震報警閾值和國內(nèi)的地震特性來綜合考慮閾值的選取。下文將通過地震數(shù)據(jù)處理來探討CAV值與PGA值的關(guān)系。

3.2.1 數(shù)據(jù)初選

在2008年發(fā)生的汶川8.0級地震中，共有全國的420個臺站獲得了主震加速度記錄，距震中21～1 763 km均有臺站記錄到強震數(shù)據(jù)。而選取的汶川地震部分余震，震級分布為3.8～6.3級，共有629組三分向記錄，震中距分布在1～402 km。所選數(shù)據(jù)能夠很好地代表遠震小震、遠震大震、近震小震和近震大震。選取的地震事件參數(shù)見表1。

表1 汶川地震及部分余震數(shù)據(jù)表

續(xù)表1

3.2.2 數(shù)據(jù)篩選

由于峰值加速度小于0.025 g的地震CAV值為0，并且高鐵地震監(jiān)測預(yù)警中的CAV報警閾值不會超過核電地震監(jiān)測預(yù)警的報警閾值，為便于分析CAV參數(shù)的報警閾值，從汶川地震及余震數(shù)據(jù)中選取峰值加速度值超過0.025 g的三分向數(shù)據(jù)計算CAV值，定義三分向中最大的CAV值為CAVmax，選取CAVmax值在0～0.16（g-sec）的臺站數(shù)據(jù)供分析使用，篩選之后共有103個三分向數(shù)據(jù)記錄。

3.2.3 計算結(jié)果分析

篩選的103個三分向數(shù)據(jù)峰值加速度值PGA和CAVmax的對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。從圖3中可以看出即使是峰值未超過0.04 g，也可能產(chǎn)生較大的CAV值。這是因為CAV值大小與地震的持續(xù)時間有關(guān)，遠震大震數(shù)據(jù)能產(chǎn)生峰值不大但長時間超過0.025 g的震動，計算出的CAV值較大。在高鐵地震監(jiān)測預(yù)警預(yù)警中如果僅用CAV值作為報警參數(shù)，可能會對破壞性不大的遠震大震報警，因此CAV不能單獨作為高鐵地震監(jiān)測預(yù)警的報警參數(shù)。

圖3 汶川地震及部分余震CAVmax與PGA關(guān)系圖

3.3 CAV和PGA參數(shù)聯(lián)合報警

將圖3中PGA以0.04 g為界，CAVmax以0.048（g-sec）為界作兩條直線，可以將地震明顯分為四個區(qū)域級別。如圖4所示，其中0區(qū)代表遠震小震沒有破壞，1區(qū)代表遠震大震對列車有輕度影響，2區(qū)代表近震小震對列車有輕度影響，3區(qū)代表近震大震，對列車有嚴重破壞。因此在高鐵地震監(jiān)測預(yù)警預(yù)警中聯(lián)合CAV和PGA兩個參數(shù)報警，能有效的排除近震小震和遠震大震對高鐵地震報警的干擾。PGA的報警閾值仍設(shè)為0.04 g，CAV的報警閾值根據(jù)圖4分界線并考慮一定的安全性可以設(shè)為0.045（g-sec）。

圖4 汶川地震及部分余震分四個區(qū)域的CAVmax與PGA關(guān)系圖

目前高鐵地震監(jiān)測預(yù)警中，雖然對峰值加速度PGA超過0.04 g的地震報警，但是報警之后并不知道地震的基本信息。CAV與PGA參數(shù)聯(lián)合報警不僅能提高單臺報警的準(zhǔn)確率，還可以通過CAV和PGA值粗略判斷地震的破壞性，從而靈活地采取不同的應(yīng)急處置措施，如當(dāng)?shù)卣鹛幱?區(qū)時，可認為地震對列車行駛沒有影響繼續(xù)勻速行駛；當(dāng)?shù)卣鹛幱?～2區(qū)時，認為地震對列車有輕度影響，需要減速運行；當(dāng)?shù)卣鸬膱缶墑e為3區(qū)時，認為地震對列車有嚴重破壞，需要緊急停車。

4 結(jié)論與討論

用汶川地震及其部分余震數(shù)據(jù)來證實CAV參數(shù)在高鐵地震監(jiān)測預(yù)警中應(yīng)用的可能性，結(jié)果表明CAV參數(shù)作為高鐵地震監(jiān)測預(yù)警的報警參數(shù)可能會對高鐵安全運行影響不大的遠震大震報警，但聯(lián)合PGA參數(shù)可以有效地排除近震小震和遠震大震的干擾，并可將地震分為四個區(qū)域采取不同的應(yīng)急處置措施。

CAV和PGA參數(shù)聯(lián)合報警與目前我國高鐵監(jiān)測使用的PAG參數(shù)報警相比要更加穩(wěn)定高效，待在高鐵沿線試驗一段時間證明穩(wěn)定后可以作為單臺地震報警參數(shù)取代基于PGA參數(shù)的多臺報警方式。目前CAV閾值選取依據(jù)來自于汶川地震及余震數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果，還需要高鐵沿線大量的強震數(shù)據(jù)進行驗證，才能得到更加合理的報警閾值。

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［3］ 馬強，李山有，于海英，等.高速鐵路地震防災(zāi)系統(tǒng)的應(yīng)急處置范圍確定［J］.鐵道學(xué)報，2013，35（6）：110－115.

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Application of Standardized Cumulative Absolute Velocity and Peak Ground Acceleration for High-speed Rail Earthquake
M onitoring and Early W arning
Huang Jun，Yao Yunsheng，Chen Zhigao and Yang Jiang（Hubei Key Laboratory of Earthquake Early Warning，Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071，China）

In the research conducted by America Electric Power Research Institute in 1991，cumulative absolute velocity（CAV）is believed to be sensitive to low frequency vibration nor high frequency vibration，could well avoid alarms of high frequency small earthquakeswithout destruction.Concept and standardized algorithm of CAV are introduced briefly.Based on Wenchuan earthquake and some of its aftershocks，the feasibility of the application of CAV alarm on high-speed rail earthquakemonitoring and early warning is analyzed.Result show that CAV may give an alarm when a larger and farther earthquake happened，but an alarm method which combined CAV and PGA could exclude the interferences of the nearer and smaller earthquakes aswell as the larger and farther earthquakes.

high-speed rail earthquakemonitoring and early warning；alarm parameter；standard CAV algorithm；peak acceleration

P315.61；X43

A

1000－811X（2014）02－0213－04

10.3969／j.issn.1000－811X.2014.02.039

黃俊，姚運生，陳志高，等.累積絕對速度CAV和峰值加速度PGA聯(lián)合報警在高鐵地震監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用［J］.災(zāi)害學(xué)，2014，29（2）：213－216.［Huang Jun，Yao Yunsheng，Chen Zhigao，etal.Application of Standardized Cumulative Absolute Velocity and Peak Ground Acceleration for High-speed Rail Earthquake Monitoring and Early Warning［J］.Journal of Catastrophology，2014，29（2）：213－216.］

2013－09－18

2013－11－07

湖北省自然科學(xué)基金（2012FFA063）；中國地震局地震研究所所長基金（IS20136001）

黃俊（1986－），男，湖北孝感人，助理工程師，主要從事地震預(yù)警技術(shù)研究.E-mail：huang.jun＠139.com