地震監(jiān)測預(yù)警中心系統(tǒng)在鐵路上的應(yīng)用研究

楊 林 閆 璐 郭奇園

地震是危害最大的自然災(zāi)害，會直接破壞鐵路基礎(chǔ)設(shè)施，導(dǎo)致列車脫軌、傾覆等災(zāi)害。為避免或減輕這些災(zāi)害，要盡可能使列車在地震發(fā)生前或發(fā)生時減低運行速度或停運，一套有效的鐵路地震監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，可使列車在災(zāi)害發(fā)生時的損失程度降至最小。在鐵路較為發(fā)達的日本、法國和中國臺灣地區(qū)，均針對鐵路運輸建立了地震報警或預(yù)警系統(tǒng)，以減輕地震災(zāi)害對鐵路運輸安全的危害。

地震報警主要通過監(jiān)測S波，當?shù)卣饎訁?shù)達到一定閾值后發(fā)出警報；而地震預(yù)警則是利用P波和S波的速度差、電磁波和地震波的速度差，在地震發(fā)生后，當破壞性地震波尚未來襲的數(shù)秒至數(shù)十秒之前發(fā)出預(yù)警。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

目前世界上把地震監(jiān)測系統(tǒng)用于鐵路防護主要有日本和法國。

日本非常重視列車地震防災(zāi)，其地震預(yù)警系統(tǒng)的發(fā)展歷程大體可以分為三個階段：S波報警裝置（1964年－1991年），UrEDAS——單點P波報警裝置 （1992年－2004年），多點P波預(yù)警與S波監(jiān)測并行——快速地震報警系統(tǒng)EQAS（2005年至今）。其發(fā)展歷程是從機械式發(fā)展到電子式，從單純沿線監(jiān)測報警到海岸和內(nèi)陸異地預(yù)警，從監(jiān)測S波 （有局限性）到監(jiān)測P波 （準確度不高），再到氣象廳地震緊急快報 （延時較大）。盡管各類系統(tǒng)都不是完善預(yù)警，但日本新干線都保留了所有模式，且報警 （預(yù)警）互為備份，無論哪種報警 （預(yù)警）技術(shù)失效，都會有備用技術(shù) （哪怕時效性或準確性不高）作為兜底。日本地震預(yù)警系統(tǒng)在鐵路安全運營方面發(fā)揮了重要作用，投入運營以來，多次對地震成功進行預(yù)警，對列車實施了緊急制動，保證了旅客生命安全。

法國地中海線地震監(jiān)測系統(tǒng)僅具備報警功能而無預(yù)警，每個區(qū)段的局部監(jiān)測點各自獨立工作，且均與中央決策系統(tǒng) （馬賽控制中心）相連，形成地震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。馬賽控制中心具有雙機冗余的判別處理和報警裝備，接收到監(jiān)測點報警信息后，要與國家地震部門驗證進行確認，通過中心報警部件向列控系統(tǒng)發(fā)出控制列車運行的信息。

我國大陸是一個震災(zāi)嚴重的國家，與日本、法國、以及中國臺灣地區(qū)相比，中國大陸地震分布較廣，震源分散、復(fù)雜，對鐵路安全運營影響大。目前，我國雖在鐵路防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)立了地震監(jiān)測報警子系統(tǒng)，并沿鐵路線設(shè)置現(xiàn)場監(jiān)測點，但僅具備實時S報警功能，無預(yù)警功能。且沒有集中統(tǒng)一的鐵路局信息處理中心，且各自獨立運行、互不連通，影響了地震災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)的深化應(yīng)用。因此，開展地震災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警中心系統(tǒng) （簡稱中心系統(tǒng)）建設(shè)是解決現(xiàn)存問題的必要手段，充分利用資源，避免重復(fù)建設(shè)，對提高災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用水平有著重要的作用。為此，在對國內(nèi)外地震監(jiān)測與預(yù)警技術(shù)研究、對比、分析的基礎(chǔ)上，對鐵路地震監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的需求、功能、結(jié)構(gòu)等進行細化研究，提出了鐵路地震監(jiān)測預(yù)警中心技術(shù)方案。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2．1 研究目標

設(shè)計技術(shù)先進、架構(gòu)合理、穩(wěn)定可靠的鐵路地震監(jiān)測預(yù)警中心系統(tǒng)，全面實現(xiàn)鐵路地震災(zāi)害監(jiān)測信息的集成與共享、集中管理，更大程度地發(fā)揮監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)作用，為鐵路列車運行安全提供技術(shù)支撐。具體目標如下。

1．構(gòu)建鐵路地震監(jiān)測預(yù)警中心系統(tǒng)，集成既有和新建的地震預(yù)警系統(tǒng)，形成統(tǒng)一的地震監(jiān)測預(yù)警中心，實現(xiàn)地震監(jiān)測、警報等信息的集中處置。

2．實現(xiàn)現(xiàn)地報警、異地預(yù)警。

3．實現(xiàn)與國家地震部門、調(diào)度系統(tǒng)、信號系統(tǒng)等路內(nèi)相關(guān)系統(tǒng)的互聯(lián)互通。

4．通過快速識別技術(shù)，實現(xiàn)預(yù)警范圍、預(yù)警級別的快速確定。

5．與車載緊急處置裝置配合，實現(xiàn)地震報警信息的快速處理，確保列車運行安全。

6．實現(xiàn)對地震真實性的判別，及時發(fā)布誤報解除信息，實現(xiàn)快速恢復(fù)行車。

7．實現(xiàn)對地震監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)備的集中監(jiān)測與維護管理。

8．統(tǒng)一應(yīng)用軟件及數(shù)據(jù)接口標準，實現(xiàn)系統(tǒng)的規(guī)范化建設(shè)。

2．2 系統(tǒng)功能

鐵路地震監(jiān)測預(yù)警中心系統(tǒng)主要功能分為三大塊：地震預(yù)警與緊急處置、系統(tǒng)維護、統(tǒng)計分析。其中，地震預(yù)警與緊急處置是系統(tǒng)的核心功能；系統(tǒng)維護主要實現(xiàn)整個地震預(yù)警系統(tǒng)的安全運行功能；統(tǒng)計分析作為系統(tǒng)的輔助功能模塊，可以生成各種類型的地震事件報表，為領(lǐng)導(dǎo)和相關(guān)部門提供數(shù)據(jù)參考。地震預(yù)警的關(guān)鍵功能概括如下。

1．地震信息綜合處理功能。實時接收、匯總沿線各地震監(jiān)測臺站、國家地震臺網(wǎng)中心 （省級）上傳的地震監(jiān)測、預(yù)警、報警信息，對單點監(jiān)測、相鄰點間監(jiān)測、多點監(jiān)測的地震參數(shù)進行快速處理，綜合分析、估算不同級別命令地震影響范圍和影響范圍內(nèi)不同區(qū)域的警報登記，并據(jù)此發(fā)布緊急處置信息。

2．P波多點預(yù)警。匯聚各個臺站P波預(yù)警信息，實時分析、計算，快速定位地震，確定震中距、震級、方位角等地震關(guān)鍵要素。

3．地震緊急處置信息發(fā)布功能。確定為地震事件后，計算地震加速度衰減范圍，確定地震警報影響級別、影響范圍，通過GSM－R系統(tǒng)向車載地震緊急處置裝置發(fā)送地震緊急處置信息，經(jīng)地震監(jiān)測臺站和信號接口單元分別向牽引供電系統(tǒng)和信號系統(tǒng)發(fā)送地震緊急處置信息，同時向本局調(diào)度系統(tǒng)和地震影響范圍內(nèi)的地震監(jiān)測預(yù)警中心系統(tǒng)發(fā)送。

4．地震誤報判斷和解除信息發(fā)布功能。針對P波預(yù)警對地震發(fā)生的真實性進行判別，根據(jù)判別結(jié)果，通過上述相同的路徑發(fā)布誤報解除信息。

圖1 鐵路地震監(jiān)測預(yù)警中心系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2．3 總體設(shè)計

地震監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)按照二層結(jié)構(gòu)設(shè)計，地震監(jiān)測預(yù)警中心系統(tǒng)作為第1層，第2層是布設(shè)在鐵路沿線的現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備 （包括地震監(jiān)測預(yù)警臺站、信號接口單元）和車載緊急處置裝置。中心系統(tǒng)實時接收地震監(jiān)測臺站地震監(jiān)測數(shù)據(jù)、地震警報等數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)分析及處理。同時，中心系統(tǒng)與國家地震臺網(wǎng)省級中心、相鄰中心系統(tǒng)互聯(lián)，進行信息共享。具體見圖1所示。

2．4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

鐵路中心系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)采用多層架構(gòu)設(shè)計，分為展現(xiàn)層、應(yīng)用層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)層、接口層、系統(tǒng)軟件層和系統(tǒng)硬件層7層，具體關(guān)系見圖2所示。

系統(tǒng)硬件層包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、接口服務(wù)器、通信服務(wù)器、時鐘同步服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和存儲設(shè)備。數(shù)據(jù)備份采用磁盤陣列。

系統(tǒng)軟件層包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、存儲／備份系統(tǒng)、應(yīng)用中間件、通信中間件、數(shù)據(jù)中間件和防病毒系統(tǒng)等。

接口層包括地震監(jiān)測臺站、國家地震臺網(wǎng)中心、GSM－R通信系統(tǒng)、信號接口單元、調(diào)度系統(tǒng)、相鄰鐵路局數(shù)據(jù)交換、地震監(jiān)測預(yù)警綜合處理分析平臺等接口。

數(shù)據(jù)層包括地震監(jiān)測、地震警報、設(shè)備狀態(tài)、緊急處置指令、路局中心與接入系統(tǒng)間的通信交互過程、系統(tǒng)運行基礎(chǔ)和系統(tǒng)管理等數(shù)據(jù)。

服務(wù)層采用SOA架構(gòu)的方式，提供數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)、流程、訪問、安全認證、系統(tǒng)日志、系統(tǒng)資源監(jiān)控等服務(wù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問、數(shù)據(jù)協(xié)議和格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)訂閱／發(fā)布、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲、地震警報、緊急處置命令生成等功能。

應(yīng)用層功能主要由后臺服務(wù)模塊提供，包括地震預(yù)警P波識別、地震影響范圍計算、地震警報信息發(fā)布、地震臺網(wǎng)中心接入、中心與臺站、信號等接口單元信息交互、地震數(shù)據(jù)存儲與分析、系統(tǒng)診斷與維護、資源管理、日志管理、業(yè)務(wù)監(jiān)控等模塊。

展現(xiàn)層主要由客戶端軟件提供，采用WebService和MQ等協(xié)議與后臺進行交互，提供地震信息監(jiān)控操作、基于GIS的地震信息綜合展示、數(shù)據(jù)綜合統(tǒng)計分析、地震波形分析／展示等界面功能。

3 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

3．1 異地預(yù)警

及時監(jiān)測地震的發(fā)生，根據(jù)地震發(fā)生強度和地點，快速確定地震破壞 （影響）范圍，并向影響范圍內(nèi)的列車發(fā)出預(yù)警信息，采取必要的措施確保列車處于安全運行狀態(tài)，這是鐵路地震監(jiān)測預(yù)警的最根本與最重要的目標。采用異地預(yù)警技術(shù)，能夠更加有效地實現(xiàn)對地震影響范圍內(nèi)列車發(fā)出預(yù)警，為相應(yīng)系統(tǒng)采取措施爭取時間，異地預(yù)警的本質(zhì)就是通過時間、空間和傳輸速度的差異帶來的時間差來實現(xiàn)。本系統(tǒng)通過基于S波、基于P波、基于國家地震預(yù)警系統(tǒng)三種方式實現(xiàn)異地預(yù)警。

3．2 預(yù)警誤報解除

基于P波預(yù)警是一項全世界范圍內(nèi)的尚未成熟的前沿技術(shù)，由于理論和技術(shù)上的限制，會產(chǎn)生誤報的情況，如果誤報信息不能及時發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)的措施，將會給鐵路正常的行車秩序帶來嚴重的影響，因此必須采取相應(yīng)的技術(shù)手段，確保實現(xiàn)P波預(yù)警誤報信息被及時識別和消除。本系統(tǒng)采用以下2種方案實現(xiàn)誤報的識別與解除。

實時采集地震監(jiān)測信息，監(jiān)視P波預(yù)警發(fā)出后其后續(xù)S波的峰值，如果后續(xù)S波如期到來并超過設(shè)定的閾值，證明P波預(yù)警是正確的，如果后續(xù)S波沒有到來或沒有超過設(shè)定的閾值，則前期的P波預(yù)警即為誤報。

通過地震部門臺網(wǎng) （國家地震預(yù)警系統(tǒng)），實時接受地震預(yù)警和地震速報信息，如果在P波預(yù)警發(fā)出120s后，沒有收到國家臺網(wǎng)的地震速報信息，或速報信息中地震的強度沒有超過鐵路地震監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)定的閾值，則前期的P波預(yù)警即為誤報。

當確認所發(fā)送的P波預(yù)警信息為誤報信息后，中心系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)向影響范圍內(nèi)的地震監(jiān)測臺站、信號接口單元、車載緊急處置裝置發(fā)送預(yù)警解除信息，使牽引供電系統(tǒng)、列控系統(tǒng)和車載緊急處置裝置采取相應(yīng)措施，恢復(fù)列車的正常運行。如果影響范圍超出本局管轄范圍，預(yù)警信息還將被發(fā)送到相鄰的中心系統(tǒng)，相鄰中心系統(tǒng)按照上述原則采取同樣的措施。

3．3 緊急處置命令生成技術(shù)

鐵路地震監(jiān)測預(yù)警中心系統(tǒng)緊急處置命令生成技術(shù)，是通過應(yīng)用服務(wù)器技術(shù)和GIS空間技術(shù)完美的結(jié)合來實現(xiàn)的。采用空間和非空間數(shù)據(jù)的聯(lián)合運算，其運用手段包括各種幾何的邏輯運算、數(shù)理統(tǒng)計分析，代數(shù)運算等數(shù)學(xué)手段，來提取和傳輸?shù)卣鹩绊懛秶詣由删o急處置命令。GIS中實現(xiàn)空間分析的基本功能，包括空間查詢與量算，緩沖區(qū)分析、疊加分析、路徑分析、空間插值、統(tǒng)計分類分析等。

4 問題與結(jié)論

在研發(fā)鐵路地震監(jiān)測預(yù)警中心系統(tǒng)的過程中，P波預(yù)警模型算法和地震烈度衰減緊急處置范圍模型計算還需要進一步研究，需要對地震監(jiān)測布設(shè)點的地形、地貌、巖土結(jié)構(gòu)、地震構(gòu)造特征做綜合分析，建立地震預(yù)警處理模型，通過大量實際試驗，用海量數(shù)據(jù)來優(yōu)化模型參數(shù)，提供系統(tǒng)的預(yù)警精度。

構(gòu)建鐵路地震監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，集成既有和新建的地震預(yù)警系統(tǒng)，全面實現(xiàn)鐵路地震災(zāi)害監(jiān)測信息的集成與共享，形成統(tǒng)一的地震監(jiān)測預(yù)警中心，更大程度地發(fā)揮監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)作用，對保障高鐵地震安全具有重要意義。

［1］ 首都圈地區(qū)地震預(yù)警與烈度速報系統(tǒng)的試驗及示范應(yīng)用．國家科技支撐計劃課題研究報告．

［2］ 張紅才，金星，李軍，韋永祥．地震預(yù)警定位方法研究［J］．地震工程與工程振動，2011（6）．

［3］ 金星，張紅才．地震預(yù)警連續(xù)定位方法研究［J］．計算機學(xué)報，2012（3）．

［4］ Anderson K R．Epicentral location using arrival time order．Bulletin of the Seismological Society of America，198l，7O（2）：541 545．