基于實(shí)測波形的地震烈度信息快速確定算法及地震信息在鐵路上的應(yīng)用技術(shù)研究

楊 林，張格明，胡兆冰，周達(dá)天

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100081； 2.北京交通大學(xué)，北京 100044)

引言

中國是世界上地震活動(dòng)最強(qiáng)烈和地震災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一，地震基本烈度Ⅵ度及Ⅶ度以上地區(qū)占國土總數(shù)的32.5%[1]，高速鐵路建設(shè)仍不可避免地跨越或鄰近地震斷裂帶，處于Ⅶ度及以上的里程超過1萬km。因此，在我國高速鐵路覆蓋范圍大、運(yùn)行速度快，運(yùn)行密度高的情況下，亟需進(jìn)一步提升高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)對(duì)地震災(zāi)害的預(yù)防和應(yīng)對(duì)能力[2-3]。由于目前地震發(fā)生后，鐵路系統(tǒng)不能快速得到地震烈度破壞信息，無法在短時(shí)間內(nèi)了解地震對(duì)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的破壞情況，只能通過安排全線人工巡檢的方式來確定線路是否受損，其時(shí)間長、效率低，地震發(fā)生后嚴(yán)重干擾鐵路的正常運(yùn)輸生產(chǎn)次序。

目前，中國地震臺(tái)網(wǎng)中心正在全國范圍內(nèi)實(shí)施“國家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程”，共計(jì)在全國建設(shè)15 000余個(gè)地震烈度速報(bào)與預(yù)警臺(tái)站，對(duì)外可提供臺(tái)站測試波形、地震預(yù)警信息、地震速報(bào)信息、S波報(bào)警信息、地震動(dòng)參數(shù)等信息。同時(shí)，我國高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)已于2017年成功下線，目前正在全路推廣應(yīng)用。高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)以路局為信息處理中心[4-6]，沿局管范圍內(nèi)高鐵線路建設(shè)地震強(qiáng)震監(jiān)測臺(tái)站，預(yù)計(jì)全路監(jiān)測臺(tái)站數(shù)目在1 000余個(gè)以上。

基于地震臺(tái)網(wǎng)和高鐵沿線臺(tái)站的實(shí)測波形、加速度峰值等信息，快速確定地震動(dòng)參數(shù)信息，產(chǎn)出斷層長度和走向，進(jìn)而更精確預(yù)測PGA、PGV，形成烈度等值線；并結(jié)合鐵路沿線基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成震后鐵路基礎(chǔ)設(shè)施巡檢建議，調(diào)度人員根據(jù)巡檢建議，可有針對(duì)性地對(duì)破壞程度較嚴(yán)重的線路區(qū)段進(jìn)行巡檢，避免全線巡檢，可大大節(jié)省震后恢復(fù)時(shí)間，提高鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)效率[7]。

1 地震烈度信息快速生成算法

1.1 地震斷層長度和走向快速確定方法

有地震必有斷層，有斷層必有地震，斷層活動(dòng)誘發(fā)了地震，地震發(fā)生又促成了斷層的生成與發(fā)育[8]。大多數(shù)強(qiáng)震的極震區(qū)和等震線的延長方向與當(dāng)?shù)財(cái)鄬幼呦蛞恢拢屏训姆较蛐孕?yīng)受震源的破裂機(jī)制、斷層破裂方向與場點(diǎn)夾角以及斷層破裂速度等方面影響[9]。此外，臺(tái)站分布、場地響應(yīng)等因素也會(huì)影響實(shí)時(shí)確定斷層長度和走向方法產(chǎn)出的準(zhǔn)確性和可靠性。明確斷層長度和走向有助于確定斷層面，為后續(xù)深入研究致災(zāi)機(jī)理提供重要參考。

采用FinDer算法，從地震數(shù)據(jù)中估計(jì)破裂尺寸，確定斷層長度和走向，F(xiàn)inDer算法根據(jù)臺(tái)站接收的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)判別近場區(qū)域，進(jìn)而通過圖像識(shí)別技術(shù)識(shí)別斷層的破裂參數(shù)。該方法在2015年被美國加州ShakeAlert預(yù)警系統(tǒng)采用[10]，為地震預(yù)警系統(tǒng)實(shí)時(shí)識(shí)別斷層參數(shù)提供了一條很好的思路。

FinDer使用二維空間模板匹配找到最好的線源模型來解釋在給定時(shí)間內(nèi)地震臺(tái)網(wǎng)中觀測到的地面運(yùn)動(dòng)模式。該算法將表示迄今觀測到的峰值絕對(duì)地面加速度振幅空間分布的圖像I與理論模板T進(jìn)行比較，理論模板T由不同長度線源的經(jīng)驗(yàn)GMPE模擬而來，通過旋轉(zhuǎn)模板以確定破裂走向[11]。線源近似最適合于垂直傾斜斷層情況，對(duì)于傾角較小的斷層，F(xiàn)inDer線源通常會(huì)在斷層垂直方向平移幾千米，以達(dá)到與觀測到的地面運(yùn)動(dòng)模式更好匹配。FinDer迭代計(jì)算使T和I之間的失配最小化，以恢復(fù)最佳T及其在I中的位置，從而確定相應(yīng)線源的質(zhì)心X={緯度，經(jīng)度}、長度L和走向θ。地震震級(jí)M根據(jù)經(jīng)驗(yàn)的破裂長度-震級(jí)關(guān)系估計(jì)，事件的發(fā)震時(shí)間t0根據(jù)各種傳感器上峰值振幅的到達(dá)時(shí)間確定。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)GMPE對(duì)模板T(x，y)中的每個(gè)值進(jìn)行建模，計(jì)算模板的表達(dá)式為

T(x，y)=lg(PGA(x，y))=

(1)

式中，C(M)=1.16exp[0.96(M-5)]×[arctan(M-5)+π/2]；R為M<5的震中距離和M≥5到位于每個(gè)模板中心的假定線源斷層距離。

線源的長度L[km]與震級(jí)M的關(guān)系為

lgL=(M-4.33)/1.49

(2)

FinDer的輸出取決于為模板生成選擇的GMPE。利用歷史數(shù)據(jù)，通過在各地的不同地區(qū)測試FinDer算法表明，只要有可能，最好使用當(dāng)?shù)谿MPE。模板集是在外部創(chuàng)建的，由FinDer在啟動(dòng)時(shí)加載。

使用上述方法，為M2.5-M8.0創(chuàng)建了1組56個(gè)模板，對(duì)應(yīng)于L=0.06～300 km的破裂長度。每個(gè)線源的走向設(shè)置為Θ=0，但在模板匹配過程中，允許模板圍繞模板中心旋轉(zhuǎn)180°，以確定破裂走向。這些模板圍繞它們的線源是對(duì)稱的，因此，Θ時(shí)的解和Θ+180°時(shí)的解是等效的。對(duì)于PGA分布，二元模板匹配比連續(xù)匹配更穩(wěn)健。因此，對(duì)于給定的地震動(dòng)閾值PGA閾值列表，將二值圖像和模板定義為

(3)

(4)

對(duì)于給定的(L，Θ)，定義結(jié)果矩陣R的每個(gè)(x，y)位置元素為

(5)

對(duì)所有模板進(jìn)行搜索，由于旋轉(zhuǎn)角(走向)Θ和閾值PGAthreshold對(duì)于實(shí)時(shí)應(yīng)用來說太耗時(shí)，可按如下方式縮小搜索空間：對(duì)于每個(gè)PGA閾值，計(jì)算破裂長度L的初始估計(jì)值；然后應(yīng)用分而治之的算法在最初的猜測周圍來估計(jì)不同破裂長度L的最佳走向Θ；繼續(xù)搜索，直到找到使E最小化的Θ/L組合。

1.2 地震烈度信息快速確定算法

目前國家預(yù)警臺(tái)網(wǎng)的規(guī)劃是在重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)實(shí)現(xiàn)較高密度臺(tái)網(wǎng)布設(shè)，一般防御區(qū)的臺(tái)網(wǎng)密度并不高。未來地震有可能落在重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)邊緣或一般防御區(qū)，這種情況下，臺(tái)網(wǎng)分布密度和均勻度不夠。因此，地震烈度速報(bào)中必須考慮震中附近臺(tái)網(wǎng)的分布情況。當(dāng)臺(tái)網(wǎng)密度高且分布均勻時(shí)，可直接對(duì)臺(tái)站儀器烈度進(jìn)行空間插值得到烈度分布圖。當(dāng)臺(tái)網(wǎng)密度高且不均勻，可以利用地震動(dòng)衰減模型，結(jié)合臺(tái)站觀測數(shù)據(jù)，回歸當(dāng)次地震的衰減關(guān)系系數(shù)，再利用此模型計(jì)算加密插值點(diǎn)的烈度，最后與臺(tái)站儀器烈度一同插值得到烈度分布圖。以2017年8月8日九寨溝M7.0地震為例[12]，算法基本步驟如下。

(1)獲取觀測PGA值

基于中國地震臺(tái)網(wǎng)“十五”項(xiàng)目建設(shè)的臺(tái)站[13]，獲取以震中為中心、周邊2.5°范圍內(nèi)臺(tái)站記錄，將臺(tái)站速度記錄仿真為加速度記錄，取每個(gè)臺(tái)站三分向加速度記錄最大值，形成每個(gè)臺(tái)站PGA，將臺(tái)站坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為笛卡爾坐標(biāo)，如圖1所示。

圖1 九寨溝M7.0地震震后43 s周邊臺(tái)站觀測PGA分布

(2)構(gòu)建delaunary三角網(wǎng)

以各臺(tái)站坐標(biāo)為頂點(diǎn)，構(gòu)建delaunary三角網(wǎng)，如圖2所示。

(3)插值形成觀測圖像

對(duì)于每個(gè)delaunary三角形，使用其3個(gè)頂點(diǎn)的PGA，采用線性插值方法，插值形成三角形內(nèi)各網(wǎng)格點(diǎn)上的PGA，從而形成震中區(qū)PGA觀測圖像I，見圖3。

圖3 震中區(qū)PGA觀測圖像I

(4)搜索匹配的理論圖像

基于式(1)和式(2)，構(gòu)建不同斷層長度L和不同走向Θ的模板T，使用式(3)～式(5)，尋找與觀測圖像I最佳匹配的模板，最佳匹配的模板長度L與走向Θ就是要求的解，即斷層長度53 km，走向160°，見圖4。

圖4 模板T圖像

(5)獲得斷層屬性，預(yù)測PGA分布圖

根據(jù)求解的斷層長度，由式(2)可得震級(jí)M，將已知斷層長度與走向及M代入式(1)，計(jì)算震中區(qū)域各點(diǎn)PGA分布，再根據(jù)場地影響校正各點(diǎn)PGA，則得到預(yù)測的PGA分布圖。

PGA(x，y)=10(F(M，R)+lg1.1)

(6)

其中

式中，M為震級(jí)；R為線源距，若事先設(shè)置了各點(diǎn)PGA報(bào)警閾值，則當(dāng)PGA超過預(yù)設(shè)的閾值，可發(fā)布警報(bào)。

1.3 算法驗(yàn)證

以2019年6月17日四川長寧M6.0地震為例，對(duì)算法進(jìn)行驗(yàn)證[14]。通過回放事件波形，獲取以震中為中心、周邊2.5°范圍內(nèi)臺(tái)站記錄，插值形成觀測圖像，搜搜匹配圖像，在震后19 s計(jì)算出地震斷層長度為33 km，走向?yàn)?50°，根據(jù)斷層長度、走向及臺(tái)站實(shí)測峰值數(shù)據(jù)，預(yù)測了PGA分布，形成等烈度線見圖5。中國地震局的震后調(diào)查烈度見圖6。通過圖5、圖6對(duì)比可知，獲取的斷層長度、走向與余震分布及震后調(diào)查烈度分布是基本一致的，走向稍偏大，與震中區(qū)臺(tái)站分布較少，對(duì)觀測圖像的約束不夠所致。

圖5 長寧地震斷層長度與走向

圖6 長寧地震烈度(中國地震局，2019)

圖7 數(shù)據(jù)交換平臺(tái)與中國地震臺(tái)網(wǎng)信息系統(tǒng)間安全交換區(qū)示意

因此，在使用FinDer方法預(yù)測地震斷層屬性時(shí)，要注意臺(tái)站分布。臺(tái)站分布相對(duì)均勻情況下，可靠性好，結(jié)果可用。臺(tái)站分布特別稀疏、分布不均衡的情況下，需謹(jǐn)慎評(píng)估結(jié)果的可用性[15-16]。

2 地震烈度信息在鐵路上的應(yīng)用技術(shù)研究

2.1 地震臺(tái)網(wǎng)信息安全接入技術(shù)

地震專網(wǎng)是一個(gè)內(nèi)部封閉的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從功能上劃分為國家級(jí)中心、省級(jí)中心、市縣匯聚和臺(tái)站4個(gè)層級(jí)節(jié)點(diǎn)。國家級(jí)中心包括位于北京的中國地震臺(tái)網(wǎng)中心和位于廣州的國家地震速報(bào)災(zāi)備中心，在國家中心設(shè)立數(shù)據(jù)安全交換區(qū)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部和對(duì)外的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息交換。設(shè)立國家地震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換平臺(tái)，通過數(shù)據(jù)交換平臺(tái)和中國地震臺(tái)網(wǎng)信息系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的信息交互。由于數(shù)據(jù)交換平臺(tái)屬于鐵路專網(wǎng)，地震臺(tái)網(wǎng)是外網(wǎng)，對(duì)于雙方之間進(jìn)行信息交互其安全保障顯得尤為重要。為此，數(shù)據(jù)交換平臺(tái)和中國地震臺(tái)網(wǎng)信息系統(tǒng)之間通過DMZ進(jìn)行信息的安全交互，在DMZ間各自部署接口服務(wù)器，采用消息中間件的方式進(jìn)行通信[17]。為防止數(shù)據(jù)泄露、信息篡改，在應(yīng)用層面通過采用數(shù)據(jù)加密的方式進(jìn)行交互，其信息安全交換示意如圖7所示。

在雙方的數(shù)據(jù)安全交換區(qū)，制定網(wǎng)絡(luò)安全策略，部署網(wǎng)絡(luò)安全防范設(shè)備，實(shí)現(xiàn)地震預(yù)警系統(tǒng)與臺(tái)網(wǎng)信息系統(tǒng)間的有效隔離。雙方通過DMZ的數(shù)據(jù)安全交換區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，不進(jìn)行直接連接，在滿足數(shù)據(jù)傳輸效率的同時(shí)，不進(jìn)行系統(tǒng)間的信息直接互訪，最大程度保證兩套系統(tǒng)原有的獨(dú)立性。數(shù)據(jù)安全交換區(qū)域通過網(wǎng)閘等安全設(shè)備進(jìn)行隔離，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩阅堋?/p>

2.2 地震烈度影響鐵路范圍計(jì)算

我國高速鐵路采取不同車速下的高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)警報(bào)三級(jí)閾值，即以計(jì)測或?qū)崪y三向加速度峰值為評(píng)判依據(jù)，地震警報(bào)分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)，對(duì)應(yīng)的閾值分別為40，80，120 gal[18]。烈度值為Ⅴ度對(duì)應(yīng)的峰值加速度合成值范圍為22～44 gal，平均值為31 gal，烈度值為VI度對(duì)應(yīng)的峰值加速度合成值范圍為45～89 gal，平均值為63 gal，對(duì)應(yīng)高鐵地震預(yù)警Ⅰ～Ⅱ級(jí)處置范圍，處于此范圍內(nèi)的車輛、軌道、橋梁及其建筑物可能會(huì)有一定程度的損壞。因此，可采用高鐵線路處于Ⅴ度及其以上范圍作為烈度影響高鐵范圍。計(jì)算地震烈度影響鐵路范圍，可以采用以下3種方式計(jì)算。

(1)利用國家地震臺(tái)網(wǎng)發(fā)布的烈度速報(bào)信息直接獲取烈度等值包絡(luò)線

國家地震臺(tái)網(wǎng)的烈度速報(bào)信息主要提供烈度等值包絡(luò)線，包絡(luò)線主要為不同烈度封閉曲線，用經(jīng)緯度坐標(biāo)點(diǎn)來描述。通過烈度等值包絡(luò)線，疊加鐵路線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，獲取交集坐標(biāo)，交集坐標(biāo)即為地震烈度影響鐵路范圍。

(2)利用臺(tái)網(wǎng)發(fā)布的地震參數(shù)信息

當(dāng)臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站密度高且不均勻，可利用地震動(dòng)衰減模型來計(jì)算烈度范圍[19-20]。根據(jù)地震臺(tái)網(wǎng)發(fā)布的地震參數(shù)信息，采用不同烈度衰減模型如橢圓模型、斷層模型等來計(jì)算地震烈度衰減關(guān)系，結(jié)合鐵路線路空間位置關(guān)系，可獲取不同烈度等級(jí)的鐵路線路影響范圍。

(3)利用鐵路沿線臺(tái)站的實(shí)測加速度峰值

當(dāng)臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站密度低且不均勻時(shí)，可利用鐵路沿線臺(tái)站數(shù)據(jù)。通過插值算法對(duì)烈度等值包絡(luò)線進(jìn)行修正。對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，每隔一定距離來虛擬出臺(tái)站點(diǎn)，利用衰減關(guān)系估計(jì)每隔虛擬臺(tái)站點(diǎn)的地震動(dòng)值，估計(jì)該點(diǎn)峰值加速度和速度；最后用插值方法估計(jì)出整個(gè)區(qū)域的地震動(dòng)值，根據(jù)峰值速度和加速度，計(jì)算線路范圍所對(duì)應(yīng)烈度值。

2.3 地震烈度信息綜合處理

高鐵地震預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)采用兩級(jí)架構(gòu)，以鐵路局中心系統(tǒng)作為信息的匯聚和處理中心[21]。各鐵路局中心系統(tǒng)通過國家地震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換平臺(tái)接收國家地震臺(tái)網(wǎng)地震速報(bào)信息、地震動(dòng)參數(shù)信息，國家地震臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站實(shí)測加速度峰值信息、鐵路局中心系統(tǒng)管轄范圍內(nèi)臺(tái)站實(shí)測加速度峰值信息，對(duì)信息進(jìn)行綜合處理與分析，生成地震烈度信息，將地震烈度信息與局管范圍內(nèi)鐵路線路進(jìn)行疊加、分析與計(jì)算，生成震后路局線路等基礎(chǔ)設(shè)施巡檢建議，并向地震預(yù)警維護(hù)終端發(fā)送。

其主要信息處置流程如圖8所示。

圖8 烈度速報(bào)信息處理平臺(tái)信息處置流程

國家地震臺(tái)網(wǎng)信息通過臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換平臺(tái)向影響范圍內(nèi)的鐵路局中心系統(tǒng)發(fā)送地震速報(bào)信息，地震動(dòng)參數(shù)信息處理軟件從鐵路局中心系統(tǒng)接收地震速報(bào)信息后，進(jìn)行分析處理，計(jì)算烈度影響局管鐵路線范圍，依據(jù)后續(xù)信息不斷修訂精度；當(dāng)收到國家地震臺(tái)網(wǎng)地震動(dòng)參數(shù)信息后，修訂地震烈度影響范圍；當(dāng)收到國家地震臺(tái)網(wǎng)和高鐵沿線臺(tái)站實(shí)測加速度峰值信息，修訂地震烈度影響范圍；最后，依據(jù)路局對(duì)高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施震后應(yīng)急處置規(guī)則，生成鐵路基礎(chǔ)設(shè)施巡檢建議，并將建議發(fā)送到地震監(jiān)測業(yè)務(wù)和維護(hù)終端，路局相關(guān)業(yè)務(wù)人員可依據(jù)巡檢建議有針對(duì)性對(duì)重點(diǎn)區(qū)域安排巡檢。

2.4 技術(shù)在高鐵地震預(yù)警中的應(yīng)用情況

高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)具備P波預(yù)警和閾值報(bào)警等功能，能通過牽變接口、信號(hào)接口和車載地震緊急處置裝置實(shí)現(xiàn)地震發(fā)生后自動(dòng)三級(jí)處置，控制列車限速或者緊急制動(dòng)，目前高鐵地震預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)已在太原鐵路局、北京鐵路局管轄的大西、京張等鐵路線正式上線運(yùn)行?，F(xiàn)有高鐵地震預(yù)警系統(tǒng)是以震時(shí)預(yù)警、緊急處置為目的，并不涉及到震后恢復(fù)領(lǐng)域。因此，通過此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，可形成對(duì)高鐵地震預(yù)警系統(tǒng)的有益補(bǔ)充，擴(kuò)充預(yù)警系統(tǒng)功能，實(shí)現(xiàn)地震發(fā)生后的全流程處置，建立震時(shí)預(yù)警與緊急處置、震后快速恢復(fù)的全流程預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)控體系，以技術(shù)保安全，具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義

3 結(jié)語

通過采用FinDer算法計(jì)算地震斷層屬性，預(yù)測PGA分布，并對(duì)地震信息在鐵路上的應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了地震發(fā)生后地震烈度分布圖的快速產(chǎn)出及烈度破壞鐵路線路情況的快速發(fā)布。該算法綜合臺(tái)網(wǎng)和鐵路沿線臺(tái)站實(shí)測波形數(shù)據(jù)，快速確定地震斷層長度和走向，結(jié)合臺(tái)網(wǎng)密度分布情況，通過地震動(dòng)衰減模型和空間插值等方法，預(yù)測地震烈度分布。同時(shí)，通過臺(tái)網(wǎng)信息安全、快速分發(fā)技術(shù)，將地震速報(bào)、烈度等信息發(fā)送到高鐵地震預(yù)警監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)中，中心系統(tǒng)匯聚相應(yīng)信息，對(duì)信息進(jìn)行綜合處理與分析，計(jì)算烈度影響鐵路范圍，自動(dòng)生成鐵路基礎(chǔ)設(shè)施巡檢建議并發(fā)送到相應(yīng)管理、維護(hù)人員手中，大大節(jié)省了地震發(fā)生后鐵路應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間，提高了作業(yè)人員巡檢效率，提升了鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)效率。將此項(xiàng)方法與技術(shù)在高鐵地震預(yù)警系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用，可以增補(bǔ)預(yù)警系統(tǒng)功能，建立全流程安防體系，使得預(yù)警系統(tǒng)具有更加廣闊的應(yīng)用場景。

隨著國家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程的全面實(shí)施及高鐵地震預(yù)警系統(tǒng)工程的逐步推進(jìn)，高鐵地震預(yù)警系統(tǒng)可依據(jù)臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站分布情況合理、科學(xué)部署自建臺(tái)站，通過雙方的信息共享，為高鐵提供快速、精確的地震烈度速報(bào)信息。