中国高速铁路地震预警发展与展望＊

陈宏峰 赵京轶 张素灵 刘晓雨郭 凯 苗春兰 荣 华

1）中国地震台网中心，北京100045

2）中国地震局地壳应力研究所，北京100085

（作者电子信箱，张素灵：124087797＠qq.com）

引言

2008年8月1日，中国第一条高铁，总长120km 的京津城际铁路，正式通车。到2013年底，我国已建成武广线、郑西线、沪杭线、沪宁线、京哈线、哈大线、京沈线、京沪线等8条高速铁路，总里程达到1.3万km。规划到2020年，我国将建成“四纵四横”总里程达到1.6万km 的高速铁路网。中国的高铁起步相对较晚，但发展迅速，在过去5年间实现了其他国家花费几十年才完成的目标。

在影响高速铁路运行安全的自然灾害中，地震是一种发生概率相对较小，但危害性最大的特殊灾害。高速运动中的列车有巨大惯性，在铁路沿线发生地震时，及时减速和停车对于铁路运行安全具有重要意义，特别是对于高速铁路，速度越快，越需要加强地震安全防护。在已建成及拟建的高速铁路沿线，处于7度以上设防区域内的里程约为8 500km［1］，沿线全部穿越存在发生7级以上地震危险性的地震构造带，仅京沪高速铁路就穿越了4条较大的地震构造带，历史上曾经发生过具有较强破坏性的地震约20次，仅20世纪以来就发生过7 次。就地震危险性而言，京沪沿线区域的发震频率要高于日本［2－3］，因此，开发适合于我国高速铁路的地震预警系统，十分迫切。

1 高速铁路地震预警的意义

2008 年汶川地震发生时，宝鸡—成都（宝成线）铁路109隧道口被由于山体崩塌滚落下来的15 万方土石所掩埋，巨石堵住了隧洞出口，接触网断电。21043 次货运列车正行驶在该铁路线上，司机采取紧急制动操作，但列车仍以每小时20km 的速度撞上巨石，造成机车和38 节车厢脱轨（包括12 节油罐车）。油罐车着火燃烧并伴有零星爆炸［4］，大火持续燃烧了三天三夜（图1）。

2004年10月23日，日本新泻发生6.8级地震，地震报警系统及时给出控车信号，上越新干线一辆正在行使中的高速铁路列车紧急断电、刹车，但由于列车距离震中太近，报警时间太短，车头出轨，所幸没有造成人员伤亡。这是日本新干线自1964 年开通以来，首次在客运中出现脱轨事故［5］。

图1 汶川地震中宝鸡—成都线一列货车在隧道内发生燃烧

在2011年3月11日的日本9级强烈地震中，由于地震预警系统及时发出警告，新干线上所有高速铁路列车（27 辆）都及时停车，没有一列出轨，9 级大地震并未对高铁系统造成巨大损失［6］。

上述事件表明，对于高速铁路只有报警系统是不够的，还需要地震预警系统，而且必须是高效能的预警系统，否则，事故依然不可避免。这几次地震紧急处置的效果不同，其原因是2004 年日本地震预警系统尚未建成，只具有高速铁路沿线地震报警和紧急处置能力；而在2011 年日本地震预警系统已经建成，地震波还未到达高速铁路沿线时已经给高速铁路发出了预警信息，使高速铁路系统获取更多的地震紧急处置时间。由此可见地震预警系统对高铁安全运行的意义。

2 我国高速铁路地震预警系统现状

2004年1月，国务院常务会议讨论并原则通过的《中长期铁路网规划》［7］确定：中国高速铁路发展以“四纵四横”为重点，构建快速客运网络的主要骨架，到2020 年建设高速铁路1.2万km 以上，全国铁路营运里程达到10万km，对主要繁忙干线实现客货分线。同年4月，国务院召开“铁路机车车辆装备问题”专题会议，提出引进时速200km 以上高速动车组技术，中国发展高速铁路的帷幕就此拉开。2008年，中国政府根据我国综合交通体系建设的需要，对2020 年远景目标进一步调整为［8］：全国铁路营业里程达到12万km 以上，建设高速铁路1.6万km 以上。全国铁路总里程为11万km，借助“四横四纵”的交通网络，绝大多数省会城市可以经由高速铁路在8小时内到达北京。

在高铁飞速发展的今天，高铁地震预警系统相对发展滞后，严格意义上说，目前的铁路沿线地震预警系统，还称不上地震预警系统，而是地震报警系统。截止2012年底，我国已经建成或正在建设地震监测预警系统的高铁线路分别为：北京—天津、北京—上海、北京—石家庄—武汉、合肥—蚌埠、哈尔滨—大连、成都—都江堰（和石家庄—太原），总长度超过3 000km，其设计施工单位详见表1。

2.1 高速铁路地震监测报警系统组成（京津线等）

京津城际铁路、京沪高速铁路、京石武客运专线（郑武段）、合蚌客运专线、哈大客运专线的地震监测报警系统结构基本相同，系统主要由监控终端、监控数据处理设备、监控单元、地震监测点（2个强震仪）组成。

（1）监控终端。由应用服务器和人机交互界面组成，实时监控各地震信息采集点的状况，发生报警后进行报警信息处理。监控终端一般包括行车调度终端、工务调度终端、工务段终端。

（2）监控数据处理设备。主要包括数据库服务器、磁盘阵列、应用服务器、时钟服务器、交换机、UPS和监控终端、打印机等。主要负责实时接收监控单元传来的各种信息，进行数据分析、存储、显示、打印等，并根据信息内容提供相应级别的地震报警、预警信息，根据列车运行管制规则提供限速、停运等信息。

表1 高速铁路地震监测系统建设一览表

（3）监控单元。由主机模块、监测功能模型、电源模块、继电器组合模块、防雷单元、UPS电源、机柜等组成。它能够采集地震仪记录的地震信号，进行地震触发判断，并将地震信号和地震监测点的运行状态等信息发送到监控数据处理设备。同时负责接收监控数据处理设备产生的地震报警和预警信息，并发送给向牵引供电系统、信号系统，根据监控单元发出的命令来对地震监测点进行配置管理、设备功能自检等。

（4）地震监测点。每个地震监测点配置2台距离相隔约40 m 的强震仪，每个强震仪由地震传感器（加速度计）和强震动记录器组成。强震仪实时采集地震加速度信息，并传输至监控单元。

2.2 成灌铁路地震监测报警系统（成灌线）

成灌铁路地震监测报警系统之一是由河南辉煌科技股份有限公司、成都高新减灾研究所研发的“地震监控系统”。该系统主要由加速度仪、数采、KSG、报警预警中心、监控界面等组成。其中，预警关键信息产生仪（Key Signal Generator for EEW，KSG）是根据数采所采集到的地震动信号，分析出P波到时、S波到时等地震预警（报警）所需要特征信号的装置。

每个地震监测点配置两套加速度传感器、两套8通道强震仪、两套KSG、一套控制输出器、一套路由器。地震监测设备和地震控制设备交叉互连，即每个强震仪需要采集两个传感器的数据、每个KSG 需要采集两个强震仪的数据。地震波识别算法、预警关键信息产生、地震报警信号生成、控制信号产生等都在KSG 中完成。当有地震预警和报警时，每个KSG 都输出控制信号。当且仅当这二路信号都送到控制输出器时，控制输出器才启动控制接口电路，联动列车控制和牵引变电系统动作。KSG 之间通过数字IO 口交换信息。KSG 与监控主机、KSG与预警服务器之间通过以太网连接。

报警预警中心（预警服务器）主要是服务器上运行的一套预警软件。该软件可以与其他防灾软件运行在同一个服务器上。成灌铁路地震监测报警系统之二是成都市域铁路有限责任公司、中铁二院工程集团有限责任公司、四川旷谷信息工程有限公司、珠海市泰德企业有限公司共同研发的“高速铁路地震监测报警系统”。该系统主要包括地震监测设备、分组联动设备、数据处理及监控设备和传输设备等。具体配置为：

（1）监控终端1台，安装在中铁二院高速铁路地震实验室。

（2）无线网络接收器1台，安装在中铁二院高速铁路地震实验室。

（3）分组联动设备1台，安装在崇义牵引变电所。

（4）2 台地震报警仪设置在成灌线GSM－R 系统PXX－AD01号、AD－JY02号无线基站室外。

2.3 紧急处置方式

紧急处置有两种方式［9］。

（1）列控信号处置方式：地震发生后，地震监测系统触发列控中心地震监测系统接口继电器落下，列控系统控制列车运行。

（2）牵引变电处置方式：地震发生后，地震监测系统触发变电所地震监测系统接口继电器落下，牵引供电系统停止向接触网供电。

2.4 信息传输方式

京津城际铁路、京沪高速铁路、京石武客专郑武段、合蚌客专和哈大客专的地震监测报警系统的信息传输方式相同，与成灌铁路地震监测报警系统有较大差别。高速铁路地震监测报警系统基本网络结构如图2 所示。

图2 高速铁路地震监测报警系统基本网络结构

3 我国高速铁路地震预警系统存在的问题与不足

我国高速铁路地震预警系统建设还处于起步阶段，存在许多问题与不足，具体表现为：

3.1 基于地震S波预警

目前，我国高铁地震监测与预警系统主要采用基于地震S波的加速度阈值触发警报方式［10－12］。高速铁路地震预警系统实时接收台站监测到的加速度实时波形，当地震计检测到的S波加速度幅值超过一定阈值时发出警报，铁路系统采取控车措施。

3.2 铁路沿线预警方式

目前我国高铁预警主要采用“铁路沿线预警”方式［10－12］。即在铁路沿线设置地震监测点，平均每10～20km 设置一个点。每个监测点设有2套监测设备，保证地震信息的可靠性。在沿线单独设置，监测点之间具备双通道网络连接。每个监测点是各自独立工作的，但都与分局预警中心连接，形成地震监测网络（若某一监测站单独发出报警，系统认定为非地震警报信息，以防止误报）。地震报警后还要通过分局相关部门验证，确认后向列控系统发出控制列车运行的信息。此系统的报警准确率高，但是信号的传输环节过多，延时长，且控制中心可能需要人工发出列车制动指令。

“铁路沿线预警”方式，台站布局成线性分布，而不成网状。这样的台网在测定地震参数时精度容易产生误差，同时这种结构也不利于事件识别，即分辨地震信号还是非地震信号时容易混淆；“铁路沿线预警”方式由于台站分布不均，实际上扩大了盲区，降低了监测的时效性。因此，“铁路沿线预警”方式在实施地震预警时容易发生误报或漏报。

“铁路沿线预警”方式，还存在一个致命弱点，就是它无法实现基于P 波的地震预警。目前基于S波的地震预警系统虽然有结构简单、操作容易、投资较低的优势，但其功能相对简单，只提供S波监测体系，还存在着预警时间过短，对靠近铁路的地震预警困难等缺陷。

就本质而言，基于S波的铁路沿线预警其实仅仅是地震报警系统，远没有达到预警系统的要求。要快速地震预警，必须改变当前的铁路沿线预警方式，需要在铁路沿线一定范围内建立监测地震台网，实现多台（3台站以上）基于P波参数测定的地震预警方式。

3.3 数据采集和传输方式

地震系统现有监测网络已实现实时数据采集和传输，但目前超过90%的数据采集器工作模式为“每写满512byte后传输1次”。理论上：24位数据采集器，每秒100个采样点，每秒应产生数据量300byte，1.5s后可进行一次数据传输；但实际操作中，由于采用了stam2压缩算法，数据压缩比率基本在50%或更高，这样做节省了传输信道带宽的使用量，却是以牺牲传输时间作为代价，致使平均写满512byte需要3～6s的时间，也就是说，当破坏性地震发生后，第一批观测数据需要3秒后才能传递出去，而且第二批观测数据也是在下一个3秒后传递出去，大大降低了地震预警的时间效率，无法满足地震预警的需求。地震系统现有的数据采集和传输方式能够满足大地震速报的需求，却无法满足地震预警的需求。

4 高铁地震预警展望

4.1 基于地震P波的地震预警

4.1.1 基于地震P波的地震预警台站布局

要解决S波预警方式预警时间过短的缺陷，最好是采用基于地震P 波的预警方法。该方法通过采用STA/LTA 方法和AIC 方法对P波进行拾取［13］。在对P 波进行拾取后，首先通过单台就可对地震进行初步参数测定，但考虑到该方法出现地震误报的概率较高，通常一个监测点的两个台站均触发，或者接入的地震台网一定半径范围内的三个台站以上均触发才采取控车措施。

基于P 波检测预警可有效提高预警时间。当监测点的地震计检测到P 波时，3～4s之内将推算出地震的震级、深度和震中位置，并对可能遭受灾害的区段发出地震警报，高铁随后实施紧急制动程序，在S波到达铁路沿线之前，使列车停止运行或减速运行。

4.1.2 铁路总公司需要与地震局实现数据资源共享

要实现基于P波的地震预警，单靠铁路沿线台站无法实现，需要地震监测台网有足够的覆盖域和足够的台网密度即在铁路沿线两侧不小于100km内，台站间距不小于25km。要达到这一要求单靠高铁的沿线台站是无法完成的，需要实现地震局监测台网与高铁沿线预警台站数据共享，采用“双网触发”的模式才可以实现基于P 波地震预警系统的效能［14］。

例如，仅仅依靠铁路沿线的强震台站，对于发生在铁路沿线有一定距离的地震，如50km 左右往往震后15s以后才能监测到该地震，但加入中国地震台网观测数据后就可以提高一定的预警时间。如图3所示，对于发生在本地（A 区）及临近地区（C 区）的地震，可以很好地给相邻区域（B 区）正在运行的列车提供预警信息。由于沿线台一般都是建在铁路沿线的强震动土层台，场地条件相对于建于基岩（或井下）的地震台站要差很多，由于场地干扰、仪器灵敏度等原因，只能实现所谓的“阈值预警”［15－16］。

图3 高铁地震预警分区图

4.1.3 地震系统与铁路总公司地震监测数据共享方案设计

根据网络互联设计，从数据传输的安全角度出发，地震系统与高速铁路系统应设置公共数据交换区，两者均可访问该区域，但不可互相访问。

高速铁路系统建立高速铁路预警数据中心，建立公共数据交换区，并通过其与中国地震台网中心进行数据信息共享，其他各高速铁路路局中心从高速铁路预警数据中心获得共享数据。公共数据交换区设置在高速铁路预警中心，并由其进行管理和维护（见图4）。

图4 高速铁路系统和地震系统网络互联示意图

目前中国地震监测系统所使用的地震速报信息分为人工地震速报信息和自动地震速报信息。其中，人工地震速报信息由中国地震台网中心汇集各省级地震台网中心和国家地震台网中心的结果，统一对外发布；自动地震速报信息由中国地震台网中心汇集各自动地震速报分中心的结果，统一对外发布。在不改变现有地震系统运行方式的基础上，遵循统一对外发布的原则，将自动地震速报综合触发结果（AU）和正式地震速报结果（CC/CD）同高速铁路预警系统通过公共数据交换区进行共享。

4.2 未来高铁地震预警展望

4.2.1 智能铁路预警

德国科学家于2007年7月成功研制出新一代的智能铁轨，这种铁轨不仅可以精确测定地震波到达铁路的时间和方位，还可分辨出地震、火车、人或动物所引发的不同震频，从而可以避免人员伤亡［17］。这种新一代智能铁轨由德国卡尔斯鲁厄大学（Universit Karlsruh）等3所大学的科研人员联合研制，它最大的功能就是能及时侦测到前方轨道的险情，指示列车减速或停止。其原理主要通过沿线布置的地震传感器对一定频率范围内的地震波进行实时监测，当超过一定阈值时便将信息发送到中央计算机，通过对相关信息计算分析可对震中位置进行判定，在3s后对地震动强度以及可能的破坏程度作出较精确的判定，并通过对破坏性地震波（S波）到达时间以及破坏半径的判定，对可能出现的轨道断裂和隧道坍塌进行预测。紧接着，中央计算机将在数分钟内创建精确到米的地震规模图，生成对比数据和受损铁路的目录，同时制定出紧急行动计划。在地震达到一定级数之后，中央计算机还会干预交通系统，指示列车停下或减速。

4.2.2 基于高频GPS的地震预警

GPS作为地学研究的一个有力工具，能够不受时间和空间的限制来记录地表位移。长周期GPS通常是利用日均值来为长周期的地壳形变研究提供帮助［18］，例如板块相对运动或冰后回弹等［19］。近期GPS接收机技术和存储能力大幅度提高，软件的不断更新使GPS系统不断完善，目前20km 以内相对静态定位，仅需15～20min；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15km 以内时，流动站观测时间只需1～2min，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟，实时定位速度很快。当地震波经过时，GPS 会直接地观测其运动过程，而且GPS在振幅方面不会产生饱和，高频GPS既能记录秒尺度的地表位移，也可以估计地震产生的同震偏移和应变场需要的地表位移。高频GPS直接测量记录地面点的位移，而不需要综合其他因素［18］。目前GPS接收机的一次定位和测速工作在1s甚至更小的时间内便可完成，较小的时延使其可以应用于地震预警等实时性要求较高的系统。应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50km以内可达10－6，100～500km 可达10－7，1 000km 可达10－9。此外，GPS可连续提供高精度的三维位置、三维速度和时间信息。这使利用高频（1Hz）和超高频（20～50 Hz）GPS实时监测强地震地面运动成为现实，使高频GPS观测不仅可以应用在地壳运动监测和大陆动力学研究中，也可以在地震活动监测、断层破裂过程、乃至地震预警系统中发挥重要作用。

利用高频GPS 实施地震预警，是近年才兴起的新技术。高频GPS与传统GPS定位比较，其定位原理相同，数据处理也采用相同的数学模型，都需要解算整数模糊度。其不同点是研究目标不同、采样率不同、参与计算的卫星个数不同、多余观测数不同、卫星位置对定位精度的影响不同。利用高频GPS实施地震预警有着广阔的前景。

［1］GB 18306—2001.中国地震动参数区划图

［2］刘林，阎贵平，辛学忠，等.京沪高速铁路地震预警系统的方案及关键参数研究.中国安全科学学报，2002，12（4）：75－79

［3］樊艳.京津城际高速铁路地震监控系统技术方案探讨.铁路技术创新，信息技术，2010（5）：116－119

［4］百度百科.宝成铁路109隧道.［2014－06－16］.http：∥baike.baidu.com/link？url＝3vQ8IrAColccJisGHPRh GLUBNFIrfyOuJdBOt－DPx8LO2npFSdm69tsEHbFnbPHlX20HpBKRDcsPD＿k－Db70EK

［5］中国新闻网.日本新泻发生强烈地震 新干线脱轨尚无人员伤亡.［2014－06－16］.http：∥www.chinanews.com/news/2004/2004－10－23/26/497945.shtml

［6］网易财经.日本新干线为何能经受住大地震考验.［2014－06－16］.http：∥money.163.com/11/0712/01/78NMLNFS00253B0H.html

［7］王毅.我国中长期铁路网规划解读.综合运输，2004（7）：12－14

［8］中长期铁路网规划（2008年调整）.综合运输，2008（12）：7－9

［9］王澜，戴贤春，穆恩生，等.京津城际铁路地震紧急自动处置系统方案研究.北京：铁道科学研究院，2006：18－21

［10］袁志祥，单修政，徐世芳，等.地震预警技术综述.自然灾害学报，2007，16（6）：216－223

［11］李山有，金星，马强.地震预警系统与智能应急控制系统研究.世界地震工程，2004，20（4）：21－26

［12］黄媛，杨建思.用于地震预警系统中的快速地震定位方法综述.国际地震动态.2006（12）：336－340

［13］马强，金星，李山有，等.用于地震预警的P波震相到时自动拾取.地球物理学报，2013，56（7）：2313－2321

［14］王喆.高速铁路地震预警及快速反应系统研究.世界轨道交通，2006（6）：4－6

［15］赵树学.我国高速铁路地震监控系统技术方案.铁路技术创新信息技术，2010（5）：108－112

［16］孙汉武，王澜，戴贤春，等.高速铁路地震紧急自动处置系统的研究.中国铁道科学，2007，28（5）：121－127

［17］谭薇.德国智能铁路可预报地震.［2009－07－07］.http：∥www.rfidinfo.com.cn/Info/n13730＿1.html

［18］殷海涛，甘卫军，肖根如，等.利用高频GPS技术进行强震地面运动监测的研究进展.地球物理学进展，2009，24（6）：2012－201

［19］Segall P，DavisJ L.GPS Applications for Geodynamics and Earthquake Studies.Ann.Rev.Earth Planet.Sci.，1997（25）：301－336