高速铁路与国家地震台网信息接入及资源共享方式研究1

翟璐媛 黄志斌 杨 陈 魏 星 刘晓雨



高速铁路与国家地震台网信息接入及资源共享方式研究1

翟璐媛 黄志斌 杨 陈 魏 星 刘晓雨

（中国地震台网中心，北京 100045）

本文对高速铁路与国家地震台网信息接入和资源共享方式进行了讨论。通过对组网模式和时延的分析及测试，在遵循目前地震系统信息传输模式的前提下，对于实时波形数据，可以根据实际情况采取国家中心型或者省局中心型的方式进行共享，用于高铁系统台站的补充，在地震预警发布阶段使用；对于地震速报信息，可以采取国家中心型的方式进行共享，用于地震信息的确认，在地震预警解除阶段使用。为了减小实时数据传输的时延以适应预警需求，应对数据采集器进行升级，并更新相应的流服务器的仪器适配器。

高铁预警 地震台网 资源共享 预警发布 预警解除

引言

我国是一个地震灾害严重的国家，地震灾害对高速列车运行安全的影响不容忽视，地震预警信息则是保证列车安全的重要手段。随着我国高速铁路建设规模的不断扩大，针对高速铁路建设专用的地震预警系统是其中一项重要的内容。

按照时效性划分，高速铁路地震监控系统一般分为两类：报警系统和预警系统。其中，报警系统主要通过监测S波，当地震动加速度达到一定阈值后发出警报，采取相应应急措施减少灾害损失；而预警系统则是利用P波和S波的速度差（现地预警）、电信号和地震波的速度差（异地预警），在地震发生后，当破坏性地震波尚未来袭的数秒至数十秒之前发出预警，从而采取相应措施，避免重大的人员伤亡和经济损失。

目前，我国高速铁路地震监测系统存在技术水平落后，已建成的地震监测系统仅具备实时报警功能，无预警功能，并且未考虑系统互联互通，监测和报警信息也无法共享等。2012年2月原铁道部与中国地震局签订战略合作协议，成立了高速铁路地震安全技术研发组，对高速铁路地震监测预警中的5个关键技术问题开展研究（周银兴等，2015）。本文主要针对高速铁路与国家地震台网信息接入和共享的方式进行讨论，以求抛砖引玉，希望能得出对于中国高速铁路地震预警系统建设有意义的建议。

1 高铁预警的发展与现状

1.1 国际高铁预警的发展与现状

在高速铁路较为发达的日本、法国、德国、韩国等，均针对铁路运输建立了地震紧急处置系统，以防止或减轻地震灾害对铁路运输安全的危害。其中日本是地震预警发展最为先进的国家。台湾的系统则是从日本引进的（孙利等，2011）。由于我国高铁预警主要参考日本，这里着重介绍日本的高铁预警系统。

上世纪50年代末，日本国家铁路在其所属的铁路干线布设了简单的报警地震仪。1964年10月东海道新干线开始运行，并安装了相同的报警地震仪（宋晋东等，2012；Nakamura，1988；Nakanmra等，2007；Ashiya，2004；Yamamoto，2010）。之后日本对报警地震仪进行了改进，将其安装在1982年投入运行的东北新干线上。目前，日本总共已安装了400余台这类报警地震仪，在常规铁路线上布设间距为40—50km，在新干线上布设间距约20km。但这种报警地震仪具有预警太晚、频繁发布小震警报和非地震警报的缺陷。为此，日本铁道技术研究所研制了新一代的智能型系统：即基于地震P波的紧急地震检测和预警系统UrEDAS（Urgent Earthquake Detection and Alarm System）。考虑到多台站系统的复杂性和网络系统的脆弱性，UrEDAS采用单台信号报警。UrEDAS系统能在检测出P波后的3s内，估计出地震参数（方位角、震中距、深度和震级），然后换算出高速铁路沿线的地震动加速度，以判断是否需要对高速行驶的列车进行管制。此外，考虑到日本附近海域常发生大地震的情况（如日本海中部地震、北海道西南海域地震等），又特别在日本海岸设置了5处P波监测地震仪。2004年10月28日新泻地区发生6.8级地震，UrEDAS系统成功地让5辆高速行驶的列车减速，虽然有1辆列车稍微倾斜脱轨，但未造成人员伤亡，大幅度地降低了地震造成的损失。UrEDAS系统控制信号的传输环节少、可靠性高、实时性强、能在第一时间控制列车制动停车，但如果判断不准则可能发生误报。

2007年10月1日，日本全国性地震紧急速报系统投入运行（Hoshiba等，2008；Kamigaichi等，2009）。截至2009年3月，已有52家铁路公司应用日本气象厅的地震紧急速报信息。这些铁路公司中的大部分通过专用线或卫星通讯将紧急速报信息接入控制中心，利用气象厅提供的紧急地震速报信息为管区内的普通列车提供地震报警服务；部分公司还将自有的新干线地震监测与预警系统信息与气象厅紧急速报系统信息相结合，共同为普通铁路进行地震防灾服务；东海道新干线和东北新干线分别于2008年11月和2012年秋季引入气象厅紧急地震速报信息，为新干线地震紧急处置服务。

1.2 中国高铁预警现状

中国的高速铁路建设起步较晚，但发展迅速。截至2014年底，中国高速铁路里程已达到1.3万公里，形成“四横四纵”的交通网络。目前已建成武广线、郑西线、沪杭线、沪宁线、京哈线、哈大线、京沈线、京沪线等高速铁路，同时还有许多高速铁路线路仍在规划中。

目前，我国已经建成或正在建设地震监测预警系统的分别有：北京-天津、北京-上海、哈尔滨-大连、北京-石家庄-武汉和石家庄-太原，总长度3000余公里。京津城际铁路地震监测系统已建成，正在进行试运行；京沪高速铁路地震监测系统已完成静态验收；哈大客运专线地震监测系统处于施工阶段；沪宁高速铁路、京石武客专、石太高速等设计中均包括了地震监测系统。

目前已建成的高速铁路地震监测台站都是沿线布设的加速度记录仪，只能实现日本的第一代“强震报警”（或阈值报警）。地震监测网络系统则是依附在高速铁路专用内部网络通信系统基础上。各条高速铁路地震监控系统网络自成体系，相互之间没有互联互通；其他设计中的各条高速铁路地震监控系统网络也未考虑系统互联互通，信息无法共享。

2 高铁预警接入国家地震台网的信息需求

如果沿铁路线部署地震监测台站，按照一般地震定位的方法，很难交汇出震中位置。当然也有其它办法解决这个问题，比如单台定位，但其精确度及在预警系统中可操作性会很差。接入中国地震台网的观测台站，实时获取高速铁路沿线规定区域内测震台站的观测数据，可以为快速、准确地确定出地震信息提供条件，为预警后的第二报、第三报等后续警报提供准确的依据。

由于中国地震台网不仅部署于铁路沿线，它在全国基本成网状部署，即使采用S波报警，在某些条件下，也要比只部署于铁路沿线的台站报警时间要短得多。在加入中国地震台网的台站后，能采用离震源更近的台站来做地震预警，其效果要比单纯的高速铁路沿线部署监测站具有明显优势。

高速铁路地震预警系统，必然需要面对最终地震预警信息的确认问题，就现在的技术而言，无论采用S波报警还是P波预警，都会受到其它因素的干扰，比如在短时间内2个临近台站出现不同的大的干扰，是否是地震事件发生的确认，现在最准确的方法是用地震学的方法测定地震参数，若单纯沿铁路线部署台站，很难进行地震定位，因此，当高速铁路地震预警系统发出预警信息后，最终在铁路局中心系统对地震预警信息的确认，还是需要结合中国地震台网的台站数据进行地震学计算，从而得到有关数据，形成运营恢复建议。

此外，对于最终的地震预警信息确认，还需要使用中国地震台网发布的地震速报信息。因此，除了实时波形数据的共享之外，还需要地震速报信息的共享。

3 信息共享方式分析

3.1 信息共享的前提条件

在中国地震局“十五”建设项目完成后，地震系统进行了一系列升级改造，地震实时数据传输模式已形成一整套成熟、稳定的运行机制。在此基础上地震实时数据要与全新的高铁系统进行网络互联，必须要满足一系列相应的前提条件，使得网络互联和数据传输工作按照流程和规则，有条不紊，有章可循。为此，笔者给出了以下几个网络数据传输条件：

（1）地震局台站只汇集到本省的台网中心，不向其它省份的台网中心直接汇集；

（2）省台网中心通过流服务器将实时数据向国家台网中心汇集；

（3）省台网中心之间不进行互联，而是通过国家中心流服务器下载自身所需的实时数据；

（4）国家台网中心从流服务器接收所有省台网中心汇集的数据，不从台站直接接收数据；

（5）国家台网中心负责管理各个省台网中心数据传输情况，省台网中心负责管理各个下属台站数据传输情况；

（6）流服务器传输过程中进行加密、打包，网络信道采用SDH行业网专线传输，保障网络安全；

以上6个条件是地震系统进行成熟、稳定的实时数据传输的基础，同样，在设计地震系统和高铁系统进行信息共享方案时，需要充分考虑以上6个前提条件，确保数据传输的通畅、安全、高效、易行。

3.2 实时波形数据共享方式分析

出于各自系统安全的考虑，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，下面以此为基础来分析实时波形数据的共享方式。

在中国地震监测系统中，地震台站的实时波形数据通过数据采集器汇集至省级地震台网中心，各省级地震台网中心通过流服务器与中国地震台网中心进行数据汇集与共享。在不改变现有地震系统运行方式的原则上，根据数据汇集与共享协议，在高速铁路预警系统配置流服务器，实现实时波形数据共享功能。

综合现有的信息传输模式，实时数据共享方案可分为以下三种。

3.2.1 方案一：国家中心型

国家中心型实时数据共享方案如图1所示。

国家中心型实时数据共享方案中，数据传输经过地震台站传输至省级地震台网中心，再汇集到国家地震台网中心，通过公共数据交换区和高铁路局中心进行数据交换。

3.2.2 方案二：省局中心型

省局中心型实时数据共享方案如图2所示。

省局中心型实时数据共享方案中，数据传输经过地震台站传输至省级地震台网中心，再通过公共数据交换区和高铁路局中心进行数据交换。

3.2.3 方案三：台站直连型

台站直连型实时数据共享方案如图3所示。

台站直连型实时数据共享方案中，数据从地震台站使用网络转换设备，通过公共数据交换区和高铁路局中心进行数据交换。

3.2.4 实时数据信息共享推荐方案

对上述三组互联拓扑类型进行比较分析后发现，若考虑减少数据流中间环节，进而减少出错概率，在这种情况下推荐方案二：省局中心型。若考虑在现有模式下最便于两个系统之间的整合，责权明晰，利于管理和维护，则推荐方案一：国家中心型。上述两种方案均可满足国家地震台网信息接入与资源共享的要求，可在实际工程项目中综合考虑，择优而定。而考虑到台站直连型尽管环节较少，但改造所需的工程量及费用巨大，在此不作推荐。

3.3 地震速报信息共享方式分析

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，中国地震台网中心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。根据信息汇集与共享协议，在高速铁路预警系统相关单位配置地震速报信息共享服务器，通过配置在公共数据交换区的地震速报信息共享服务器进行信息共享。地震速报信息共享方案如图4所示。

3.4 国家地震台网信息共享效果

根据数据信息共享方案设计，中国地震监测系统运行方式不变，仅在中国地震台网中心或者省级地震台网层面与高速铁路预警系统通过公共数据交换区实现实时波形数据与地震速报信息（包括自动地震速报与人工地震速报）共享。中国地震监测系统接收高速铁路预警台站实时数据，作为地震监测台站的补充使用；高速铁路预警系统接收所需的中国地震监测系统台站实时数据，作为高速铁路预警系统使用；接收中国地震台网中心发布的自动地震速报信息和人工地震速报信息，作为高速铁路预警警报的初步解除和确认解除的条件之一使用。共享建设完成后，高速铁路预警系统效果如图5所示。

4 国家地震台网信息接入时延分析

下面对第三节所述的三种数据信息共享方案（方案一：国家中心型；方案二：省局中心型；方案三：台站直连型），分别分析实时数据在国家地震台网到高速铁路监测预警系统整个流程中的传输时延，以便为进一步的研究提供依据。

4.1 方案一：国家中心型

国家中心型的数据传输流程如图6所示。其具体流程为：地震实时波形数据从产生到地震数采记录，经省级中心的流服务最后传输到中国地震台网中心，再由中国地震台网中心传输至高铁路局中心流服务器，最后由地震预警处理系统接收。

从图6可以看出，数据传输时延主要包括以上6个：数据采集器打包时延1；数据传输网络时延2；仪器适配器打包时延3；省级台网流服务器到台网中心流服务器网络时延4；台网中心流服务器到高铁路局中心流服务器时延5；地震预警处理系统网络时延6。

时延1由数据采集器决定。此部分时延分为两个部分：数据长度本身和数据打包时间。现阶段中国地震台网大部分数采所采用的打包方式为总数据量达到512字节时，整体进行传输。因为采用STEIM压缩算法，所以512字节所包含的采样点数变化较大，平时的地面噪声因台基差距，512字节的采样点数多在350—450之间，而地震时压缩率大大降低，甚至完全不能压缩，现有台网设置的采样率为100点，在大部分情况下，数据长度大约为3—4s，而在地震发生时会稍短些。为了适应预警的需求，中国地震局“背景场项目”开始使用新一代数采，如港震公司的EDAS-24GN和REFTEK公司的130-REN-3数采可以采用0.2s打包的方式，加上数据本身的0.2s，此部分最小时延为0.4s。数采打包时间与数采本身的性能和打包方式有关，在目前的情况下大部分数采打包时间都能控制在1s以内。

时延2由地震台站到省级台网的网络决定。现阶段地震台站到省级台网数据传输网络主要有SDH、MSTP、3G、卫星等。其中，有线专网（SDH、MSTP等）传输时延一般在10ms左右；3G一般在100ms以内；卫星一般在300ms以内。总体来说，此部分时延大部分在10ms到300ms之间，一般不会超过1s。

时延3由仪器适配器的打包方式决定。与目前数采的打包方式相同，现阶段使用的仪器适配器采用的打包方式为512字节一个包进行对外服务。如果接收到的数采发过来的数据包为512字节，则立即对外进行发送，此时的时延仅为计算机处理时间，单位为ms级；如果数据包不满512字节，则要等到满512字节再对外服务。在目前的情况下，即使采用最新的数采进行0.2s打包，在此环节仍要以512字节的方式进行对外服务。

时延4由省级台网到台网中心的网络决定。目前此部分网络主要为行业专线，大部分时延在30ms左右或者更少，少数时延较长的一般也不会超过60ms。

时延5由台网中心与高铁路局中心网络决定。目前此部分网络主要为行业专线，大部分时延在30ms左右或者更少，少数时延较长的一般也不会超过60ms。

时延6由高铁路局中心内部网络决定。由于是局域网内部，此部分时延一般在10ms以内。

总体来说，时延2、时延4、时延5和时延6为网络时延，总时延一般不会超过1s；而时延1和时延3分别对应为数据采集器硬件打包时延和仪器适配器的软件打包时延，由于存在瓶颈效应，一般在4s左右；再加上计算机处理时间，目前台站数据到处理系统的时延一般为6s左右。

4.2 方案二：省局中心型

省局中心型的数据传输流程如图7所示。其流程为：地震实时波形数据从产生到地震数采记录，经省级中心的流服务传输至高铁路局中心流服务器，最后由地震预警处理系统接收。

与国家中心型相比，省局中心型时延少了省级台网到台网中心这部分，其它时延均相同，该部分时延通过上节分析大约为30ms左右，一般不超过60ms。总体来说，目前采用省局中心型数据传输方式台站数据到处理系统的时延一般为6s左右，仅比国家中心型时延少30—60ms。

4.3 方案三：台站直连型

台站直连型的数据传输流程如图8所示。其具体流程为：地震实时波形数据从产生到地震数采记录，通过公共数据交换区直接传输至高铁路局中心流服务器，最后由地震预警处理系统接收。

台站直连型数据由台站直接到高铁路局中心流服务器，与省局中心型相比，台站直连型时延少了台站到省级台网中心这部分，其它时延均相同，通过4.1节的分析，该部分时延大约在10—300ms之间，一般不超过1s。总体来说，目前采用省局中心型数据传输方式台站数据到处理系统的时延一般为5s左右，仅比国家中心型时延少40ms—1s。

4.4 数据时延测试

为了验证前面对于数据时延的分析，笔者在位于中国地震台网中心的1台服务器上做了一个简单的测算。具体方法如下：将该台服务器的时间进行网络授时，尽可能地保证时间的准确性，对实时数据流进行简单的解析，用当前时间减去数据头的时间，每隔一分钟统计一次，并持续统计一段时间，得出各台站的时延的平均值。对于统计数据，去掉了一些因为GPS错误和网络堵塞续传等原因造成较大时延的不合理结果，使用一天的平均时延绘制了台站数据传输时延分布图（见图9）。

从图9可以看出，去除个别异常点外，大部分台站的数据传输时延为4—10s，其中以6—8s为最多（约占55%），时延较大的原因可能与数采和流服务器的设置有关，也有部分是由于网络堵塞后进行断点续传造成的，基本符合前面的分析。而对于数据异常点（负值或者平均时延大于200s的），经过逐一排查，都是由于台站GPS故障造成的。

5 结论与建议

通过以上分析可得出如下结论：

（1）国家地震台网信息接入网络互联方案推荐“方案二”和“方案一”，而“方案三”可行性较差，不予推荐。若考虑减少数据流中间环节，进而减少出错概率，在此种情况下推荐“方案二”；若考虑在现有模式下最便于两个系统之间的整合，权责明晰，利于管理和维护，则推荐“方案一”。两种方案均可满足国家地震台网信息接入与资源共享的要求，可在实际工程项目中综合考虑，择优而定。

（2）国家地震台网与高速铁路地震监测系统地震速报信息共享采取国家中心型的方式，高速铁路系统从国家地震台网中心接入自动速报信息和正式速报信息，用于地震预警信息的初步解除和确认解除。

由于地震实时波形数据传输时延主要发生在地震数据采集器的打包和流服务器适配器上传方面。因此，为了更好地满足高铁预警需求，应降低数据传输时延，为地震P波预警创造条件；为了建成高效实用的高速铁路地震预警系统，重点应改进和升级地震数据采集器和流服务器的适配器。

宋晋东，李山有，马强，2012. 日本新干线地震监测与预警系统. 世界地震工程，28（4）：1—10.

孙利，钟红，林皋，2011．高速铁路地震预警系统现状综述．世界地震工程，27（3）：89—96．

周银兴，张素灵，郭凯，张岩，2015．高速铁路地震预警系统控车方案研究．震灾防御技术，10（1）：116—125．doi：10.11899.

Ashiya K., 2004. Earthquake alarm systems in Japan railways. Journal of Japan Association for Earthquake Engineering, 4 (3): 112—117．

Hoshiba M., Kamigaichi O., Saito M. et al., 2008. Earthquake early warning starts nationwide in Japan. EOS, Transactions, American Geophysical Union, 89 (8): 73—80.

Kamigaichi O., Saito M., Doi K. et al., 2009. Earthquake early waming in Japan: warning the general public and future. Seismological Research Letters, 80 (5): 717—726.

Nakamura Y., 1988. On the Urgent Earthquake Detection and Alarm System (UrEDAS). See: Proc. 9th World Conf. Earthq. Eng., 7: 673—678.

Nakanmra Y., Saita J., 2007. UrEDAS the earthquake warning system: today and tomorrow. Earthquake Early Warning Systems: 249—281.

Yamamoto S., 2010. Earthquake early warning systems for railways in Japan (Abstract). Earthquake and Tsunami Early Warning Applications workshop, Istanbul, Turkey.

Research of High-Speed Railway System and National Earthquake Network on Information Access and Sharing Method

Zhai Luyuan, Huang Zhibin, Yang Chen, Wei Xing and Liu Xiaoyu

(China Earthquake Networks Center，Beijing 100045，China)

In this article we discussed the high-speed railway system, national earthquake network information access, and resource sharing methods. In earthquake early warning release we may use National center or Province center for real-time waveform data sharing according to practical situation under the currently earthquake system information transmission mode for high-speed railway system station supplement. In earthquake warning remove, we can use National center type for sharing earthquake information confirmed. In order to reduce real-time data transmission delay to accommodate the early warning, we should upgrade data recorder instruments and streaming server adapters as well.

High-speed railway earthquake warning; Earthquake network; Resource sharing; Earthquake warning release; Earthquake warning remove

高速铁路地震监测预警关键技术研究——国家地震台网信息接入与资源共享技术研究（2012T001-3）

2015-02-07

翟璐媛，女，生于1982年。2006年毕业于中国科技大学，工程师。主要从事地震监测及台网管理等工作。 E-mail：zly@seis.ac.cn

黄志斌，男，生于1968年。研究员。主要从事地震监测、学科管理和测震台网中心技术系统建设等方面的研究。 E-mail：13910278015@139.com