动车组车载地震紧急处置装置概述*

于鹏超， 李和平， 曹宏发， 周　军

(1　中国铁道科学研究院， 北京 100081；2　中国铁道科学研究院　机车车辆研究所， 北京 100081)



动车组车载地震紧急处置装置概述*

于鹏超1， 李和平2， 曹宏发2， 周军2

(1中国铁道科学研究院， 北京 100081；2中国铁道科学研究院机车车辆研究所， 北京 100081)

随着我国高速铁路的迅速发展，研发地震防灾系统的必要性愈加突出。在分析国内外高速铁路地震监测预警技术发展现状的基础上，介绍了动车组车载地震紧急处置装置的系统组成、架构和功能。

高速铁路; 动车组; 地震紧急处置装置; 紧急制动

地震发生时，震源会向地表辐射地震波。在地球内部传播的地震波分为P波(Primary Wave)和S波(Secondary Wave);P波传播速度较快，约为6 km/h，引起的震动较小；S波传播速度较慢，约为3.5 km/h，震动和破坏较大。基于以上特点，利用震源附近地震仪(由地震动加速度传感器和记录传输装置构成)观测到的地震初期产生的P波快速估计地震基本参数并预测地震对周边铁路的影响，利用P波和S波的速度差以及电磁波和地震波的速度差，在破坏性地震波到达之前数秒至数十秒发出地震警报和紧急处置信息，使列车及时制动，避免或减轻地震造成的人员伤亡和财产损失。

1　国外高速铁路地震预警技术现状

目前，国外地震紧急处置系统在接到地震报警后，对列车施行控制的模式主要有两种：

(1)以日本新干线为代表的牵引供电系统控制模式，即接到报警后，牵引变电所停止向接触网供电，列车车载装置检测到接触网断电后立即施加制动。

(2)以法国地中海线为代表的列控系统控制模式，即接到报警后，由列控系统发出控制列车运行的信号，自动控制列车施加制动。

1.1日本高速铁路地震预警技术

日本早在1964年建设世界上第一条高速铁路东海道新干线时，就考虑了地震预警系统。系统经过40多年的发展得到不断完善和升级。通过布设在铁路沿线和海岸线的地震仪，采集地震波信息，当检测到P波参数达到报警阈值时，4 s之内将推算地震的震级、深度和震中位置，并在S波到达后进行更为精确的参数计算；系统中继站接收现场发送的地震参数和报警信息，同时接收气象厅的地震监测信息，进行信息的综合处理后，控制牵引变电所切除接触网供电，列车上的车载接触网断电检测装置检知后自动施加紧急制动。此外，中继站还将地震报警信息发送至新干线综合调度所，通过无线通信系统向列车发送制动指令。

日本铁路地震紧急处置策略为：

P波预警：根据地震P波预估地震参数和影响范围，并控制受影响范围的牵引变电所停止向接触网供电。

S波报警：检测到40 gal以上地震动加速度，控制牵引变电所停止向接触网供电。

1.2法国高速铁路地震预警技术

法国地中海线高速铁路位于欧亚板块交汇处，处于地震易发区域，设有地震监测预警系统。该系统通过地震仪采集S波信息，传输至马赛控制中心进行综合处理，在接收到法国原子能委员会发送的地震确认信息后，通过列车运行控制系统向沿线的地面信号设备发送指令，控制列车施加制动或限速运行。

法国铁路地震预警系统设置了两级地震报警阈值：

当地震动加速度40 gal

当地震动加速度g≥65 gal时，列车施加制动至停车。

2　我国高速铁路地震监测预警系统

2.1系统组成

我国高速铁路地震监测预警系统(简称：地震预警系统)主要由地震监测台站(简称：台站)、铁路局地震监测预警中心系统(简称：铁路局中心系统)、系统接口单元、车载地震紧急处置装置(简称：车载装置)组成。

台站布设在铁路沿线的牵引变电所、分区所、AT所附近，包括地震仪、数据采集器、监控单元、配套设备及设备用房。其主要功能是实时监测地震P波和S波，生成地震警报信息，并传输至铁路局中心系统。

铁路局中心系统是地震预警系统的核心中枢，对地震监测数据和报警预警信息进行收集、分析及处理，生成紧急处置信息、误报解除信息及系统恢复信息，并向铁路相关系统发布。

系统接口单元为地震预警系统的外部接口设备，负责实现铁路局中心系统与其他相关系统(通信、信号、牵引供电、国家地震台网等)的互联。主要包括通信接口单元、信号接口单元、继电器等。

车载装置安装于动车组，它实时接收铁路局中心系统发送的地震紧急处置信息并据此控制列车限速运行或制动。

2.2地震紧急处置策略

根据对列车运营的影响程度，将地震等级划分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级，且采用3种独立的控车方式，如表1所示。

表1　中国地震预警系统紧急处置策略

2.3与其他系统的接口

2.3.1与列控系统的接口

如图1所示，地震预警系统通过信号接口单元与列控系统互联。信号接口单元接收来自台站的警报信息和铁路局中心系统的紧急处置信息，当警报等级达到Ⅱ级以上时，控制接口继电器动作，列控地面信号设备根据该继电器的状态对运行列车进行防护并自动触发制动。

图1　地震预警系统与其他相关系统的接口

2.3.2与牵引供电系统的接口

台站综合自身判断的警报信息和铁路局中心系统发送的紧急处置信息，当警报等级达到Ⅲ级时，控制接口继电器动作，牵引供电远动系统快速切除牵引变电所外部电源，使接触网断电。

2.3.3与GSM-R通信系统的接口

通信接口单元是地震预警系统与GSM-R(Global System for Mobile Communications-Railway，铁路数字移动通信)通信系统的接口设备，实现铁路局中心系统与车载装置的互联。通信接口单元同时以GPRS(General Packet Radio Service，通用分组无线业务)和小区广播两种冗余的方式与车载装置进行信息交互。

通信接口单元同时接收铁路局中心系统发布的地震警报信息和车载装置的位置信息，判断车载装置是否处于地震影响范围，进而向车载装置发布紧急处置信息。

2.3.4网络接口

地震预警系统通过专用通信网络与国家地震台网、铁路局调度系统、相邻铁路局中心系统、地震数据综合分析处理平台互联，实现地震警报与紧急处置信息的实时共享，使各系统有机联动，有效增强了地震预警的准确性及系统的响应速度。

3　车载地震紧急处置装置

3.1紧急处置方式

车载装置通过GSM-R通信单元接收铁路局中心系统发布的地震警报信息，并依据警报等级，采取相应的控车措施：

对于I级警报，车载装置向司机发送声光(语音及显示)报警，司机按提示手动施加最大常用制动，限速160 km/h运行。

对于Ⅱ级或Ⅲ级警报，车载装置在向司机发送声光报警的同时，自动触发紧急制动。

3.2系统架构

车载装置由主机和操作终端两部分组成。主机位于动车组电气柜，通过GSM-R接收地震紧急处置信息，并据此触发列车制动。操作终端位于司机室，是车载装置与司机的人际交互设备，主要负责显示和记录车载装置各单元的工作状态和地震警报信息。

3.2.1主机与操作终端的接口

主机和操作终端通过一根配有DB15接口的电缆连接，主机为操作终端提供电源的同时，实现主机和操作终端的CAN通信。如图2所示。

图2　车载装置主机和操作终端的接口

3.2.2主机

如图3所示，主机采用高度为3U的19 in标准机箱，包括背板、电源转换模块、GSM-R通信单元和制动控车单元。各单元采用模块化板卡设计，嵌入式安装于机箱中。

图3　车载装置主机(前端)外形

(1) 背板

背板位于主机机箱的底部，为主机内各板卡提供公共的电源和CAN总线通道。背板通过DIN41612连接器以机械和电气方式与各板卡连接，在起到固定作用的同时，将主机内各板卡有机地结合为一个整体。

(2) 电源转换模块

电源转换模块为主机其他板卡提供不同制式的工作电源，由两块PW02B板组成，采用热备冗余技术。如图4所示，PW02B接收列车DC 110 V电源，将其转换为DC 5 V、DC 12 V、DC 24 V，并通过背板输送至其他板卡。此外，制动控车单元中的CM01B板将背板的DC 24 V引出至主机前面板DB15连接器，供操作终端使用。

(3) GSM-R通信单元

GSM-R通信单元是车载装置与铁路局中心系统的无线接口单元，一方面将铁路局中心系统的地震紧急处置信息转换为CAN信号发送至车载装置各单元，另一方面将车载装置的状态信息转发至铁路局中心系统。

GSM-R通信单元采用完全冗余的两套装置，每一套由GSM-R与GPS组合天线、GSM-R天馈线、GPS天馈线、GSM-R无线通信板和GSM-R通信控制板组成，如图5所示。组合天线安装于动车组头车顶部，通过天馈线与车载装置主机的无线通信板和通信控制板连接。无线通信板通过GSM-R天线与铁路局中心系统进行信息交互，通信控制板通过GPS天线获取时间和位置信息。无线通信板和通信控制板之间通过背板的CAN总线进行数据交互。

图4　车载装置电源系统架构

图5　车载装置主机GSM-R通信单元架构

与地震预警系统的通信接口单元相对应，车载装置GSM-R通信单元的两套装置分别采用不同的工作方式：GPRS方式和小区广播方式，通过这两种方式实现相同的通信功能，有效提高了GSM-R通信的可靠性。

(4) 制动控车单元

制动控车单元通过背板CAN总线接收GSM-R通信单元发送的紧急处置信息，当警报等级为Ⅱ级或Ⅲ级时，触发动车组的EB紧急制动(简称：紧急制动)。制动控车单元由EX01B、CM01B、MC05A 3块板卡组成，各板卡通过背板CAN总线实现数据交互，功能如表2所示。

动车组设有贯穿全列的紧急制动EB环路(简称：环路)，制动系统通过采集该环路的电平状态决定是否施加紧急制动。正常情况下，环路由列车DC 110 V供电，全列不施加紧急制动；当环路失电时，自动施加紧急制动。

表2　车载装置主机制动控车单元板卡功能划分

图6　车载装置主机与动车组制动系统的接口示意图

如图6所示，制动控车单元通过在环路中串入特定的继电器(以下称为：紧急继电器)来控制环路的得失电状态。紧急继电器配有两路联动的触点，一路是常闭触点A，串联于环路中，另一路是常开触点B，用于监测紧急继电器实际的动作状态。紧急继电器由EX01B直接控制，EX01B与动车组制动系统有三路接口：

①端口RO ，EX01B板载继电器输出，可处于开路或短路状态；

②端口BI 1，EX01B板DC 110 V数字量输入，用于判断紧急继电器触点B的状态；

③端口BI 2，EX01B板DC 110 V数字量输入，用于判断旁路开关触点D的状态。

MC05A根据地震紧急处置信息综合判断是否触发紧急制动。当需要触发紧急制动时，MC05A向EX01B发送控制指令，使端口RO处于短路状态，紧急继电器得电激活，常闭触点A断开，导致环路失电，动车组自动施加紧急制动；同时，常开触点B闭合，端口BI 1为DC 110 V。反之，当需要解除紧急制动时，MC05A向EX01B发送控制指令，使端口RO处于开路状态，紧急继电器失电复位，触点A闭合，环路得电；同时，触点B断开，端口BI 1变为0 V。MC05A实时接收EX01B发送的端口BI 1状态，用于紧急继电器的状态监测和诊断。

为避免车载装置故障时造成紧急制动的误触发，在环路中设置旁路开关。该旁路开关配有联动的触点C和D，触点C用于旁路，与紧急继电器的触点A相并联，触点D用于监测旁路开关的状态。正常情况下，触点C和D都处于断开状态，旁路开关不起作用，环路的状态受触点A的控制，此时端口BI 2为0 V；当司机拨动旁路开关时，触点C和D都处于闭合状态，触点A被短路，端口BI 2变为DC 110 V，不论紧急继电器处于何种状态，环路始终处于得电状态(本文不考虑触发环路失电的其他条件)，从而屏蔽了车载装置对制动系统的控制。MC05A实时接收EX01B发送的端口BI 2状态，用于隔离开关的状态监测。

3.2.3操作终端

操作终端设置有四线电阻式触摸屏，采用万向节支架固定在司机室内。操作终端机体如图7所示。操作终端主要有以下功能：

图7　车载装置操作终端外形

显示工作状态，主要包括：车载装置各单元的工作状态、GPRS注册/注销状态、小区广播接收状态、进入/驶离地震监测区域状态、装置隔离状态、GSM-R信号强度等。

显示紧急处置输出状态，主要包括：紧急处置信息接收情况、紧急处置等级、紧急处置类型、环路继电器状态等信息。当收到紧急处置信息时，以声光报警的方式提示司机。

车载装置日志信息管理，操作终端持续接收车载装置各单元发送的状态报文，并按照一定的格式进行存储。主要包括：车载装置工作状态记录、心跳报文接收记录、紧急处置信息接收记录、车载装置控制输出记录和人员操作记录。司机可对这些信息进行查询，用于故障分析。3.3CAN总线系统

车载装置各子系统之间采用标准11 位的CAN总线2.0B协议进行通信，传输速率为250 Kb/s 。

如图8所示，整个总线系统分为两级，第1级：由制动控车单元和GSM-R通信单元组成的背板CAN总线通道，制动控车单元内部的通信、GSM-R通信单元内部的通信以及制动控车单元与GSM-R通信单元之间的通信均通过该级实现。第2级：由操作终端和制动控车单元中的CM01B组成的前端CAN总线通道。CM01B在两级CAN总线中充当“网关”，将主机背板的报文转发至操作终端，同时将操作终端发送的报文转发至背板，从而实现操作终端与主机的信息交互。

图8　车载装置CAN总线架构

3.4总体功能

3.4.1自动触发紧急制动

车载装置主机GSM-R通信单元接收到铁路局中心系统发送的紧急处置信息并转发至制动控车单元，当警报等级达到Ⅱ级或Ⅲ级时，制动控车单元控制紧急制动环路失电，触发紧急制动，同时将紧急继电器的状态发送至操作终端进行显示。

3.4.2紧急制动解除

车载装置主机的GSM-R通信单元接收到铁路局中心系统发送的对应于Ⅱ级或Ⅲ级警报的警报解除、误报解除、震后恢复行车命令，并转发至操作终端进行显示，操作终端提示司机进行人工确认。当司机通过触摸屏按下制动解除功能键后，操作终端向制动控车单元发送缓解指令，制动控车单元控制紧急继电器复位，紧急制动环路恢复得电状态。

3.4.3紧急继电器状态回采

制动控车单元通过监测紧急继电器触点B(见图6)的电平来判断紧急继电器的状态，并结合紧急继电器的控制信号进行故障诊断。当紧急继电器控制信号和回采信号不一致时，形成故障记录并发送至操作终端进行存储和显示。

3.4.4紧急制动隔离

为避免车载装置故障时对动车组行车产生干扰，在司机室设置旁路开关。当司机触发旁路开关时，车载装置失去触发紧急制动的功能。同时，制动控车单元实时监控隔离开关的状态，并将其反馈至操作终端进行存储和显示。3.4.5自检

车载装置的自检由操作终端、GSM-R通信单元、制动控车单元分别独立进行，最后由操作终端汇总各单元的自检结果。自检的内容包括单元工作状态、CAN通信状态、存储器状态等。自检指令源分两种：铁路局中心系统的远程自检指令和司机的人工自检指令。对于前者，GSM-R通信单元将远程自检指令转发至操作终端；对于后者，操作终端触摸屏设有自检功能键，当司机按下时，操作终端生成自检指令报文。操作终端在进行自身自检的同时，通过CAN总线向GSM-R通信单元和制动控车单元发送自检指令，并接收包含自检结果的回执，同时将各单元的自检结果进行显示和存储。

3.4.6复位

操作终端触摸屏设有复位功能键，当司机按下时，操作终端向GSM-R通信单元、制动控车单元发送复位指令，并接收回执信息，之后各单元重新启动。

4　车载装置室内试验

根据车载装置的接口配置需求，在试验室内模拟了地面通信接口单元、列车DC 110 V电源、紧急继电器和紧急制动环路，并与车载装置构成闭环系统。通过上位机模拟发送不同等级的地震警报信息，测试车载装置的响应，形成记录数据，如表3和表4所示。

表3　旁路开关复位(未旁路)时的试验结果

表4　旁路开关动作(旁路)时的试验结果

从测试结果中，可得出以下结论：

(1) 在车载装置未旁路的情况下，当地震警报为Ⅰ级或无警报时，EB环路得电，不触发紧急制动；当地震警报为Ⅱ级或Ⅲ级时，EB环路失电，触发紧急制动。

(2) 在车载装置旁路的情况下，不论是否存在地震警报信息，EB环路始终处于得电状态，不触发紧急制动。

(3) 不论车载装置是否处于旁路状态，当地震警报为Ⅰ级或无警报时，紧急继电器失电复位；当地震警报为Ⅱ级或Ⅲ级时，紧急继电器得电动作。

(4) 紧急继电器得电仅是EB环路失电的必要不充分条件。即紧急继电器得电，不一定导致EB环路失电；而如果EB环路失电，则紧急继电器一定处于得电状态。

5　结束语

车载装置作为动车组上服务于地震预警的专用设备，涉及GSM-R无线通信技术、动车组制动技术、HMI接口技术等诸多领域，大大提升了地震预警系统的紧急处置和控车能力，对我国高速铁路地震监测预警技术的发展具有重大意义。

车载装置于2014年启动研发工作，目前已完成了室内联调测试和型式试验，且安装于中国标准动车组，并将赴大西铁路客运专线开展专项试验，重点验证GSM-R通信的稳定性及紧急处置性能。

[1]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[J]. 中国铁道科学, 2007, 28(5):123-129.

[2]张志方. 我国高速铁路地震预警技术的创新与思考[J]. 中国铁路, 2014, (6):24-27.

[3]中国铁路总公司, 中国地震局. TJ/GW 122-2014, 高速铁路地震监测预警系统暂行技术要求[S].

[4]中国铁路总公司, 中国地震局. TJ/GW 133-2015, 高速铁路地震监测预警系统暂行试验办法[S].

[5]中国铁路总公司. TJ/GW 124-2015, 车载地震紧急处置装置暂行技术条件[S].

Summary of Earthquake Emergency Disposal Device on EMU

YUPengchao1,LIHeping2,CAOHongfa2,ZHOUJun2

(1China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China;2Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

With the rapid development of high speed railway in China, research on earthquake disaster prevention system is becoming more and more significant. Based on the domestic and foreign development of earthquake monitoring and early warning technology of high speed railway, this paper introduces the system composition, structure and function of earthquake emergency disposal device on EMU.

high speed railway; EMU; earthquake emergency disposal device; emergency brake

1008-7842 (2016) 03-0051-05

��)男，硕士研究生(

2015-12-17)

U279.5

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.11

*中国铁路总公司科技研究开发计划(2013G013)