高速铁路地震预警系统紧急处置信息快速生成算法

杨 林

(中国铁道科学研究院 通信信号研究所，北京 100081)

地震是危害最大的自然灾害之一，随着我国大范围开通高速铁路，较小震级的地震对路基、轨道、桥梁等的冲击都可能会导致危害旅客生命安全的重大事故[1]。地震发生后如果能快速生成紧急处置信息，将大大降低旅客生命财产损失。因此，开展高速铁路地震预警系统的研究，快速实施地震紧急处置，对提升高速铁路安全水平具有重大的意义。

目前，日本(Osamu等[2])、美国(Wurman等[3])、意大利 (Zollo等[4])以及我国台湾地区(wu等[5])等多个国家和地区都已经建立起地震预警系统，通过预警系统减轻地震危害。然而，既有的研究主要是针对地震预警，还没有对紧急处置特别是针对高速铁路的紧急处置开展研究。我国的高速铁路具有线路里程长、运营线路多的特点，地震发生后，快速确定影响线路及其范围，从而形成紧急处置信息具有较大的难度，因此，有必要研究一种紧急处置信息生成算法。该算法可根据地震警报信息快速生成紧急处置信息，并将处置信息迅速发送到相应的动车组及列控、牵变系统中，从而最终实现高速铁路地震的快速紧急处置。

本文基于我国高速铁路地震预警监测系统的结构和功能，提出1种高速铁路地震预警紧急处置信息生成算法，并将该算法应用于高速铁路地震预警监测铁路局中心系统的紧急处置模块中和现场地震试验中，验证该算法的合理性和有效性。

1 高速铁路地震预警监测系统主要结构及功能

高速铁路地震预警监测系统采用2级架构[6]，第1级为铁路局中心系统，第2级为现场监测设备，如图1所示。

图1 高速铁路地震预警监测系统总体结构图

现场监测设备设置在铁路沿线，其功能主要是用于监测地震动，进行地震预警、报警，并发送到铁路局中心系统。每个铁路局有1个中心系统，接收现场监测设备和相关系统传输的预警、报警等信息，对这些信息进行综合处理与分析，快速生成紧急处置信息，并根据不同处置级别采取不同的地震紧急处置措施，包括通过GSM-R网络发送到动车组车载地震紧急处置装置实现动车的限速或者紧急制动、通过地震信号接口触发列控系统动作实现动车紧急制动、通过地震牵变接口(牵引供电系统接口)触发牵引供电系统动作实现接触网断电。铁路局中心系统由接口服务器、紧急处置服务器、数据库等服务器及相应的系统软件和应用软件等组成。地震发生后，铁路局中心系统计算地震影响范围，自动生成紧急处置信息并将信息发送到相应的动车组、信号接口和牵变接口中，实现地震的紧急处置。信号接口和牵变接口是沿高速铁路线路布置的，其地理位置是固定的；动车组是沿线路行驶的，某一时刻其具体地理位置也是确定的；因此，在地震发生后，迅速确定地震影响的线路及其范围，根据处置规则形成紧急处置信息，即可实现地震的快速处置。

2 高速铁路地震预警紧急处置信息快速生成算法

该算法采用曲线拟合方法建立平面坐标系下高速铁路线路的曲线方程；基于地震动能量衰减方程，建立平面坐标系下地震影响范围的圆曲线方程；求解这2个曲线方程组成的方程组，得到这2条曲线2个交点的坐标值，将坐标值转换为经纬度再转换为公里标，得到这2个交点之间的一段高速铁路线路，该段线路即为地震对高速铁路线路的影响范围；再依据高速铁路预地震警紧急处置原则，生成高速铁路地震预警紧急处置信息。

2.1 高速铁路地震预警紧急处置规则

国外高速铁路地震紧急处置的模式主要有2种：一种是列控系统控制模式，即接到报警时，由列控系统发出控制列车运行的信号，自动控制列车停止运行；另一种是牵引变电系统控制模式，即接到报警时，牵引变电所停止向列车供电，列车检测断电进行制动直至停止运行[7-8]。

国内既有高速铁路地震监测系统采用的紧急处置模式是：接到阈值报警时触发信号系统控制列车实施紧急制动，同时触发牵引供电系统停止向接触网供电，即这2种控车方式并举的模式[9]。新研发的高速铁路地震预警系统采用三级处置模式实现控车，由低到高分别为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ级，如图2所示。

图2 高速铁路地震预警监测系统紧急处置流程

高速铁路预警地震紧急处置规则为：铁路局中心系统在收到地震警报信息后，预测地震加速度峰值，并确定其影响地理区域范围；对于地震加速度峰值在40～80 gal内的地理区域，通过GSM-R向该区域内的动车组地震车载装置发送Ⅰ级处置信息，司机根据该信息手动施加最大常用制动，至列车限速160 km·h-1运行；对于地震加速度峰值在80～120 gal内的地理区域，分别通过GSM-R和网络向该区域内的动车组车载地震装置和信号接口[10]发送Ⅱ级处置信息，触发列控系统自动实施紧急制动停车；对于地震加速度峰值大于等于120 gal的地理区域，除向该区域内的动车组车载地震装置和信号接口发送处置信息自动实施紧急制动外，还向该区域内牵变接口发送Ⅲ级处置信息，触发牵引供电系统进行接触网断电。

2.2 高速铁路线路的曲线方程

车载地震装置、信号接口、牵变接口的地理位置是由高速铁路线路的地理位置决定的，高速铁路线路的地理位置是采用公里标表示的；而地震震源点的地理位置是采用经纬度表示的。因此，采集高速铁路线路上的数据点，以这些点的经度作为横坐标的值，纬度作为纵坐标的值，将其转换为平面坐标系下的数据点；从数据点中提取有效特征点，通过曲线拟合，得到平面坐标系下高速铁路线路的曲线方程，具体步骤如下。

1)高速铁路线路有效特征点提取

基于GPS采集模块，自高速铁路线路下行方向的起点开始，以1 s为间隔时间，按照线路允许运行速度，沿着下行方向对实际线路采集数据点，并以其起点作为坐标原点，将其转换成平面坐标系中的数据点，并定义自起点A0至终点Am各点的坐标依次为A0(x0,y0),A1(x1,y1), …，Ai-1(xi-1,yi-1),Ai(xi,yi),A1+1(xi+1,yi+1), …，Am(xm,ym)。

采集高速铁路线路上数据点的密度越大，定位的高速铁路线路的地理位置越准确。但是，目前我国高速铁路线路累计里程较长，2017年达到2.5万km，若采集密度过高，数据量会相当大，从而导致路局中心系统计算时间较长，影响算法效率，延长地震处置信息生成时间，对地震紧急处置不利。因此，应在高速铁路线路上选取有限的特征点[11-13]，通过特征点来描述线路地理位置。

高速铁路线路主要由直线、曲线和缓和曲线组成。曲线的曲率描述了曲线弯曲的变化程度，曲率越大，表示曲线的弯曲程度越大，曲率为0，表示为直线。因此，曲线特征点的提取可以通过计算曲线的曲率，选择曲率较大的点来获取。

首先选取线路的起点A0和终点Am作为特征点，自起点A0开始直至终点Am结束，逐段计算线段A0A1，A1A2，…，Ai-1Ai,AiAi+1，…，Am-1Am的斜率值，并求两者的差值ki。给定1个阈值ε，当ki≥ε时，说明曲线在i点的曲率变化较大，则提取该点作为特征点，反之则不作为特征点。ki的计算公式为

ki=|ki,i+1-ki-1,i|

(1)

2)剔除异常点

特征点提取后，由于采集过程和方法等的影响，致使一些数据存在误差，具体表现为曲线中的某一点严重偏离线路位置，因此应将其剔除。剔除异常点的方法为：计算该点与前、后两点连线的距离的比值α，若比值突变，则该点为异常点，应将其剔除。比值α的计算公式为

(2)

其中，

式中：di,i-1为点Ai至点Ai-1与点Ai+1连线的垂直距离；di,i+1为点Ai-1与点Ai+1连线的距离。

以京沪高速铁路北京南到德州东段线路为例，按照上述方法，基于GPS采集模块共采集数据点5 788个，通过特征点提取并剔除异常点，得到有效特征点391个。分别以全部数据点和有效特征点绘制线路曲线，如图3所示。由图3可知：2条曲线比较接近，失真较小，经度和纬度的坐标最大误差均小于0.05，说明在系统中可以采用有效特征点描述高速铁路线路。

图3 由全部数据点与有效特征点绘制线路曲线的对比

3)建立高速铁路线路的曲线方程

根据高速铁路线路曲线构成的特征，对选取的高速铁路线路有效特征点，采用最小二乘多项式数据拟合方法进行数据拟合，得到高速铁路线路曲线方程为

(2)

式中：ck为拟合参数；n为拟合方程的阶数。

仍以京沪线北京南到德州东段为例，针对提取的391个有效特征点，采用最小二乘多项式进行数据拟合，得到此段线路的曲线方程为

y=62.3x6-43.2x5+63.1x4+305.3x3-37.6x2+18.7x+6 735

(3)

2.3 地震影响范围的圆曲线方程

地震发生后，路局中心系统汇聚沿线各个台站的P波预警信息，通过多台站P波预警算法，预测震级和震中位置，根据地震动能量衰减方程，快速计算地震影响范围。地震动能量衰减方程为[14]

lga=β1+β2M+β3M2+β4lg(R+β5exp(β6M))

(4)

式中：a为地震加速度；M为震级；R为震中距；β1，β2，β3，β4，β5，β6为回归系数。

由式(10)推导可得震中距R的计算公式为

(5)

将地震影响范围可近似看作以震中距R为半径，以震中(xe,ye)为圆心的圆，则该圆在上文平面坐标系中的圆曲线方程为

(x-xe)2+(y-ye)2=R2

(6)

2.4 建立联立方程组

在平面坐标系中，铁路线路曲线与地震影响范围圆曲线会有2个交点，这2个交点之间的铁路线路即为高速铁路线路的地震预警处置范围。因此，联立式(2)和式(6)，并将式(5)代入式(6)，建立方程组式(7)，求解该方程组，即可得到2个交点的坐标。

(7)

2.5 处置信息生成

将加速度峰值40，80，120 gal分别作为a的值，求解方程组式(7)，即可得到40 gal≤a<80 gal，80 gal≤a<120 gal，a≥120 gal的地震动加速度影响范围圆曲线与高速铁路线路曲线的6个交点A，A′，B，B′，C，C′的坐标，如图4所示。

图4 高速铁路线路地震预警处置范围示意图

将这6个点的平面坐标值转换为该点的经纬度，再将其转换为铁路线路的公里标，得到铁路线段AA′，BB′，CC′，该3段线路分别就是Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ级高速铁路线路的地震预警处置范围。再根据线路与车载地震装置、信号接口、牵变接口的对应关系，结合处置规则，最终形成地震预警紧急处置信息。

因高速铁路线路的地理位置是固定的，所以可采用本文的方法预先对全路所有的高速铁路线路建立曲线方程，并输入到计算机内存中。当地震发生时，采用本文方法，则可以快速生成地震预警紧急处置信息。

3 系统测试与现场试验

3.1 系统测试

为验证本文方法的合理性和有效性，借助于在实验室搭建的包括地震预警信息仿真软件和铁路局中心系统的测试平台，由地震预警信息仿真软件生成以20 ms为间隔的地震预警信息，将该地震预警信息输入路局中心系统生成紧急处置信息，进行连续24 h的测试。测试结果为：共生成紧急处置信息4 320 000条，并统计每条紧急处置信息生成时间的概率分布，结果如图5所示，其中，所用时间在10～20 ms的占50%， 0～10 ms的占26%，最大值为40 ms，所用时间的算术平均值为18 ms。可见，其远远小于TJ/GW 147—2016《高速铁路地震预警监测系统暂行技术条件》中对路局中心系统紧急处置时间100 ms的要求。

图5 紧急处置信息生成时间的概率分布

3.2 现场试验

从2015年7月至2017年8月，在大西综合试验线，对高速铁路地震预警系统进行了28次地震模拟试验，其中包括3次单台站、15次多台站和9次全系统的控车试验和1次地震预警系统应急演练。发送测试地震波15 770条，生成紧急处置信息113 790条[18]，其中紧急处置信息生成时间的最小值为5 ms，最大值为40 ms，算术平均值为27 ms。可见所用时间均小于100 ms的要求，说明铁路局中心系统生成地震紧急处置信息具有较高的实时性。

4 结束语

本文基于高速铁路地震预警监测系统主要架构和功能，提出了一种高速铁路地震预警监测系统紧急处置信息快速生成算法。此算法是在平面坐标系下，通过曲线拟合的方法建立高速铁路线路的曲线方程，基于地震动能量衰减方程建立地震影响范围的圆曲线方程；联立2个方程组成方程组，求解方程组确定地震影响的线路范围；再对应紧急处置规则，生成紧急处置信息。该算法已在高速铁路地震预警系统综合试验中得到了验证，可以有效地缩短地震紧急处置信息生成时间，真正实现了将地震动信息快速转换为紧急处置信息，提高了地震预警紧急处置效率。

另一方面，由于我国高速铁路线路较长，线路空间位置关系复杂，采用最小二乘法进行曲线拟合时，会出现个别区段难以保证精度的情况，建议下一步对复杂线路采用分段建模分段拟合的方法，以保证曲线拟合的精度，从而进一步完善该算法。

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