高速铁路地震预警系统与地震台网融合预警技术研究

杨 林，刘志明，张格明，胡兆冰

（中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所，北京100081）

0 引言

我国作为地震频发的国家,一直很重视地震对列车安全运营的影响,我国既有的地震监测系统仅具备S波报警功能,在地震发生时,通常不能及时对运行的列车进行有效处置。为了提升高速铁路地震预警水平,2012年以来全面开展了高速铁路预警技术研发及线路试验,目前高速铁路地震预警系统[1]已经在大西高速铁路(大同南—西安北)综合实验段通过地震预警综合试验。高速铁路地震预警系统具备P波预警和阈值报警等功能,通过牵变接口、信号接口和车载地震紧急处置装置实现三级处置,控制列车限速或者紧急制动,已经在中国铁路太原局集团有限公司正式上线运行及全路推广应用。

由于我国地震基本烈度VI度及VII度以上地区占国土总数的32.5%,高速铁路仍然不可避免地存在跨越或临近地震断裂带。因此,在我国高速铁路覆盖范围大、运行速度快,运行密度高的情况下,亟需进一步提升高速铁路地震预警系统对地震灾害的预防和应对能力[2-3]。高速铁路地震预警系统已经解决了地震预警及紧急处置信息快速发布的问题,但由于我国高速铁路地震预警系统的台站布设受客观条件制约,安装的数量有限且近似线性布设在高速铁路沿线,导致基于多台站地震参数快速估计因台站线性分布而出现奇异性问题,对地震预警的准确性会产生一定的影响,因而迫切需要增加更多的、准确的实时地震监测数据。而中国地震台网中心(以下简称“地震台网”)台站布设在断裂带附近,距离震中更近,并且均选择在符合国家地震标准的台址建站,其环境条件优于高速铁路沿线,所获取的地震动信息更加迅速和准确。因此,应促进高速铁路地震预警系统还和地震台网之间进行互联互通,实现高速铁路地震预警系统接收地震台网地震预警信息、超快速报等信息,以缩短预警信息产出时间,提高高速铁路地震预警和紧急处置的实时性和准确性。

目前,地震台网正在全国范围内实施“国家地震烈度速报与预警工程”,对外可提供地震预警信息、地震速报信息、S波报警信息、地震动参数等信息。因此,针对高速铁路地震预警系统,应加快研究地震台网信息的安全接入与预警技术,以实现对地震台网信息的综合利用,提高我国高速铁路地震预警系统的准确性和时效性。

1 高速铁路地震预警系统与地震台网互联方案设计

1.1 总体架构

高速铁路地震预警系统与地震台网之间采用总对总的接口方式进行互联[4],在中国国家铁路集团有限公司(以下简称“国铁集团”)设立地震台网专用接口,敷设专线接收地震台网的地震信息,根据一定的规则分发到相关的高速铁路地震预警监测铁路局集团公司中心系统中,由铁路局集团公司中心系统对地震台网信息进行综合处理,结合自建线路台站地震警报信息,生成紧急处置信息,向相应目的地发送。同时,铁路局集团公司中心系统汇聚各线监测台站信息,通过国铁集团设立的地震台网专用接口,向地震台网发送高速铁路地震预警系统地震信息,可为地震台网补充数据,为国家防灾减灾系统工程的建设提供数据支撑。高速铁路地震预警系统与地震台网信息交互总体架构图如图1所示。

1.2 组网方案

分别在国铁集团和中国铁路广州局集团有限公司设立地震台网专用接口,接收地震台网和灾备中心发布的地震信息。专用接口采用专用传输通道连接地震台网,网络接口采用FC接口。地震台网专用接口和各高速铁路地震预警监测铁路局集团公司中心系统通过铁路数据通信网专用VPN组网,通道冗余设置,网络接口采用FE接口。高速铁路线路自建台站通过铁路传输网进行数据传输,在车站处设立汇聚节点,接入铁路数据通信网,与铁路局集团公司中心系统进行信息的交互,其网络接口采用FE接口。

地震台网专用接口需要实时接收地震台网监测波形等数据,其数据交换量较大,实时性要求较高,按照每个台站0.5 s发送一次数据,单台站每秒最大数据量约为20 K左右,考虑地震台网规模和铁路预警就近接入需求,网络带宽设为不低于100 M,可满足高速铁路地震预警系统需求。

地震台网专用接口和铁路局集团公司中心系统属于铁路信息系统,通过设立一对接入路由器连接地震台网,其IP地址统一规划为铁路数据网IP地址,地震台网IP地址规划遵循其行业规定。

图1 高速铁路地震预警系统与地震台网信息交互总体架构图Fig.1 Overall framework of information interaction between high-speed railway earthquake early-warning system and Chinese Seismic Network Center

高速铁路地震预警系统与地震台网互联网络拓扑架构图如图2所示。

图2 高速铁路地震预警系统与地震台网互联网络拓扑架构图Fig.2 Internet topology architecture of high-speed railway earthquake early-warning system and Chinese Seismic Network Center

1.3 信息安全交换方案

中国地震台网信息系统属于地震专网,地震台网专用接口属于铁路专网,双方进行互联的过程应考虑信息安全交互的需求,一方发送故障不影响另外一方的日常运营,应设立信息安全交换区的方式来保障双方进行信息的安全交互。高速铁路地震预警系统与地震台网信息安全交互如图3所示。

由图3可知,在双方的信息安全交换区,通过设立DMZ区域进行信息交换,在满足信息传输效率的同时,不进行系统间直接互联,保证各自系统的独立性。在DMZ区,地震台网和地震台网专用接口各自设立接口服务器,采用消息中间件的方式实现信息的快速交换,在DMZ区域外彼此通过网闸[5]进行隔离,以保证信息传输的安全性能。在应用层面上,通过信息加密、传输通道加密来实现双方之间的信息安全交互。

图3 高速铁路地震预警系统与地震台网信息安全交互Fig.3 Information security interaction between high speed-railway earthquake early-warning system and Chinese Seismic Network Center

2 高速铁路地震预警系统与地震台网融合预警技术

2.1 地震台网信息的利用

地震台网通过中国地震台网信息系统实时向高速铁路地震预警系统发送台站监测波形数据、预警信息、报警信息、速报信息、地震动参数、地震台网台站实测峰值等信息。地震台网为高速铁路提供的信息如图4所示。

图4 地震台网为高速铁路提供的信息Fig.4 Information provided by the Chinese Seismic Network Center for high-speed railways

在地震台网台站布局稀疏的区域,地震台网预警能力不足,进行地震预警时效性相对较差,高速铁路地震预警系统可以根据沿线台站分布位置,在地震台网选择距离高速铁路线路一定距离内的部分监测台站,和高速铁路台站一起组成网状布局,利用地震台网和高速铁路台站实测波形数据,进行地震P波预警。

对于地震台网预警信息,高速铁路地震预警系统可以直接利用,生成紧急处置信息并向相应的车载、列控、牵变系统发送。地震台网发送的速报信息包括3种类型：超快速报、自动速报、人工确报。高速铁路地震预警系统可直接利用超快速报进行紧急处置；自动速报主要用于地震事件确认,当高速铁路地震预警系统自身台站发出预警信息,如果在一定时间段内没有收到地震台网的速报信息,则可认为此次地震事件为误报,高速铁路预警系统可即刻进行地震误报解除；人工确报主要用于高速铁路地震预警系统的警报解除。

2.2 地震台网信息的分发

高速铁路地震预警系统隶属于各铁路局集团公司,日常的运营维护是以铁路局集团公司为单位进行实施的,因而当发生地震时,地震台网给出预警信息,通过地震台网专用接口发送到受影响的铁路局集团公司尤为重要,如通常北京发生了地震,其信息必须发送到中国铁路北京局集团有限公司,如果地震震级够大或者地震发生在几个铁路局集团公司交界处,其信息可能需要发送到受影响的多个铁路局集团公司,各铁路局集团公司中心系统收到地震信息后,再计算受影响的高速铁路线路,进行相关紧急处置。因此,对于地震台网发送的地震信息,其分发规则是：地震台网专用接口接收到地震台网地震信息后,计算此地震事件影响铁路局集团公司范围,将信息发送到受影响的高速铁路地震预警监测铁路局集团公司中心系统中。地震台网专用接口分发地震台网信息流程如图5所示。

图5 地震台网专用接口分发地震台网信息流程图Fig.5 Information distribution process of Chinese Seismic Network Center by special interface

计算地震影响到哪个铁路局集团公司,可采用以下算法。

（1）对全路18个铁路局集团公司管辖范围分别用封闭平面来拟合,用每个封闭的平面来表示一个铁路局集团公司管辖范围。在实际建模过程中,用于拟合的封闭平面可大于真实铁路局集团公司管辖范围,对于18个铁路局集团公司,分别建立平面模型。

（2）计算本次地震事件影响范围。当收到地震台网发布的地震信息后,计算地震影响范围,考虑到中国高速铁路对40 gal加速度值范围的列车采取控制措施,因而地震事件影响范围可以近似看作以震中为圆心,半径为地震衰减到40 gal范围的一个圆的面积[6]。

（3）计算交集。计算地震影响范围是否和各铁路局集团公司管辖范围(封闭平面)有交集。

（4）发送信息。向有交集的铁路局集团公司对应的中心系统发送地震台网地震相关信息。

影响铁路局集团公司范围计算示意图如图6所示。

图6 影响铁路局集团公司范围计算示意图Fig.6 Schematic diagram affecting the scope of Railway Groups

考虑一次地震的影响范围,地震动衰减关系模型[7]的一般形式为

式中：Y为加速度或者速度；M为震级；R为震中距；c1,c2,c3,c4,c5,c6为回归系数。

地震衰减到40 gal的圆的面积公式可表示为

式中：x,y分别为地震衰减到40 gal影响范围内点的横坐标和纵坐标；xe,ye分别为震中位置的横坐标值和纵坐标值；R40为衰减到40 gal的震中距。

将公式⑴的R代入公式 ⑵ 中,可得

对于各铁路局集团公司管辖范围,可以采用平面拟合的方法对每个铁路局集团公司进行拟合[8-9],如采用最小二乘法进行拟合,其拟合公式为

式中：yi,xi分别为第i个铁路局集团公司管辖范围的经纬度坐标；ymin和ymax分别为i个铁路局集团公司管辖范围的最小和最大经度坐标；xmin和xmax分别为i个铁路局集团公司管辖范围的最小和最大纬度坐标；cik为拟合系数；xik为多项式拟合阶数。

将公式 ⑶ 和公式 ⑷ 联立,建立地震影响铁路局集团公司范围方程组为

目前我国高速铁路由18个铁路局集团公司管辖,因而需要建立18个铁路局集团公司管辖范围数学模型,对于联立方程组 ⑸,只要对应第i个铁路局集团公司有解,则可初步判定这次地震事件有可能影响到第i个铁路局集团公司,即本次地震事件需发送到第i个铁路局集团公司,第i个铁路局集团公司收到地震台网信息后,再进行后续的计算和判定。

2.3 地震台网信息的融合处理

高速铁路地震预警监测铁路局集团公司中心系统接收地震台网信息,同时也实时接收高速铁路沿线自建台站上传的波形、预警、报警等信息,通过对信息进行综合分析、融合处理,计算地震影响高速铁路线路,生成紧急处置信息并向相应目的地发送。鉴于地震台网预警、速报等信息其精确度通常较高,一般优于高速铁路自建台站预警数据,因而在对地震台网预警和高速铁路预警等数据进行处理时,遵循警报升级、地震台网信息优先原则进行处理,这样不仅可以提高处置效率,而且还能提高地震处置精度。地震台网信息融合处理流程图如图7所示。

图7 地震台网信息融合处理流程图Fig.7 Flow chart of information joint processing of Chinese Seismic Network Center

铁路局集团公司中心系统对地震台网信息处理流程主要如下。①中心系统实时接收地震台网和管辖范围内沿线地震台站的实时波形数据,对波形数据融合分析与处理,进行地震识别与P波判识。如果判断为地震且影响到高速铁路线路,通过GSM-R系统向受影响的车载地震紧急处置装置发送I级警报信息；如果中心系统收到地震台网P波预警或者阈值报警信息,对信息进行分析与处理,计算影响高速铁路线路范围与警报级别,生成并发送紧急处置信息：如果为I级警报,通过GSM-R系统向受影响的车载地震紧急处置装置发送I级警报信息；如果为II级警报,通过GSM-R系统向受影响的车载地震紧急处置装置发送II级警报信息并同时向受影响的信号接口发送；如果为III级警报,通过GSM-R系统向受影响的车载地震紧急处置装置发送III级警报信息并同时向受影响的信号接口和牵变接口发送。②当收到地震台网信息后,后续收到高速铁路沿线地震预警信息,中心系统仅保存台站地震预警信息,并不生成处置信息；当收到地震台网信息后,后续收到高速铁路沿线地震阈值报警信息,中心系统对信息进行分析处理,计算警报影响范围和级别,与最近一次处置信息进行比较,当处置信息升级(范围扩大或者警报级别升高)时向相应接口进行发送。

通常情况下,地震台网预警信息要早于高速铁路预警系统自建台站预警信息,本着地震台网信息优先处理原则,铁路局集团公司中心系统对于后续收到的台站预警信息,只存储,不生成紧急处置信息。但是如果中心系统先收到台站预警信息后,可先行进行一级处置,后续再收到地震台网信息,再按照信息融合处理流程图进行处理。

3 结束语

随着国家烈度速报与预警工程全面展开及中国高速铁路地震预警系统全面实施,铁路局集团公司高速铁路地震预警监测中心系统将接收多源、大量的来自地震台网和预警系统自身的地震信息,利用高速铁路地震预警系统与地震台网融合预警技术,中心系统可以对接收到的信息进行实时分析、快速处理,生成精确的紧急处置信息并向相应接口发送,提高高速铁路地震预警和紧急处置的实时性和准确性,提升铁路安全防护水平。通过对信息的融合利用,一方面高速铁路地震预警系统可以减少自身台站的建设数量,节省铁路投资；另一方面,高速铁路地震预警系统也可以为地震台网提供地震信息,扩充地震台网数据源,更好地为国家防灾减灾系统工程的建设提供服务。