高速铁路地震预警检测系统方案研究

史建平，张宝军，窦垭锡

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道科学技术研究发展中心，北京 100081；2.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)

我国是一个地震灾害严重的国家，地震灾害对高速铁路列车运行安全的影响不容忽视。为减轻和避免地震灾害对高速铁路的影响，保障高速铁路列车运营安全，我国高速铁路推广运用了高速铁路地震预警系统[1]。高速铁路地震预警系统是一个涉及机车、通信、信号、牵引供电等专业交叉的防灾系统，如何定期对高速铁路地震预警系统的地震处置功能及设备状态进行检测，指导设备维护，确保高速铁路地震预警系统发挥效用，成为铁路防灾维护管理部门亟待解决的问题。

1 高速铁路地震预警检测系统架构

依托综合检测车，研制高速铁路地震预警检测系统，动态高效地对高速铁路地震预警系统进行定期检测验证，确保系统设备能在灾害发生时及时发挥效用，以减轻甚至避免地震带来的灾害影响，保障高速铁路运营安全。

1.1 高速铁路地震预警系统

作为铁路运输安全保障系统，高速铁路地震预警系统主要由现场监测设备、铁路局中心系统和车载地震装置组成。现场监测设备采集地震动，判识地震事件，并将发震时间、震中、震级三大要素发送至铁路局中心系统；铁路局中心系统判别地震影响范围，确定地震警报级别，并将地震处置指令分别送达高速铁路列车、列控系统和牵引供电系统，通过3种处置措施保障高速列车及时、可靠地应对地震灾害，避免高速列车脱轨、倾覆等运营风险[2]。其中，铁路局中心系统通过GSM-R网络向车载地震装置发送紧急处置信息，列车接受后实施制动处置；通过监控单元向列控系统发送紧急处置信息，触发列控系统处置；向牵引供电系统发送紧急处置信息，触发接触网断电。

高速铁路地震预警监测系统技术条件规定，地震紧急处置策略分为3级。当高速铁路列车安装的车载地震装置接收到Ⅰ级地震处置后，车载地震装置声光报警提示，由司机手动制动限速运行；接收到Ⅱ级地震处置后，通过车载地震装置和信号系统实现紧急处置；接收到Ⅲ级地震处置后，通过车载地震装置、信号系统和牵引供电系统共同实现紧急处置[2]。

1.2 检测需求

高速铁路地震预警系统通过3种途径触发高速列车实施紧急处置，包括高速列车车载地震装置接收地震处置命令、列控系统接收地震处置命令和牵引供电系统接收地震处置命令，因而对3种处置命令的检测是高速铁路地震预警系统功能检测的核心需求。此外，地震预警系统自身设备状态也是高速铁路地震预警系统的基本检测要求。

（1）高速列车接收地震处置命令检测。地震发生后，为了保障高速列车的运行安全，高速铁路地震预警系统将地震处置指令通过GSM-R网络发送到高速铁路列车，高速铁路列车安装的车载地震装置接收到地震处置指令后，语音提示司机限速运行或直接触发高速铁路列车制动环路，实施紧急制动停车[3]。铁路局中心系统根据地震动大小估算地震影响范围，需要检测地震影响范围内所有高速铁路列车是否能够及时有效接收到地震处置指令，从而控制其限速运行或紧急停车。同时，需要检测地震影响范围外的高速铁路列车不应收到地震处置指令，避免造成运输组织混乱。

（2）列控系统接收地震处置命令检测。当高速铁路线路影响区域地震动幅值达到II级和III级警报阈值时，铁路局中心系统除了需要将地震处置指令传送给高速铁路列车外，还应将其传送给列控系统，由列控系统封锁控制受地震影响区段，受控区段的高速铁路列车依据机车信号紧急停车。地震处置指令的发送应当控制在铁路局中心系统估算及实施范围内，需要检测影响范围内的列控区间是否及时采取闭塞控制，闭塞区间内的高速铁路列车是否接收到机车信号紧急制动停车。同时，需要检测处置区段影响范围外的列控区间不应采取闭塞控制。

（3）牵引供电系统接收地震处置命令检测。当高速铁路线路影响区域地震动幅值达到III级警报阈值时，铁路局中心系统还会将地震处置指令传送给牵引供电系统，由牵引供电系统对影响处置区段实施接触网断电，使受控区段内的高速铁路列车失去牵引动力紧急停车。因此，需要检测最高级别地震处置区段的高速铁路列车是否被及时有效接触网断电，同时接触网断电区段不应扩展延伸到其他供电区间，造成对运输组织的影响。

（4）地震预警系统设备检测。虽然地震是小概率事件，达到高速铁路紧急处置级别须采取相应处置的情况极少发生，但是为了保证高速铁路的行车安全，仍然需要保证地震预警设备时刻处于正常工作状态。为此，需要对现场监测设备、铁路局中心系统和车载地震装置进行定期检测维护。同时，对历史处置记录数据进行复核验证，确保系统设备正常发挥效用，减少和避免地震漏报、地震误报、地震处置误触发、地震处置漏触发的发生，确保高速铁路列车运输生产安全。

1.3 系统架构

基于高速铁路地震预警系统检测业务需求，利用综合检测车作为地震预警系统功能和设备状态检测载体，构建的高速铁路地震预警检测系统独立于高速铁路地震预警系统，其系统业务架构分为数据接口层、数据传输层、数据交换层、数据处理层和应用层，高速铁路地震预警检测系统架构如图1所示。

图1 高速铁路地震预警检测系统架构图Fig.1 Architecture diagram of detection system of EEWS for high-speed railway

（1）数据接口层。高速铁路地震预警检测系统数据接口层通过GSM-R网络的GPRS无线通信接口与铁路局中心系统建立数据通信连接，实现检测指令的发送和检测结果的接收。通过RJ-45网络接口连接综合检测车的综合系统，获取精准的速度、里程位置和经纬度坐标等信息，同时还向综合检测车上传检测数据。高速铁路地震预警检测系统通过USB接口实现检测数据的转移导出。

（2）数据传输层。考虑到GSM-R网络较窄的数据传输带宽及综合检测车高速检测运行条件下无线通信传输质量下降等因素，高速铁路地震预警检测系统在数据传输层采用面向无连接的UDP协议与铁路局中心系统进行数据通信，采用TCP协议接收综合检测车发送的定位信息及上传检测数据。为确保信息的有效传输，保持定期通信确认机制，通过重传机制确保信息传输完整性。为保证处置信息的可靠传输，对收发信息进行传输校验处理，通过收发应答机制，采用短数据包格式，长大数据分包传输，提高数据传输可靠性。

（3）数据交换层。数据交换层对检测数据、定位信息、日志数据、设备数据、GIS数据及线路数据建立数据库进行存储，并为上层应用提供查询、检索等业务支持。数据交换层采用server模式，利用专用端口实时监控接收综合检测车的定位数据及同步时钟。高速铁路地震预警检测系统提前预存下载离线地图数据并定时更新，确保GIS地图[4]实时有效。

（4）数据处理层。数据处理层通过统计收发的检测数据评价高速铁路地震预警系统地震处置指令下达到高速铁路列车的数据传输特性。从铁路局中心系统数据库获得的历史数据记录，对高速铁路地震预警系统既往地震处置进行统计分析及复核验证[5]。数据处理层还对处置检测结果和设备状态进行分析评价。

（5）应用层。高速铁路地震预警检测系统应用层是系统架构的最顶层，接收来自接口层、传输层的数据统计结果，利用人机界面展示设备检测、综合检测车接收地震处置检测、列控系统接收地震处置检测和牵引供电系统接收地震处置检测结果，通过来自数据交换层的GIS数据和接口层、传输层的速度、里程、位置及线路信息，实时刷新GIS地图与检测结果结合显示。为便于事后分析，应用层还提供检测设置和检测回放等检测管理功能，可根据时间点对检测过程进行检索回放。

2 地震处置检测功能试验验证方案

2.1 地震处置检测场景设置

根据高速铁路地震预警监测系统技术条件规定，地震处置检测涉及地震监测区域检测，应按如下处置场景进行检测：①地震监测区域检测和综合检测车接收Ⅰ级地震处置检测；②列控系统接收地震处置检测；③牵引供电系统接收地震处置检测；④综合检测车接收Ⅱ级地震处置检测；⑤综合检测车接收Ⅲ级地震处置检测。

高速铁路地震预警系统仅对地震监测区域内的高速铁路列车发布地震处置信息。综合检测车行进中，可对地震监测区域进行复核检测，处于地震监测区域应定时收到地震监测区域指示信息，处于非地震监测区域则收不到地震监测区域指示。

地震Ⅱ级处置区域涵盖在地震Ⅰ级处置区域内，因而在Ⅱ级处置区域，综合检测车和列控系统都会接收到处置指令，各自独立进行地震处置。地震Ⅱ级处置区域涵盖地震Ⅲ级处置区域，在地震Ⅲ级处置区域，综合检测车、列控系统和牵引供电系统都会接收到地震处置指令，各自进行地震处置。

2.2 综合检测车接收地震处置检测

综合检测车上安装的车载地震装置通过铁路局中心系统，利用GSM-R网络下的GPRS技术，接收获得地震Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ处置信息。Ⅱ/Ⅲ级地震处置会造成综合检测车紧急停车，可通过不涉及紧急停车的Ⅰ级处置测试提高处置检测效率，避免对列车运营组织的影响。进行Ⅰ级处置检测，高速铁路地震预警检测系统可指定处置里程公里标范围，由铁路局中心系统发布处置信息，对综合检测车接收地震处置进行检测确认。由于Ⅰ级地震处置信息发布基于点对点通信，可由铁路局中心系统针对综合检测车定向发送检测处置指令，避免对处置区域内其他高速铁路列车造成影响，同时尽量控制处置检测范围，检测处置实施的精准性。检测确认Ⅰ级处置可分为非处置区域、进入处置区域、正在处置区域和离开处置区域4种情况，确认策略如下。

（1）处在非处置区域的综合检测车不应当接收到处置信息，否则应检查处置区划是否越界或者处置基站参数配置是否合理。

（2）从非处置区域驶入处置区域过程中，综合检测车应适时接收处置信息，验证处置指令是否周期重传，确保后进入处置区域的高速铁路列车运行安全。

（3）正处于处置区域的综合检测车应及时接收到处置信息。在处置区域行驶过程中，综合检测车应定时收到周期发送的处置信息，检测处置指令发送间隔周期是否满足要求，发送范围是否完整覆盖处置区域。

（4）从处置区域驶出后，综合检测车不应再接收到处置信息。如果铁路局中心系统配置Ⅰ级处置解除自动发送功能，综合检测车还应及时接收到处置解除指令。

铁路局中心系统根据现场监测设备的监测警报信息进行综合分析处理，估算各警报级别环形影响范围、处置级别，形成里程信息处置范围，随后换算成对应的处置覆盖基站，再针对覆盖基站内的高速铁路列车发送处置指令。

高速铁路线路一般3 ～ 5 km设置一个基站，相邻基站之间交织覆盖[6]。因此，应提前掌握待测高速铁路线路信息和通信基站布设及覆盖信息。在检测过程中，综合检测车应结合自身运行速度，设定适当的模拟处置范围，合理估算处置里程范围与处置覆盖基站的映射关系，确保处置策略的合理验证[7]。地震Ⅰ级处置验证策略示意图如图2所示。

2.3 列控系统和牵引供电系统接收地震处置命令检测

列控系统和牵引供电系统接收到地震处置命令后，触发所辖范围的列控区间封锁和接触网断电保护，因而应设计合适的处置检测策略，选择适当的测试地震事件，对预期的测试高速铁路区间进行处置，避免对非测试区域的列控系统及牵引供电系统产生不必要的影响。

在铁路局中心系统储备满足要求的测试地震事件库，通过地震震中经纬度平移算法，将选定的地震事件及其影响范围在GIS地图上设置到测试区域。综合检测车在测试行进过程中，利用综合检测车提供的偏差±3 m定位信息，将当前位置及位移在GIS地图上同步更新显示。检测系统根据行进路线及位移进度对比测试地震事件覆盖区，根据地震事件代号从综合检测车远程触发铁路局中心系统地震事件库，启动列控系统和牵引供电系统接收地震处置检测。

图2 地震Ⅰ级处置验证策略示意图Fig.2 Schematic diagram of the verification strategy for seismic class I disposal

车载检测设备发起列控系统处置检测请求，铁路局中心系统将检测请求转化为模拟处置命令，通过信号接口引发列控系统紧急处置，处置检测结果将以综合检测车为中心在GIS地图上完整呈现。处于Ⅱ级别控制区域的列控区间是否完成区间闭塞，非处置控制区域的列控区间是否错误管控，也在GIS地图上与预期控制区间结果进行比对，如果综合检测车处于列控系统处置区域也应被区间闭塞转入紧急停车[8]。

车载检测设备发起牵引供电系统处置检测请求，铁路局中心系统将检测请求转化为模拟处置命令，通过牵电接口引发牵引供电系统紧急处置，处于Ⅲ级别控制区域的高速铁路线路接触网是否断电及非处置控制区域的高速铁路线路是否错误断电都将在GIS地图上与预期结果进行对比显示，如果综合检测车处于断电处置区域也应被断电。列控系统和牵引供电系统地震处置检测示意图如图3所示。

2.4 地震预警系统设备检测

高速铁路地震预警系统设备检测主要针对设备即时状态检测和历史记录数据分析。

图3 列控系统和牵引供电系统地震处置检测示意图Fig.3 Schematic diagram of seismic treatment detection of train control system and traction power supply system

（1）设备状态检测。综合检测车在检测行进过程中，高速铁路地震预警检测系统通过GSM-R网络向铁路局中心系统发出检测指令，对综合检测车位置20 km范围内的地震预警系统设备进行检测。通过检测列表定时刷新设备状态检测结果，也可在GIS地图上对指定设备进行定向检测。

（2）车地传输性能测试。综合检测车与铁路局中心系统之间的数据传输特性是评价综合检测车接收地震处置检测的基础，因而高速铁路地震预警检测系统还对车地数据传输特性进行统计评价。综合检测车的高速铁路地震预警检测系统与高速铁路列车安装的车载地震装置，采用同样的GPRS通信技术与铁路局中心系统进行数据通信，数据传输协议格式类似，仅是数据传输内容存在差异，因而采用高速铁路地震预警检测系统与铁路局中心系统的数据传输统计特性类比，评价高速铁路地震预警系统地震处置指令下达到高速铁路列车的数据传输特性。通过检测指令数据收发所带的时间记录，统计分析地震处置信息传输成功率和传输时延，统计通信中断概率，评价高速铁路地震预警系统处置指令下达综合检测车的传输特性是否满足标准要求[9]。

（3）历史数据分析。从铁路局中心系统数据库获得历史数据记录，根据地震预警信息、地震报警信息、处置发布信息、处置回执等信息，对高速铁路地震预警系统既往地震处置进行统计分析，复核验证地震事件的判识、地震影响范围的计算、地震处置范围的确定、处置级别的设定是否合理，是否存在地震误报、漏报事件，是否存在地震处置误触发和漏触发。

3 结束语

搭载综合检测车，依托GSM-R网络车地传输承载平台构建的高速铁路地震预警检测系统方案，设计采用完整的地震处置命令检测场景和策略，可对高速铁路地震预警系统地震紧急处置的可靠性和有效性进行检测验证，实现高速铁路地震预警系统设备状态检测。基于综合检测车的高速铁路地震预警检测系统填补了高速铁路地震预警系统检测技术手段空白，纳入到高速铁路综合检测车常规检测计划后，可实现对高速铁路地震预警系统的定期检测，对指导高速铁路地震预警系统设备检测维修，提升高速铁路地震预警设备运用质量，保障高速铁路列车运营安全具有重要意义。