基于地震台网的高速铁路地震预警系统预警及处置信息生成优化方法设计

朱进京

(中国铁道科学研究院研究生部，北京 100081)

我国高铁总里程已达3.8万km，是世界上运营高铁总里程最长的国家。同时我国地处欧亚地震带和环太平洋地震带，也是世界上受地震影响灾害最严重的国家之一[1]。地震对高速铁路构成的威胁是巨大的，当地震波来临时，地面的起伏可能会使高速行驶的列车即刻倾覆或脱轨，造成极其重大的人员伤亡和财产损失。所以如何避免或减轻地震对高铁的危害和影响是亟待解决的问题。就现今的科学水平，人们还未寻找到科学有效的地震防治或预报手段[2]。而地震预警就成为目前地震发生后尽最大可能减少灾害损失的方法手段之一[3]。

高速铁路地震预警概念最早由地震多发的日本提出，应用在新干线上[4]。目前该种防护技术手段已经在包括中国在内的多个国家和地区实现并运用[5-10]。虽然这些国家和地区对该系统的需求和架构设计都不尽相同，对紧急情况的处置方式也存在差异，但是总体依据的原理和所要实现主要功能大体一致。

2017年5月，我国具有完全自主知识产权的高速铁路地震预警系统在大西高铁综合试验段的综合试验任务圆满完成[11]，目前已成功应用部署在太原铁路局辖下的太焦线上。该系统采用二级架构，上级为铁路局中心系统，下级为现场监测单元，主要实现地震监测预警和紧急情况处置功能[12]。紧急处置根据地震预警信息分为3级处置，通过车载紧急处置装置.信号接口单元.牵变接口单元等实现对列车及牵引供电系统的控制[13]。

与地震台网互联实现数据交换，可扩大高速铁路地震预警系统的预警范围并提高预警效率和精度[14]。在高速铁路沿线监测台站或台网台站监测到地震后，会将监测到的地震信息传输至铁路局中心系统(台网台站会将地震信息先传输至台网中心，再由台网中心通过地震台网专用接口及交换平台实时传输至铁路局中心系统)。台网侧由交换平台计算地震影响范围，将地震信息传输至受影响铁路局中心系统。受影响的铁路局中心系统再通过紧急处置算法进行相应的处置计算。该紧急处置算法采用的是将全路所有拟合线路依次迭代运算，且所有受影响铁路局中心系统均需迭代计算，造成计算冗余，增加计算时间。因此，针对现行的高速铁路地震预警系统预警及紧急处置方案，应该简化确定受影响铁路局中心系统的步骤，并且减少不必要的迭代计算，实现快速预警及迅速紧急处置，以此提高我国高速铁路地震预警系统的时效性。

1 现行高速铁路地震预警系统地震台网侧的预警及处置信息生成方法

1.1 预警铁路局中心系统确定方法

我国高铁地震预警系统采用二级架构，主要由铁路局中心系统.信号接口单元.现场监测设备.车载地震紧急处置装置等组成。其中信号接口单元.现场监测设备属于下级现场设备，主要负责地震信息的采集并将实时采集信息发送至铁路局中心系统[15]；铁路局中心系统属于上级处置决策机构，可实现与相邻铁路局中心系统及国家地震台网中心信息的实时互联互通，并将收集到的地震信息应用紧急处置信息快速生成算法生成处置命令信息，分级处置下达给相应的车载设备.列控中心.牵变所等。台网侧地震信息的预警为首先确定地震影响哪些铁路局，再将地震信息发送至相应的铁路局中心系统，具体步骤如下。

(1)某地发生地震。

(2)距离震中最近的地震台网台站监测到地震信息。

(3)台网台站将该信息传输至地震台网中心。

(4)地震台网中心在接到地震信息后，将地震三要素(发震时间.震中.震级)等信息通过地震台网专用接口发送至交换平台，根据影响高铁运行的地震动加速度范围值40 gal为界限判别该地震影响范围区域[16]。

判断地震影响哪些铁路局采用的算法如下(需要指明的是，为计算方便快捷同时满足标准规范的误差精度要求，算法采用平面坐标系，并假设地震波按照正圆形传播，下同)

(1)

式(1)中，yi.xi分别为第i个铁路局所管辖范围的经纬度坐标；xmin.xmax分别为第i个铁路局所辖范围纬度的最小及最大值；ymin.ymax分别为第i个铁路局所辖范围经度的最小和最大值。式(1)中的①.②.③联立表示第i个铁路局的管辖范围平面拟合模型。式(1)①为各铁路局所辖范围的边界曲线拟合函数，cik为拟合系数。式(1)④为正圆形地震动能量衰减模型方程[17]，其中ye.xe为震中经纬度值，ci为衰减系数，M为地震震级。

式(1)中求得的解集：如果yi有解，则说明yi对应的第i个铁路局在地震影响范围内，此处需要说明的是(1)④中所使用的地震动速度为40 gal，该值为地震发生时高速铁路需要采取紧急措施的临界地震动加速度值[18]。

(5)交换平台将预警信息发布至受此次地震影响的一个或多个铁路局中心系统。

至此，高速铁路地震预警系统基于地震台网侧预警铁路局中心系统层面发布完成。

1.2 铁路局中心系统地震预警紧急处置信息的生成与发布

在高速铁路地震预警系统基于地震台网侧的预警信息发布至铁路局中心系统后，即可确定该铁路局所辖范围受地震影响。铁路局中心系统在接收到预警信息后，立即对接收到的地震信息进行计算分析，通过紧急处置信息快速生成算法[19]确定受影响线路。但是此处在确定受影响线路时同样存在计算重复冗余的问题，具体计算步骤如下。

(1)对全国所有铁路线路GPS数据通过曲率筛选等方法提取线路特征点[19]，并依据最小二乘法等曲线拟合方法得到全路铁路线路的曲线拟合方程如式(2)所示(该步预先计算完成，高速铁路地震预警系统直接运用)

(2)

(2)接收到预警信息的铁路局中心系统会根据我国高速铁路地震预警系统三级警报阈值的设置(即地震动峰值加速度在40～80 gal时限速160 km/h；80～120 gal时紧急停车；120 gal及以上时紧急停车并接触网断电[20])正圆形地震动衰减模型方程分3级复用，分别与全路铁路线路拟合方程联立方程组[19]如下

(3)

式(3)中yi表示全路范围内第i条铁路线路的拟合函数。正圆形地震动衰减模型方程与式(1)④不同的是式(3)②中的a值，a即为地震加速度值，其他参数含义均相同。正圆形地震动衰减模型方程分3级复用时，a依次取值为120，80，40 gal，即首先从预警最高等级对式(3)方程组求解，依次得到Ⅲ级预警铁路线路.Ⅱ级预警铁路线路和Ⅰ级预警铁路线路。

(3)根据铁路线路预警信息，铁路局中心系统发布紧急处置命令至相应的牵变接口.信号接口和车载地震紧急处置装置进行相应紧急处置动作。

1.3 现行系统问题分析

根据上述对现行基于地震台网的高速铁路地震预警系统的介绍，其地震预警机制及预警处置信息生成机制都存在大量的重复计算。具体表现在以下2个方面。

(1)在确定影响铁路局范围时，采用函数拟合曲线方程与正圆形地震动衰减模型方程相结合，且共有18个铁路局平面拟合函数，该方法求解过程较为复杂耗时。

(2)在受影响铁路局确定后，受影响的铁路局中心系统还需要针对全路铁路线路进行预警判断，并且所有受地震影响的铁路局均需分别通过全路所有铁路线路拟合方程联立正圆形地震动衰减模型方程组成求解方程组。

这两步存在计算重复及算法冗余的现象。虽然目前的预警机制能够达到QCR633—2018《高速铁路地震预警监测系统技术条件》中关于预警处置发布时间≤100 ms的技术指标要求，但由于高速铁路行驶速度飞快，能够多节省时间都会对列车减速防护产生很大的作用。因此，研究优化的预警机制及预警处置信息生成.发布相结合的方法势必会提高高速铁路地震预警系统的预警性能。

2 对高速铁路地震预警系统台网侧的预警及处置信息生成优化方法设计

2.1 优化方案介绍

针对现行高速铁路地震预警系统地震台网侧的预警及处置机制存在的问题，对其进行优化改进。在地震台网台站获取到地震信息后，台网台站将地震信息传输至台网中心，台网中心通过地震台网专用接口传至交换平台，由交换平台判别地震信息得到地震预警信息。该预警信息采用预警及预警紧急处置信息相结合的方式，即在确定哪些铁路局中心系统需要发布预警信息的同时，确定这些铁路局中心系统需要发布的预警紧急处置信息。交换平台将预警紧急处置信息直接发送至相应的铁路局中心系统。这种方式避免了各个铁路局中心系统分别对全路铁路线路的迭代计算，为信息的发布及处置节省了时间。原本分两步进行的铁路局预警和铁路线路预警处置，现在结合为一个步骤，避免了不必要的迭代运算，能够提升算法的运算效率，且节省运算时间。

2.2 方案设计

2.2.1 局管内线路数据库的构建

新方案的设计首先是对铁路线路的重新整理归类，其方法如下。

(1)在原系统的基础上，将全路铁路线路按照不同局管重新分割，依次唯一标记命名(y1.y2.y3.…)。并通过曲率筛选.Douglas-Peucker等方法提取线路特征点[21]，根据函数拟合方法建立每条线路的曲线拟合方程

(4)

(2)全路按局管分割后的线路曲线拟合方程建立完成后，将每条铁路线路依据其所在的铁路局进行归类建立线路数据库。

例如，y1.y2.y3.y4归A铁路局管辖，y5.y6.y7.y8.y9.y10.y11归B铁路局管辖，y15.y16.y17.y18.y19.y20归C铁路局管辖，则有

A=[y1，y2，y3，y4]

B=[y5，y6，y7，y8，y9，y10，y11]

C=[y15，y16，y17，y18，y19，y20]

…

2.2.2 预警及处置判别算法

根据归类整理的铁路线路数据库，结合正圆形地震动衰减模型函数，基于地震台网的高速铁路地震预警系统预警及处置优化设计方案如下。

(1)某地发生地震。

(2)位于震中附近的地震台网台站首先监测到地震信息，并将该地震信息报告至台网中心。

(3)台网中心接收到地震信息后，将震中(xe.ye).震级M.发震时间τ等参数通过地震台网专用接口发送至数据交换平台。

(4)数据交换平台分析运算生成处置信息，优化后的高速铁路地震预警系统基于台网侧的预警及预警紧急处置采用的算法如式(5)所示。

(5)

式(5)中①为式(4)，按照高速铁路地震预警系统三级警报标准要求，将三级地震动峰值加速度代入正圆形地震动衰减模型方程即式(5)②中，a值分别取120，80，40 gal。

(5)式(5)求解得到的解集(x，y)即为受地震影响的铁路线路的坐标，也即为受地震影响区域的经纬度信息。根据铁路线路yi与地震动衰减方程有可行解，通过判断yi所在局管内的数据库分类，即可得到需要发送预警信息的铁路局中心系统。且由于已经通过式(5)得到受地震影响线路，所以优化后的方法在向受影响铁路局中心系统发送预警信息的同时也会发送已经计算分析得到的预警紧急处置信息，然后铁路局中心系统可以直接将紧急处置命令发送至相应的车载紧急处置装置.信号接口.牵变接口等实现相应的动作。

2.3 优化方案总结

将铁路线路按照不同局管分类，并建立分类数据库。这是优化判别哪些铁路局中心系统需要预警的前提条件。同时也是将铁路局中心系统预警及铁路局中心系统生成.发布紧急处置信息合并为一步的关键环节。优化方案极大减少了运算步骤，将确定预警铁路局中心系统复杂的不规则平面函数方程组求解过程转换为数据库分类判断，同时也避免了铁路线路方程的二次迭代，优化了高速铁路地震预警系统基于地震台网侧的预警及处置机制。

3 对比研究

由于同一个算法运行于不同的机器上所耗费的实际时间不同，所以一般不使用实际时间单位衡量算法的运行效率。本文通过建立图1.图2所示的简单铁路地震模型对两种方法运算效率进行比较。铁路局及线路模型如图1所示，由A.B.C三个铁路局及y1.y2.y3.y44条铁路线构成，而优化设计方法将铁路线按局管范围分成6条如图2所示。

图1 原方法铁路地震模型示意

图2 优化设计方法铁路地震模型示意

本文使用时间比值的方法判别算法的效率提升情况。计算公式如下

(6)

式中，T1为原方法的运算时间；T2为优化设计方法的运算时间；η为优化方法较原方法的运算效率提升百分比(简称运算效率提升比)。η为正表示优化设计方法相较原方法效率提升，η为负则表示算法效率下降即优化方法未达到预期优化。

对比分析环节，为确保试验数据不受计算机配置等外在因素影响，每次地震数据都进行三次重复试验，共模拟4～8级地震100组，每级地震进行20组，累积得到原方法和优化设计方法的算法运行时间样本数据共计600条。分别对原方法和优化设计方法的3组重复试验数据取平均值以提高准确度，最后得到T1数据100条，T2数据100条，对该100组数据(4～8级地震，每级20组数据)应用公式(6)得到如图3所示的优化方法运算效率提升比图和如图4所示的运算效率提升分布直方图。

图3 优化设计方法运算效率提升比柱状图

图4 运算效率提升比分布直方图

对试验数据分析得：原方法300个数据样本均值为26.085 ms，优化方法300个数据样本均值为24.196 ms，按均值来看，效率提升比为7.24%。但由于机器配置不同，实际运行时间仅供参考。仍以η作为评判依据，可以得到优化设计方法相较于原方法算法效率：效率有效提升比率在92%以上(即η为正)；74%的数据显示优化设计方法算法效率提升在4%以上，而这其中又有62%的数据显示优化设计方法算法提升在7.5%以上。通过该有限数据对比试验，基本可以得到本文优化设计方法能够提升原算法的效率，并且能够减少不必要的计算过程，提升高速铁路地震预警系统的整体性能。

4 结语

本文优化方法设计是基于高速铁路地震预警系统的原有架构，通过构造不同局管铁路线路数据库，实现系统对需要预警的铁路局中心系统的高效判别，从而使高速铁路地震预警系统基于地震台网信息的预警及处置信息能够合并一体化生成。该方法能够提升原系统的算法效率，缩短预警处置时间，从而提高现有高速铁路地震预警系统的紧急处置效率。

随着我国高铁的不断发展，铁路地震预警的相关工作也将日趋完善。针对目前高速铁路地震预警系统还有可以改进的方向，例如在国家铁路集团公司层面建立一个国家铁路地震预警中心系统来取代目前的18个铁路局中心系统，由国家铁路中心系统对全路线路进行监测预警及处置信息发布，同时负责和国家地震台网中心实现总对总的数据信息交互，可以极大缩短预警及处置时间。这都需要进一步探讨思考，逐步论证完善系统。