陳宏峰 趙京軼 張素靈 劉曉雨郭 凱 苗春蘭 榮 華

1）中國地震臺網(wǎng)中心，北京100045

2）中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京100085

（作者電子信箱，張素靈：124087797＠qq.com）

引言

2008年8月1日，中國第一條高鐵，總長120km 的京津城際鐵路，正式通車。到2013年底，我國已建成武廣線、鄭西線、滬杭線、滬寧線、京哈線、哈大線、京沈線、京滬線等8條高速鐵路，總里程達(dá)到1.3萬km。規(guī)劃到2020年，我國將建成“四縱四橫”總里程達(dá)到1.6萬km 的高速鐵路網(wǎng)。中國的高鐵起步相對較晚，但發(fā)展迅速，在過去5年間實(shí)現(xiàn)了其他國家花費(fèi)幾十年才完成的目標(biāo)。

在影響高速鐵路運(yùn)行安全的自然災(zāi)害中，地震是一種發(fā)生概率相對較小，但危害性最大的特殊災(zāi)害。高速運(yùn)動中的列車有巨大慣性，在鐵路沿線發(fā)生地震時，及時減速和停車對于鐵路運(yùn)行安全具有重要意義，特別是對于高速鐵路，速度越快，越需要加強(qiáng)地震安全防護(hù)。在已建成及擬建的高速鐵路沿線，處于7度以上設(shè)防區(qū)域內(nèi)的里程約為8 500km［1］，沿線全部穿越存在發(fā)生7級以上地震危險性的地震構(gòu)造帶，僅京滬高速鐵路就穿越了4條較大的地震構(gòu)造帶，歷史上曾經(jīng)發(fā)生過具有較強(qiáng)破壞性的地震約20次，僅20世紀(jì)以來就發(fā)生過7 次。就地震危險性而言，京滬沿線區(qū)域的發(fā)震頻率要高于日本［2－3］，因此，開發(fā)適合于我國高速鐵路的地震預(yù)警系統(tǒng)，十分迫切。

1 高速鐵路地震預(yù)警的意義

2008 年汶川地震發(fā)生時，寶雞—成都（寶成線）鐵路109隧道口被由于山體崩塌滾落下來的15 萬方土石所掩埋，巨石堵住了隧洞出口，接觸網(wǎng)斷電。21043 次貨運(yùn)列車正行駛在該鐵路線上，司機(jī)采取緊急制動操作，但列車仍以每小時20km 的速度撞上巨石，造成機(jī)車和38 節(jié)車廂脫軌（包括12 節(jié)油罐車）。油罐車著火燃燒并伴有零星爆炸［4］，大火持續(xù)燃燒了三天三夜（圖1）。

2004年10月23日，日本新瀉發(fā)生6.8級地震，地震報警系統(tǒng)及時給出控車信號，上越新干線一輛正在行使中的高速鐵路列車緊急斷電、剎車，但由于列車距離震中太近，報警時間太短，車頭出軌，所幸沒有造成人員傷亡。這是日本新干線自1964 年開通以來，首次在客運(yùn)中出現(xiàn)脫軌事故［5］。

圖1 汶川地震中寶雞—成都線一列貨車在隧道內(nèi)發(fā)生燃燒

在2011年3月11日的日本9級強(qiáng)烈地震中，由于地震預(yù)警系統(tǒng)及時發(fā)出警告，新干線上所有高速鐵路列車（27 輛）都及時停車，沒有一列出軌，9 級大地震并未對高鐵系統(tǒng)造成巨大損失［6］。

上述事件表明，對于高速鐵路只有報警系統(tǒng)是不夠的，還需要地震預(yù)警系統(tǒng)，而且必須是高效能的預(yù)警系統(tǒng)，否則，事故依然不可避免。這幾次地震緊急處置的效果不同，其原因是2004 年日本地震預(yù)警系統(tǒng)尚未建成，只具有高速鐵路沿線地震報警和緊急處置能力；而在2011 年日本地震預(yù)警系統(tǒng)已經(jīng)建成，地震波還未到達(dá)高速鐵路沿線時已經(jīng)給高速鐵路發(fā)出了預(yù)警信息，使高速鐵路系統(tǒng)獲取更多的地震緊急處置時間。由此可見地震預(yù)警系統(tǒng)對高鐵安全運(yùn)行的意義。

2 我國高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)現(xiàn)狀

2004年1月，國務(wù)院常務(wù)會議討論并原則通過的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》［7］確定：中國高速鐵路發(fā)展以“四縱四橫”為重點(diǎn)，構(gòu)建快速客運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的主要骨架，到2020 年建設(shè)高速鐵路1.2萬km 以上，全國鐵路營運(yùn)里程達(dá)到10萬km，對主要繁忙干線實(shí)現(xiàn)客貨分線。同年4月，國務(wù)院召開“鐵路機(jī)車車輛裝備問題”專題會議，提出引進(jìn)時速200km 以上高速動車組技術(shù)，中國發(fā)展高速鐵路的帷幕就此拉開。2008年，中國政府根據(jù)我國綜合交通體系建設(shè)的需要，對2020 年遠(yuǎn)景目標(biāo)進(jìn)一步調(diào)整為［8］：全國鐵路營業(yè)里程達(dá)到12萬km 以上，建設(shè)高速鐵路1.6萬km 以上。全國鐵路總里程為11萬km，借助“四橫四縱”的交通網(wǎng)絡(luò)，絕大多數(shù)省會城市可以經(jīng)由高速鐵路在8小時內(nèi)到達(dá)北京。

在高鐵飛速發(fā)展的今天，高鐵地震預(yù)警系統(tǒng)相對發(fā)展滯后，嚴(yán)格意義上說，目前的鐵路沿線地震預(yù)警系統(tǒng)，還稱不上地震預(yù)警系統(tǒng)，而是地震報警系統(tǒng)。截止2012年底，我國已經(jīng)建成或正在建設(shè)地震監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的高鐵線路分別為：北京—天津、北京—上海、北京—石家莊—武漢、合肥—蚌埠、哈爾濱—大連、成都—都江堰（和石家莊—太原），總長度超過3 000km，其設(shè)計施工單位詳見表1。

2.1 高速鐵路地震監(jiān)測報警系統(tǒng)組成（京津線等）

京津城際鐵路、京滬高速鐵路、京石武客運(yùn)專線（鄭武段）、合蚌客運(yùn)專線、哈大客運(yùn)專線的地震監(jiān)測報警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本相同，系統(tǒng)主要由監(jiān)控終端、監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設(shè)備、監(jiān)控單元、地震監(jiān)測點(diǎn)（2個強(qiáng)震儀）組成。

（1）監(jiān)控終端。由應(yīng)用服務(wù)器和人機(jī)交互界面組成，實(shí)時監(jiān)控各地震信息采集點(diǎn)的狀況，發(fā)生報警后進(jìn)行報警信息處理。監(jiān)控終端一般包括行車調(diào)度終端、工務(wù)調(diào)度終端、工務(wù)段終端。

（2）監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設(shè)備。主要包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、磁盤陣列、應(yīng)用服務(wù)器、時鐘服務(wù)器、交換機(jī)、UPS和監(jiān)控終端、打印機(jī)等。主要負(fù)責(zé)實(shí)時接收監(jiān)控單元傳來的各種信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、存儲、顯示、打印等，并根據(jù)信息內(nèi)容提供相應(yīng)級別的地震報警、預(yù)警信息，根據(jù)列車運(yùn)行管制規(guī)則提供限速、停運(yùn)等信息。

表1 高速鐵路地震監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)一覽表

（3）監(jiān)控單元。由主機(jī)模塊、監(jiān)測功能模型、電源模塊、繼電器組合模塊、防雷單元、UPS電源、機(jī)柜等組成。它能夠采集地震儀記錄的地震信號，進(jìn)行地震觸發(fā)判斷，并將地震信號和地震監(jiān)測點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)等信息發(fā)送到監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設(shè)備。同時負(fù)責(zé)接收監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設(shè)備產(chǎn)生的地震報警和預(yù)警信息，并發(fā)送給向牽引供電系統(tǒng)、信號系統(tǒng)，根據(jù)監(jiān)控單元發(fā)出的命令來對地震監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行配置管理、設(shè)備功能自檢等。

（4）地震監(jiān)測點(diǎn)。每個地震監(jiān)測點(diǎn)配置2臺距離相隔約40 m 的強(qiáng)震儀，每個強(qiáng)震儀由地震傳感器（加速度計）和強(qiáng)震動記錄器組成。強(qiáng)震儀實(shí)時采集地震加速度信息，并傳輸至監(jiān)控單元。

2.2 成灌鐵路地震監(jiān)測報警系統(tǒng)（成灌線）

成灌鐵路地震監(jiān)測報警系統(tǒng)之一是由河南輝煌科技股份有限公司、成都高新減災(zāi)研究所研發(fā)的“地震監(jiān)控系統(tǒng)”。該系統(tǒng)主要由加速度儀、數(shù)采、KSG、報警預(yù)警中心、監(jiān)控界面等組成。其中，預(yù)警關(guān)鍵信息產(chǎn)生儀（Key Signal Generator for EEW，KSG）是根據(jù)數(shù)采所采集到的地震動信號，分析出P波到時、S波到時等地震預(yù)警（報警）所需要特征信號的裝置。

每個地震監(jiān)測點(diǎn)配置兩套加速度傳感器、兩套8通道強(qiáng)震儀、兩套KSG、一套控制輸出器、一套路由器。地震監(jiān)測設(shè)備和地震控制設(shè)備交叉互連，即每個強(qiáng)震儀需要采集兩個傳感器的數(shù)據(jù)、每個KSG 需要采集兩個強(qiáng)震儀的數(shù)據(jù)。地震波識別算法、預(yù)警關(guān)鍵信息產(chǎn)生、地震報警信號生成、控制信號產(chǎn)生等都在KSG 中完成。當(dāng)有地震預(yù)警和報警時，每個KSG 都輸出控制信號。當(dāng)且僅當(dāng)這二路信號都送到控制輸出器時，控制輸出器才啟動控制接口電路，聯(lián)動列車控制和牽引變電系統(tǒng)動作。KSG 之間通過數(shù)字IO 口交換信息。KSG 與監(jiān)控主機(jī)、KSG與預(yù)警服務(wù)器之間通過以太網(wǎng)連接。

報警預(yù)警中心（預(yù)警服務(wù)器）主要是服務(wù)器上運(yùn)行的一套預(yù)警軟件。該軟件可以與其他防災(zāi)軟件運(yùn)行在同一個服務(wù)器上。成灌鐵路地震監(jiān)測報警系統(tǒng)之二是成都市域鐵路有限責(zé)任公司、中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司、四川曠谷信息工程有限公司、珠海市泰德企業(yè)有限公司共同研發(fā)的“高速鐵路地震監(jiān)測報警系統(tǒng)”。該系統(tǒng)主要包括地震監(jiān)測設(shè)備、分組聯(lián)動設(shè)備、數(shù)據(jù)處理及監(jiān)控設(shè)備和傳輸設(shè)備等。具體配置為：

（1）監(jiān)控終端1臺，安裝在中鐵二院高速鐵路地震實(shí)驗室。

（2）無線網(wǎng)絡(luò)接收器1臺，安裝在中鐵二院高速鐵路地震實(shí)驗室。

（3）分組聯(lián)動設(shè)備1臺，安裝在崇義牽引變電所。

（4）2 臺地震報警儀設(shè)置在成灌線GSM－R 系統(tǒng)PXX－AD01號、AD－JY02號無線基站室外。

2.3 緊急處置方式

緊急處置有兩種方式［9］。

（1）列控信號處置方式：地震發(fā)生后，地震監(jiān)測系統(tǒng)觸發(fā)列控中心地震監(jiān)測系統(tǒng)接口繼電器落下，列控系統(tǒng)控制列車運(yùn)行。

（2）牽引變電處置方式：地震發(fā)生后，地震監(jiān)測系統(tǒng)觸發(fā)變電所地震監(jiān)測系統(tǒng)接口繼電器落下，牽引供電系統(tǒng)停止向接觸網(wǎng)供電。

2.4 信息傳輸方式

京津城際鐵路、京滬高速鐵路、京石武客專鄭武段、合蚌客專和哈大客專的地震監(jiān)測報警系統(tǒng)的信息傳輸方式相同，與成灌鐵路地震監(jiān)測報警系統(tǒng)有較大差別。高速鐵路地震監(jiān)測報警系統(tǒng)基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 高速鐵路地震監(jiān)測報警系統(tǒng)基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3 我國高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)存在的問題與不足

我國高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)還處于起步階段，存在許多問題與不足，具體表現(xiàn)為：

3.1 基于地震S波預(yù)警

目前，我國高鐵地震監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)主要采用基于地震S波的加速度閾值觸發(fā)警報方式［10－12］。高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)實(shí)時接收臺站監(jiān)測到的加速度實(shí)時波形，當(dāng)?shù)卣鹩嫏z測到的S波加速度幅值超過一定閾值時發(fā)出警報，鐵路系統(tǒng)采取控車措施。

3.2 鐵路沿線預(yù)警方式

目前我國高鐵預(yù)警主要采用“鐵路沿線預(yù)警”方式［10－12］。即在鐵路沿線設(shè)置地震監(jiān)測點(diǎn)，平均每10～20km 設(shè)置一個點(diǎn)。每個監(jiān)測點(diǎn)設(shè)有2套監(jiān)測設(shè)備，保證地震信息的可靠性。在沿線單獨(dú)設(shè)置，監(jiān)測點(diǎn)之間具備雙通道網(wǎng)絡(luò)連接。每個監(jiān)測點(diǎn)是各自獨(dú)立工作的，但都與分局預(yù)警中心連接，形成地震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)（若某一監(jiān)測站單獨(dú)發(fā)出報警，系統(tǒng)認(rèn)定為非地震警報信息，以防止誤報）。地震報警后還要通過分局相關(guān)部門驗證，確認(rèn)后向列控系統(tǒng)發(fā)出控制列車運(yùn)行的信息。此系統(tǒng)的報警準(zhǔn)確率高，但是信號的傳輸環(huán)節(jié)過多，延時長，且控制中心可能需要人工發(fā)出列車制動指令。

“鐵路沿線預(yù)警”方式，臺站布局成線性分布，而不成網(wǎng)狀。這樣的臺網(wǎng)在測定地震參數(shù)時精度容易產(chǎn)生誤差，同時這種結(jié)構(gòu)也不利于事件識別，即分辨地震信號還是非地震信號時容易混淆；“鐵路沿線預(yù)警”方式由于臺站分布不均，實(shí)際上擴(kuò)大了盲區(qū)，降低了監(jiān)測的時效性。因此，“鐵路沿線預(yù)警”方式在實(shí)施地震預(yù)警時容易發(fā)生誤報或漏報。

“鐵路沿線預(yù)警”方式，還存在一個致命弱點(diǎn)，就是它無法實(shí)現(xiàn)基于P 波的地震預(yù)警。目前基于S波的地震預(yù)警系統(tǒng)雖然有結(jié)構(gòu)簡單、操作容易、投資較低的優(yōu)勢，但其功能相對簡單，只提供S波監(jiān)測體系，還存在著預(yù)警時間過短，對靠近鐵路的地震預(yù)警困難等缺陷。

就本質(zhì)而言，基于S波的鐵路沿線預(yù)警其實(shí)僅僅是地震報警系統(tǒng)，遠(yuǎn)沒有達(dá)到預(yù)警系統(tǒng)的要求。要快速地震預(yù)警，必須改變當(dāng)前的鐵路沿線預(yù)警方式，需要在鐵路沿線一定范圍內(nèi)建立監(jiān)測地震臺網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)多臺（3臺站以上）基于P波參數(shù)測定的地震預(yù)警方式。

3.3 數(shù)據(jù)采集和傳輸方式

地震系統(tǒng)現(xiàn)有監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)已實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)采集和傳輸，但目前超過90%的數(shù)據(jù)采集器工作模式為“每寫滿512byte后傳輸1次”。理論上：24位數(shù)據(jù)采集器，每秒100個采樣點(diǎn)，每秒應(yīng)產(chǎn)生數(shù)據(jù)量300byte，1.5s后可進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳輸；但實(shí)際操作中，由于采用了stam2壓縮算法，數(shù)據(jù)壓縮比率基本在50%或更高，這樣做節(jié)省了傳輸信道帶寬的使用量，卻是以犧牲傳輸時間作為代價，致使平均寫滿512byte需要3～6s的時間，也就是說，當(dāng)破壞性地震發(fā)生后，第一批觀測數(shù)據(jù)需要3秒后才能傳遞出去，而且第二批觀測數(shù)據(jù)也是在下一個3秒后傳遞出去，大大降低了地震預(yù)警的時間效率，無法滿足地震預(yù)警的需求。地震系統(tǒng)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集和傳輸方式能夠滿足大地震速報的需求，卻無法滿足地震預(yù)警的需求。

4 高鐵地震預(yù)警展望

4.1 基于地震P波的地震預(yù)警

4.1.1 基于地震P波的地震預(yù)警臺站布局

要解決S波預(yù)警方式預(yù)警時間過短的缺陷，最好是采用基于地震P 波的預(yù)警方法。該方法通過采用STA/LTA 方法和AIC 方法對P波進(jìn)行拾?。?3］。在對P 波進(jìn)行拾取后，首先通過單臺就可對地震進(jìn)行初步參數(shù)測定，但考慮到該方法出現(xiàn)地震誤報的概率較高，通常一個監(jiān)測點(diǎn)的兩個臺站均觸發(fā)，或者接入的地震臺網(wǎng)一定半徑范圍內(nèi)的三個臺站以上均觸發(fā)才采取控車措施。

基于P 波檢測預(yù)警可有效提高預(yù)警時間。當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)的地震計檢測到P 波時，3～4s之內(nèi)將推算出地震的震級、深度和震中位置，并對可能遭受災(zāi)害的區(qū)段發(fā)出地震警報，高鐵隨后實(shí)施緊急制動程序，在S波到達(dá)鐵路沿線之前，使列車停止運(yùn)行或減速運(yùn)行。

4.1.2 鐵路總公司需要與地震局實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源共享

要實(shí)現(xiàn)基于P波的地震預(yù)警，單靠鐵路沿線臺站無法實(shí)現(xiàn)，需要地震監(jiān)測臺網(wǎng)有足夠的覆蓋域和足夠的臺網(wǎng)密度即在鐵路沿線兩側(cè)不小于100km內(nèi)，臺站間距不小于25km。要達(dá)到這一要求單靠高鐵的沿線臺站是無法完成的，需要實(shí)現(xiàn)地震局監(jiān)測臺網(wǎng)與高鐵沿線預(yù)警臺站數(shù)據(jù)共享，采用“雙網(wǎng)觸發(fā)”的模式才可以實(shí)現(xiàn)基于P 波地震預(yù)警系統(tǒng)的效能［14］。

例如，僅僅依靠鐵路沿線的強(qiáng)震臺站，對于發(fā)生在鐵路沿線有一定距離的地震，如50km 左右往往震后15s以后才能監(jiān)測到該地震，但加入中國地震臺網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)后就可以提高一定的預(yù)警時間。如圖3所示，對于發(fā)生在本地（A 區(qū)）及臨近地區(qū)（C 區(qū)）的地震，可以很好地給相鄰區(qū)域（B 區(qū)）正在運(yùn)行的列車提供預(yù)警信息。由于沿線臺一般都是建在鐵路沿線的強(qiáng)震動土層臺，場地條件相對于建于基巖（或井下）的地震臺站要差很多，由于場地干擾、儀器靈敏度等原因，只能實(shí)現(xiàn)所謂的“閾值預(yù)警”［15－16］。

圖3 高鐵地震預(yù)警分區(qū)圖

4.1.3 地震系統(tǒng)與鐵路總公司地震監(jiān)測數(shù)據(jù)共享方案設(shè)計

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)計，從數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩嵌瘸霭l(fā)，地震系統(tǒng)與高速鐵路系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置公共數(shù)據(jù)交換區(qū)，兩者均可訪問該區(qū)域，但不可互相訪問。

高速鐵路系統(tǒng)建立高速鐵路預(yù)警數(shù)據(jù)中心，建立公共數(shù)據(jù)交換區(qū)，并通過其與中國地震臺網(wǎng)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)信息共享，其他各高速鐵路路局中心從高速鐵路預(yù)警數(shù)據(jù)中心獲得共享數(shù)據(jù)。公共數(shù)據(jù)交換區(qū)設(shè)置在高速鐵路預(yù)警中心，并由其進(jìn)行管理和維護(hù)（見圖4）。

圖4 高速鐵路系統(tǒng)和地震系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)示意圖

目前中國地震監(jiān)測系統(tǒng)所使用的地震速報信息分為人工地震速報信息和自動地震速報信息。其中，人工地震速報信息由中國地震臺網(wǎng)中心匯集各省級地震臺網(wǎng)中心和國家地震臺網(wǎng)中心的結(jié)果，統(tǒng)一對外發(fā)布；自動地震速報信息由中國地震臺網(wǎng)中心匯集各自動地震速報分中心的結(jié)果，統(tǒng)一對外發(fā)布。在不改變現(xiàn)有地震系統(tǒng)運(yùn)行方式的基礎(chǔ)上，遵循統(tǒng)一對外發(fā)布的原則，將自動地震速報綜合觸發(fā)結(jié)果（AU）和正式地震速報結(jié)果（CC/CD）同高速鐵路預(yù)警系統(tǒng)通過公共數(shù)據(jù)交換區(qū)進(jìn)行共享。

4.2 未來高鐵地震預(yù)警展望

4.2.1 智能鐵路預(yù)警

德國科學(xué)家于2007年7月成功研制出新一代的智能鐵軌，這種鐵軌不僅可以精確測定地震波到達(dá)鐵路的時間和方位，還可分辨出地震、火車、人或動物所引發(fā)的不同震頻，從而可以避免人員傷亡［17］。這種新一代智能鐵軌由德國卡爾斯魯厄大學(xué)（Universit Karlsruh）等3所大學(xué)的科研人員聯(lián)合研制，它最大的功能就是能及時偵測到前方軌道的險情，指示列車減速或停止。其原理主要通過沿線布置的地震傳感器對一定頻率范圍內(nèi)的地震波進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，當(dāng)超過一定閾值時便將信息發(fā)送到中央計算機(jī)，通過對相關(guān)信息計算分析可對震中位置進(jìn)行判定，在3s后對地震動強(qiáng)度以及可能的破壞程度作出較精確的判定，并通過對破壞性地震波（S波）到達(dá)時間以及破壞半徑的判定，對可能出現(xiàn)的軌道斷裂和隧道坍塌進(jìn)行預(yù)測。緊接著，中央計算機(jī)將在數(shù)分鐘內(nèi)創(chuàng)建精確到米的地震規(guī)模圖，生成對比數(shù)據(jù)和受損鐵路的目錄，同時制定出緊急行動計劃。在地震達(dá)到一定級數(shù)之后，中央計算機(jī)還會干預(yù)交通系統(tǒng)，指示列車停下或減速。

4.2.2 基于高頻GPS的地震預(yù)警

GPS作為地學(xué)研究的一個有力工具，能夠不受時間和空間的限制來記錄地表位移。長周期GPS通常是利用日均值來為長周期的地殼形變研究提供幫助［18］，例如板塊相對運(yùn)動或冰后回彈等［19］。近期GPS接收機(jī)技術(shù)和存儲能力大幅度提高，軟件的不斷更新使GPS系統(tǒng)不斷完善，目前20km 以內(nèi)相對靜態(tài)定位，僅需15～20min；快速靜態(tài)相對定位測量時，當(dāng)每個流動站與基準(zhǔn)站相距在15km 以內(nèi)時，流動站觀測時間只需1～2min，然后可隨時定位，每站觀測只需幾秒鐘，實(shí)時定位速度很快。當(dāng)?shù)卣鸩ń?jīng)過時，GPS 會直接地觀測其運(yùn)動過程，而且GPS在振幅方面不會產(chǎn)生飽和，高頻GPS既能記錄秒尺度的地表位移，也可以估計地震產(chǎn)生的同震偏移和應(yīng)變場需要的地表位移。高頻GPS直接測量記錄地面點(diǎn)的位移，而不需要綜合其他因素［18］。目前GPS接收機(jī)的一次定位和測速工作在1s甚至更小的時間內(nèi)便可完成，較小的時延使其可以應(yīng)用于地震預(yù)警等實(shí)時性要求較高的系統(tǒng)。應(yīng)用實(shí)踐已經(jīng)證明，GPS相對定位精度在50km以內(nèi)可達(dá)10－6，100～500km 可達(dá)10－7，1 000km 可達(dá)10－9。此外，GPS可連續(xù)提供高精度的三維位置、三維速度和時間信息。這使利用高頻（1Hz）和超高頻（20～50 Hz）GPS實(shí)時監(jiān)測強(qiáng)地震地面運(yùn)動成為現(xiàn)實(shí)，使高頻GPS觀測不僅可以應(yīng)用在地殼運(yùn)動監(jiān)測和大陸動力學(xué)研究中，也可以在地震活動監(jiān)測、斷層破裂過程、乃至地震預(yù)警系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。

利用高頻GPS 實(shí)施地震預(yù)警，是近年才興起的新技術(shù)。高頻GPS與傳統(tǒng)GPS定位比較，其定位原理相同，數(shù)據(jù)處理也采用相同的數(shù)學(xué)模型，都需要解算整數(shù)模糊度。其不同點(diǎn)是研究目標(biāo)不同、采樣率不同、參與計算的衛(wèi)星個數(shù)不同、多余觀測數(shù)不同、衛(wèi)星位置對定位精度的影響不同。利用高頻GPS實(shí)施地震預(yù)警有著廣闊的前景。

［1］GB 18306—2001.中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖

［2］劉林，閻貴平，辛學(xué)忠，等.京滬高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)的方案及關(guān)鍵參數(shù)研究.中國安全科學(xué)學(xué)報，2002，12（4）：75－79

［3］樊艷.京津城際高速鐵路地震監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)方案探討.鐵路技術(shù)創(chuàng)新，信息技術(shù)，2010（5）：116－119

［4］百度百科.寶成鐵路109隧道.［2014－06－16］.http：∥baike.baidu.com/link？url＝3vQ8IrAColccJisGHPRh GLUBNFIrfyOuJdBOt－DPx8LO2npFSdm69tsEHbFnbPHlX20HpBKRDcsPD＿k－Db70EK

［5］中國新聞網(wǎng).日本新瀉發(fā)生強(qiáng)烈地震 新干線脫軌尚無人員傷亡.［2014－06－16］.http：∥www.chinanews.com/news/2004/2004－10－23/26/497945.shtml

［6］網(wǎng)易財經(jīng).日本新干線為何能經(jīng)受住大地震考驗.［2014－06－16］.http：∥money.163.com/11/0712/01/78NMLNFS00253B0H.html

［7］王毅.我國中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃解讀.綜合運(yùn)輸，2004（7）：12－14

［8］中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃（2008年調(diào)整）.綜合運(yùn)輸，2008（12）：7－9

［9］王瀾，戴賢春，穆恩生，等.京津城際鐵路地震緊急自動處置系統(tǒng)方案研究.北京：鐵道科學(xué)研究院，2006：18－21

［10］袁志祥，單修政，徐世芳，等.地震預(yù)警技術(shù)綜述.自然災(zāi)害學(xué)報，2007，16（6）：216－223

［11］李山有，金星，馬強(qiáng).地震預(yù)警系統(tǒng)與智能應(yīng)急控制系統(tǒng)研究.世界地震工程，2004，20（4）：21－26

［12］黃媛，楊建思.用于地震預(yù)警系統(tǒng)中的快速地震定位方法綜述.國際地震動態(tài).2006（12）：336－340

［13］馬強(qiáng)，金星，李山有，等.用于地震預(yù)警的P波震相到時自動拾取.地球物理學(xué)報，2013，56（7）：2313－2321

［14］王喆.高速鐵路地震預(yù)警及快速反應(yīng)系統(tǒng)研究.世界軌道交通，2006（6）：4－6

［15］趙樹學(xué).我國高速鐵路地震監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)方案.鐵路技術(shù)創(chuàng)新信息技術(shù)，2010（5）：108－112

［16］孫漢武，王瀾，戴賢春，等.高速鐵路地震緊急自動處置系統(tǒng)的研究.中國鐵道科學(xué)，2007，28（5）：121－127

［17］譚薇.德國智能鐵路可預(yù)報地震.［2009－07－07］.http：∥www.rfidinfo.com.cn/Info/n13730＿1.html

［18］殷海濤，甘衛(wèi)軍，肖根如，等.利用高頻GPS技術(shù)進(jìn)行強(qiáng)震地面運(yùn)動監(jiān)測的研究進(jìn)展.地球物理學(xué)進(jìn)展，2009，24（6）：2012－201

［19］Segall P，DavisJ L.GPS Applications for Geodynamics and Earthquake Studies.Ann.Rev.Earth Planet.Sci.，1997（25）：301－336