黃 俊，姚運(yùn)生，陳志高，楊 江

（中國地震局地震研究所地震預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430071）

累積絕對(duì)速度CAV和峰值加速度PGA聯(lián)合報(bào)警在高鐵地震監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用*

黃 俊，姚運(yùn)生，陳志高，楊 江

（中國地震局地震研究所地震預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430071）

美國電力研究所EPRI在1991年通過研究認(rèn)為累積絕對(duì)速度CAV對(duì)低頻震動(dòng)敏感而對(duì)高頻震動(dòng)不敏感，能很好避免沒有破壞性的高頻小震報(bào)警。簡要介紹CAV的概念和標(biāo)準(zhǔn)化算法，并以汶川地震及部分余震數(shù)據(jù)為例，分析高鐵采用CAV參數(shù)報(bào)警的可行性，結(jié)果表明高鐵地震監(jiān)測預(yù)警中CAV參數(shù)可能會(huì)對(duì)破壞性小的遠(yuǎn)震大震報(bào)警，但CAV參數(shù)和峰值加速度PGA參數(shù)聯(lián)合報(bào)警能有效地排除近震小震和遠(yuǎn)震大震對(duì)高鐵地震報(bào)警的干擾。

高鐵地震監(jiān)測預(yù)警；報(bào)警參數(shù)；標(biāo)準(zhǔn)化CAV算法；峰值加速度

地震預(yù)警系統(tǒng)能在地震動(dòng)強(qiáng)度達(dá)到或超過預(yù)警水平時(shí)，在一定的范圍內(nèi)采取適當(dāng)?shù)姆绞较蛘谶\(yùn)行的列車發(fā)出地震警報(bào)，使之在破壞性地震波到達(dá)之前采取緊急處置手段［1］。目前我國高鐵地震監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)通常將是峰值加速度PGA作為控車與否的參數(shù)［2－3］，但峰值加速度只代表地震動(dòng)的大小，并不能反映地震的持續(xù)破壞能力，可能會(huì)對(duì)較大的干擾或峰值大破壞小的高頻小震報(bào)警。為避免這種干擾的發(fā)生，美國電力研究所EPRI在核電地震監(jiān)測報(bào)警設(shè)計(jì)中認(rèn)為當(dāng)反應(yīng)譜參數(shù)和CAV閾值同時(shí)超出規(guī)定的限值，即認(rèn)為超出運(yùn)行基準(zhǔn)地震（OBE），發(fā)出報(bào)警［4］。我國三代核電站的地震監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)也考慮采用此種報(bào)警方式。由于反應(yīng)譜一般是在地震動(dòng)結(jié)束之后計(jì)算的，考慮高鐵地震報(bào)警的實(shí)時(shí)性，本文只研究CAV作為報(bào)警參數(shù)的情況。

1 CAV的概念及標(biāo)準(zhǔn)化CAV算法

CAV的概念由美國電力設(shè)計(jì)院EPRI在1988年提出。CAV最初被定義為加速度絕對(duì)值對(duì)時(shí)間歷程的積分。但由于此算法的CAV值過于依賴時(shí)間歷程，因此EPRI在1991年提出了標(biāo)準(zhǔn)化的CAV算法［5］。標(biāo)準(zhǔn)化的CAV算法如下：

式中：a（t）為1 s間隔內(nèi)的加速度，其中至少有一個(gè)值超過0.025 g；i取1，2，…，n，n表示以s為單位的記錄長度。EPRI通過處理地震數(shù)據(jù)，確定CAV潛在破壞閾值為0.16（g－sec），對(duì)應(yīng)的修正的麥加利地震烈度（MMI）為Ⅶ度。使用標(biāo)準(zhǔn)的CAV算法計(jì)算2008年5月12日汶川5.8級(jí)余震理縣木卡臺(tái)東西向記錄的地震時(shí)程，結(jié)果如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)CAV算法算例

2 我國高鐵地震監(jiān)測預(yù)警原理

目前我國已經(jīng)建設(shè)的京津、京滬地震監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，其原理都是在高鐵沿線地震基本烈度在Ⅶ度及以上的區(qū)段以20～30 km左右的間隔布設(shè)地震監(jiān)測預(yù)警臺(tái)，當(dāng)沿線地震監(jiān)測預(yù)警臺(tái)站中相鄰的三個(gè)地震監(jiān)測預(yù)警臺(tái)中有兩個(gè)臺(tái)檢測到的地震加速度值超過0.04 g時(shí)即發(fā)出地震報(bào)警停車，原理示意圖如圖2所示。這種報(bào)警方式優(yōu)點(diǎn)是易于操作且?guī)缀醪粫?huì)出現(xiàn)誤報(bào)，即使三個(gè)地震臺(tái)中有一個(gè)地震臺(tái)儀器發(fā)生故障不能正常工作依然可以發(fā)出報(bào)警控車，但是由于是基于多臺(tái)報(bào)警，所以報(bào)警延時(shí)長，并存在一定漏報(bào)風(fēng)險(xiǎn)［2］。

圖2 京津、京滬高鐵地震監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)原理示意圖

3 CAV參數(shù)在高鐵地震監(jiān)測預(yù)警的應(yīng)用分析

3.1 CAV參數(shù)在高鐵地震監(jiān)測預(yù)警中的可行性分析

CAV算法以是否超過0.025 g作為對(duì)加速度積分的條件。經(jīng)實(shí)測京津高鐵和京滬高鐵沿線變電所的背景噪聲，統(tǒng)計(jì)得到的背景噪聲峰值都未超過0.025 g。并且CAV算法是一個(gè)累積的過程，對(duì)于只有若干個(gè)加速度值超過0.04g的高頻小震或者噪聲干擾，CAV值會(huì)很小。因此CAV參數(shù)可以有效的防止高鐵沿線高頻小震和其他干擾，可以作為高鐵地震監(jiān)測預(yù)警參數(shù)。

3.2 CAV參數(shù)在高鐵地震監(jiān)測預(yù)警中的報(bào)警閾值確定

CAV參數(shù)最先在核電設(shè)計(jì)提出，0.16（g-sec）的報(bào)警閾值相當(dāng)于修正的麥加利地震烈度Ⅶ度，而中國目前高鐵地震監(jiān)測預(yù)警設(shè)計(jì)中假定當(dāng)自由場監(jiān)測到的地震動(dòng)達(dá)到0.047 g時(shí)高鐵軌道所承受的橫向加速度值可達(dá)到0.12 g［6－7］，這時(shí)列車可能脫軌，考慮安全因素取報(bào)警閾值為0.04 g［2］。高鐵軌道上的列車是以200～300 km／h的速度運(yùn)行，相對(duì)核電站來說在破壞性地震面前更加脆弱。因此選取CAV參數(shù)作報(bào)警參數(shù)時(shí)不能簡單地使用核電地震報(bào)警閾值，而應(yīng)該結(jié)合目前高鐵地震報(bào)警閾值和國內(nèi)的地震特性來綜合考慮閾值的選取。下文將通過地震數(shù)據(jù)處理來探討CAV值與PGA值的關(guān)系。

3.2.1 數(shù)據(jù)初選

在2008年發(fā)生的汶川8.0級(jí)地震中，共有全國的420個(gè)臺(tái)站獲得了主震加速度記錄，距震中21～1 763 km均有臺(tái)站記錄到強(qiáng)震數(shù)據(jù)。而選取的汶川地震部分余震，震級(jí)分布為3.8～6.3級(jí)，共有629組三分向記錄，震中距分布在1～402 km。所選數(shù)據(jù)能夠很好地代表遠(yuǎn)震小震、遠(yuǎn)震大震、近震小震和近震大震。選取的地震事件參數(shù)見表1。

表1 汶川地震及部分余震數(shù)據(jù)表

續(xù)表1

3.2.2 數(shù)據(jù)篩選

由于峰值加速度小于0.025 g的地震CAV值為0，并且高鐵地震監(jiān)測預(yù)警中的CAV報(bào)警閾值不會(huì)超過核電地震監(jiān)測預(yù)警的報(bào)警閾值，為便于分析CAV參數(shù)的報(bào)警閾值，從汶川地震及余震數(shù)據(jù)中選取峰值加速度值超過0.025 g的三分向數(shù)據(jù)計(jì)算CAV值，定義三分向中最大的CAV值為CAVmax，選取CAVmax值在0～0.16（g-sec）的臺(tái)站數(shù)據(jù)供分析使用，篩選之后共有103個(gè)三分向數(shù)據(jù)記錄。

3.2.3 計(jì)算結(jié)果分析

篩選的103個(gè)三分向數(shù)據(jù)峰值加速度值PGA和CAVmax的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。從圖3中可以看出即使是峰值未超過0.04 g，也可能產(chǎn)生較大的CAV值。這是因?yàn)镃AV值大小與地震的持續(xù)時(shí)間有關(guān)，遠(yuǎn)震大震數(shù)據(jù)能產(chǎn)生峰值不大但長時(shí)間超過0.025 g的震動(dòng)，計(jì)算出的CAV值較大。在高鐵地震監(jiān)測預(yù)警預(yù)警中如果僅用CAV值作為報(bào)警參數(shù)，可能會(huì)對(duì)破壞性不大的遠(yuǎn)震大震報(bào)警，因此CAV不能單獨(dú)作為高鐵地震監(jiān)測預(yù)警的報(bào)警參數(shù)。

圖3 汶川地震及部分余震CAVmax與PGA關(guān)系圖

3.3 CAV和PGA參數(shù)聯(lián)合報(bào)警

將圖3中PGA以0.04 g為界，CAVmax以0.048（g-sec）為界作兩條直線，可以將地震明顯分為四個(gè)區(qū)域級(jí)別。如圖4所示，其中0區(qū)代表遠(yuǎn)震小震沒有破壞，1區(qū)代表遠(yuǎn)震大震對(duì)列車有輕度影響，2區(qū)代表近震小震對(duì)列車有輕度影響，3區(qū)代表近震大震，對(duì)列車有嚴(yán)重破壞。因此在高鐵地震監(jiān)測預(yù)警預(yù)警中聯(lián)合CAV和PGA兩個(gè)參數(shù)報(bào)警，能有效的排除近震小震和遠(yuǎn)震大震對(duì)高鐵地震報(bào)警的干擾。PGA的報(bào)警閾值仍設(shè)為0.04 g，CAV的報(bào)警閾值根據(jù)圖4分界線并考慮一定的安全性可以設(shè)為0.045（g-sec）。

圖4 汶川地震及部分余震分四個(gè)區(qū)域的CAVmax與PGA關(guān)系圖

目前高鐵地震監(jiān)測預(yù)警中，雖然對(duì)峰值加速度PGA超過0.04 g的地震報(bào)警，但是報(bào)警之后并不知道地震的基本信息。CAV與PGA參數(shù)聯(lián)合報(bào)警不僅能提高單臺(tái)報(bào)警的準(zhǔn)確率，還可以通過CAV和PGA值粗略判斷地震的破壞性，從而靈活地采取不同的應(yīng)急處置措施，如當(dāng)?shù)卣鹛幱?區(qū)時(shí)，可認(rèn)為地震對(duì)列車行駛沒有影響繼續(xù)勻速行駛；當(dāng)?shù)卣鹛幱?～2區(qū)時(shí)，認(rèn)為地震對(duì)列車有輕度影響，需要減速運(yùn)行；當(dāng)?shù)卣鸬膱?bào)警級(jí)別為3區(qū)時(shí)，認(rèn)為地震對(duì)列車有嚴(yán)重破壞，需要緊急停車。

4 結(jié)論與討論

用汶川地震及其部分余震數(shù)據(jù)來證實(shí)CAV參數(shù)在高鐵地震監(jiān)測預(yù)警中應(yīng)用的可能性，結(jié)果表明CAV參數(shù)作為高鐵地震監(jiān)測預(yù)警的報(bào)警參數(shù)可能會(huì)對(duì)高鐵安全運(yùn)行影響不大的遠(yuǎn)震大震報(bào)警，但聯(lián)合PGA參數(shù)可以有效地排除近震小震和遠(yuǎn)震大震的干擾，并可將地震分為四個(gè)區(qū)域采取不同的應(yīng)急處置措施。

CAV和PGA參數(shù)聯(lián)合報(bào)警與目前我國高鐵監(jiān)測使用的PAG參數(shù)報(bào)警相比要更加穩(wěn)定高效，待在高鐵沿線試驗(yàn)一段時(shí)間證明穩(wěn)定后可以作為單臺(tái)地震報(bào)警參數(shù)取代基于PGA參數(shù)的多臺(tái)報(bào)警方式。目前CAV閾值選取依據(jù)來自于汶川地震及余震數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，還需要高鐵沿線大量的強(qiáng)震數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，才能得到更加合理的報(bào)警閾值。

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Application of Standardized Cumulative Absolute Velocity and Peak Ground Acceleration for High-speed Rail Earthquake
M onitoring and Early W arning
Huang Jun，Yao Yunsheng，Chen Zhigao and Yang Jiang（Hubei Key Laboratory of Earthquake Early Warning，Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071，China）

In the research conducted by America Electric Power Research Institute in 1991，cumulative absolute velocity（CAV）is believed to be sensitive to low frequency vibration nor high frequency vibration，could well avoid alarms of high frequency small earthquakeswithout destruction.Concept and standardized algorithm of CAV are introduced briefly.Based on Wenchuan earthquake and some of its aftershocks，the feasibility of the application of CAV alarm on high-speed rail earthquakemonitoring and early warning is analyzed.Result show that CAV may give an alarm when a larger and farther earthquake happened，but an alarm method which combined CAV and PGA could exclude the interferences of the nearer and smaller earthquakes aswell as the larger and farther earthquakes.

high-speed rail earthquakemonitoring and early warning；alarm parameter；standard CAV algorithm；peak acceleration

P315.61；X43

A

1000－811X（2014）02－0213－04

10.3969／j.issn.1000－811X.2014.02.039

黃俊，姚運(yùn)生，陳志高，等.累積絕對(duì)速度CAV和峰值加速度PGA聯(lián)合報(bào)警在高鐵地震監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用［J］.災(zāi)害學(xué)，2014，29（2）：213－216.［Huang Jun，Yao Yunsheng，Chen Zhigao，etal.Application of Standardized Cumulative Absolute Velocity and Peak Ground Acceleration for High-speed Rail Earthquake Monitoring and Early Warning［J］.Journal of Catastrophology，2014，29（2）：213－216.］

2013－09－18

2013－11－07

湖北省自然科學(xué)基金（2012FFA063）；中國地震局地震研究所所長基金（IS20136001）

黃?。?986－），男，湖北孝感人，助理工程師，主要從事地震預(yù)警技術(shù)研究.E-mail：huang.jun＠139.com