楊 林 閆 璐 郭奇園

地震是危害最大的自然災(zāi)害，會(huì)直接破壞鐵路基礎(chǔ)設(shè)施，導(dǎo)致列車脫軌、傾覆等災(zāi)害。為避免或減輕這些災(zāi)害，要盡可能使列車在地震發(fā)生前或發(fā)生時(shí)減低運(yùn)行速度或停運(yùn)，一套有效的鐵路地震監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，可使列車在災(zāi)害發(fā)生時(shí)的損失程度降至最小。在鐵路較為發(fā)達(dá)的日本、法國(guó)和中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)，均針對(duì)鐵路運(yùn)輸建立了地震報(bào)警或預(yù)警系統(tǒng)，以減輕地震災(zāi)害對(duì)鐵路運(yùn)輸安全的危害。

地震報(bào)警主要通過(guò)監(jiān)測(cè)S波，當(dāng)?shù)卣饎?dòng)參數(shù)達(dá)到一定閾值后發(fā)出警報(bào)；而地震預(yù)警則是利用P波和S波的速度差、電磁波和地震波的速度差，在地震發(fā)生后，當(dāng)破壞性地震波尚未來(lái)襲的數(shù)秒至數(shù)十秒之前發(fā)出預(yù)警。

1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

目前世界上把地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于鐵路防護(hù)主要有日本和法國(guó)。

日本非常重視列車地震防災(zāi)，其地震預(yù)警系統(tǒng)的發(fā)展歷程大體可以分為三個(gè)階段：S波報(bào)警裝置（1964年－1991年），UrEDAS——單點(diǎn)P波報(bào)警裝置 （1992年－2004年），多點(diǎn)P波預(yù)警與S波監(jiān)測(cè)并行——快速地震報(bào)警系統(tǒng)EQAS（2005年至今）。其發(fā)展歷程是從機(jī)械式發(fā)展到電子式，從單純沿線監(jiān)測(cè)報(bào)警到海岸和內(nèi)陸異地預(yù)警，從監(jiān)測(cè)S波 （有局限性）到監(jiān)測(cè)P波 （準(zhǔn)確度不高），再到氣象廳地震緊急快報(bào) （延時(shí)較大）。盡管各類系統(tǒng)都不是完善預(yù)警，但日本新干線都保留了所有模式，且報(bào)警 （預(yù)警）互為備份，無(wú)論哪種報(bào)警 （預(yù)警）技術(shù)失效，都會(huì)有備用技術(shù) （哪怕時(shí)效性或準(zhǔn)確性不高）作為兜底。日本地震預(yù)警系統(tǒng)在鐵路安全運(yùn)營(yíng)方面發(fā)揮了重要作用，投入運(yùn)營(yíng)以來(lái)，多次對(duì)地震成功進(jìn)行預(yù)警，對(duì)列車實(shí)施了緊急制動(dòng)，保證了旅客生命安全。

法國(guó)地中海線地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)僅具備報(bào)警功能而無(wú)預(yù)警，每個(gè)區(qū)段的局部監(jiān)測(cè)點(diǎn)各自獨(dú)立工作，且均與中央決策系統(tǒng) （馬賽控制中心）相連，形成地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。馬賽控制中心具有雙機(jī)冗余的判別處理和報(bào)警裝備，接收到監(jiān)測(cè)點(diǎn)報(bào)警信息后，要與國(guó)家地震部門(mén)驗(yàn)證進(jìn)行確認(rèn)，通過(guò)中心報(bào)警部件向列控系統(tǒng)發(fā)出控制列車運(yùn)行的信息。

我國(guó)大陸是一個(gè)震災(zāi)嚴(yán)重的國(guó)家，與日本、法國(guó)、以及中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)相比，中國(guó)大陸地震分布較廣，震源分散、復(fù)雜，對(duì)鐵路安全運(yùn)營(yíng)影響大。目前，我國(guó)雖在鐵路防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)立了地震監(jiān)測(cè)報(bào)警子系統(tǒng)，并沿鐵路線設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，但僅具備實(shí)時(shí)S報(bào)警功能，無(wú)預(yù)警功能。且沒(méi)有集中統(tǒng)一的鐵路局信息處理中心，且各自獨(dú)立運(yùn)行、互不連通，影響了地震災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的深化應(yīng)用。因此，開(kāi)展地震災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警中心系統(tǒng) （簡(jiǎn)稱中心系統(tǒng)）建設(shè)是解決現(xiàn)存問(wèn)題的必要手段，充分利用資源，避免重復(fù)建設(shè)，對(duì)提高災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用水平有著重要的作用。為此，在對(duì)國(guó)內(nèi)外地震監(jiān)測(cè)與預(yù)警技術(shù)研究、對(duì)比、分析的基礎(chǔ)上，對(duì)鐵路地震監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的需求、功能、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行細(xì)化研究，提出了鐵路地震監(jiān)測(cè)預(yù)警中心技術(shù)方案。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1 研究目標(biāo)

設(shè)計(jì)技術(shù)先進(jìn)、架構(gòu)合理、穩(wěn)定可靠的鐵路地震監(jiān)測(cè)預(yù)警中心系統(tǒng)，全面實(shí)現(xiàn)鐵路地震災(zāi)害監(jiān)測(cè)信息的集成與共享、集中管理，更大程度地發(fā)揮監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)作用，為鐵路列車運(yùn)行安全提供技術(shù)支撐。具體目標(biāo)如下。

1．構(gòu)建鐵路地震監(jiān)測(cè)預(yù)警中心系統(tǒng)，集成既有和新建的地震預(yù)警系統(tǒng)，形成統(tǒng)一的地震監(jiān)測(cè)預(yù)警中心，實(shí)現(xiàn)地震監(jiān)測(cè)、警報(bào)等信息的集中處置。

2．實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地報(bào)警、異地預(yù)警。

3．實(shí)現(xiàn)與國(guó)家地震部門(mén)、調(diào)度系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)等路內(nèi)相關(guān)系統(tǒng)的互聯(lián)互通。

4．通過(guò)快速識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)預(yù)警范圍、預(yù)警級(jí)別的快速確定。

5．與車載緊急處置裝置配合，實(shí)現(xiàn)地震報(bào)警信息的快速處理，確保列車運(yùn)行安全。

6．實(shí)現(xiàn)對(duì)地震真實(shí)性的判別，及時(shí)發(fā)布誤報(bào)解除信息，實(shí)現(xiàn)快速恢復(fù)行車。

7．實(shí)現(xiàn)對(duì)地震監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)備的集中監(jiān)測(cè)與維護(hù)管理。

8．統(tǒng)一應(yīng)用軟件及數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的規(guī)范化建設(shè)。

2．2 系統(tǒng)功能

鐵路地震監(jiān)測(cè)預(yù)警中心系統(tǒng)主要功能分為三大塊：地震預(yù)警與緊急處置、系統(tǒng)維護(hù)、統(tǒng)計(jì)分析。其中，地震預(yù)警與緊急處置是系統(tǒng)的核心功能；系統(tǒng)維護(hù)主要實(shí)現(xiàn)整個(gè)地震預(yù)警系統(tǒng)的安全運(yùn)行功能；統(tǒng)計(jì)分析作為系統(tǒng)的輔助功能模塊，可以生成各種類型的地震事件報(bào)表，為領(lǐng)導(dǎo)和相關(guān)部門(mén)提供數(shù)據(jù)參考。地震預(yù)警的關(guān)鍵功能概括如下。

1．地震信息綜合處理功能。實(shí)時(shí)接收、匯總沿線各地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站、國(guó)家地震臺(tái)網(wǎng)中心 （省級(jí)）上傳的地震監(jiān)測(cè)、預(yù)警、報(bào)警信息，對(duì)單點(diǎn)監(jiān)測(cè)、相鄰點(diǎn)間監(jiān)測(cè)、多點(diǎn)監(jiān)測(cè)的地震參數(shù)進(jìn)行快速處理，綜合分析、估算不同級(jí)別命令地震影響范圍和影響范圍內(nèi)不同區(qū)域的警報(bào)登記，并據(jù)此發(fā)布緊急處置信息。

2．P波多點(diǎn)預(yù)警。匯聚各個(gè)臺(tái)站P波預(yù)警信息，實(shí)時(shí)分析、計(jì)算，快速定位地震，確定震中距、震級(jí)、方位角等地震關(guān)鍵要素。

3．地震緊急處置信息發(fā)布功能。確定為地震事件后，計(jì)算地震加速度衰減范圍，確定地震警報(bào)影響級(jí)別、影響范圍，通過(guò)GSM－R系統(tǒng)向車載地震緊急處置裝置發(fā)送地震緊急處置信息，經(jīng)地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站和信號(hào)接口單元分別向牽引供電系統(tǒng)和信號(hào)系統(tǒng)發(fā)送地震緊急處置信息，同時(shí)向本局調(diào)度系統(tǒng)和地震影響范圍內(nèi)的地震監(jiān)測(cè)預(yù)警中心系統(tǒng)發(fā)送。

4．地震誤報(bào)判斷和解除信息發(fā)布功能。針對(duì)P波預(yù)警對(duì)地震發(fā)生的真實(shí)性進(jìn)行判別，根據(jù)判別結(jié)果，通過(guò)上述相同的路徑發(fā)布誤報(bào)解除信息。

圖1 鐵路地震監(jiān)測(cè)預(yù)警中心系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2．3 總體設(shè)計(jì)

地震監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)按照二層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，地震監(jiān)測(cè)預(yù)警中心系統(tǒng)作為第1層，第2層是布設(shè)在鐵路沿線的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備 （包括地震監(jiān)測(cè)預(yù)警臺(tái)站、信號(hào)接口單元）和車載緊急處置裝置。中心系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、地震警報(bào)等數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及處理。同時(shí)，中心系統(tǒng)與國(guó)家地震臺(tái)網(wǎng)省級(jí)中心、相鄰中心系統(tǒng)互聯(lián)，進(jìn)行信息共享。具體見(jiàn)圖1所示。

2．4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鐵路中心系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)采用多層架構(gòu)設(shè)計(jì)，分為展現(xiàn)層、應(yīng)用層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)層、接口層、系統(tǒng)軟件層和系統(tǒng)硬件層7層，具體關(guān)系見(jiàn)圖2所示。

系統(tǒng)硬件層包括數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、接口服務(wù)器、通信服務(wù)器、時(shí)鐘同步服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和存儲(chǔ)設(shè)備。數(shù)據(jù)備份采用磁盤(pán)陣列。

系統(tǒng)軟件層包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、存儲(chǔ)／備份系統(tǒng)、應(yīng)用中間件、通信中間件、數(shù)據(jù)中間件和防病毒系統(tǒng)等。

接口層包括地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站、國(guó)家地震臺(tái)網(wǎng)中心、GSM－R通信系統(tǒng)、信號(hào)接口單元、調(diào)度系統(tǒng)、相鄰鐵路局?jǐn)?shù)據(jù)交換、地震監(jiān)測(cè)預(yù)警綜合處理分析平臺(tái)等接口。

數(shù)據(jù)層包括地震監(jiān)測(cè)、地震警報(bào)、設(shè)備狀態(tài)、緊急處置指令、路局中心與接入系統(tǒng)間的通信交互過(guò)程、系統(tǒng)運(yùn)行基礎(chǔ)和系統(tǒng)管理等數(shù)據(jù)。

服務(wù)層采用SOA架構(gòu)的方式，提供數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)、流程、訪問(wèn)、安全認(rèn)證、系統(tǒng)日志、系統(tǒng)資源監(jiān)控等服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問(wèn)、數(shù)據(jù)協(xié)議和格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)訂閱／發(fā)布、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、地震警報(bào)、緊急處置命令生成等功能。

應(yīng)用層功能主要由后臺(tái)服務(wù)模塊提供，包括地震預(yù)警P波識(shí)別、地震影響范圍計(jì)算、地震警報(bào)信息發(fā)布、地震臺(tái)網(wǎng)中心接入、中心與臺(tái)站、信號(hào)等接口單元信息交互、地震數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析、系統(tǒng)診斷與維護(hù)、資源管理、日志管理、業(yè)務(wù)監(jiān)控等模塊。

展現(xiàn)層主要由客戶端軟件提供，采用WebService和MQ等協(xié)議與后臺(tái)進(jìn)行交互，提供地震信息監(jiān)控操作、基于GIS的地震信息綜合展示、數(shù)據(jù)綜合統(tǒng)計(jì)分析、地震波形分析／展示等界面功能。

3 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

3．1 異地預(yù)警

及時(shí)監(jiān)測(cè)地震的發(fā)生，根據(jù)地震發(fā)生強(qiáng)度和地點(diǎn)，快速確定地震破壞 （影響）范圍，并向影響范圍內(nèi)的列車發(fā)出預(yù)警信息，采取必要的措施確保列車處于安全運(yùn)行狀態(tài)，這是鐵路地震監(jiān)測(cè)預(yù)警的最根本與最重要的目標(biāo)。采用異地預(yù)警技術(shù)，能夠更加有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)地震影響范圍內(nèi)列車發(fā)出預(yù)警，為相應(yīng)系統(tǒng)采取措施爭(zhēng)取時(shí)間，異地預(yù)警的本質(zhì)就是通過(guò)時(shí)間、空間和傳輸速度的差異帶來(lái)的時(shí)間差來(lái)實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)通過(guò)基于S波、基于P波、基于國(guó)家地震預(yù)警系統(tǒng)三種方式實(shí)現(xiàn)異地預(yù)警。

3．2 預(yù)警誤報(bào)解除

基于P波預(yù)警是一項(xiàng)全世界范圍內(nèi)的尚未成熟的前沿技術(shù)，由于理論和技術(shù)上的限制，會(huì)產(chǎn)生誤報(bào)的情況，如果誤報(bào)信息不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)的措施，將會(huì)給鐵路正常的行車秩序帶來(lái)嚴(yán)重的影響，因此必須采取相應(yīng)的技術(shù)手段，確保實(shí)現(xiàn)P波預(yù)警誤報(bào)信息被及時(shí)識(shí)別和消除。本系統(tǒng)采用以下2種方案實(shí)現(xiàn)誤報(bào)的識(shí)別與解除。

實(shí)時(shí)采集地震監(jiān)測(cè)信息，監(jiān)視P波預(yù)警發(fā)出后其后續(xù)S波的峰值，如果后續(xù)S波如期到來(lái)并超過(guò)設(shè)定的閾值，證明P波預(yù)警是正確的，如果后續(xù)S波沒(méi)有到來(lái)或沒(méi)有超過(guò)設(shè)定的閾值，則前期的P波預(yù)警即為誤報(bào)。

通過(guò)地震部門(mén)臺(tái)網(wǎng) （國(guó)家地震預(yù)警系統(tǒng)），實(shí)時(shí)接受地震預(yù)警和地震速報(bào)信息，如果在P波預(yù)警發(fā)出120s后，沒(méi)有收到國(guó)家臺(tái)網(wǎng)的地震速報(bào)信息，或速報(bào)信息中地震的強(qiáng)度沒(méi)有超過(guò)鐵路地震監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)定的閾值，則前期的P波預(yù)警即為誤報(bào)。

當(dāng)確認(rèn)所發(fā)送的P波預(yù)警信息為誤報(bào)信息后，中心系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向影響范圍內(nèi)的地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站、信號(hào)接口單元、車載緊急處置裝置發(fā)送預(yù)警解除信息，使?fàn)恳╇娤到y(tǒng)、列控系統(tǒng)和車載緊急處置裝置采取相應(yīng)措施，恢復(fù)列車的正常運(yùn)行。如果影響范圍超出本局管轄范圍，預(yù)警信息還將被發(fā)送到相鄰的中心系統(tǒng)，相鄰中心系統(tǒng)按照上述原則采取同樣的措施。

3．3 緊急處置命令生成技術(shù)

鐵路地震監(jiān)測(cè)預(yù)警中心系統(tǒng)緊急處置命令生成技術(shù)，是通過(guò)應(yīng)用服務(wù)器技術(shù)和GIS空間技術(shù)完美的結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。采用空間和非空間數(shù)據(jù)的聯(lián)合運(yùn)算，其運(yùn)用手段包括各種幾何的邏輯運(yùn)算、數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，代數(shù)運(yùn)算等數(shù)學(xué)手段，來(lái)提取和傳輸?shù)卣鹩绊懛秶?，自?dòng)生成緊急處置命令。GIS中實(shí)現(xiàn)空間分析的基本功能，包括空間查詢與量算，緩沖區(qū)分析、疊加分析、路徑分析、空間插值、統(tǒng)計(jì)分類分析等。

4 問(wèn)題與結(jié)論

在研發(fā)鐵路地震監(jiān)測(cè)預(yù)警中心系統(tǒng)的過(guò)程中，P波預(yù)警模型算法和地震烈度衰減緊急處置范圍模型計(jì)算還需要進(jìn)一步研究，需要對(duì)地震監(jiān)測(cè)布設(shè)點(diǎn)的地形、地貌、巖土結(jié)構(gòu)、地震構(gòu)造特征做綜合分析，建立地震預(yù)警處理模型，通過(guò)大量實(shí)際試驗(yàn)，用海量數(shù)據(jù)來(lái)優(yōu)化模型參數(shù)，提供系統(tǒng)的預(yù)警精度。

構(gòu)建鐵路地震監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，集成既有和新建的地震預(yù)警系統(tǒng)，全面實(shí)現(xiàn)鐵路地震災(zāi)害監(jiān)測(cè)信息的集成與共享，形成統(tǒng)一的地震監(jiān)測(cè)預(yù)警中心，更大程度地發(fā)揮監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)作用，對(duì)保障高鐵地震安全具有重要意義。

［1］ 首都圈地區(qū)地震預(yù)警與烈度速報(bào)系統(tǒng)的試驗(yàn)及示范應(yīng)用．國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題研究報(bào)告．

［2］ 張紅才，金星，李軍，韋永祥．地震預(yù)警定位方法研究［J］．地震工程與工程振動(dòng)，2011（6）．

［3］ 金星，張紅才．地震預(yù)警連續(xù)定位方法研究［J］．計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2012（3）．

［4］ Anderson K R．Epicentral location using arrival time order．Bulletin of the Seismological Society of America，198l，7O（2）：541 545．