周銀興張素靈郭 凱張 巖

1）中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京 100036

2）中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100085

3）北京港震儀器設(shè)備有限公司，北京 102628

高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)控車(chē)方案研究1

周銀興1）張素靈2,3）郭 凱2）張 巖2）

1）中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京 100036

2）中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100085

3）北京港震儀器設(shè)備有限公司，北京 102628

隨著中國(guó)高速鐵路建設(shè)的飛速發(fā)展，對(duì)高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)的要求越來(lái)越迫切。目前我國(guó)建成的幾條高速鐵路地震監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)，都是在鐵路沿線布置的臺(tái)網(wǎng)，沒(méi)有與當(dāng)?shù)氐卣鹋_(tái)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)地震信息共享，對(duì)于地震的精確定位以及強(qiáng)度估計(jì)存在一定的偏差。在高速列車(chē)快速制動(dòng)后，如果能從地震臺(tái)網(wǎng)獲得相應(yīng)的地震信息，對(duì)于制定高速列車(chē)恢復(fù)行車(chē)策略能夠起到很大的作用。本文在對(duì)國(guó)外和國(guó)內(nèi)高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)目前建設(shè)的地震預(yù)警系統(tǒng)實(shí)際情況，提出了高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)快速制動(dòng)及恢復(fù)行駛方案，以期對(duì)我國(guó)下一步高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)提供參考。

高速鐵路 地震預(yù)警 控車(chē)方案

周銀興，張素靈，郭凱，張巖，2015.高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)控車(chē)方案研究.震災(zāi)防御技術(shù)，10（1）：116—125.doi：10.11899/ zzfy20150112

引言

2008年8月1日，中國(guó)第一條高鐵、總長(zhǎng)120km的京津城際線路正式通車(chē)。到2012年底，我國(guó)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，里程達(dá)到1.3萬(wàn)km。這8條高速鐵路沿線全部穿越地震構(gòu)造帶，其中，僅京滬高速鐵路就穿越了4條較大的地震構(gòu)造帶。由于高速行駛中的列車(chē)具有巨大的慣性，在破壞性地震波到達(dá)前，如何采取快速控車(chē)措施，對(duì)于鐵路運(yùn)行安全具有重要意義。與其他自然災(zāi)害相比，地震是一種發(fā)生概率較小，但危害性非常大的突發(fā)性災(zāi)害，而高速鐵路地震預(yù)警在我國(guó)還是一個(gè)較新的領(lǐng)域，因此，開(kāi)發(fā)適用于我國(guó)的高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)十分迫切。

鐵道部與中國(guó)地震局于2012年2月22日正式簽署了“關(guān)于共同推進(jìn)高速鐵路地震安全戰(zhàn)略合作協(xié)議”，共同組成了“高速鐵路地震安全技術(shù)研發(fā)組”，并且把地震災(zāi)害納入自然災(zāi)害綜合防御體系中。

地震預(yù)警系統(tǒng)EEWS（Earthquake Early Warning System）可以在地震發(fā)生后，在破壞性的地震波抵達(dá)設(shè)防區(qū)域前，提供幾秒到幾十秒的預(yù)警時(shí)間，可以有效地減輕地震損失、降低地震次生災(zāi)害并減少人員傷亡（郭凱等，2012）。高鐵地震預(yù)警主要包括兩部分內(nèi)容：一是預(yù)警，即在破壞性地震波尚未到達(dá)前，發(fā)出預(yù)警信息；二是控車(chē)，即在預(yù)警系統(tǒng)觸發(fā)后快速啟動(dòng)控車(chē)系統(tǒng)（劉承亮等，2009；吳逸民，2004）。

目前我國(guó)建成的幾條高鐵地震監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)，均為鐵路沿線的地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)，既沒(méi)有向兩側(cè)展開(kāi)，也沒(méi)有和中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。在高鐵地震預(yù)警系統(tǒng)被觸發(fā)并采取相關(guān)緊急剎車(chē)措施后，單靠沿鐵路線部署的地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)很難精確測(cè)定地震參數(shù)，并無(wú)法有效地評(píng)估地震對(duì)鐵路安全運(yùn)行的影響，對(duì)于做出列車(chē)運(yùn)行恢復(fù)指令缺乏有效依據(jù)。因此，如何將部署的地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)接入中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心的地震信息發(fā)布平臺(tái)就顯得尤為重要。本文將詳細(xì)分析這些因素，在可行性分析基礎(chǔ)上，提出高速鐵路控車(chē)及恢復(fù)行車(chē)技術(shù)模式。

1 國(guó)內(nèi)外高速鐵路地震預(yù)警現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外高速鐵路地震預(yù)警現(xiàn)狀

日本是高速鐵路地震預(yù)警理論和實(shí)踐最成熟的國(guó)家。世界每年發(fā)生的6級(jí)以上地震有約20%發(fā)生在日本，受?chē)?yán)重地震災(zāi)害的影響，日本在高速鐵路及其地震預(yù)警方面具有很豐富的經(jīng)驗(yàn)。

日本高速鐵路地震預(yù)警的發(fā)展，根據(jù)其觸發(fā)方式一般認(rèn)為可分成三個(gè)階段（孫利等，2011），但歸納起來(lái)只有兩種系統(tǒng)：早期的“列車(chē)地震防護(hù)系統(tǒng)”和新一代“地震預(yù)警系統(tǒng)”（UrEDAS）。其中，列車(chē)地震防護(hù)系統(tǒng)是與東海道新干線運(yùn)營(yíng)同步導(dǎo)入的，采用S波閾值進(jìn)行快速控車(chē)判定。為改善S波檢測(cè)存在有效預(yù)警時(shí)間過(guò)短的缺陷，1988年日本鐵道綜合技術(shù)研究所在東北新干線啟用地震預(yù)警系統(tǒng)UrEDAS（Urgent Earthquake Detection and Alarm System）（蘆谷公稔等，2005；內(nèi)田清五，2003）。該系統(tǒng)基于P波檢測(cè)，有效地提高了預(yù)警時(shí)間。當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地震計(jì)檢測(cè)到P波（v=8km/s）時(shí)，4s之內(nèi)將推算出地震的震級(jí)、深度和震中位置，并對(duì)可能遭受災(zāi)害的區(qū)段發(fā)出地震警報(bào)的同時(shí)，向變電所站發(fā)出停止供電信號(hào)，隨后實(shí)施緊急制動(dòng)程序，在S波（v=4km/s）到達(dá)線路之前，使列車(chē)停止運(yùn)行或減速運(yùn)行。另外，日本的統(tǒng)計(jì)資料表明：震級(jí)小于M5.5的地震一般不會(huì)引發(fā)鐵路地震災(zāi)害；震級(jí)與災(zāi)害影響半徑（以震中為圓心）的關(guān)系為：M6=10km，M7=50km，M8=250km。

新干線地震預(yù)警系統(tǒng)對(duì)于日本頻發(fā)的海溝型地震是非常有效的預(yù)警手段，因此目前運(yùn)營(yíng)中的6條新干線均已導(dǎo)入并且成效顯著（東海道新干線新舊兩套系統(tǒng)在同時(shí)使用）。如：2005年8月發(fā)生的宮城南部地震，東北新干線的地震預(yù)警系統(tǒng)在主震到來(lái)前20s實(shí)施緊急制動(dòng)，將列車(chē)速度由270km/h降至210km/h，使乘客幸免于難便是成功的事例；2011年3月11日發(fā)生的日本M9.0級(jí)地震中，由于地震預(yù)警系統(tǒng)及時(shí)發(fā)出警告信息，新干線上所有高速鐵路列車(chē)（27輛）都及時(shí)停車(chē)，沒(méi)有出軌。但是，該系統(tǒng)也并非萬(wàn)無(wú)一失，對(duì)于震中距離鐵路很近的內(nèi)陸直下型地震而言，地震預(yù)警系統(tǒng)則相對(duì)乏力。如：2004年10月23日，日本新瀉發(fā)生6.8級(jí)地震，導(dǎo)致上越新干線脫軌。雖然當(dāng)時(shí)地震報(bào)警系統(tǒng)已經(jīng)給出了控車(chē)信號(hào)，上越新干線一輛正在行駛中的高速鐵路列車(chē)緊急斷電、剎車(chē)，但由于列車(chē)離震中太近，報(bào)警時(shí)間太短，造成車(chē)頭出軌，所幸沒(méi)有造成人員傷亡。這是日本新干線自1964年開(kāi)通以來(lái)，首次在客運(yùn)時(shí)出現(xiàn)脫軌問(wèn)題。為此，日本在致力于不斷提高地震預(yù)警系統(tǒng)精度的同時(shí)，亦采取了其他一些主動(dòng)措施來(lái)加強(qiáng)列車(chē)防護(hù)，即便是列車(chē)脫軌也不致傾覆從而危及乘客生命安全。

法國(guó)地中海線地震監(jiān)控網(wǎng)的中心設(shè)在馬賽，主要基于SNCF（Société nationale deschemins de fer fran?ais，法國(guó)國(guó)家鐵路公司）的通訊網(wǎng)絡(luò)，在沿線設(shè)置了24個(gè)地震監(jiān)測(cè)點(diǎn)，平均10km設(shè)置一個(gè)。在監(jiān)測(cè)站之間擁有2套通信網(wǎng)絡(luò)以保證地震信息可靠傳輸，同時(shí)系統(tǒng)還連接國(guó)家地震部門(mén)驗(yàn)證中心。地中海線的監(jiān)測(cè)點(diǎn)站房不設(shè)在牽引變電所，而是在沿線單獨(dú)設(shè)置，監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間具備雙通道網(wǎng)絡(luò)連接。而負(fù)責(zé)每個(gè)區(qū)段的局部監(jiān)測(cè)是各自獨(dú)立工作的，但與中央的決策系統(tǒng)——馬賽控制中心相連，以形成地震監(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，當(dāng)接收到相鄰3個(gè)監(jiān)測(cè)站的地震報(bào)警信息后（若某一監(jiān)測(cè)站單獨(dú)發(fā)出報(bào)警，系統(tǒng)處理為非地震警報(bào)信息，以防止誤報(bào)），要通過(guò)國(guó)家地震部門(mén)驗(yàn)證（驗(yàn)證中心位于原子能機(jī)構(gòu)內(nèi)），確認(rèn)后才可向列控系統(tǒng)發(fā)出控制列車(chē)運(yùn)行的信息。該系統(tǒng)的報(bào)警準(zhǔn)確率高，但是信號(hào)的傳輸環(huán)節(jié)過(guò)多，延時(shí)長(zhǎng)，且控制中心可能需要人工發(fā)出列車(chē)制動(dòng)指令。

2007年7月德國(guó)科學(xué)家成功研制出新一代的智能鐵軌，這種鐵軌不僅可以精確測(cè)定地震波到達(dá)鐵路的時(shí)間和方位，還可分辨出地震、火車(chē)、人或動(dòng)物所引發(fā)的不同震頻，從而可以避免人員傷亡。這種新一代智能鐵軌由德國(guó)卡爾斯魯厄大學(xué)（Universit Karlsruh）等三所大學(xué)的科研人員聯(lián)合研制，其最大的功能就是能及時(shí)偵測(cè)到前方軌道的險(xiǎn)情，指示列車(chē)減速或暫停。德國(guó)“EWS Transport”的研究小組還計(jì)劃開(kāi)發(fā)出適用于絕大多數(shù)國(guó)家和地區(qū)的新一代智能鐵軌網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它相當(dāng)于世界上最大的地震傳感器。該系統(tǒng)的工作原理其實(shí)并不復(fù)雜，其本質(zhì)是鐵軌上的傳感器在檢測(cè)到地震的前奏P波之后，便會(huì)報(bào)告中央計(jì)算機(jī)，后者會(huì)分析震中位置并創(chuàng)建地震圖，在3s內(nèi)精確測(cè)定地震的強(qiáng)度和破壞程度，同時(shí)計(jì)算出強(qiáng)震波到達(dá)的時(shí)間和地點(diǎn)，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的軌道斷裂和隧道坍塌。緊接著，中央計(jì)算機(jī)將在數(shù)分鐘內(nèi)創(chuàng)建精確到m的地震規(guī)模圖，生成對(duì)比數(shù)據(jù)和受損鐵路的目錄，同時(shí)制定出緊急行動(dòng)計(jì)劃。在地震達(dá)到一定級(jí)數(shù)之后，中央計(jì)算機(jī)還會(huì)干預(yù)交通系統(tǒng)，指示列車(chē)停下或減速（王瀾等，2006）。

1.2 中國(guó)大陸高速鐵路地震預(yù)警現(xiàn)狀

截止2012年底，我國(guó)已經(jīng)建成或正在建設(shè)的高速鐵路中，配備有地震監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的分別為：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、石家莊—太原高速鐵路，總長(zhǎng)度3000余公里。其中，北京—天津城際鐵路地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已建成，正在進(jìn)行試運(yùn)行；北京—上海高速鐵路地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已完成靜態(tài)驗(yàn)收；哈爾濱—大連客運(yùn)專線地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處于施工階段。另外，上?！獙幉ǜ咚勹F路、北京—石家莊—武漢客運(yùn)專線、石家莊—太原等高速鐵路的設(shè)計(jì)中也包括了地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這些地震監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本相同，其主要由4個(gè)單元組成：地震監(jiān)測(cè)點(diǎn)→監(jiān)控單元→監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理設(shè)備→監(jiān)控終端（王瀾等，2006）。

（1）地震監(jiān)測(cè)點(diǎn)。包括2個(gè)相隔約40m的強(qiáng)震儀，每個(gè)強(qiáng)震儀由地震傳感器（加速度計(jì)）和強(qiáng)震動(dòng)記錄器組成。強(qiáng)震儀實(shí)時(shí)采集地震加速度信息，并傳輸至監(jiān)控單元。

（2）監(jiān)控單元。由主機(jī)模塊、監(jiān)測(cè)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。它能夠采集地震儀的地震信號(hào)，進(jìn)行地震觸發(fā)判斷，并將地震信號(hào)和地震監(jiān)測(cè)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)等信息發(fā)送到監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理設(shè)備，同時(shí)接收監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理設(shè)備產(chǎn)生的地震報(bào)警和預(yù)警信息，并發(fā)送給向牽引供電系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)，接收監(jiān)控單元發(fā)出的命令以對(duì)地震監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行配置管理、設(shè)備功能自檢等。

（3）監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理設(shè)備。主要包括數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、磁盤(pán)陣列、應(yīng)用服務(wù)器、時(shí)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(shí)接收監(jiān)控單元傳來(lái)的各種信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、存儲(chǔ)、顯示、打印等，并根據(jù)信息內(nèi)容提供相應(yīng)級(jí)別的地震報(bào)警、預(yù)警信息，根據(jù)列車(chē)運(yùn)行管制規(guī)則提供限速、停運(yùn)等信息。

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

在高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)發(fā)布預(yù)警信息后，報(bào)警及緊急處置有以下兩種方式：一種是列控信號(hào)處置方式，地震發(fā)生后，地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)觸發(fā)列控中心地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接口繼電器落下，列控系統(tǒng)控制列車(chē)運(yùn)行；另一種是牽引變電處置方式，地震發(fā)生后，地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)觸發(fā)變電所地震監(jiān)測(cè)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。北京—天津城際鐵路、北京—上海高速鐵路、北京—石家莊—武漢客運(yùn)專線鄭州—武漢段、合肥—蚌埠客運(yùn)專線和哈爾濱—大連客運(yùn)專線，地震預(yù)警系統(tǒng)的信息傳輸方式相同，其預(yù)警方式和信息傳輸方式如表1所示。

表1 高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)一覽表Table 1 List of earthquake early warning systems for some high speed railways of China

目前中國(guó)開(kāi)行的高速列車(chē)，其在運(yùn)行過(guò)程中能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和硬線形式響應(yīng)列控系統(tǒng)（ATC/ATP）發(fā)出的列車(chē)制動(dòng)指令，通過(guò)微機(jī)控制的直通式電控制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)施列車(chē)制動(dòng)，使列車(chē)在規(guī)定的制動(dòng)距離內(nèi)停車(chē)，而不會(huì)對(duì)列車(chē)造成任何設(shè)備損壞。在地震災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警后，由列控系統(tǒng)（ATC/ATP）控制列車(chē)實(shí)施緊急制動(dòng)停車(chē)時(shí)，列車(chē)從接受該指令至完全施加緊急制動(dòng)的空走時(shí)間約為2.3s。

2 高速鐵路地震預(yù)警信息傳輸模式

相比于高鐵沿線建立的監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)，國(guó)家地震臺(tái)網(wǎng)能夠更為準(zhǔn)確地確定震中位置和震級(jí)，對(duì)列車(chē)所在地的預(yù)估峰值加速度有更為準(zhǔn)確地預(yù)估。另外，地震發(fā)生在區(qū)域網(wǎng)內(nèi)的概率比在高鐵沿線“區(qū)域”要大得多，所以，采用區(qū)域預(yù)警網(wǎng)監(jiān)測(cè)、預(yù)警地震要比實(shí)際沿線網(wǎng)更有效。鑒于此，作者提出區(qū)域地震預(yù)警網(wǎng)接入高鐵沿線地震預(yù)警系統(tǒng)后，運(yùn)行模式為區(qū)域網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)高鐵地震預(yù)警的關(guān)鍵，而沿線網(wǎng)僅僅是確認(rèn)預(yù)警信息，以便進(jìn)行后續(xù)處理。

為了實(shí)現(xiàn)區(qū)域預(yù)警網(wǎng)的預(yù)警信息發(fā)送給高鐵控車(chē)系統(tǒng)，需要將區(qū)域網(wǎng)預(yù)警信息接入高鐵系統(tǒng)。當(dāng)前鐵路系統(tǒng)為了保障信息傳輸?shù)陌踩?，其?nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)與外部的公眾通信網(wǎng)絡(luò)是物理隔離的，不允許外部網(wǎng)絡(luò)對(duì)鐵路通信系統(tǒng)的訪問(wèn)，因此高鐵地震預(yù)警系統(tǒng)不能直接通過(guò)以太網(wǎng)接收區(qū)域地震預(yù)警系統(tǒng)提供的預(yù)警信息。鐵路系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)外的隔離主要是不希望外部獲取到鐵路內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的信息，也不希望外部的信息能夠隨意進(jìn)入，因此要將區(qū)域臺(tái)網(wǎng)的地震預(yù)警信息提供給高鐵地震預(yù)警系統(tǒng)使用時(shí)，需要對(duì)其接口進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣才能滿足鐵路系統(tǒng)的要求。

2.1 中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)概況

通過(guò)中國(guó)地震局“十五”重大工程項(xiàng)目“數(shù)字地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)”的實(shí)施，目前已經(jīng)建成了由1個(gè)國(guó)家地震臺(tái)網(wǎng)和32個(gè)省級(jí)地震臺(tái)網(wǎng)組成的覆蓋全國(guó)的地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)。全國(guó)地震監(jiān)測(cè)運(yùn)行臺(tái)站達(dá)到1014個(gè)，其中，包括148個(gè)國(guó)家地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站和814個(gè)區(qū)域地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站。所有地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站的實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)，首先匯集到各省級(jí)地震臺(tái)網(wǎng)中心，然后再通過(guò)數(shù)據(jù)流服務(wù)器匯集到國(guó)家地震臺(tái)網(wǎng)中心。

2.2 地震速報(bào)信息共享分析

目前，中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心發(fā)布的正式地震速報(bào)時(shí)間約為6—12min，自動(dòng)發(fā)布的地震速報(bào)時(shí)間約為30s—2min，還滿足不了高速鐵路預(yù)警的警報(bào)需求，但這些信息可以用于高速鐵路預(yù)警警報(bào)解除的確認(rèn)。因此，除了實(shí)時(shí)波形數(shù)據(jù)共享之外，地震速報(bào)信息（包括自動(dòng)地震速報(bào)）也應(yīng)該作為信息共享使用。

中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心使用的地震速報(bào)信息共享服務(wù)系統(tǒng)為樹(shù)型結(jié)構(gòu)，所有速報(bào)信息均通過(guò)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心匯集和轉(zhuǎn)發(fā)。其中，自動(dòng)地震速報(bào)信息和人工地震速報(bào)信息均使用統(tǒng)一的結(jié)果（自動(dòng)地震速報(bào)為AU，人工地震速報(bào)為CC/CD）對(duì)外發(fā)布。作為高速鐵路預(yù)警警報(bào)解除的確認(rèn)，可使用自動(dòng)地震速報(bào)信息作為警報(bào)解除的初步啟動(dòng)條件之一，而人工地震速報(bào)信息可作為其最終確認(rèn)條件之一。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)計(jì)，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(wèn)該區(qū)域，但不可互相訪問(wèn)。高速鐵路系統(tǒng)建立的高速鐵路預(yù)警數(shù)據(jù)中心應(yīng)設(shè)置公共數(shù)據(jù)交換區(qū)，并通過(guò)公共數(shù)據(jù)交換區(qū)與中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)信息共享。而其他各高速鐵路路局中心，則通過(guò)高速鐵路預(yù)警數(shù)據(jù)中心進(jìn)行下一級(jí)的數(shù)據(jù)信息共享。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)。

目前中國(guó)地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所使用的地震速報(bào)信息分為人工地震速報(bào)信息和自動(dòng)地震速報(bào)信息。其中，人工地震速報(bào)信息由中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心匯集各省級(jí)地震臺(tái)網(wǎng)中心和國(guó)家地震臺(tái)網(wǎng)中心的結(jié)果，統(tǒng)一對(duì)外發(fā)布；自動(dòng)地震速報(bào)信息則由中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心匯集各自動(dòng)地震速報(bào)分中心的結(jié)果，統(tǒng)一對(duì)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(duì)外發(fā)布的原則，可將自動(dòng)地震速報(bào)綜合觸發(fā)結(jié)果（AU）和正式地震速報(bào)結(jié)果（CC/CD）與高速鐵路預(yù)警系統(tǒng)通過(guò)公共數(shù)據(jù)交換區(qū)進(jìn)行共享。圖1為數(shù)據(jù)流向示意圖方案。

圖1 數(shù)據(jù)流向示意圖方案Fig. 1 Schematic diagram of data flow

3 高速鐵路地震預(yù)警快速控車(chē)及恢復(fù)方案

高速鐵路預(yù)警系統(tǒng)接收的有用的中國(guó)地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)臺(tái)站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可用于沿線監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)，同時(shí)還可以通過(guò)接收中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心發(fā)布的自動(dòng)地震速報(bào)信息和人工地震速報(bào)信息，作為高速鐵路預(yù)警警報(bào)的初步解除和確認(rèn)解除的條件之一使用。

3.1 地震預(yù)警快速控車(chē)方案

預(yù)警時(shí)間是高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)發(fā)揮作用的關(guān)鍵參數(shù)，預(yù)警時(shí)間越多，可以采取的應(yīng)對(duì)手段就越有效和越全面，對(duì)于高速行駛的列車(chē)而言，每多出一秒都顯得非常寶貴。但預(yù)警時(shí)間和預(yù)警信息的可靠度之間存在一個(gè)權(quán)衡，這就導(dǎo)致了系統(tǒng)存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，受到監(jiān)測(cè)臺(tái)站密度、噪聲等各種因素的影響，其發(fā)布的預(yù)警信息又有一定誤差，并存在一定概率的地震漏報(bào)和誤報(bào)等風(fēng)險(xiǎn)事件。例如：在2011年3月11日發(fā)生的日本9.0級(jí)特大地震中，日本的緊急地震速報(bào)系統(tǒng)快速得到的震級(jí)估計(jì)和烈度預(yù)測(cè)結(jié)果就顯著偏??；自2011年3月9日11時(shí)45分日本三陸沖發(fā)生7.2級(jí)地震，至3月15日16時(shí)，日本的地震預(yù)警系統(tǒng)共對(duì)外發(fā)布正確預(yù)警信息26次，誤報(bào)17次，漏報(bào)5次（Japan Meteorological Agency，2011）。

根據(jù)目前的技術(shù)條件和研究程度，可以實(shí)現(xiàn)高速鐵路地震預(yù)警的有“S波預(yù)警”和“P波預(yù)警”兩種方式，它們分別基于地震S波和P波進(jìn)行地震波的檢測(cè)，并根據(jù)地震波強(qiáng)度發(fā)布預(yù)警信息。

（1）基于地震S波預(yù)警

高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收臺(tái)站監(jiān)測(cè)到的加速度實(shí)時(shí)波形，當(dāng)?shù)卣鹩?jì)（由加速度傳感器和數(shù)據(jù)采集器組成）檢測(cè)到的S波幅值超過(guò)一定閾值時(shí)發(fā)出警報(bào)，鐵路系統(tǒng)采取控車(chē)措施?？紤]到地震預(yù)警存在“漏報(bào)”和“誤報(bào)”的情況，根據(jù)我國(guó)高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)地震監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)的情況，最少應(yīng)有1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的2個(gè)臺(tái)站均出現(xiàn)觸發(fā)時(shí)，才能采取控車(chē)措施。盡管采用S波預(yù)警存在預(yù)警時(shí)間過(guò)短的缺陷，但這對(duì)于減少地震造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失仍然可以發(fā)揮一定的作用。目前S波預(yù)警已經(jīng)應(yīng)用于北京—天津、北京—上海等高速鐵路的地震預(yù)警系統(tǒng)。

（2）基于地震P波預(yù)警

要想對(duì)發(fā)生在較遠(yuǎn)處（約50km）的強(qiáng)烈地震進(jìn)行地震預(yù)警，還需要依靠密集分布在廣域上的中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心的臺(tái)網(wǎng)來(lái)提供更多地震信息才能完成。要實(shí)現(xiàn)P波預(yù)警，則首先需要最先收到地震P波的臺(tái)站通過(guò)單臺(tái)確定地震三要素，或者通過(guò)3個(gè)臺(tái)站的地震P波更精確地給出地震預(yù)警信息，這些工作僅僅依靠沿鐵路線布設(shè)的臺(tái)站是無(wú)法較好完成的?；诘卣餚波進(jìn)行地震預(yù)警，可以極大地提高地震預(yù)警系統(tǒng)所發(fā)揮的效能，而基于地震S波進(jìn)行地震預(yù)警，則無(wú)法做到現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警，因?yàn)榛诘卣餚波預(yù)警可以做到在破壞性地震波抵達(dá)前提供一定的預(yù)警時(shí)間?；诘卣餚波預(yù)警的方法，主要采用STA/LTA和AIC方法拾取地震P波。比如：日本的緊急地震速報(bào)系統(tǒng)在對(duì)地震P波進(jìn)行拾取后，通過(guò)單臺(tái)就可對(duì)地震進(jìn)行初步定位，但其出現(xiàn)地震誤報(bào)的概率較高。有鑒于此，同時(shí)考慮到前文論述的我國(guó)高速鐵路地震監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置以及數(shù)據(jù)接入方案，筆者認(rèn)為在綜合權(quán)衡考慮后，應(yīng)保證最少有1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的2個(gè)臺(tái)站均有觸發(fā)，或者接入的地震臺(tái)網(wǎng)在一定半徑范圍內(nèi)的3個(gè)臺(tái)站以上均有觸發(fā)，才能采取控車(chē)措施。

根據(jù)我國(guó)高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)的實(shí)際情況，并結(jié)合本文對(duì)預(yù)警系統(tǒng)接入數(shù)據(jù)方案的需求，筆者認(rèn)為采用“雙網(wǎng)觸發(fā)”的模式可以更加有效地提高地震預(yù)警系統(tǒng)的效能。例如：僅僅依靠鐵路沿線布設(shè)的強(qiáng)震臺(tái)站，對(duì)于發(fā)生在離鐵路沿線有一定距離的地震（如50km左右），往往震后需要15s才能監(jiān)測(cè)到該地震，但如果加入中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)后，就可以提高一定的預(yù)警時(shí)間。如圖2所示，對(duì)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(chē)提供預(yù)警信息。由于沿鐵路線的臺(tái)站一般都是建在鐵路沿線的強(qiáng)震動(dòng)土層臺(tái)，其場(chǎng)地條件相對(duì)于建在基巖（或井下）的地震臺(tái)站要差很多，同時(shí)考慮到場(chǎng)地干擾、儀器靈敏度等原因，這些臺(tái)站只能實(shí)現(xiàn)所謂的“閾值預(yù)警”（張素靈，2003；趙永等，2001）。

圖2 高速鐵路地震預(yù)警分區(qū)圖Fig. 2 Schematic diagram of earthquake early warning zonation of high speed railway

3.2 緊急處置后的行車(chē)恢復(fù)

就國(guó)外有關(guān)高速鐵路地震預(yù)警的標(biāo)準(zhǔn)而言，由于區(qū)域的不同和修建標(biāo)準(zhǔn)的不同，其各有差異。單就允許的軌道最大橫向加速度一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)講：日本為100gal；德國(guó)為120gal；法國(guó)為120gal；我國(guó)初步定為80—120gal（內(nèi)田清五，2003）。在“京滬高速鐵路安全防災(zāi)系統(tǒng)”（鐵道部第四勘測(cè)設(shè)計(jì)院，1998）的報(bào)告中，對(duì)地震的報(bào)警水平有如下的規(guī)定：“當(dāng)沿線監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的加速度值在80—120gal之間時(shí)，列車(chē)運(yùn)行速度限制在30km/h以下；當(dāng)加速度值在120gal以上時(shí)，暫停運(yùn)行，由維護(hù)人員做地面檢查后，以70km/h、160km/h最高速度的順序逐步提高”（國(guó)家強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)中心，2013）。

在高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)被觸發(fā)并采取了緊急控車(chē)措施后，行車(chē)恢復(fù)策略的制定就顯得非常重要。目前我國(guó)高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)在行車(chē)恢復(fù)策略的制定方面，尚未有相關(guān)成熟的策略發(fā)布，也未有實(shí)際的案例可供分析。本文根據(jù)國(guó)外高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際情況，提出了以下控車(chē)恢復(fù)方案（見(jiàn)圖3）。

（1）高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)采用“雙網(wǎng)觸發(fā)”的模式進(jìn)行控制。當(dāng)臺(tái)站監(jiān)測(cè)到的地震波超過(guò)一定閾值，并且觸發(fā)數(shù)量達(dá)到設(shè)定個(gè)數(shù)的臺(tái)站后，快速進(jìn)行地震三要素計(jì)算，并根據(jù)地震動(dòng)強(qiáng)度對(duì)觸發(fā)監(jiān)測(cè)點(diǎn)或地震臺(tái)網(wǎng)一定半徑內(nèi)的列車(chē)進(jìn)行快速制動(dòng)處理?；谌毡尽⑴_(tái)灣的高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)的閾值設(shè)置，本文建議：當(dāng)PGA值介于40—80gal之間時(shí)，應(yīng)根據(jù)沿線路線的實(shí)際情況低速或者停止運(yùn)行；當(dāng)沿線PGA值高于80gal時(shí)，列車(chē)應(yīng)停止運(yùn)行。

（2）通過(guò)對(duì)觸發(fā)臺(tái)站的連續(xù)波形數(shù)據(jù)判定，快速對(duì)該次地震事件進(jìn)行判定，如果該地震屬于誤報(bào)，應(yīng)立即發(fā)布恢復(fù)行車(chē)信息。對(duì)于國(guó)內(nèi)發(fā)生的3級(jí)以上地震，中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心一般在2分鐘內(nèi)便可產(chǎn)出自動(dòng)速報(bào)結(jié)果。根據(jù)地震震級(jí)、震中位置、震源深度等參數(shù)，以及沿線監(jiān)測(cè)點(diǎn)和地震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)到的PGA數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)沿線鐵路受損情況進(jìn)行修正。

圖3 高速鐵路地震預(yù)警快速制動(dòng)及恢復(fù)流程圖Fig. 3 Flow chart showing quick brake and restore functions in high speed railway earthquake warning system

（3）中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心一般在5—15分鐘內(nèi)便可產(chǎn)出人工速報(bào)結(jié)果，根據(jù)此結(jié)果對(duì)沿線監(jiān)測(cè)點(diǎn)和地震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)到的PGA數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得到最終沿線鐵路受損情況。日本對(duì)震級(jí)與鐵路地震災(zāi)害的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，可根據(jù)不同的震級(jí)規(guī)模對(duì)一定半徑內(nèi)的鐵路沿線進(jìn)行人工巡檢，并根據(jù)鐵路運(yùn)行、恢復(fù)緊迫性等因素，制定列車(chē)恢復(fù)運(yùn)行策略。馬強(qiáng)等（2013）從地震對(duì)鐵路線的影響及地震動(dòng)衰減關(guān)系的分析，在考慮了一定的安全冗余后，得到了不同閾值下的動(dòng)態(tài)應(yīng)急處置范圍半徑（蘆谷公稔等，2005）。

一般情況下，當(dāng)發(fā)生小于5級(jí)以下地震、震中距離鐵路有一定的距離，且鐵路沿線監(jiān)測(cè)點(diǎn)的PGA值均低于一定的閾值時(shí)，可以盡快恢復(fù)行車(chē)；當(dāng)鐵路沿線監(jiān)測(cè)到的PGA值高于80gal時(shí)，應(yīng)根據(jù)震級(jí)的大小對(duì)震中一定半徑范圍內(nèi)的鐵路進(jìn)行人工巡檢，才能進(jìn)行相關(guān)恢復(fù)策略的制定。

3.3 以蘆山地震為例的高速鐵路快速制動(dòng)及恢復(fù)方案

2013年4月20日8時(shí)02分發(fā)生的蘆山7.0級(jí)強(qiáng)烈地震，距離最近的高速鐵路為成都—昆明線，震中距離約為76km?；诒疚奶岢龅母咚勹F路快速制動(dòng)和恢復(fù)方案以及進(jìn)行的相關(guān)理論分析和計(jì)算，筆者給出了列車(chē)快速制動(dòng)及流程，如圖4所示。

圖4 高速鐵路地震預(yù)警快速制動(dòng)及恢復(fù)流程圖Fig. 4 An example of quick brake and restore functions in high speed railway earthquake warning system

在上述震例中，采用“雙網(wǎng)觸發(fā)”模式，震后第5s地震波到達(dá)第2個(gè)臺(tái)站；基于P波預(yù)警模式，考慮到計(jì)算和傳播延時(shí)，在t1時(shí)刻即震后約9s發(fā)出地震預(yù)警信息；列車(chē)在警報(bào)發(fā)出2s后采取制動(dòng)措施；在破壞性地震波抵達(dá)成都—昆明線前，列車(chē)最少有11s的時(shí)間進(jìn)行快速控車(chē)。雖然成都—昆明線未布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，但從此次地震附近強(qiáng)震儀記錄的PGA來(lái)看，最高峰值加速度為400.7gal，震中70km外記錄的最高PGA值超過(guò)了80gal（國(guó)家強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)中心，2013），故列車(chē)應(yīng)采取停止運(yùn)行的措施；t2時(shí)刻即地震發(fā)生后55s，中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心自動(dòng)速報(bào)（AU）結(jié)果產(chǎn)出，震級(jí)為5.9級(jí)；t3時(shí)刻即地震發(fā)生后11min17s，中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心人工速報(bào)（CC/CD）結(jié)果產(chǎn)出，震級(jí)為7.0級(jí)；考慮到此次地震震級(jí)較大，根據(jù)記錄到的峰值加速度建議對(duì)震中250km范圍內(nèi)的鐵路進(jìn)行人工巡檢（蘆谷公稔等，2005）；在確認(rèn)和緊急維修后，列車(chē)應(yīng)保持低速運(yùn)行。

4 結(jié)論

伴隨著我國(guó)高速鐵路的飛速發(fā)展，各種自然災(zāi)害尤其是地震造成的危險(xiǎn)也越來(lái)越得到人們的關(guān)注。從國(guó)內(nèi)外高速鐵路的發(fā)展來(lái)看，高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)可以在破壞性地震波抵達(dá)前，向行駛的高速列車(chē)提供一定的預(yù)警時(shí)間，使其進(jìn)行減速等應(yīng)急措施，對(duì)于減少人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失可以發(fā)揮一定作用。

本文對(duì)高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)的信息傳輸模式以及快速控車(chē)和恢復(fù)方案進(jìn)行了相關(guān)分析。結(jié)合高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)際需求，初步提出了中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)地震實(shí)時(shí)波形數(shù)據(jù)和地震速報(bào)信息共享的方案設(shè)計(jì)。并基于數(shù)據(jù)的傳輸方案，提出了高速鐵路地震預(yù)警快速控車(chē)及恢復(fù)方案，以期對(duì)我國(guó)下一步高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)提供參考。但由于我國(guó)高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)還處于研究和試運(yùn)行階段，目前還缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和研究，因此本文提出的基于40—80gal的控車(chē)閾值設(shè)置是否合理，仍需要進(jìn)一步的試驗(yàn)和論證。同時(shí)如何基于不同的地震動(dòng)破壞情況制定控車(chē)恢復(fù)方案也需要進(jìn)一步的完善。

郭凱，溫瑞智，盧大偉，2012.地震預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用的社會(huì)影響調(diào)查與分析.自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，（4）：108—115.

國(guó)家強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)中心，2013.四川雅安蘆山縣7.0級(jí)地震（第五報(bào)），http：//www.csmnc.net/selnewxjx1.asp? id=797.

劉承亮，史宏，王彤，2009.高速鐵路地震監(jiān)測(cè)技術(shù)研究與緊急處置系統(tǒng)的構(gòu)建.鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，（11）：21—24.

馬強(qiáng)，李山有，于海英，宋晉東，2013.高速鐵路地震防災(zāi)系統(tǒng)的應(yīng)急處置范圍確定.鐵道學(xué)報(bào)，35（6）：110—115.

孫利，鐘紅，林皋，2011.高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)現(xiàn)狀綜述.世界地震工程，（3）：89—96.

鐵道部第四勘察院，1998.京滬高速鐵路安全防災(zāi)系統(tǒng).京滬高速鐵路工務(wù)工程關(guān)鍵技術(shù)報(bào)告集.

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

吳逸民，2004.地震預(yù)警之研究及現(xiàn)狀.臺(tái)灣活動(dòng)斷層與地震災(zāi)害研討會(huì)，162—172.

張素靈，2003.首都圈烈度速報(bào)系統(tǒng)及對(duì)較強(qiáng)有感地震的速報(bào).北京海淀首屆城市防震減災(zāi)國(guó)際論壇，181—192.

趙永，王斌，孟玉梅，2001.中國(guó)數(shù)字化地震觀測(cè)系統(tǒng).國(guó)際地震動(dòng)態(tài)，（6）：1—8.

蘆谷公稔，大竹和生，佐藤新二等，2005.緊急地震速報(bào)を活用した地震警報(bào)システム（EEW）の実用化.鉄道総研報(bào)告，19（10）：5—10.

內(nèi)田清五（日）著，陳賀，李毅，楊弘譯，2003.日本新干線的制動(dòng)系統(tǒng).中國(guó)鐵道出版社.

Japan Meteorological Agency，2011.http：//www.seisvol.kishou.go.jp/eq/EEW/kaisetsu/index.html.

High Speed Train Control Strategy in Earthquake Early Warning System

Zhou Yinxing1)，Zhang Suling2,3)，Guo Kai2)and Zhang Yan2)
1）The Institute of Earthquake Science，Beijing 100036，China
2）China Earthquake Networks Center，Beijing 100045，China
3）Beijing Gangzhen Instrument & Equipment Co.，ltd.，Beijing 102628，China

There is an urgently requirement of earthquake warning in high-speed railway construction of China. At present, several earthquake monitoring and early warning systems for high-speed railways built in China are all based on seismic networks arranged along the railways, and cannot share data with local seismic networks, which may result in deviations hindering a precise determination of the focal position and the size of an earthquake. After an urgent stop of a train in response to an earthquake, gathering necessary information of the earthquake from the China Earthquake Networks Center would play a key role for adopting correct strategies to restore the train service. Based on research and survey of both foreign and domestic earthquake early warning systems built for high-speed railways, a new train control strategy in earthquake early warning system for high-speed railways is proposed in this paper, which is helpful to provide technical support to the practice of earthquake early warning system development for high-speed railways of China.

High speed railway；Earthquake early warning；Train control strategy

地震科技星火計(jì)劃項(xiàng)目“高速鐵路地震預(yù)警信息傳輸與處理技術(shù)研究”（XH13029）和國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題“地震預(yù)警與烈度速報(bào)系統(tǒng)的研究與示范應(yīng)用”（2009BAK55B04）共同資助

2014-05-12

周銀興，男，生于1980年。工程師，理學(xué)碩士。主要從事數(shù)字地震觀測(cè)技術(shù)的應(yīng)用推廣，以及數(shù)字地震臺(tái)站、臺(tái)網(wǎng)建設(shè)、水庫(kù)大壩、建筑物的微震、強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)與地震預(yù)警研究工作。E-mail：zhouyx@geodevice.cn

郭凱，男，生于1986年。助理工程師。2012年獲得碩士學(xué)位。主要從事地震預(yù)警研究。E-mail：guokai@seis.ac.cn