翁信文 朱明非 王 濤

(安徽理工大學 測繪學院, 安徽 淮南 232001)

基于GNSS/傳感器高鐵沿線地震早期預警系統(tǒng)的設計

翁信文 朱明非 王 濤

(安徽理工大學 測繪學院, 安徽 淮南 232001)

高鐵沿線地震早期預警系統(tǒng)融合了GNSS、傳感器、軟件開發(fā)、網(wǎng)絡傳輸、計算機、地震監(jiān)測等先進技術。土耳其地處北安納托利亞斷層帶，地質(zhì)構(gòu)造不穩(wěn)定，地震是土耳其最頻繁的自然災害之一。在土耳其鐵路的頭號敵人就是地震，由于地震導致鐵軌偏移、下沉，都給高鐵的運行帶來了極大的隱患。根據(jù)土耳其實際地質(zhì)情況，建設高鐵沿線地震預警系統(tǒng)，維護高鐵安全運行，符合了土耳其希望加強自身三大洲樞紐地位的發(fā)展方向。同時，該設計為實現(xiàn)土耳其高鐵沿線地表監(jiān)測信息采集內(nèi)外業(yè)一體化提供了理論與技術基礎。

GNSS/傳感器 地震 監(jiān)測 預警

1 引言

隨著國有經(jīng)濟的發(fā)展，新興經(jīng)濟體國家對改變落后的基礎設施建設需求迫切。自2003年開始，土耳其建設高速鐵路。第一條從土耳其最大的都市伊斯坦布爾經(jīng)過埃斯基謝希爾到首都安卡拉全長553公里的線路正在建設中，并于2007年開始運營，全程旅行時間從6-7小時縮短至3小時10分。另一條線，安卡拉至科尼亞(Konya)的線路于2006年開工。全程旅行時間在70分鐘左右。另有其他幾條線連接各大都市，已經(jīng)規(guī)劃并將于若干年內(nèi)建設。2014年1月17日土耳其安卡拉至伊斯坦布爾高速鐵路二期主體工程已完工。土耳其鐵路分布如圖1所示。有了高鐵后，土耳其人民的出行可以大大縮短，這對城市引進人才、城市發(fā)展十分有幫助、為其帶來前所未有的機遇。隨著土耳其鐵路近年發(fā)展，鐵路推動了該國經(jīng)濟巨大發(fā)展。此前土耳其主要發(fā)展的項目有航空和公路這兩個方面，但航空覆蓋不夠具體化，地形復雜導致公路交通不便，高鐵是目前該國主推的項目。而且土耳其不產(chǎn)原油，原油全部靠進口，高鐵能節(jié)約燃油，環(huán)保意義也十分重大。

土耳其地處北安納托利亞斷層帶，地質(zhì)構(gòu)造不穩(wěn)定，地震是土耳其最頻繁的自然災害之一。在土耳其鐵路的頭號敵人就是地震，由于地震導致鐵軌偏移、下沉，都給高鐵的運行帶來了極大的隱患。因此，建設高鐵沿線地震預警系統(tǒng)，維護高鐵安全運行，建立一張發(fā)達的快速鐵路網(wǎng)，符合了土耳其希望加強自身三大洲樞紐地位的發(fā)展方向。按照中國2014年1月1日起實施的《鐵路安全管理條例》規(guī)定：高速鐵路是指設計開行時速250公里以上(含預留)，并且初期運營時速200公里以上的客運列車專線鐵路(客運專線)。面對如此快速的運行速度，遇到地震時，會造成無法估量的損失。所以建立及時預警的高鐵地震預警系統(tǒng)是土耳其高鐵安全運行的必要保障。

2 地震預警系統(tǒng)的實施

2.1 系統(tǒng)組成

高鐵沿線地震早期預警系統(tǒng)融合了GNSS、軟件開發(fā)、網(wǎng)絡傳輸、計算機、傳感器、地震監(jiān)測等先進技術，由監(jiān)測子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)、警報子系統(tǒng)、網(wǎng)絡通訊子系統(tǒng)四部分組成，其組成部分及工作流程如圖2所示。監(jiān)測子系統(tǒng)主要由傳感器監(jiān)測點組成，包括GNSS專用接收機、各類傳感器、無線網(wǎng)絡衛(wèi)星/有線通訊模塊等設備。數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)由硬件和軟件組成，硬件：光纜、交換機、服務器、路由器、防火墻、磁盤陣列等；軟件：處理各類傳感器數(shù)據(jù)軟件、預警軟件。警報子系統(tǒng)，主要為廣播和車站、列車客戶端軟件，可以通過信息推送發(fā)布預警信息。網(wǎng)絡子系統(tǒng)，主要為光纖有線局域網(wǎng)絡、衛(wèi)星通訊模式。

2.2 工作原理

高鐵沿線地震早期預警系統(tǒng)基本工作原理：監(jiān)測子系統(tǒng)將通過數(shù)字強震記錄儀讀取來自加速度計、數(shù)字傾角傳感器、風速傳感器的實時數(shù)據(jù)，通過專用無線網(wǎng)絡與光纜相結(jié)合方式傳輸至數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)；數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)對GNSS觀測數(shù)據(jù)和傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)進行預處理，先由數(shù)據(jù)處理軟件實時處理得出地震強度、鐵軌位移沉降實況、鐵路沿線風速以及對橋梁、隧道的影響。再由土耳其鐵路管理中心的預警軟件對得到的數(shù)據(jù)進行分析。由鐵路管理中心根據(jù)鐵軌情況、沿線橋梁、隧道的危險情況；利用警報子系統(tǒng)根據(jù)預報分析軟件，自動地通過衛(wèi)星通訊、光纜等手段向沿線的車站和運營中的列車發(fā)布危險警報信息，通知列車減速或停車。

3 系統(tǒng)研究內(nèi)容和實施方案

3.1 研究內(nèi)容

3.1.1 融合多種傳感器數(shù)據(jù)的終端軟件研制

為了能夠?qū)崟r準確的分析地震對高鐵列車可能造成的損害，系統(tǒng)利用埋設在鐵路沿線的數(shù)字強震記錄儀、加速度計、傾角儀、風速傳感器等多種傳感器的組合用以精準測定地震強度、位置、可能造成的影響。處理如此多的不同種類的數(shù)據(jù)，研究出一個多源數(shù)據(jù)融合的終端軟件是必要的這樣可以提高處理分析的效率，加強預警的效果。該軟件既能處理各類傳感器的數(shù)據(jù)，又能立刻繪出地震對鐵路路段造成的影響的災害圖。

3.1.2 基于3G、光纜/GPS網(wǎng)絡傳輸技術的研究

光纜的基本結(jié)構(gòu)一般是由纜芯、加強鋼絲、填充物和護套等幾部分組成，另外根據(jù)需要還有防水層、緩沖層、絕緣金屬導線等構(gòu)件。光纜具有通頻帶很寬，理論可達30億兆赫茲、無中繼段長幾十到100多公里、不受電磁場和電磁輻射的影響。它的優(yōu)點是重量輕，體積小、光纖通訊不帶電，使用安全可用于易燃、易暴場所，使用環(huán)境溫度范圍寬、抗化學腐蝕、使用壽命長。目前，由于傳感器監(jiān)測站所處地理環(huán)境的不同。站與站之間的傳輸方式也呈現(xiàn)出多樣化。得益于，便捷的交通、良好的地表條件，在沿線的車站的地下鋪設光纜，與數(shù)據(jù)控制中心之間的數(shù)據(jù)傳輸采用光纜連接。另外，由于GPRS無線網(wǎng)絡也不穩(wěn)定且費用高。在車站其他的監(jiān)測點，由于分布散落、地表條件不佳。所以，在車站外的監(jiān)測站，采用GPS衛(wèi)星通訊或3G網(wǎng)絡，用以傳輸數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)控制中心。3G網(wǎng)絡技術是指支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動通訊技術。

3.1.3 基于GPS、GIS和數(shù)字強震記錄儀智能監(jiān)測與預警平臺的研制

該系統(tǒng)的終端軟件將基于GPS、GIS和數(shù)字強震記錄儀等快速提取列車的相關信息、地理位置信息以及地震的相關信息，并迅速分析做出災害程度預判。通過3G網(wǎng)絡、光纜傳輸、衛(wèi)星通訊等手段向沿線車站、行進中的列車發(fā)布預警。同時該平臺也會擁有傳輸數(shù)據(jù)的功能，以供其他科研機構(gòu)共享相關信息。

3.2 系統(tǒng)的實施方案

高鐵沿線地震早期預警系統(tǒng)實施必須利用多種傳感器融合使用。

數(shù)字地震記錄儀是一款高性能的速度和加速度采集系統(tǒng)。它集合了無線電遙測接口及采集設備。標準的GSR-24地震記錄儀可以記錄來自地震計、加速度計或地震檢波器的三個信號。GSR-24配有數(shù)字化線路輸出，GSR-24的線路輸出可以連接上無線電發(fā)射機?？梢詫⑦B續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸回基站，并且同時復制連續(xù)記錄。

軟件方面，有一套高級的、基于Windows的分析軟件綜合包。GEODAS軟件包含在GSR-24中，可以在現(xiàn)場對記錄數(shù)據(jù)初步查看。SEISLOG軟件含在由筆記本或PC機組成的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，是GSD-24記錄功能的基礎。SEISLOG還允許圖形顯示的記錄數(shù)據(jù)。GEODAS DAP(Data Analysis Package)數(shù)據(jù)分析包和SEISAN，可以為地震、土木工程以及地震學家提供的兩個詳細的分析程序。

加速度計 (accelerometer) 測量加速度的儀表。傾角傳感器經(jīng)常用于系統(tǒng)的水平測量。數(shù)字化儀，是一種電腦輸入設備，它能將各種圖形，根據(jù)坐標值，準確地輸入電腦，并能通過屏幕顯示出來。風速傳感器是可連續(xù)監(jiān)測上述地點的風速、風量(風量=風速x橫截面積)大小，能夠?qū)λ幭锏赖娘L速風量進行實時顯示。

以上多種傳感器共同組成系統(tǒng)的監(jiān)測段，為整個系統(tǒng)的分析預警采集信息。

4 結(jié)束語

高鐵沿線地震早期預警系統(tǒng)對于土耳其鐵路建設有著重要的意義，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r的接收采集的數(shù)據(jù)，并進行快速處理，同時該預警系統(tǒng)可以清晰的反應鐵路列車的運行狀況以及鐵路沿邊的地面凹陷情況，以達到實時預警高鐵沿邊地震的目的。該系統(tǒng)利用GNSS和各類傳感器聯(lián)合使用，是一種新型的高鐵沿線地震早期預警系統(tǒng)。

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The Early Earthquake Warning System Of High Speed Railway Design Based On GNSS/Sensor

WENG Xin-wen,ZHU Ming-fei,WANG Tao

(School of Surveying and Mapping Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 231001, China)

The early earthquake warning system of high speed railway along the line is integrated with GNSS, sensors, software development, network transmission, computer, earthquake monitoring and other advanced technologies. Turkey is located in the North Anatolian Fault Zone, geologic structure is not stable, the earthquake is one of Turkey's most frequent natural disasters. The earthquake caused the railway to offset, sink,and brought a great hidden danger to the high-speed rail way operation. According to the actual geological conditions in Turkey, constructing the earthquake warning system of high speed railway along the line which keeps safety operation of high-speed rail arrive at the Turkey hopes to strengthen its three continents and suit the development direction of the hub. At the same time, the design provides a theoretical basis for the realization of Turkey's high-speed rail along the surface monitoring information collection Inside and outside integration.

GNSS/Sensors;earthquake;monitoring;early warning

2016-04-26

P228.4

B

1007-3000(2016)06-3