楊 林

(中國鐵道科學(xué)研究院 通信信號(hào)研究所，北京 100081)

地震是危害最大的自然災(zāi)害之一，隨著我國大范圍開通高速鐵路，較小震級(jí)的地震對路基、軌道、橋梁等的沖擊都可能會(huì)導(dǎo)致危害旅客生命安全的重大事故[1]。地震發(fā)生后如果能快速生成緊急處置信息，將大大降低旅客生命財(cái)產(chǎn)損失。因此，開展高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)的研究，快速實(shí)施地震緊急處置，對提升高速鐵路安全水平具有重大的意義。

目前，日本(Osamu等[2])、美國(Wurman等[3])、意大利 (Zollo等[4])以及我國臺(tái)灣地區(qū)(wu等[5])等多個(gè)國家和地區(qū)都已經(jīng)建立起地震預(yù)警系統(tǒng)，通過預(yù)警系統(tǒng)減輕地震危害。然而，既有的研究主要是針對地震預(yù)警，還沒有對緊急處置特別是針對高速鐵路的緊急處置開展研究。我國的高速鐵路具有線路里程長、運(yùn)營線路多的特點(diǎn)，地震發(fā)生后，快速確定影響線路及其范圍，從而形成緊急處置信息具有較大的難度，因此，有必要研究一種緊急處置信息生成算法。該算法可根據(jù)地震警報(bào)信息快速生成緊急處置信息，并將處置信息迅速發(fā)送到相應(yīng)的動(dòng)車組及列控、牽變系統(tǒng)中，從而最終實(shí)現(xiàn)高速鐵路地震的快速緊急處置。

本文基于我國高速鐵路地震預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，提出1種高速鐵路地震預(yù)警緊急處置信息生成算法，并將該算法應(yīng)用于高速鐵路地震預(yù)警監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)的緊急處置模塊中和現(xiàn)場地震試驗(yàn)中，驗(yàn)證該算法的合理性和有效性。

1 高速鐵路地震預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)及功能

高速鐵路地震預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)采用2級(jí)架構(gòu)[6]，第1級(jí)為鐵路局中心系統(tǒng)，第2級(jí)為現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備，如圖1所示。

圖1 高速鐵路地震預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備設(shè)置在鐵路沿線，其功能主要是用于監(jiān)測地震動(dòng)，進(jìn)行地震預(yù)警、報(bào)警，并發(fā)送到鐵路局中心系統(tǒng)。每個(gè)鐵路局有1個(gè)中心系統(tǒng)，接收現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備和相關(guān)系統(tǒng)傳輸?shù)念A(yù)警、報(bào)警等信息，對這些信息進(jìn)行綜合處理與分析，快速生成緊急處置信息，并根據(jù)不同處置級(jí)別采取不同的地震緊急處置措施，包括通過GSM-R網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到動(dòng)車組車載地震緊急處置裝置實(shí)現(xiàn)動(dòng)車的限速或者緊急制動(dòng)、通過地震信號(hào)接口觸發(fā)列控系統(tǒng)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)動(dòng)車緊急制動(dòng)、通過地震牽變接口(牽引供電系統(tǒng)接口)觸發(fā)牽引供電系統(tǒng)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)斷電。鐵路局中心系統(tǒng)由接口服務(wù)器、緊急處置服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫等服務(wù)器及相應(yīng)的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件等組成。地震發(fā)生后，鐵路局中心系統(tǒng)計(jì)算地震影響范圍，自動(dòng)生成緊急處置信息并將信息發(fā)送到相應(yīng)的動(dòng)車組、信號(hào)接口和牽變接口中，實(shí)現(xiàn)地震的緊急處置。信號(hào)接口和牽變接口是沿高速鐵路線路布置的，其地理位置是固定的；動(dòng)車組是沿線路行駛的，某一時(shí)刻其具體地理位置也是確定的；因此，在地震發(fā)生后，迅速確定地震影響的線路及其范圍，根據(jù)處置規(guī)則形成緊急處置信息，即可實(shí)現(xiàn)地震的快速處置。

2 高速鐵路地震預(yù)警緊急處置信息快速生成算法

該算法采用曲線擬合方法建立平面坐標(biāo)系下高速鐵路線路的曲線方程；基于地震動(dòng)能量衰減方程，建立平面坐標(biāo)系下地震影響范圍的圓曲線方程；求解這2個(gè)曲線方程組成的方程組，得到這2條曲線2個(gè)交點(diǎn)的坐標(biāo)值，將坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯度再轉(zhuǎn)換為公里標(biāo)，得到這2個(gè)交點(diǎn)之間的一段高速鐵路線路，該段線路即為地震對高速鐵路線路的影響范圍；再依據(jù)高速鐵路預(yù)地震警緊急處置原則，生成高速鐵路地震預(yù)警緊急處置信息。

2.1 高速鐵路地震預(yù)警緊急處置規(guī)則

國外高速鐵路地震緊急處置的模式主要有2種：一種是列控系統(tǒng)控制模式，即接到報(bào)警時(shí)，由列控系統(tǒng)發(fā)出控制列車運(yùn)行的信號(hào)，自動(dòng)控制列車停止運(yùn)行；另一種是牽引變電系統(tǒng)控制模式，即接到報(bào)警時(shí)，牽引變電所停止向列車供電，列車檢測斷電進(jìn)行制動(dòng)直至停止運(yùn)行[7-8]。

國內(nèi)既有高速鐵路地震監(jiān)測系統(tǒng)采用的緊急處置模式是：接到閾值報(bào)警時(shí)觸發(fā)信號(hào)系統(tǒng)控制列車實(shí)施緊急制動(dòng)，同時(shí)觸發(fā)牽引供電系統(tǒng)停止向接觸網(wǎng)供電，即這2種控車方式并舉的模式[9]。新研發(fā)的高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)采用三級(jí)處置模式實(shí)現(xiàn)控車，由低到高分別為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ級(jí)，如圖2所示。

圖2 高速鐵路地震預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)緊急處置流程

高速鐵路預(yù)警地震緊急處置規(guī)則為：鐵路局中心系統(tǒng)在收到地震警報(bào)信息后，預(yù)測地震加速度峰值，并確定其影響地理區(qū)域范圍；對于地震加速度峰值在40～80 gal內(nèi)的地理區(qū)域，通過GSM-R向該區(qū)域內(nèi)的動(dòng)車組地震車載裝置發(fā)送Ⅰ級(jí)處置信息，司機(jī)根據(jù)該信息手動(dòng)施加最大常用制動(dòng)，至列車限速160 km·h-1運(yùn)行；對于地震加速度峰值在80～120 gal內(nèi)的地理區(qū)域，分別通過GSM-R和網(wǎng)絡(luò)向該區(qū)域內(nèi)的動(dòng)車組車載地震裝置和信號(hào)接口[10]發(fā)送Ⅱ級(jí)處置信息，觸發(fā)列控系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)施緊急制動(dòng)停車；對于地震加速度峰值大于等于120 gal的地理區(qū)域，除向該區(qū)域內(nèi)的動(dòng)車組車載地震裝置和信號(hào)接口發(fā)送處置信息自動(dòng)實(shí)施緊急制動(dòng)外，還向該區(qū)域內(nèi)牽變接口發(fā)送Ⅲ級(jí)處置信息，觸發(fā)牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行接觸網(wǎng)斷電。

2.2 高速鐵路線路的曲線方程

車載地震裝置、信號(hào)接口、牽變接口的地理位置是由高速鐵路線路的地理位置決定的，高速鐵路線路的地理位置是采用公里標(biāo)表示的；而地震震源點(diǎn)的地理位置是采用經(jīng)緯度表示的。因此，采集高速鐵路線路上的數(shù)據(jù)點(diǎn)，以這些點(diǎn)的經(jīng)度作為橫坐標(biāo)的值，緯度作為縱坐標(biāo)的值，將其轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)點(diǎn)；從數(shù)據(jù)點(diǎn)中提取有效特征點(diǎn)，通過曲線擬合，得到平面坐標(biāo)系下高速鐵路線路的曲線方程，具體步驟如下。

1)高速鐵路線路有效特征點(diǎn)提取

基于GPS采集模塊，自高速鐵路線路下行方向的起點(diǎn)開始，以1 s為間隔時(shí)間，按照線路允許運(yùn)行速度，沿著下行方向?qū)?shí)際線路采集數(shù)據(jù)點(diǎn)，并以其起點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，將其轉(zhuǎn)換成平面坐標(biāo)系中的數(shù)據(jù)點(diǎn)，并定義自起點(diǎn)A0至終點(diǎn)Am各點(diǎn)的坐標(biāo)依次為A0(x0,y0),A1(x1,y1), …，Ai-1(xi-1,yi-1),Ai(xi,yi),A1+1(xi+1,yi+1), …，Am(xm,ym)。

采集高速鐵路線路上數(shù)據(jù)點(diǎn)的密度越大，定位的高速鐵路線路的地理位置越準(zhǔn)確。但是，目前我國高速鐵路線路累計(jì)里程較長，2017年達(dá)到2.5萬km，若采集密度過高，數(shù)據(jù)量會(huì)相當(dāng)大，從而導(dǎo)致路局中心系統(tǒng)計(jì)算時(shí)間較長，影響算法效率，延長地震處置信息生成時(shí)間，對地震緊急處置不利。因此，應(yīng)在高速鐵路線路上選取有限的特征點(diǎn)[11-13]，通過特征點(diǎn)來描述線路地理位置。

高速鐵路線路主要由直線、曲線和緩和曲線組成。曲線的曲率描述了曲線彎曲的變化程度，曲率越大，表示曲線的彎曲程度越大，曲率為0，表示為直線。因此，曲線特征點(diǎn)的提取可以通過計(jì)算曲線的曲率，選擇曲率較大的點(diǎn)來獲取。

首先選取線路的起點(diǎn)A0和終點(diǎn)Am作為特征點(diǎn)，自起點(diǎn)A0開始直至終點(diǎn)Am結(jié)束，逐段計(jì)算線段A0A1，A1A2，…，Ai-1Ai,AiAi+1，…，Am-1Am的斜率值，并求兩者的差值ki。給定1個(gè)閾值ε，當(dāng)ki≥ε時(shí)，說明曲線在i點(diǎn)的曲率變化較大，則提取該點(diǎn)作為特征點(diǎn)，反之則不作為特征點(diǎn)。ki的計(jì)算公式為

ki=|ki,i+1-ki-1,i|

(1)

2)剔除異常點(diǎn)

特征點(diǎn)提取后，由于采集過程和方法等的影響，致使一些數(shù)據(jù)存在誤差，具體表現(xiàn)為曲線中的某一點(diǎn)嚴(yán)重偏離線路位置，因此應(yīng)將其剔除。剔除異常點(diǎn)的方法為：計(jì)算該點(diǎn)與前、后兩點(diǎn)連線的距離的比值α，若比值突變，則該點(diǎn)為異常點(diǎn)，應(yīng)將其剔除。比值α的計(jì)算公式為

(2)

其中，

式中：di,i-1為點(diǎn)Ai至點(diǎn)Ai-1與點(diǎn)Ai+1連線的垂直距離；di,i+1為點(diǎn)Ai-1與點(diǎn)Ai+1連線的距離。

以京滬高速鐵路北京南到德州東段線路為例，按照上述方法，基于GPS采集模塊共采集數(shù)據(jù)點(diǎn)5 788個(gè)，通過特征點(diǎn)提取并剔除異常點(diǎn)，得到有效特征點(diǎn)391個(gè)。分別以全部數(shù)據(jù)點(diǎn)和有效特征點(diǎn)繪制線路曲線，如圖3所示。由圖3可知：2條曲線比較接近，失真較小，經(jīng)度和緯度的坐標(biāo)最大誤差均小于0.05，說明在系統(tǒng)中可以采用有效特征點(diǎn)描述高速鐵路線路。

圖3 由全部數(shù)據(jù)點(diǎn)與有效特征點(diǎn)繪制線路曲線的對比

3)建立高速鐵路線路的曲線方程

根據(jù)高速鐵路線路曲線構(gòu)成的特征，對選取的高速鐵路線路有效特征點(diǎn)，采用最小二乘多項(xiàng)式數(shù)據(jù)擬合方法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到高速鐵路線路曲線方程為

(2)

式中：ck為擬合參數(shù)；n為擬合方程的階數(shù)。

仍以京滬線北京南到德州東段為例，針對提取的391個(gè)有效特征點(diǎn)，采用最小二乘多項(xiàng)式進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到此段線路的曲線方程為

y=62.3x6-43.2x5+63.1x4+305.3x3-37.6x2+18.7x+6 735

(3)

2.3 地震影響范圍的圓曲線方程

地震發(fā)生后，路局中心系統(tǒng)匯聚沿線各個(gè)臺(tái)站的P波預(yù)警信息，通過多臺(tái)站P波預(yù)警算法，預(yù)測震級(jí)和震中位置，根據(jù)地震動(dòng)能量衰減方程，快速計(jì)算地震影響范圍。地震動(dòng)能量衰減方程為[14]

lga=β1+β2M+β3M2+β4lg(R+β5exp(β6M))

(4)

式中：a為地震加速度；M為震級(jí)；R為震中距；β1，β2，β3，β4，β5，β6為回歸系數(shù)。

由式(10)推導(dǎo)可得震中距R的計(jì)算公式為

(5)

將地震影響范圍可近似看作以震中距R為半徑，以震中(xe,ye)為圓心的圓，則該圓在上文平面坐標(biāo)系中的圓曲線方程為

(x-xe)2+(y-ye)2=R2

(6)

2.4 建立聯(lián)立方程組

在平面坐標(biāo)系中，鐵路線路曲線與地震影響范圍圓曲線會(huì)有2個(gè)交點(diǎn)，這2個(gè)交點(diǎn)之間的鐵路線路即為高速鐵路線路的地震預(yù)警處置范圍。因此，聯(lián)立式(2)和式(6)，并將式(5)代入式(6)，建立方程組式(7)，求解該方程組，即可得到2個(gè)交點(diǎn)的坐標(biāo)。

(7)

2.5 處置信息生成

將加速度峰值40，80，120 gal分別作為a的值，求解方程組式(7)，即可得到40 gal≤a<80 gal，80 gal≤a<120 gal，a≥120 gal的地震動(dòng)加速度影響范圍圓曲線與高速鐵路線路曲線的6個(gè)交點(diǎn)A，A′，B，B′，C，C′的坐標(biāo)，如圖4所示。

圖4 高速鐵路線路地震預(yù)警處置范圍示意圖

將這6個(gè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換為該點(diǎn)的經(jīng)緯度，再將其轉(zhuǎn)換為鐵路線路的公里標(biāo)，得到鐵路線段AA′，BB′，CC′，該3段線路分別就是Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ級(jí)高速鐵路線路的地震預(yù)警處置范圍。再根據(jù)線路與車載地震裝置、信號(hào)接口、牽變接口的對應(yīng)關(guān)系，結(jié)合處置規(guī)則，最終形成地震預(yù)警緊急處置信息。

因高速鐵路線路的地理位置是固定的，所以可采用本文的方法預(yù)先對全路所有的高速鐵路線路建立曲線方程，并輸入到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，采用本文方法，則可以快速生成地震預(yù)警緊急處置信息。

3 系統(tǒng)測試與現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 系統(tǒng)測試

為驗(yàn)證本文方法的合理性和有效性，借助于在實(shí)驗(yàn)室搭建的包括地震預(yù)警信息仿真軟件和鐵路局中心系統(tǒng)的測試平臺(tái)，由地震預(yù)警信息仿真軟件生成以20 ms為間隔的地震預(yù)警信息，將該地震預(yù)警信息輸入路局中心系統(tǒng)生成緊急處置信息，進(jìn)行連續(xù)24 h的測試。測試結(jié)果為：共生成緊急處置信息4 320 000條，并統(tǒng)計(jì)每條緊急處置信息生成時(shí)間的概率分布，結(jié)果如圖5所示，其中，所用時(shí)間在10～20 ms的占50%， 0～10 ms的占26%，最大值為40 ms，所用時(shí)間的算術(shù)平均值為18 ms。可見，其遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于TJ/GW 147—2016《高速鐵路地震預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)暫行技術(shù)條件》中對路局中心系統(tǒng)緊急處置時(shí)間100 ms的要求。

圖5 緊急處置信息生成時(shí)間的概率分布

3.2 現(xiàn)場試驗(yàn)

從2015年7月至2017年8月，在大西綜合試驗(yàn)線，對高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行了28次地震模擬試驗(yàn)，其中包括3次單臺(tái)站、15次多臺(tái)站和9次全系統(tǒng)的控車試驗(yàn)和1次地震預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)急演練。發(fā)送測試地震波15 770條，生成緊急處置信息113 790條[18]，其中緊急處置信息生成時(shí)間的最小值為5 ms，最大值為40 ms，算術(shù)平均值為27 ms?？梢娝脮r(shí)間均小于100 ms的要求，說明鐵路局中心系統(tǒng)生成地震緊急處置信息具有較高的實(shí)時(shí)性。

4 結(jié)束語

本文基于高速鐵路地震預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)主要架構(gòu)和功能，提出了一種高速鐵路地震預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)緊急處置信息快速生成算法。此算法是在平面坐標(biāo)系下，通過曲線擬合的方法建立高速鐵路線路的曲線方程，基于地震動(dòng)能量衰減方程建立地震影響范圍的圓曲線方程；聯(lián)立2個(gè)方程組成方程組，求解方程組確定地震影響的線路范圍；再對應(yīng)緊急處置規(guī)則，生成緊急處置信息。該算法已在高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)綜合試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證，可以有效地縮短地震緊急處置信息生成時(shí)間，真正實(shí)現(xiàn)了將地震動(dòng)信息快速轉(zhuǎn)換為緊急處置信息，提高了地震預(yù)警緊急處置效率。

另一方面，由于我國高速鐵路線路較長，線路空間位置關(guān)系復(fù)雜，采用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合時(shí)，會(huì)出現(xiàn)個(gè)別區(qū)段難以保證精度的情況，建議下一步對復(fù)雜線路采用分段建模分段擬合的方法，以保證曲線擬合的精度，從而進(jìn)一步完善該算法。

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