楊 林，劉志明，張格明，胡兆冰

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司通信信號研究所，北京100081）

0 引言

我國作為地震頻發(fā)的國家,一直很重視地震對列車安全運營的影響,我國既有的地震監(jiān)測系統(tǒng)僅具備S波報警功能,在地震發(fā)生時,通常不能及時對運行的列車進(jìn)行有效處置。為了提升高速鐵路地震預(yù)警水平,2012年以來全面開展了高速鐵路預(yù)警技術(shù)研發(fā)及線路試驗,目前高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)[1]已經(jīng)在大西高速鐵路(大同南—西安北)綜合實驗段通過地震預(yù)警綜合試驗。高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)具備P波預(yù)警和閾值報警等功能,通過牽變接口、信號接口和車載地震緊急處置裝置實現(xiàn)三級處置,控制列車限速或者緊急制動,已經(jīng)在中國鐵路太原局集團(tuán)有限公司正式上線運行及全路推廣應(yīng)用。

由于我國地震基本烈度VI度及VII度以上地區(qū)占國土總數(shù)的32.5%,高速鐵路仍然不可避免地存在跨越或臨近地震斷裂帶。因此,在我國高速鐵路覆蓋范圍大、運行速度快,運行密度高的情況下,亟需進(jìn)一步提升高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)對地震災(zāi)害的預(yù)防和應(yīng)對能力[2-3]。高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)已經(jīng)解決了地震預(yù)警及緊急處置信息快速發(fā)布的問題,但由于我國高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)的臺站布設(shè)受客觀條件制約,安裝的數(shù)量有限且近似線性布設(shè)在高速鐵路沿線,導(dǎo)致基于多臺站地震參數(shù)快速估計因臺站線性分布而出現(xiàn)奇異性問題,對地震預(yù)警的準(zhǔn)確性會產(chǎn)生一定的影響,因而迫切需要增加更多的、準(zhǔn)確的實時地震監(jiān)測數(shù)據(jù)。而中國地震臺網(wǎng)中心(以下簡稱“地震臺網(wǎng)”)臺站布設(shè)在斷裂帶附近,距離震中更近,并且均選擇在符合國家地震標(biāo)準(zhǔn)的臺址建站,其環(huán)境條件優(yōu)于高速鐵路沿線,所獲取的地震動信息更加迅速和準(zhǔn)確。因此,應(yīng)促進(jìn)高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)還和地震臺網(wǎng)之間進(jìn)行互聯(lián)互通,實現(xiàn)高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)接收地震臺網(wǎng)地震預(yù)警信息、超快速報等信息,以縮短預(yù)警信息產(chǎn)出時間,提高高速鐵路地震預(yù)警和緊急處置的實時性和準(zhǔn)確性。

目前,地震臺網(wǎng)正在全國范圍內(nèi)實施“國家地震烈度速報與預(yù)警工程”,對外可提供地震預(yù)警信息、地震速報信息、S波報警信息、地震動參數(shù)等信息。因此,針對高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng),應(yīng)加快研究地震臺網(wǎng)信息的安全接入與預(yù)警技術(shù),以實現(xiàn)對地震臺網(wǎng)信息的綜合利用,提高我國高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和時效性。

1 高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)與地震臺網(wǎng)互聯(lián)方案設(shè)計

1.1 總體架構(gòu)

高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)與地震臺網(wǎng)之間采用總對總的接口方式進(jìn)行互聯(lián)[4],在中國國家鐵路集團(tuán)有限公司(以下簡稱“國鐵集團(tuán)”)設(shè)立地震臺網(wǎng)專用接口,敷設(shè)專線接收地震臺網(wǎng)的地震信息,根據(jù)一定的規(guī)則分發(fā)到相關(guān)的高速鐵路地震預(yù)警監(jiān)測鐵路局集團(tuán)公司中心系統(tǒng)中,由鐵路局集團(tuán)公司中心系統(tǒng)對地震臺網(wǎng)信息進(jìn)行綜合處理,結(jié)合自建線路臺站地震警報信息,生成緊急處置信息,向相應(yīng)目的地發(fā)送。同時,鐵路局集團(tuán)公司中心系統(tǒng)匯聚各線監(jiān)測臺站信息,通過國鐵集團(tuán)設(shè)立的地震臺網(wǎng)專用接口,向地震臺網(wǎng)發(fā)送高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)地震信息,可為地震臺網(wǎng)補充數(shù)據(jù),為國家防災(zāi)減災(zāi)系統(tǒng)工程的建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐。高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)與地震臺網(wǎng)信息交互總體架構(gòu)圖如圖1所示。

1.2 組網(wǎng)方案

分別在國鐵集團(tuán)和中國鐵路廣州局集團(tuán)有限公司設(shè)立地震臺網(wǎng)專用接口,接收地震臺網(wǎng)和災(zāi)備中心發(fā)布的地震信息。專用接口采用專用傳輸通道連接地震臺網(wǎng),網(wǎng)絡(luò)接口采用FC接口。地震臺網(wǎng)專用接口和各高速鐵路地震預(yù)警監(jiān)測鐵路局集團(tuán)公司中心系統(tǒng)通過鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)專用VPN組網(wǎng),通道冗余設(shè)置,網(wǎng)絡(luò)接口采用FE接口。高速鐵路線路自建臺站通過鐵路傳輸網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,在車站處設(shè)立匯聚節(jié)點,接入鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng),與鐵路局集團(tuán)公司中心系統(tǒng)進(jìn)行信息的交互,其網(wǎng)絡(luò)接口采用FE接口。

地震臺網(wǎng)專用接口需要實時接收地震臺網(wǎng)監(jiān)測波形等數(shù)據(jù),其數(shù)據(jù)交換量較大,實時性要求較高,按照每個臺站0.5 s發(fā)送一次數(shù)據(jù),單臺站每秒最大數(shù)據(jù)量約為20 K左右,考慮地震臺網(wǎng)規(guī)模和鐵路預(yù)警就近接入需求,網(wǎng)絡(luò)帶寬設(shè)為不低于100 M,可滿足高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)需求。

地震臺網(wǎng)專用接口和鐵路局集團(tuán)公司中心系統(tǒng)屬于鐵路信息系統(tǒng),通過設(shè)立一對接入路由器連接地震臺網(wǎng),其IP地址統(tǒng)一規(guī)劃為鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)IP地址,地震臺網(wǎng)IP地址規(guī)劃遵循其行業(yè)規(guī)定。

圖1 高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)與地震臺網(wǎng)信息交互總體架構(gòu)圖Fig.1 Overall framework of information interaction between high-speed railway earthquake early-warning system and Chinese Seismic Network Center

高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)與地震臺網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)圖如圖2所示。

圖2 高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)與地震臺網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)圖Fig.2 Internet topology architecture of high-speed railway earthquake early-warning system and Chinese Seismic Network Center

1.3 信息安全交換方案

中國地震臺網(wǎng)信息系統(tǒng)屬于地震專網(wǎng),地震臺網(wǎng)專用接口屬于鐵路專網(wǎng),雙方進(jìn)行互聯(lián)的過程應(yīng)考慮信息安全交互的需求,一方發(fā)送故障不影響另外一方的日常運營,應(yīng)設(shè)立信息安全交換區(qū)的方式來保障雙方進(jìn)行信息的安全交互。高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)與地震臺網(wǎng)信息安全交互如圖3所示。

由圖3可知,在雙方的信息安全交換區(qū),通過設(shè)立DMZ區(qū)域進(jìn)行信息交換,在滿足信息傳輸效率的同時,不進(jìn)行系統(tǒng)間直接互聯(lián),保證各自系統(tǒng)的獨立性。在DMZ區(qū),地震臺網(wǎng)和地震臺網(wǎng)專用接口各自設(shè)立接口服務(wù)器,采用消息中間件的方式實現(xiàn)信息的快速交換,在DMZ區(qū)域外彼此通過網(wǎng)閘[5]進(jìn)行隔離,以保證信息傳輸?shù)陌踩阅?。在?yīng)用層面上,通過信息加密、傳輸通道加密來實現(xiàn)雙方之間的信息安全交互。

圖3 高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)與地震臺網(wǎng)信息安全交互Fig.3 Information security interaction between high speed-railway earthquake early-warning system and Chinese Seismic Network Center

2 高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)與地震臺網(wǎng)融合預(yù)警技術(shù)

2.1 地震臺網(wǎng)信息的利用

地震臺網(wǎng)通過中國地震臺網(wǎng)信息系統(tǒng)實時向高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)發(fā)送臺站監(jiān)測波形數(shù)據(jù)、預(yù)警信息、報警信息、速報信息、地震動參數(shù)、地震臺網(wǎng)臺站實測峰值等信息。地震臺網(wǎng)為高速鐵路提供的信息如圖4所示。

圖4 地震臺網(wǎng)為高速鐵路提供的信息Fig.4 Information provided by the Chinese Seismic Network Center for high-speed railways

在地震臺網(wǎng)臺站布局稀疏的區(qū)域,地震臺網(wǎng)預(yù)警能力不足,進(jìn)行地震預(yù)警時效性相對較差,高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)可以根據(jù)沿線臺站分布位置,在地震臺網(wǎng)選擇距離高速鐵路線路一定距離內(nèi)的部分監(jiān)測臺站,和高速鐵路臺站一起組成網(wǎng)狀布局,利用地震臺網(wǎng)和高速鐵路臺站實測波形數(shù)據(jù),進(jìn)行地震P波預(yù)警。

對于地震臺網(wǎng)預(yù)警信息,高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)可以直接利用,生成緊急處置信息并向相應(yīng)的車載、列控、牽變系統(tǒng)發(fā)送。地震臺網(wǎng)發(fā)送的速報信息包括3種類型：超快速報、自動速報、人工確報。高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)可直接利用超快速報進(jìn)行緊急處置；自動速報主要用于地震事件確認(rèn),當(dāng)高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)自身臺站發(fā)出預(yù)警信息,如果在一定時間段內(nèi)沒有收到地震臺網(wǎng)的速報信息,則可認(rèn)為此次地震事件為誤報,高速鐵路預(yù)警系統(tǒng)可即刻進(jìn)行地震誤報解除；人工確報主要用于高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)的警報解除。

2.2 地震臺網(wǎng)信息的分發(fā)

高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)隸屬于各鐵路局集團(tuán)公司,日常的運營維護(hù)是以鐵路局集團(tuán)公司為單位進(jìn)行實施的,因而當(dāng)發(fā)生地震時,地震臺網(wǎng)給出預(yù)警信息,通過地震臺網(wǎng)專用接口發(fā)送到受影響的鐵路局集團(tuán)公司尤為重要,如通常北京發(fā)生了地震,其信息必須發(fā)送到中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司,如果地震震級夠大或者地震發(fā)生在幾個鐵路局集團(tuán)公司交界處,其信息可能需要發(fā)送到受影響的多個鐵路局集團(tuán)公司,各鐵路局集團(tuán)公司中心系統(tǒng)收到地震信息后,再計算受影響的高速鐵路線路,進(jìn)行相關(guān)緊急處置。因此,對于地震臺網(wǎng)發(fā)送的地震信息,其分發(fā)規(guī)則是：地震臺網(wǎng)專用接口接收到地震臺網(wǎng)地震信息后,計算此地震事件影響鐵路局集團(tuán)公司范圍,將信息發(fā)送到受影響的高速鐵路地震預(yù)警監(jiān)測鐵路局集團(tuán)公司中心系統(tǒng)中。地震臺網(wǎng)專用接口分發(fā)地震臺網(wǎng)信息流程如圖5所示。

圖5 地震臺網(wǎng)專用接口分發(fā)地震臺網(wǎng)信息流程圖Fig.5 Information distribution process of Chinese Seismic Network Center by special interface

計算地震影響到哪個鐵路局集團(tuán)公司,可采用以下算法。

（1）對全路18個鐵路局集團(tuán)公司管轄范圍分別用封閉平面來擬合,用每個封閉的平面來表示一個鐵路局集團(tuán)公司管轄范圍。在實際建模過程中,用于擬合的封閉平面可大于真實鐵路局集團(tuán)公司管轄范圍,對于18個鐵路局集團(tuán)公司,分別建立平面模型。

（2）計算本次地震事件影響范圍。當(dāng)收到地震臺網(wǎng)發(fā)布的地震信息后,計算地震影響范圍,考慮到中國高速鐵路對40 gal加速度值范圍的列車采取控制措施,因而地震事件影響范圍可以近似看作以震中為圓心,半徑為地震衰減到40 gal范圍的一個圓的面積[6]。

（3）計算交集。計算地震影響范圍是否和各鐵路局集團(tuán)公司管轄范圍(封閉平面)有交集。

（4）發(fā)送信息。向有交集的鐵路局集團(tuán)公司對應(yīng)的中心系統(tǒng)發(fā)送地震臺網(wǎng)地震相關(guān)信息。

影響鐵路局集團(tuán)公司范圍計算示意圖如圖6所示。

圖6 影響鐵路局集團(tuán)公司范圍計算示意圖Fig.6 Schematic diagram affecting the scope of Railway Groups

考慮一次地震的影響范圍,地震動衰減關(guān)系模型[7]的一般形式為

式中：Y為加速度或者速度；M為震級；R為震中距；c1,c2,c3,c4,c5,c6為回歸系數(shù)。

地震衰減到40 gal的圓的面積公式可表示為

式中：x,y分別為地震衰減到40 gal影響范圍內(nèi)點的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；xe,ye分別為震中位置的橫坐標(biāo)值和縱坐標(biāo)值；R40為衰減到40 gal的震中距。

將公式⑴的R代入公式 ⑵ 中,可得

對于各鐵路局集團(tuán)公司管轄范圍,可以采用平面擬合的方法對每個鐵路局集團(tuán)公司進(jìn)行擬合[8-9],如采用最小二乘法進(jìn)行擬合,其擬合公式為

式中：yi,xi分別為第i個鐵路局集團(tuán)公司管轄范圍的經(jīng)緯度坐標(biāo)；ymin和ymax分別為i個鐵路局集團(tuán)公司管轄范圍的最小和最大經(jīng)度坐標(biāo)；xmin和xmax分別為i個鐵路局集團(tuán)公司管轄范圍的最小和最大緯度坐標(biāo)；cik為擬合系數(shù)；xik為多項式擬合階數(shù)。

將公式 ⑶ 和公式 ⑷ 聯(lián)立,建立地震影響鐵路局集團(tuán)公司范圍方程組為

目前我國高速鐵路由18個鐵路局集團(tuán)公司管轄,因而需要建立18個鐵路局集團(tuán)公司管轄范圍數(shù)學(xué)模型,對于聯(lián)立方程組 ⑸,只要對應(yīng)第i個鐵路局集團(tuán)公司有解,則可初步判定這次地震事件有可能影響到第i個鐵路局集團(tuán)公司,即本次地震事件需發(fā)送到第i個鐵路局集團(tuán)公司,第i個鐵路局集團(tuán)公司收到地震臺網(wǎng)信息后,再進(jìn)行后續(xù)的計算和判定。

2.3 地震臺網(wǎng)信息的融合處理

高速鐵路地震預(yù)警監(jiān)測鐵路局集團(tuán)公司中心系統(tǒng)接收地震臺網(wǎng)信息,同時也實時接收高速鐵路沿線自建臺站上傳的波形、預(yù)警、報警等信息,通過對信息進(jìn)行綜合分析、融合處理,計算地震影響高速鐵路線路,生成緊急處置信息并向相應(yīng)目的地發(fā)送。鑒于地震臺網(wǎng)預(yù)警、速報等信息其精確度通常較高,一般優(yōu)于高速鐵路自建臺站預(yù)警數(shù)據(jù),因而在對地震臺網(wǎng)預(yù)警和高速鐵路預(yù)警等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時,遵循警報升級、地震臺網(wǎng)信息優(yōu)先原則進(jìn)行處理,這樣不僅可以提高處置效率,而且還能提高地震處置精度。地震臺網(wǎng)信息融合處理流程圖如圖7所示。

圖7 地震臺網(wǎng)信息融合處理流程圖Fig.7 Flow chart of information joint processing of Chinese Seismic Network Center

鐵路局集團(tuán)公司中心系統(tǒng)對地震臺網(wǎng)信息處理流程主要如下。①中心系統(tǒng)實時接收地震臺網(wǎng)和管轄范圍內(nèi)沿線地震臺站的實時波形數(shù)據(jù),對波形數(shù)據(jù)融合分析與處理,進(jìn)行地震識別與P波判識。如果判斷為地震且影響到高速鐵路線路,通過GSM-R系統(tǒng)向受影響的車載地震緊急處置裝置發(fā)送I級警報信息；如果中心系統(tǒng)收到地震臺網(wǎng)P波預(yù)警或者閾值報警信息,對信息進(jìn)行分析與處理,計算影響高速鐵路線路范圍與警報級別,生成并發(fā)送緊急處置信息：如果為I級警報,通過GSM-R系統(tǒng)向受影響的車載地震緊急處置裝置發(fā)送I級警報信息；如果為II級警報,通過GSM-R系統(tǒng)向受影響的車載地震緊急處置裝置發(fā)送II級警報信息并同時向受影響的信號接口發(fā)送；如果為III級警報,通過GSM-R系統(tǒng)向受影響的車載地震緊急處置裝置發(fā)送III級警報信息并同時向受影響的信號接口和牽變接口發(fā)送。②當(dāng)收到地震臺網(wǎng)信息后,后續(xù)收到高速鐵路沿線地震預(yù)警信息,中心系統(tǒng)僅保存臺站地震預(yù)警信息,并不生成處置信息；當(dāng)收到地震臺網(wǎng)信息后,后續(xù)收到高速鐵路沿線地震閾值報警信息,中心系統(tǒng)對信息進(jìn)行分析處理,計算警報影響范圍和級別,與最近一次處置信息進(jìn)行比較,當(dāng)處置信息升級(范圍擴大或者警報級別升高)時向相應(yīng)接口進(jìn)行發(fā)送。

通常情況下,地震臺網(wǎng)預(yù)警信息要早于高速鐵路預(yù)警系統(tǒng)自建臺站預(yù)警信息,本著地震臺網(wǎng)信息優(yōu)先處理原則,鐵路局集團(tuán)公司中心系統(tǒng)對于后續(xù)收到的臺站預(yù)警信息,只存儲,不生成緊急處置信息。但是如果中心系統(tǒng)先收到臺站預(yù)警信息后,可先行進(jìn)行一級處置,后續(xù)再收到地震臺網(wǎng)信息,再按照信息融合處理流程圖進(jìn)行處理。

3 結(jié)束語

隨著國家烈度速報與預(yù)警工程全面展開及中國高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)全面實施,鐵路局集團(tuán)公司高速鐵路地震預(yù)警監(jiān)測中心系統(tǒng)將接收多源、大量的來自地震臺網(wǎng)和預(yù)警系統(tǒng)自身的地震信息,利用高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)與地震臺網(wǎng)融合預(yù)警技術(shù),中心系統(tǒng)可以對接收到的信息進(jìn)行實時分析、快速處理,生成精確的緊急處置信息并向相應(yīng)接口發(fā)送,提高高速鐵路地震預(yù)警和緊急處置的實時性和準(zhǔn)確性,提升鐵路安全防護(hù)水平。通過對信息的融合利用,一方面高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)可以減少自身臺站的建設(shè)數(shù)量,節(jié)省鐵路投資；另一方面,高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)也可以為地震臺網(wǎng)提供地震信息,擴充地震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)源,更好地為國家防災(zāi)減災(zāi)系統(tǒng)工程的建設(shè)提供服務(wù)。