朱進(jìn)京
(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研究生部,北京 100081)
我國(guó)高鐵總里程已達(dá)3.8萬(wàn)km,是世界上運(yùn)營(yíng)高鐵總里程最長(zhǎng)的國(guó)家。同時(shí)我國(guó)地處歐亞地震帶和環(huán)太平洋地震帶,也是世界上受地震影響災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一[1]。地震對(duì)高速鐵路構(gòu)成的威脅是巨大的,當(dāng)?shù)卣鸩▉?lái)臨時(shí),地面的起伏可能會(huì)使高速行駛的列車(chē)即刻傾覆或脫軌,造成極其重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。所以如何避免或減輕地震對(duì)高鐵的危害和影響是亟待解決的問(wèn)題。就現(xiàn)今的科學(xué)水平,人們還未尋找到科學(xué)有效的地震防治或預(yù)報(bào)手段[2]。而地震預(yù)警就成為目前地震發(fā)生后盡最大可能減少災(zāi)害損失的方法手段之一[3]。
高速鐵路地震預(yù)警概念最早由地震多發(fā)的日本提出,應(yīng)用在新干線上[4]。目前該種防護(hù)技術(shù)手段已經(jīng)在包括中國(guó)在內(nèi)的多個(gè)國(guó)家和地區(qū)實(shí)現(xiàn)并運(yùn)用[5-10]。雖然這些國(guó)家和地區(qū)對(duì)該系統(tǒng)的需求和架構(gòu)設(shè)計(jì)都不盡相同,對(duì)緊急情況的處置方式也存在差異,但是總體依據(jù)的原理和所要實(shí)現(xiàn)主要功能大體一致。
2017年5月,我國(guó)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)在大西高鐵綜合試驗(yàn)段的綜合試驗(yàn)任務(wù)圓滿(mǎn)完成[11],目前已成功應(yīng)用部署在太原鐵路局轄下的太焦線上。該系統(tǒng)采用二級(jí)架構(gòu),上級(jí)為鐵路局中心系統(tǒng),下級(jí)為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元,主要實(shí)現(xiàn)地震監(jiān)測(cè)預(yù)警和緊急情況處置功能[12]。緊急處置根據(jù)地震預(yù)警信息分為3級(jí)處置,通過(guò)車(chē)載緊急處置裝置.信號(hào)接口單元.牽變接口單元等實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)及牽引供電系統(tǒng)的控制[13]。
與地震臺(tái)網(wǎng)互聯(lián)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換,可擴(kuò)大高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警范圍并提高預(yù)警效率和精度[14]。在高速鐵路沿線監(jiān)測(cè)臺(tái)站或臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站監(jiān)測(cè)到地震后,會(huì)將監(jiān)測(cè)到的地震信息傳輸至鐵路局中心系統(tǒng)(臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站會(huì)將地震信息先傳輸至臺(tái)網(wǎng)中心,再由臺(tái)網(wǎng)中心通過(guò)地震臺(tái)網(wǎng)專(zhuān)用接口及交換平臺(tái)實(shí)時(shí)傳輸至鐵路局中心系統(tǒng))。臺(tái)網(wǎng)側(cè)由交換平臺(tái)計(jì)算地震影響范圍,將地震信息傳輸至受影響鐵路局中心系統(tǒng)。受影響的鐵路局中心系統(tǒng)再通過(guò)緊急處置算法進(jìn)行相應(yīng)的處置計(jì)算。該緊急處置算法采用的是將全路所有擬合線路依次迭代運(yùn)算,且所有受影響鐵路局中心系統(tǒng)均需迭代計(jì)算,造成計(jì)算冗余,增加計(jì)算時(shí)間。因此,針對(duì)現(xiàn)行的高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)預(yù)警及緊急處置方案,應(yīng)該簡(jiǎn)化確定受影響鐵路局中心系統(tǒng)的步驟,并且減少不必要的迭代計(jì)算,實(shí)現(xiàn)快速預(yù)警及迅速緊急處置,以此提高我國(guó)高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)的時(shí)效性。
我國(guó)高鐵地震預(yù)警系統(tǒng)采用二級(jí)架構(gòu),主要由鐵路局中心系統(tǒng).信號(hào)接口單元.現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備.車(chē)載地震緊急處置裝置等組成。其中信號(hào)接口單元.現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備屬于下級(jí)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備,主要負(fù)責(zé)地震信息的采集并將實(shí)時(shí)采集信息發(fā)送至鐵路局中心系統(tǒng)[15];鐵路局中心系統(tǒng)屬于上級(jí)處置決策機(jī)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)與相鄰鐵路局中心系統(tǒng)及國(guó)家地震臺(tái)網(wǎng)中心信息的實(shí)時(shí)互聯(lián)互通,并將收集到的地震信息應(yīng)用緊急處置信息快速生成算法生成處置命令信息,分級(jí)處置下達(dá)給相應(yīng)的車(chē)載設(shè)備.列控中心.牽變所等。臺(tái)網(wǎng)側(cè)地震信息的預(yù)警為首先確定地震影響哪些鐵路局,再將地震信息發(fā)送至相應(yīng)的鐵路局中心系統(tǒng),具體步驟如下。
(1)某地發(fā)生地震。
(2)距離震中最近的地震臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站監(jiān)測(cè)到地震信息。
(3)臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站將該信息傳輸至地震臺(tái)網(wǎng)中心。
(4)地震臺(tái)網(wǎng)中心在接到地震信息后,將地震三要素(發(fā)震時(shí)間.震中.震級(jí))等信息通過(guò)地震臺(tái)網(wǎng)專(zhuān)用接口發(fā)送至交換平臺(tái),根據(jù)影響高鐵運(yùn)行的地震動(dòng)加速度范圍值40 gal為界限判別該地震影響范圍區(qū)域[16]。
判斷地震影響哪些鐵路局采用的算法如下(需要指明的是,為計(jì)算方便快捷同時(shí)滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的誤差精度要求,算法采用平面坐標(biāo)系,并假設(shè)地震波按照正圓形傳播,下同)
(1)
式(1)中,yi.xi分別為第i個(gè)鐵路局所管轄范圍的經(jīng)緯度坐標(biāo);xmin.xmax分別為第i個(gè)鐵路局所轄范圍緯度的最小及最大值;ymin.ymax分別為第i個(gè)鐵路局所轄范圍經(jīng)度的最小和最大值。式(1)中的①.②.③聯(lián)立表示第i個(gè)鐵路局的管轄范圍平面擬合模型。式(1)①為各鐵路局所轄范圍的邊界曲線擬合函數(shù),cik為擬合系數(shù)。式(1)④為正圓形地震動(dòng)能量衰減模型方程[17],其中ye.xe為震中經(jīng)緯度值,ci為衰減系數(shù),M為地震震級(jí)。
式(1)中求得的解集:如果yi有解,則說(shuō)明yi對(duì)應(yīng)的第i個(gè)鐵路局在地震影響范圍內(nèi),此處需要說(shuō)明的是(1)④中所使用的地震動(dòng)速度為40 gal,該值為地震發(fā)生時(shí)高速鐵路需要采取緊急措施的臨界地震動(dòng)加速度值[18]。
(5)交換平臺(tái)將預(yù)警信息發(fā)布至受此次地震影響的一個(gè)或多個(gè)鐵路局中心系統(tǒng)。
至此,高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)基于地震臺(tái)網(wǎng)側(cè)預(yù)警鐵路局中心系統(tǒng)層面發(fā)布完成。
在高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)基于地震臺(tái)網(wǎng)側(cè)的預(yù)警信息發(fā)布至鐵路局中心系統(tǒng)后,即可確定該鐵路局所轄范圍受地震影響。鐵路局中心系統(tǒng)在接收到預(yù)警信息后,立即對(duì)接收到的地震信息進(jìn)行計(jì)算分析,通過(guò)緊急處置信息快速生成算法[19]確定受影響線路。但是此處在確定受影響線路時(shí)同樣存在計(jì)算重復(fù)冗余的問(wèn)題,具體計(jì)算步驟如下。
(1)對(duì)全國(guó)所有鐵路線路GPS數(shù)據(jù)通過(guò)曲率篩選等方法提取線路特征點(diǎn)[19],并依據(jù)最小二乘法等曲線擬合方法得到全路鐵路線路的曲線擬合方程如式(2)所示(該步預(yù)先計(jì)算完成,高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)直接運(yùn)用)
(2)
(2)接收到預(yù)警信息的鐵路局中心系統(tǒng)會(huì)根據(jù)我國(guó)高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)三級(jí)警報(bào)閾值的設(shè)置(即地震動(dòng)峰值加速度在40~80 gal時(shí)限速160 km/h;80~120 gal時(shí)緊急停車(chē);120 gal及以上時(shí)緊急停車(chē)并接觸網(wǎng)斷電[20])正圓形地震動(dòng)衰減模型方程分3級(jí)復(fù)用,分別與全路鐵路線路擬合方程聯(lián)立方程組[19]如下
(3)
式(3)中yi表示全路范圍內(nèi)第i條鐵路線路的擬合函數(shù)。正圓形地震動(dòng)衰減模型方程與式(1)④不同的是式(3)②中的a值,a即為地震加速度值,其他參數(shù)含義均相同。正圓形地震動(dòng)衰減模型方程分3級(jí)復(fù)用時(shí),a依次取值為120,80,40 gal,即首先從預(yù)警最高等級(jí)對(duì)式(3)方程組求解,依次得到Ⅲ級(jí)預(yù)警鐵路線路.Ⅱ級(jí)預(yù)警鐵路線路和Ⅰ級(jí)預(yù)警鐵路線路。
(3)根據(jù)鐵路線路預(yù)警信息,鐵路局中心系統(tǒng)發(fā)布緊急處置命令至相應(yīng)的牽變接口.信號(hào)接口和車(chē)載地震緊急處置裝置進(jìn)行相應(yīng)緊急處置動(dòng)作。
根據(jù)上述對(duì)現(xiàn)行基于地震臺(tái)網(wǎng)的高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)的介紹,其地震預(yù)警機(jī)制及預(yù)警處置信息生成機(jī)制都存在大量的重復(fù)計(jì)算。具體表現(xiàn)在以下2個(gè)方面。
(1)在確定影響鐵路局范圍時(shí),采用函數(shù)擬合曲線方程與正圓形地震動(dòng)衰減模型方程相結(jié)合,且共有18個(gè)鐵路局平面擬合函數(shù),該方法求解過(guò)程較為復(fù)雜耗時(shí)。
(2)在受影響鐵路局確定后,受影響的鐵路局中心系統(tǒng)還需要針對(duì)全路鐵路線路進(jìn)行預(yù)警判斷,并且所有受地震影響的鐵路局均需分別通過(guò)全路所有鐵路線路擬合方程聯(lián)立正圓形地震動(dòng)衰減模型方程組成求解方程組。
這兩步存在計(jì)算重復(fù)及算法冗余的現(xiàn)象。雖然目前的預(yù)警機(jī)制能夠達(dá)到QCR633—2018《高速鐵路地震預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)條件》中關(guān)于預(yù)警處置發(fā)布時(shí)間≤100 ms的技術(shù)指標(biāo)要求,但由于高速鐵路行駛速度飛快,能夠多節(jié)省時(shí)間都會(huì)對(duì)列車(chē)減速防護(hù)產(chǎn)生很大的作用。因此,研究?jī)?yōu)化的預(yù)警機(jī)制及預(yù)警處置信息生成.發(fā)布相結(jié)合的方法勢(shì)必會(huì)提高高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警性能。
針對(duì)現(xiàn)行高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)地震臺(tái)網(wǎng)側(cè)的預(yù)警及處置機(jī)制存在的問(wèn)題,對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。在地震臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站獲取到地震信息后,臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站將地震信息傳輸至臺(tái)網(wǎng)中心,臺(tái)網(wǎng)中心通過(guò)地震臺(tái)網(wǎng)專(zhuān)用接口傳至交換平臺(tái),由交換平臺(tái)判別地震信息得到地震預(yù)警信息。該預(yù)警信息采用預(yù)警及預(yù)警緊急處置信息相結(jié)合的方式,即在確定哪些鐵路局中心系統(tǒng)需要發(fā)布預(yù)警信息的同時(shí),確定這些鐵路局中心系統(tǒng)需要發(fā)布的預(yù)警緊急處置信息。交換平臺(tái)將預(yù)警緊急處置信息直接發(fā)送至相應(yīng)的鐵路局中心系統(tǒng)。這種方式避免了各個(gè)鐵路局中心系統(tǒng)分別對(duì)全路鐵路線路的迭代計(jì)算,為信息的發(fā)布及處置節(jié)省了時(shí)間。原本分兩步進(jìn)行的鐵路局預(yù)警和鐵路線路預(yù)警處置,現(xiàn)在結(jié)合為一個(gè)步驟,避免了不必要的迭代運(yùn)算,能夠提升算法的運(yùn)算效率,且節(jié)省運(yùn)算時(shí)間。
2.2.1 局管內(nèi)線路數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建
新方案的設(shè)計(jì)首先是對(duì)鐵路線路的重新整理歸類(lèi),其方法如下。
(1)在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,將全路鐵路線路按照不同局管重新分割,依次唯一標(biāo)記命名(y1.y2.y3.…)。并通過(guò)曲率篩選.Douglas-Peucker等方法提取線路特征點(diǎn)[21],根據(jù)函數(shù)擬合方法建立每條線路的曲線擬合方程
(4)
(2)全路按局管分割后的線路曲線擬合方程建立完成后,將每條鐵路線路依據(jù)其所在的鐵路局進(jìn)行歸類(lèi)建立線路數(shù)據(jù)庫(kù)。
例如,y1.y2.y3.y4歸A鐵路局管轄,y5.y6.y7.y8.y9.y10.y11歸B鐵路局管轄,y15.y16.y17.y18.y19.y20歸C鐵路局管轄,則有
A=[y1,y2,y3,y4]
B=[y5,y6,y7,y8,y9,y10,y11]
C=[y15,y16,y17,y18,y19,y20]
…
2.2.2 預(yù)警及處置判別算法
根據(jù)歸類(lèi)整理的鐵路線路數(shù)據(jù)庫(kù),結(jié)合正圓形地震動(dòng)衰減模型函數(shù),基于地震臺(tái)網(wǎng)的高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)預(yù)警及處置優(yōu)化設(shè)計(jì)方案如下。
(1)某地發(fā)生地震。
(2)位于震中附近的地震臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站首先監(jiān)測(cè)到地震信息,并將該地震信息報(bào)告至臺(tái)網(wǎng)中心。
(3)臺(tái)網(wǎng)中心接收到地震信息后,將震中(xe.ye).震級(jí)M.發(fā)震時(shí)間τ等參數(shù)通過(guò)地震臺(tái)網(wǎng)專(zhuān)用接口發(fā)送至數(shù)據(jù)交換平臺(tái)。
(4)數(shù)據(jù)交換平臺(tái)分析運(yùn)算生成處置信息,優(yōu)化后的高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)基于臺(tái)網(wǎng)側(cè)的預(yù)警及預(yù)警緊急處置采用的算法如式(5)所示。
(5)
式(5)中①為式(4),按照高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)三級(jí)警報(bào)標(biāo)準(zhǔn)要求,將三級(jí)地震動(dòng)峰值加速度代入正圓形地震動(dòng)衰減模型方程即式(5)②中,a值分別取120,80,40 gal。
(5)式(5)求解得到的解集(x,y)即為受地震影響的鐵路線路的坐標(biāo),也即為受地震影響區(qū)域的經(jīng)緯度信息。根據(jù)鐵路線路yi與地震動(dòng)衰減方程有可行解,通過(guò)判斷yi所在局管內(nèi)的數(shù)據(jù)庫(kù)分類(lèi),即可得到需要發(fā)送預(yù)警信息的鐵路局中心系統(tǒng)。且由于已經(jīng)通過(guò)式(5)得到受地震影響線路,所以?xún)?yōu)化后的方法在向受影響鐵路局中心系統(tǒng)發(fā)送預(yù)警信息的同時(shí)也會(huì)發(fā)送已經(jīng)計(jì)算分析得到的預(yù)警緊急處置信息,然后鐵路局中心系統(tǒng)可以直接將緊急處置命令發(fā)送至相應(yīng)的車(chē)載緊急處置裝置.信號(hào)接口.牽變接口等實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作。
將鐵路線路按照不同局管分類(lèi),并建立分類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù)。這是優(yōu)化判別哪些鐵路局中心系統(tǒng)需要預(yù)警的前提條件。同時(shí)也是將鐵路局中心系統(tǒng)預(yù)警及鐵路局中心系統(tǒng)生成.發(fā)布緊急處置信息合并為一步的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。優(yōu)化方案極大減少了運(yùn)算步驟,將確定預(yù)警鐵路局中心系統(tǒng)復(fù)雜的不規(guī)則平面函數(shù)方程組求解過(guò)程轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)庫(kù)分類(lèi)判斷,同時(shí)也避免了鐵路線路方程的二次迭代,優(yōu)化了高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)基于地震臺(tái)網(wǎng)側(cè)的預(yù)警及處置機(jī)制。
由于同一個(gè)算法運(yùn)行于不同的機(jī)器上所耗費(fèi)的實(shí)際時(shí)間不同,所以一般不使用實(shí)際時(shí)間單位衡量算法的運(yùn)行效率。本文通過(guò)建立圖1.圖2所示的簡(jiǎn)單鐵路地震模型對(duì)兩種方法運(yùn)算效率進(jìn)行比較。鐵路局及線路模型如圖1所示,由A.B.C三個(gè)鐵路局及y1.y2.y3.y44條鐵路線構(gòu)成,而優(yōu)化設(shè)計(jì)方法將鐵路線按局管范圍分成6條如圖2所示。
圖1 原方法鐵路地震模型示意
圖2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法鐵路地震模型示意
本文使用時(shí)間比值的方法判別算法的效率提升情況。計(jì)算公式如下
(6)
式中,T1為原方法的運(yùn)算時(shí)間;T2為優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的運(yùn)算時(shí)間;η為優(yōu)化方法較原方法的運(yùn)算效率提升百分比(簡(jiǎn)稱(chēng)運(yùn)算效率提升比)。η為正表示優(yōu)化設(shè)計(jì)方法相較原方法效率提升,η為負(fù)則表示算法效率下降即優(yōu)化方法未達(dá)到預(yù)期優(yōu)化。
對(duì)比分析環(huán)節(jié),為確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)不受計(jì)算機(jī)配置等外在因素影響,每次地震數(shù)據(jù)都進(jìn)行三次重復(fù)試驗(yàn),共模擬4~8級(jí)地震100組,每級(jí)地震進(jìn)行20組,累積得到原方法和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的算法運(yùn)行時(shí)間樣本數(shù)據(jù)共計(jì)600條。分別對(duì)原方法和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的3組重復(fù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值以提高準(zhǔn)確度,最后得到T1數(shù)據(jù)100條,T2數(shù)據(jù)100條,對(duì)該100組數(shù)據(jù)(4~8級(jí)地震,每級(jí)20組數(shù)據(jù))應(yīng)用公式(6)得到如圖3所示的優(yōu)化方法運(yùn)算效率提升比圖和如圖4所示的運(yùn)算效率提升分布直方圖。
圖3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法運(yùn)算效率提升比柱狀圖
圖4 運(yùn)算效率提升比分布直方圖
對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得:原方法300個(gè)數(shù)據(jù)樣本均值為26.085 ms,優(yōu)化方法300個(gè)數(shù)據(jù)樣本均值為24.196 ms,按均值來(lái)看,效率提升比為7.24%。但由于機(jī)器配置不同,實(shí)際運(yùn)行時(shí)間僅供參考。仍以η作為評(píng)判依據(jù),可以得到優(yōu)化設(shè)計(jì)方法相較于原方法算法效率:效率有效提升比率在92%以上(即η為正);74%的數(shù)據(jù)顯示優(yōu)化設(shè)計(jì)方法算法效率提升在4%以上,而這其中又有62%的數(shù)據(jù)顯示優(yōu)化設(shè)計(jì)方法算法提升在7.5%以上。通過(guò)該有限數(shù)據(jù)對(duì)比試驗(yàn),基本可以得到本文優(yōu)化設(shè)計(jì)方法能夠提升原算法的效率,并且能夠減少不必要的計(jì)算過(guò)程,提升高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)的整體性能。
本文優(yōu)化方法設(shè)計(jì)是基于高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)的原有架構(gòu),通過(guò)構(gòu)造不同局管鐵路線路數(shù)據(jù)庫(kù),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)需要預(yù)警的鐵路局中心系統(tǒng)的高效判別,從而使高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)基于地震臺(tái)網(wǎng)信息的預(yù)警及處置信息能夠合并一體化生成。該方法能夠提升原系統(tǒng)的算法效率,縮短預(yù)警處置時(shí)間,從而提高現(xiàn)有高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)的緊急處置效率。
隨著我國(guó)高鐵的不斷發(fā)展,鐵路地震預(yù)警的相關(guān)工作也將日趨完善。針對(duì)目前高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)還有可以改進(jìn)的方向,例如在國(guó)家鐵路集團(tuán)公司層面建立一個(gè)國(guó)家鐵路地震預(yù)警中心系統(tǒng)來(lái)取代目前的18個(gè)鐵路局中心系統(tǒng),由國(guó)家鐵路中心系統(tǒng)對(duì)全路線路進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警及處置信息發(fā)布,同時(shí)負(fù)責(zé)和國(guó)家地震臺(tái)網(wǎng)中心實(shí)現(xiàn)總對(duì)總的數(shù)據(jù)信息交互,可以極大縮短預(yù)警及處置時(shí)間。這都需要進(jìn)一步探討思考,逐步論證完善系統(tǒng)。