楊 林，閆 璐，張格明

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 通信信號(hào)研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán) 有限公司 科信部，北京 100081)

我國是地震災(zāi)害特別嚴(yán)重的國家之一，在西南、西北、華北以及東南沿海的廣東福建以及臺(tái)灣海域等5個(gè)地區(qū)分布了23條地震帶，地震活動(dòng)頻度高、強(qiáng)度大、震源淺。近10年來，全國城市軌道交通發(fā)展迅猛，除了4個(gè)直轄市和沿海地區(qū)，中西部及東北地區(qū)的武漢、成都、昆明、沈陽等城市也都在快速發(fā)展軌道交通[1]。目前，我國正在全國范圍內(nèi)實(shí)施“國家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程”，通過國家級(jí)地震臺(tái)網(wǎng)中心的建設(shè)，華北、南北地震帶、東南沿海和新疆天山中段4個(gè)重點(diǎn)區(qū)具備秒級(jí)地震預(yù)警能力，全國具備分鐘級(jí)地震烈度速報(bào)能力，并為政府、公眾、學(xué)校以及鐵路等示范用戶提供信息服務(wù)?，F(xiàn)有城市軌道交通系統(tǒng)對(duì)地震的處置手段是采用人工方式，在地震發(fā)生時(shí)通過電話接受本地區(qū)地震預(yù)報(bào)部門報(bào)警，調(diào)度員采取人工手段進(jìn)行調(diào)度控車，時(shí)間延遲較長、處置效率較低。因此開展城市軌道交通地震預(yù)警緊急處置技術(shù)研究十分必要，研究適應(yīng)于我國城市軌道交通的地震預(yù)警緊急處置技術(shù)，構(gòu)建地震預(yù)警緊急處置信息中心，通過中心接收國家地震臺(tái)網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)地震監(jiān)測(cè)設(shè)備的地震信息，自動(dòng)生成緊急處置信息并快速向基于通信的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)(CBTC)、運(yùn)輸管理等部門發(fā)送，實(shí)現(xiàn)地震發(fā)生時(shí)地震預(yù)警信息到緊急處置信息的快速轉(zhuǎn)換和自動(dòng)上車，可大大縮減城市軌道交通的地震應(yīng)急處置時(shí)間，顯著提升地震防災(zāi)水平。

1 城市軌道交通地震預(yù)警緊急處置系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 城市軌道交通地震預(yù)警緊急處置方式

目前國內(nèi)軌道交通針對(duì)地震的緊急處置普遍采用應(yīng)急管理模式，該模式主要為震后應(yīng)急管理，需要調(diào)度員通過電話或者網(wǎng)絡(luò)等收到地震臺(tái)網(wǎng)發(fā)布的信息后，人工下達(dá)調(diào)度命令去控制列車運(yùn)行，效率較低。城市軌道交通地震預(yù)警緊急處置方式是自動(dòng)為主，人工為輔，其處置方式主要涉及到系統(tǒng)的震時(shí)緊急處置策略，時(shí)間和效率大大優(yōu)于原來人工干預(yù)的手段，包含3個(gè)方面的內(nèi)容。

（1）地震處置方式。城市軌道交通的速度目標(biāo)值一般不超過100 km/h，主要服務(wù)于中心城區(qū)的通勤客流，其服務(wù)半徑一般不超過35 km，區(qū)間和車站均以地下或高架為主，行車密度大，最小行車間隔在1 ~ 5 min內(nèi)，一般采用站站停的運(yùn)營方式。綜合考慮我國城市軌道交通車速、發(fā)車間隔、車站長度、主要結(jié)構(gòu)物的抗震性能、對(duì)恢復(fù)運(yùn)營的影響、車站疏散能力等諸多因素，地震發(fā)生時(shí)，地面振動(dòng)一般不會(huì)引發(fā)橋梁、隧道、接觸網(wǎng)、供電軌等結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯震害，但可能引發(fā)行進(jìn)中的列車發(fā)生脫軌[2]。為了保證列車安全運(yùn)行以及人員安全，地震發(fā)生時(shí)采用緊急處置使列車停車，待地震波過去后，立即啟動(dòng)列車駛?cè)豚徑囌尽?/p>

（2）控制列車停車方式。采用自動(dòng)控車為主，行車調(diào)度員控制為輔的緊急處置方案。建立地震預(yù)警緊急處置中心，實(shí)時(shí)接入地震預(yù)警信息，對(duì)信息進(jìn)行綜合分析處理后，生成緊急處置信息，通過列控系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)停車，不需要人員控制。自動(dòng)控車的地震緊急處置可通過2種路徑實(shí)現(xiàn)，一種是通過地震預(yù)警緊急處置中心與CBTC列控地面中心(ATS)之間的接口，由ATS接收中心緊急處置信息并向車載控制器(VOBC)發(fā)送，實(shí)現(xiàn)地震發(fā)生時(shí)列控系統(tǒng)的自動(dòng)控車；第二種是通過地震預(yù)警中心與通信系統(tǒng)之間的接口，由通信接口單元接收中心緊急處置信息并以無線局域網(wǎng)(WLAN)或城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng)(LTE-M)等方式，向車載地震緊急處置裝置發(fā)送，通過列車上的車載地震緊急處置裝置實(shí)現(xiàn)列車制動(dòng)[3]。

（3）地震緊急處置閾值的確定。報(bào)警閾值作為報(bào)警和處置的重要參數(shù)，直接決定地震預(yù)警系統(tǒng)對(duì)列車的處置策略。報(bào)警閾值設(shè)置過低，對(duì)軌道交通影響不大的小震或遠(yuǎn)震也可能觸發(fā)系統(tǒng)報(bào)警使列車限速或停車，影響運(yùn)輸秩序，報(bào)警閾值設(shè)置過高，近震或大震發(fā)生時(shí)地震波幅值增長快，發(fā)出警報(bào)與破壞性地震波達(dá)到時(shí)間過短，系統(tǒng)會(huì)損失一部分提前預(yù)警的時(shí)間，無法充分發(fā)揮縱波(P波)提前預(yù)警的功效。借鑒高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)報(bào)警閾值的設(shè)定原則和經(jīng)驗(yàn)，考慮到城市軌道交通站間距較近，列車速度較低等因素，基于軌道交通列車-軌道-橋梁動(dòng)力耦合分析計(jì)算結(jié)果，提出軌道交通的地震警報(bào)閾值設(shè)為40 gal[4-8]，當(dāng)3方向加速度峰值大于等于40 gal時(shí)就采用停車的緊急處置[9]。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)目標(biāo)。建立城市軌道交通地震預(yù)警緊急處置系統(tǒng)，接收地震臺(tái)網(wǎng)、城軌現(xiàn)場(chǎng)地震監(jiān)測(cè)設(shè)備的地震預(yù)警信息、閾值報(bào)警信息、地震速報(bào)等信息，對(duì)信息進(jìn)行綜合分析、協(xié)同處理，快速生成緊急處置信息，并將緊急處置信息自動(dòng)發(fā)送到列控系統(tǒng)和車載地震緊急處置裝置，實(shí)現(xiàn)列車的緊急控制。在發(fā)生地震時(shí)，系統(tǒng)還將地震預(yù)警、緊急處置等信息實(shí)時(shí)發(fā)送到列調(diào)終端、維護(hù)終端、運(yùn)輸管理部門，便于調(diào)度人員和管理人員實(shí)時(shí)掌握地震災(zāi)害情況。

（2）架構(gòu)設(shè)計(jì)。城市軌道交通地震預(yù)警緊急處置系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)地震監(jiān)測(cè)設(shè)備、地震緊急處置信息中心、通信接口單元組成。城市軌道交通地震緊急處置系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 城市軌道交通地震緊急處置系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Architecture of earthquake emergency response system of urban rail transit

由圖1可以看出，現(xiàn)場(chǎng)地震監(jiān)測(cè)設(shè)備沿城軌線路部署，通過專用通信傳輸網(wǎng)絡(luò)向地震緊急處置信息中心傳輸?shù)卣痤A(yù)警、報(bào)警等信息，地震臺(tái)網(wǎng)通過專線的方式接入城軌系統(tǒng)通信傳輸網(wǎng)絡(luò)，向地震緊急處置信息中心傳輸?shù)卣痤A(yù)警、報(bào)警、速報(bào)及地震烈度等信息。地震緊急處置信息中心部署于城軌調(diào)度機(jī)房，分別設(shè)立現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備接口服務(wù)器和地震臺(tái)網(wǎng)接口服務(wù)器接收城軌現(xiàn)場(chǎng)地震監(jiān)測(cè)設(shè)備、地震臺(tái)網(wǎng)的地震信息，對(duì)信息進(jìn)行綜合處理，生成緊急處置信息，通過CBTC接口服務(wù)器實(shí)時(shí)向列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)(ATS)發(fā)送，ATS收到緊急處置信息后，以WLAN的方式向車載VOBC裝置發(fā)送，實(shí)現(xiàn)列車的緊急制動(dòng)。同時(shí)，地震緊急處置信息中心還通過通信接口單元以WLAN和LTE-M的方式實(shí)時(shí)將緊急處置信息發(fā)送到車載地震緊急處置裝置中。此外，地震緊急處置信息中心還實(shí)時(shí)將地震報(bào)警信息、緊急處置信息發(fā)送給行車調(diào)度、維修調(diào)度等相關(guān)系統(tǒng)，便于運(yùn)輸管理人員全面掌握地震災(zāi)害信息及其處置流程。

（3）系統(tǒng)主要功能。城市軌道交通地震緊急處置系統(tǒng)主要功能有6個(gè)。①信息接收功能。實(shí)時(shí)接收地震臺(tái)網(wǎng)的預(yù)警信息、自動(dòng)速報(bào)信息、正式確報(bào)信息等，現(xiàn)場(chǎng)地震監(jiān)測(cè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)信息、預(yù)警信息、報(bào)警信息等，以及設(shè)備工作狀態(tài)信息。②信息融合處理功能。對(duì)接收到的信息依據(jù)時(shí)間順序和信息類型進(jìn)行融合處理，計(jì)算地震烈度衰減范圍，疊加軌道交通線路模型數(shù)據(jù)，生成不同處置范圍和級(jí)別的緊急處置信息。③緊急處置功能。通過專用通信傳輸網(wǎng)絡(luò)向CBTC地面系統(tǒng)發(fā)送相應(yīng)級(jí)別的緊急處置信息。④信息存儲(chǔ)功能。將接收到的地震警報(bào)信息、緊急處置信息、系統(tǒng)工作狀態(tài)信息等進(jìn)行存儲(chǔ)。⑤信息綜合顯示功能。用于為控制中心各調(diào)度崗位提供地震預(yù)警、報(bào)警、緊急處置等全過程信息展示；針對(duì)維修調(diào)度，除顯示上述各項(xiàng)信息外，還顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)信息。⑥地震警報(bào)解除功能。地震事件結(jié)束后，向CBTC地面系統(tǒng)以及相關(guān)調(diào)度發(fā)送地震警報(bào)解除信息，解除地震事件影響。

（4）系統(tǒng)主要界面。地震緊急處置信息中心給調(diào)度提供實(shí)時(shí)信息展示界面，為各調(diào)度工種配有監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)終端界面，監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)終端能夠?qū)崟r(shí)顯示地震臺(tái)網(wǎng)發(fā)送的地震預(yù)警、報(bào)警、速報(bào)等信息，現(xiàn)場(chǎng)地震監(jiān)測(cè)設(shè)備發(fā)送的預(yù)警、報(bào)警等信息，地震緊急處置信息中心生成的緊急處置信息等。此外，監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)終端還能顯示系統(tǒng)的運(yùn)行工作狀態(tài)信息。

2 城市軌道交通地震預(yù)警緊急處置系統(tǒng)信息構(gòu)建處理

在系統(tǒng)架構(gòu)確定后，城市軌道交通地震預(yù)警緊急處置系統(tǒng)通過對(duì)信息處置流程進(jìn)行分析，采用Petri網(wǎng)時(shí)序建模手段，對(duì)信息進(jìn)行構(gòu)建與處理，實(shí)現(xiàn)了地震預(yù)警信息到緊急處置信息的快速轉(zhuǎn)換，大大減少了地震信息處理時(shí)間，提高了地震預(yù)警處置效率。

2.1 信息的處置流程

地震緊急處置信息中心實(shí)時(shí)接收地震臺(tái)網(wǎng)的預(yù)警、報(bào)警等信息，同時(shí)也實(shí)時(shí)接收現(xiàn)場(chǎng)地震監(jiān)測(cè)設(shè)備發(fā)送的縱波(P波)預(yù)警、閾值報(bào)警等地震警報(bào)信息，通過對(duì)信息進(jìn)行綜合分析、融合處理，計(jì)算地震影響城軌線路范圍，生成緊急處置信息并向相應(yīng)目的地發(fā)送。鑒于地震臺(tái)網(wǎng)預(yù)警信息精確度通常較高，一般優(yōu)于城軌自建臺(tái)站本地預(yù)警數(shù)據(jù)，所以，在對(duì)臺(tái)網(wǎng)預(yù)警和本地預(yù)警等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，遵循警報(bào)升級(jí)、臺(tái)網(wǎng)信息優(yōu)先利用原則進(jìn)行處理，可以提高處置效率，提高地震處置精度。城市軌道交通地震預(yù)警緊急處置系統(tǒng)信息處理流程如圖2所示。

圖2 城市軌道交通地震預(yù)警緊急處置系統(tǒng)信息處理流程圖Fig.2 Information processing flow chart of earthquake emergency response system of urban rail transit

城市軌道交通地震預(yù)警緊急處置系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地震監(jiān)測(cè)設(shè)備和地震臺(tái)網(wǎng)預(yù)警、報(bào)警信息的處理流程如下。①中心實(shí)時(shí)接收地震臺(tái)網(wǎng)地震預(yù)警信息，對(duì)信息進(jìn)行分析與處理，計(jì)算影響線路范圍，生成緊急處置信息，向通信接口單元、列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)(ATS)和相關(guān)調(diào)度終端發(fā)送，中心同時(shí)將警報(bào)信息向終端發(fā)送。②當(dāng)收到地震臺(tái)網(wǎng)信息后，后續(xù)收到城軌現(xiàn)場(chǎng)地震監(jiān)測(cè)設(shè)備發(fā)送的地震預(yù)警信息，中心僅保存現(xiàn)場(chǎng)地震監(jiān)測(cè)設(shè)備地震預(yù)警信息，并不進(jìn)行分析處理。③當(dāng)收到預(yù)警信息后，后續(xù)收到地震臺(tái)網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)地震監(jiān)測(cè)設(shè)備發(fā)送的地震閾值報(bào)警信息，中心對(duì)信息進(jìn)行分析處理，計(jì)算警報(bào)影響范圍和級(jí)別，與最近一次處置信息進(jìn)行比較。④當(dāng)處置信息升級(jí)(范圍擴(kuò)大)時(shí)向通信接口單元、列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)(ATS)和相關(guān)調(diào)度終端進(jìn)行發(fā)送，中心同時(shí)將警報(bào)信息向終端發(fā)送。

通常情況下，地震臺(tái)網(wǎng)預(yù)警信息要早于城軌沿線自建臺(tái)站預(yù)警信息，本著臺(tái)網(wǎng)信息優(yōu)先處理原則，中心對(duì)于后續(xù)收到的臺(tái)站預(yù)警信息，不予處理。但如果中心先收到沿線自建臺(tái)站預(yù)警信息后，可先行進(jìn)行處置，后續(xù)再收到臺(tái)網(wǎng)信息，再按照上述流程進(jìn)行處理。

2.2 信息分析與處理

Petri網(wǎng)可用于模擬系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程，反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，其特點(diǎn)是基于時(shí)序關(guān)系的協(xié)同設(shè)計(jì)[10]。采用Petri網(wǎng)工作流來對(duì)城市軌道交通地震緊急處置系統(tǒng)的信息協(xié)同處理過程進(jìn)行建模，將系統(tǒng)的這一處置過程轉(zhuǎn)換為矩陣模式描述的數(shù)學(xué)方程式來表達(dá)，可簡化協(xié)同信息處理邏輯，提高系統(tǒng)信息處置效率。在Petri網(wǎng)中，一個(gè)具有m個(gè)庫所，n個(gè)變遷的Petri網(wǎng)的關(guān)聯(lián)矩陣是一個(gè)m×n的整數(shù)矩陣，根據(jù)系統(tǒng)對(duì)地震臺(tái)網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)地震監(jiān)測(cè)設(shè)備信息的處理過程，可以構(gòu)建基于Petri 網(wǎng)的多源信息緊急處置模型。城市軌道交通地震緊急處置模型關(guān)系表如表1所示。

表1 城市軌道交通地震緊急處置模型關(guān)系表Tab.1 Relation table of earthquake emergency response model for urban rail transit

根據(jù)關(guān)系表，生成Petri網(wǎng)絡(luò)模型。系統(tǒng)整體Petri網(wǎng)可用四元組描述，庫所、變遷、輸入、輸出。C= (P，T，I，O)，其中P為庫所集合，T為變遷集合，I為輸入集合，O為輸出集合。

其中P= (p1，p2，…，p25)

其中存在以下時(shí)序關(guān)系。

ifO(t2) beforeO(t4) & &O(t5) 則O(t4)O(t5)觸發(fā)；

ifO(t2) afterO(t5) 則O(t5)'觸發(fā)；

ifO(t2) afterO(t4) 則O(t4)'觸發(fā)；

Petri網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和性能分析可以通過分析PN網(wǎng)的關(guān)聯(lián)矩陣A來實(shí)現(xiàn)，設(shè)

其中：P= {p1，p2，…，pm}，T= {t1，t2，…，tn} 滿足

PN結(jié)構(gòu)可以用一個(gè)m行n列的矩陣A來表示。

其中：

A為Petri網(wǎng)PN的關(guān)聯(lián)矩陣，用來描述Petri網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，工作流網(wǎng)的有界性求解可以轉(zhuǎn)化為求解方程：?X> 0，ATX≤ 0對(duì)于中心系統(tǒng)融合處理過程，只要求解方程滿足條件：ATX= 0，就能保證Petri網(wǎng)模型結(jié)構(gòu)上的有界性和守恒性，輸入輸出關(guān)系矩陣如下。

由公式ATX= 0，解方程得到

方程有解，說明所構(gòu)建的Petri網(wǎng)結(jié)構(gòu)合理，滿足可達(dá)性、活性、有界性等特性，因而該P(yáng)etri網(wǎng)模型可以作為系統(tǒng)的緊急處置信息生成算法模型，用于實(shí)現(xiàn)地震預(yù)警信息到緊急處置信息的快速轉(zhuǎn)換。

2.3 時(shí)效性分析

城市軌道交通地震緊急處置信息中心從接收到地震預(yù)警信息到生成緊急處置信息，發(fā)送到相應(yīng)處置接口系統(tǒng)中，其全過程時(shí)延主要包括信息傳輸時(shí)間、信息處理時(shí)間、信息發(fā)送到列控系統(tǒng)和車載地震緊急處置裝置時(shí)間。

（1）臺(tái)網(wǎng)預(yù)警到緊急處置信息發(fā)送到列控系統(tǒng)中，其總時(shí)間為

式中：twc為地震臺(tái)網(wǎng)信息到信息中心的傳輸時(shí)延；tcl為信息中心處置信息的時(shí)延；tats為信息中心發(fā)送處置信息到ATS的時(shí)延；tzc為ATS發(fā)送處置信息到區(qū)域控制器(ZC)的傳輸時(shí)延；tvobc為ZC發(fā)送處置信息到車載VOBC的傳輸時(shí)延。

（2）臺(tái)網(wǎng)預(yù)警到緊急處置信息發(fā)送到車載地震緊急處置裝置中，其總時(shí)間為

式中：ttxjk為信息中心到通信接口單元的傳輸時(shí)延；tltem為通信接口單元到車載的傳輸時(shí)延(150 ms為98%的概念，≤2 s (99.92%))

綜上所述，采用城市軌道交通地震緊急處置自動(dòng)控制技術(shù)，可自動(dòng)接收地震臺(tái)網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備預(yù)警、報(bào)警信息，生成緊急處置信息并快速發(fā)送到受影響的列車上。系統(tǒng)在接收到臺(tái)網(wǎng)發(fā)送預(yù)警信息后，最快可在550 ms將緊急控車信息發(fā)送到運(yùn)行的列車上，與現(xiàn)有的地震發(fā)生后行車調(diào)度員通過電話或者網(wǎng)絡(luò)掌握地震速報(bào)信息，手動(dòng)下發(fā)調(diào)度命令控制列車運(yùn)行的方式比較，其耗時(shí)減少，處置效率提高，整體時(shí)效性大大優(yōu)于既有系統(tǒng)處置方式。而且，信息中心可對(duì)多源異構(gòu)地震信息進(jìn)行融合處理，精確計(jì)算處置范圍并實(shí)時(shí)以WLAN和LTE-M 2種方式發(fā)送到車載地震緊急處置裝置和列控系統(tǒng)中，可大大提高震時(shí)的處置精度和處置可靠性。

3 結(jié)束語

基于中國城市軌道交通地震防災(zāi)現(xiàn)狀，研究城市軌道交通地震預(yù)警緊急處置系統(tǒng)，提出城市軌道交通地震預(yù)警緊急處置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)對(duì)多源預(yù)警、報(bào)警信息的構(gòu)建處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)地震發(fā)生時(shí)城市軌道交通的快速預(yù)警與自動(dòng)處置，提高軌道交通安全防護(hù)水平。隨著中國城市軌道交通大規(guī)模的建設(shè)與實(shí)施，對(duì)地震防護(hù)有更高的需求，未來預(yù)計(jì)需建立數(shù)十個(gè)城市軌道交通地震緊急處置信息中心，單一中心其地震信息獲取量有限，影響處置效率，有必要研究各信息中心間、信息中心與國家地震臺(tái)網(wǎng)間信息的安全、實(shí)時(shí)交互技術(shù)，擴(kuò)大軌道交通地震預(yù)警信息獲取源，建立全國城市軌道交通地震預(yù)警立體化監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。