孫文韜，王友彪，周學影

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道科學技術研究發(fā)展中心，北京 100081）

0 引言

地震是影響鐵路行車安全的自然災害之一，為增強我國高速鐵路防震減災能力，自2012年起原鐵道部和中國地震局聯(lián)合攻關，開始共同研發(fā)高速鐵路地震預警系統(tǒng)［1-3］，2015年底高速鐵路地震預警監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)基本完成，并在福廈、成灌、大西等高速鐵路開展了地震預警監(jiān)測系統(tǒng)試驗，目前已在大西［4］、太焦［5］、京張、京雄等高速鐵路運用，并逐步向全國推廣。

地震強弱程度和范圍是描述地震影響的2個指標，可以通過地震峰值加速度或烈度等地震動參數(shù)的分布反映出來。根據(jù)《高速鐵路地震預警監(jiān)測系統(tǒng)技術條件》［6］等相關標準要求，將峰值加速度（Peak Ground Acceleration，PGA）40、80、120 gal作為高速鐵路地震預警緊急處置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級的加速度閾值，故選取鐵路行業(yè)最關心的PGA作為地震影響場指標。

地理信息系統(tǒng)（GIS）在防震減災中作用的研究起始于20世紀80年代末。經(jīng)過30年的發(fā)展，GIS已在災害評估、地震危險性分析、地震預警、地震烈度速報和緊急救援等領域發(fā)揮了至關重要的作用［7］。隨著我國鐵路建設蓬勃發(fā)展，高速鐵路已四通八達，鐵路線在空間上呈交錯分布，地震發(fā)生的隨機性導致無法提前預估受地震影響的鐵路位置。利用GIS強大的空間分析能力能更好、更快地展現(xiàn)地震的震中和周邊鐵路的分布，再結合地震動傳播衰減規(guī)律可快速估算地震對周邊鐵路的影響。通過第一時間計算出地震對鐵路的影響區(qū)段并將影響信息自動發(fā)送，可以使鐵路工作者和管理單位最快、最精準地了解可能受到地震威脅的鐵路，為震后處置和防災、減災提供數(shù)據(jù)支撐。根據(jù)前期調研情況，目前鐵路行業(yè)尚未應用地震后快速計算鐵路影響場并實現(xiàn)信息自動發(fā)布的系統(tǒng)。在QGIS（Quantum GIS）軟件中設計并開發(fā)一個插件，根據(jù)國家地震臺網(wǎng)中心地震目錄，利用鐵路地理信息數(shù)據(jù)和地震動衰減關系實現(xiàn)地震后快速估算地震對最近鐵路的影響并自動發(fā)布信息，是鐵路地震分析需要進行的工作。該工作可為鐵路地震應急處置和災后救援提供數(shù)據(jù)支撐。

1 QGIS發(fā)展現(xiàn)狀

QGIS是一個方便使用的開源地理信息系統(tǒng)，是地理空間開源基金會（OSGeo）的一個正式專案軟件，可在Linux、Unix、Mac OS X和Android等系統(tǒng)上應用，并支持眾多矢量、柵格、數(shù)據(jù)庫格式及功能。QGIS目前的測試版本已經(jīng)更新至3.22，穩(wěn)定版更新至3.16。與成熟但昂貴的商業(yè)軟件ArcGIS不同，QGIS最友好的特點之一就是開源，這使其在短短20年中發(fā)展迅速。QGIS是開源GIS的集大成者，整合了GRASS、SAGA GIS等多個開源桌面軟件工具，開發(fā)者可以自行檢閱與調整程序代碼，并保障讓所有使用者可以免費且自由地修改程序。QGIS擁有自己的開源插件社區(qū)，供世界各地的學者相互應用和分享插件［8］。QGIS中各算法之間可以相互調用，基于QGIS開發(fā)鐵路地震加速度影響計算和發(fā)布程序簡便易行。

2 國內外研究現(xiàn)狀

地震防災、減災領域中，國內外相關學者利用GIS開展了不同方向的研究應用。孫哲等［9］基于陜西省不同分區(qū)的橢圓和線源兩種烈度衰減模型，采用Python自動化技術和Arcpy空間繪制技術自動生成地震影響場方法，通過ArcGIS Server實現(xiàn)影響場地圖服務的自動發(fā)布；馮駿等［10］基于Arc Engine、C#編程語言開發(fā)設計了畢節(jié)市地震應急分類響應研究中地震危險性模型、建筑物易損性模型及系統(tǒng)，研發(fā)出適合研究區(qū)域震情的地震應急分類響應系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了四大功能，包括基礎數(shù)據(jù)管理、地震信息管理、地震知識庫管理和震時評估；美國灣區(qū)政府協(xié)會（ABAG）利用GIS對舊金山灣區(qū)交通系統(tǒng)開展了易損性評估，并將成果用作該區(qū)域交通規(guī)劃的依據(jù)；日本建筑署建筑研究所在橫濱大地震后，同樣建立基于GIS的防震減災系統(tǒng)，開展了橫濱大地震的震后損失評估，利用GIS數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計了地質、斷層、建筑物震害等資料［11］。

3 地震動衰減關系應用

地震動衰減關系是建立震級與加速度關系的經(jīng)驗公式。GB 18306—2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》基于國內外大量強震記錄和美國NGA（Next Generation Attenuation）的研究成果，同時利用我國區(qū)域觀測數(shù)據(jù)和實際情況換算統(tǒng)計，得到適用于我國的地震動衰減關系模型（見式（1））［12］。

式中：Y為地震動參數(shù)PGA，A、B、C、D、E為回歸系數(shù)，M為震級，R為震中距。

標準中按照地震帶將我國分為4個大區(qū)：青藏區(qū)、新疆區(qū)、東部強震區(qū)和中強地震區(qū)，每個區(qū)域對應不同的回歸系數(shù)。

根據(jù)地震發(fā)生的震源三要素信息，可以在QGIS中定位震源所在區(qū)域。將震源位置與最近鐵路的距離帶入式（1）R中，可以得到鐵路最近位置的PGA；將PGA=40、80、120 gal分別帶入Y中，也可以得到相應的震中距R。以R為半徑圓的范圍，即對應了PGA=40、80、120 gal的影響范圍。

根據(jù)鐵路行業(yè)應用的安全余量，衰減關系通常運用長軸結果。對應公式中，將表1中不同區(qū)域的長軸回歸系數(shù)帶入式（1）計算，可對應獲得該地震的地震影響場。

地震動衰減關系是基于一定樣本量的經(jīng)驗推導，估算結果可能與實際測量值有一定偏差。由于我國絕大多數(shù)地區(qū)并非密集布設地震臺站，所以根據(jù)地震動衰減關系預估我國任一地區(qū)的地震動PGA是目前行業(yè)內的通用做法。特定區(qū)域中有符合局部特征更好的衰減關系，在此不做分析。分區(qū)PGA衰減關系系數(shù)見表1。

表1 分區(qū)PGA衰減關系系數(shù)

4 鐵路地震影響場自動計算和發(fā)布

實現(xiàn)鐵路地震影響場自動計算和發(fā)布需要2個模塊。一是信息處理模塊，可對地震目錄進行抓取、圖層生成、圖文撰寫、整合排版，并推送至短信服務器；二是地震計算模塊，可基于信息處理模塊抓取的信息，進行數(shù)據(jù)分析處理和數(shù)據(jù)輸出。2個模塊配合工作，QGIS鐵路地震影響場自動計算和發(fā)布流程見圖1。

圖1 QGIS鐵路地震影響場自動計算和發(fā)布流程

4.1 數(shù)據(jù)處理

利用QGIS實現(xiàn)鐵路地震PGA影響的計算主要依靠以下基礎數(shù)據(jù)：

（1）我國鐵路線分布矢量數(shù)據(jù)。我國已建成鐵路線的數(shù)據(jù)為開源信息，應用類地圖軟件（例如高德地圖、百度地圖等）對于鐵路線的位置均有明確標記。研究選取OpenStreet Map上中國地區(qū)的鐵路線數(shù)據(jù)，進行合并矢量、幾何校正、名稱校對等人工處理工作，作為基礎鐵路線數(shù)據(jù)，開源鐵路線數(shù)據(jù)見圖2。

圖2 開源鐵路線數(shù)據(jù)

（2）衰減關系分區(qū)數(shù)據(jù)。如利用第五代區(qū)劃圖中的衰減關系進行運算，需按照表1系數(shù)判斷震中所處位置的分區(qū)屬性。相關信息可查閱GB18306—2015和中國標準出版社出版的《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》。衰減關系分區(qū)數(shù)據(jù)見圖3，其中，深藍色為東部強震區(qū)、淺藍色為中強地震區(qū)、粉色為新疆區(qū)、橙色為青藏區(qū)。

圖3 衰減關系分區(qū)數(shù)據(jù)

如利用其他衰減關系，可替換表1中的數(shù)據(jù)。

（3）底圖數(shù)據(jù)。底圖數(shù)據(jù)主要為展現(xiàn)地震震源、鐵路線等要素的具體參考位置和周邊興趣點（POI）信息，不參與地震分析和計算。底圖需要在線或離線加載，研究建議選取天地圖的瓦片服務形式在線加載，具體可查詢天地圖官網(wǎng)（https：//www.tianditu.gov.cn/）。

以上數(shù)據(jù)為開源數(shù)據(jù)，程序的功能實現(xiàn)不受數(shù)據(jù)準確性的影響。如需在路網(wǎng)環(huán)境應用，則應將相應各矢量數(shù)據(jù)替換為專業(yè)工程數(shù)據(jù)。

4.2 設計流程

（1）從中國地震臺網(wǎng)中心界面抓取地震信息目錄。抓取的時間間隔可人為設定，也可人工點擊進行抓取，并將結果單獨保存至本地。

（2）在抓取到新地震數(shù)據(jù)后進行自動分析，可對震中位置進行區(qū)域判斷，并根據(jù)地震位置運用表1中不同的PGA系數(shù)，計算結果為PGA影響范圍的半徑。根據(jù)高速鐵路地震預警監(jiān)測系統(tǒng)的規(guī)則習慣，需計算當PGA=40、80、120 gal或人工輸入值時對應的范圍半徑，將所有結果保存至本地。此處預留衰減關系替換功能，可根據(jù)運用的不同算法替換衰減關系系數(shù)，以達到精準預測的目的。

（3）將所得影響分布結果在QGIS中以新建圖層的方式進行可視化展示，震中以“☆”標注，大小和顏色隨震級而定，并配以描述性標簽文字；影響范圍是以震中為圓心、步驟（2）中計算結果為半徑的圓，在圓外側的適當位置標注半徑大小。將以上結果保存在本地。

（4）人工輸入距離參數(shù)，如100，200 km等。尋找震中到這個參數(shù)范圍內鐵路線最近的位置，并計算最近的距離；根據(jù)地震衰減公式計算出鐵路線最近處的地震動參數(shù)PGA。同時，支持判斷該位置處于哪條鐵路線上，將最近位置的經(jīng)緯度坐標輸出，并反解析地址。將以上結果保存在本地。

（5）將步驟（4）的結果以新建圖層的方式可視化展示，鐵路線最近處默認以“×”顯示，與震中連線并標注距離。將PGA計算結果標注在“×”旁邊。

（6）步驟（5）圖層創(chuàng)建后，選取適當?shù)慕缑姹壤哌M行截圖保存，要求截圖中包含所有計算結果生成的圖形。將計算結果串連文字輸出。每個地震輸出一段文字配一個截圖。將此內容保存至本地。

（7）將步驟（6）的文字和截圖鏈接至網(wǎng)站接口，自動以網(wǎng)頁形式進行排版編輯，完成后將網(wǎng)址鏈接發(fā)送給短信服務器。

（8）由短信服務器根據(jù)信息模板將簡短文字和網(wǎng)頁鏈接發(fā)送給訂閱的用戶。

經(jīng)以上步驟，最終實現(xiàn)地震信息自動抓取、分析、自動可視化展示、輸出文字，自動發(fā)布等一體化全部功能。

4.3 實現(xiàn)流程

4.3.1 創(chuàng)建基礎化文件

工作計劃基于QGIS利用Python語言進行開發(fā)，根據(jù)4.2的設計流程，創(chuàng)建插件需要的基礎化文件，包括：

（1）__init__.py，主要描述插件的基本信息、開發(fā)者、版本號、程序主體類、載入方式等。

（2）resources.qrc和resources.py，描述引用的相關資源文件路徑。

（3）earthquake_analyzer_dialog_base.ui和earth?quake_analyzer_dialog.py，是地震插件界面的ui文件。

（4）earthquake Data.py（地震信息下載和格式化數(shù)據(jù)）、earthquake_analyzer.py（界面交互邏輯）、geo.py（經(jīng)緯度反解析）、mapTool.py（坐標轉換、測量、創(chuàng)建圖層等）、worker.py（主要計算功能）、scheduler.py（間隔定時自動采集）等各類運用的算法及函數(shù)。

4.3.2 操作插件

4.3.2.1 插件安裝

在QGIS界面菜單欄中點擊“插件（P）”選項中的“管理并安裝插件...”菜單欄（見圖4）。在插件安裝界面中選擇左側“從ZIP文件安裝”欄目，選擇安裝包文件后點擊“安裝插件”按鈕（見圖5）。安裝成功后提示“插件已成功安裝”。插件中會顯示“”圖標。

圖4 插件安裝菜單欄

圖5 選擇安裝插件

4.3.2.2 基礎數(shù)據(jù)載入

載入源數(shù)據(jù)圖層，包括鐵路線信息、地震區(qū)劃圖第五代分區(qū)圖和地圖底圖（見圖6），建議數(shù)據(jù)的坐標系設定為WGS 84（EPSG：4326）。

圖6 載入數(shù)據(jù)源圖層

4.3.2.3 插件使用

點擊數(shù)據(jù)采集配置，插件配置參數(shù)見圖7，數(shù)據(jù)采集配置參數(shù)有采集間隔、鐵路線圖層、地震帶圖層、判別距離、考慮深度、存放路徑，短信服務URL。

圖7 插件配置參數(shù)

（1）輸入?yún)?shù)?！安杉g隔”代表自動采集時從網(wǎng)頁抓取地震目錄的時間間隔；“鐵路線圖層”和“地震帶圖層”選擇第4.3.2.2節(jié)中載入的數(shù)據(jù)源；“判別距離”定義為：若震中在此距離范圍內存在鐵路線則進行分析和計算，如果此距離范圍內沒有鐵路線，則不執(zhí)行后續(xù)流程；“考慮深度”勾選時輸入地震目錄中的震源深度參與計算，此時式（1）的R由震中距替換為根據(jù)深度幾何關系計算得到的震源距；“存放路徑”代表用戶存放截圖和數(shù)據(jù)表格的本地地址；如勾選“自定義半徑”，可根據(jù)用戶設定的半徑距離，以震中為圓心畫圓，如不勾選則跳過此步驟；“短信服務URL”為短信推送的接口鏈接地址。

（2）采集數(shù)據(jù)。系統(tǒng)軟件采集數(shù)據(jù)支持自動采集和手動采集2種模式。

手動采集數(shù)據(jù)模式是指用戶手動點擊系統(tǒng)軟件“手動采集”按鈕，會有窗口彈出，此時根據(jù)用戶需求輸入數(shù)字n，代表主動獲取國家地震臺網(wǎng)中國境內地震最新n條目錄，并執(zhí)行后續(xù)步驟。

自動采集數(shù)據(jù)模式是指系統(tǒng)軟件根據(jù)第4.3.2.3（1）節(jié)中設定的采集間隔，自動采集獲取國家地震臺網(wǎng)中國境內地震最新目錄，并執(zhí)行后續(xù)步驟。長期監(jiān)測時使用自動采集模式，實現(xiàn)鐵路地震影響場的自動計算和發(fā)布。

4.3.2.4 數(shù)據(jù)記錄

執(zhí)行插件后，存放目錄將生成若干個本地文件夾（見圖8）。文件夾名稱為采集時間，文件夾中包括當時的地震截圖和數(shù)據(jù)（見圖9），記錄了地震事件基礎信息，包含震級、發(fā)震時刻、經(jīng)度、緯度、參考位置、最近的鐵路線名稱、最近鐵路線經(jīng)緯度信息、最近鐵路距離，最近位置預測PGA大小及40、80、120 gal半徑和文字描述等數(shù)據(jù)。

圖8 采集數(shù)據(jù)本地文件目錄

圖9 采集數(shù)據(jù)本地文件

以2021年09月21日14時45分29秒發(fā)生的M3.0級河南省鄭州市新密市地震為例，輸出文件為地震信息和影響情況，具體為：“據(jù)地震臺網(wǎng)中心測定，2021年09月21日14時45分29秒河南省鄭州市新密市（113.50，34.53）發(fā)生3.0級地震（疑似塌陷），震源深度0 km。距離附近鐵路線最近位置為新密線河南省鄭州市新密市岳村鎮(zhèn)，最近位置約2.5 km，預估PGA為54.75 gal。預估地震40 gal半徑范圍為3.86 km；預估地震80 gal半徑范圍為1.07 km。”要素圖層生成后地震信息整體可視化展示見圖10。

圖10 地震信息整體可視化展示

4.3.2.5 信息發(fā)布

設計短信管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供短信號碼訂閱和管理功能，訂閱用戶在地震后可收到鐵路影響信息網(wǎng)頁鏈接。手機號碼狀態(tài)“是”為推送狀態(tài)，手機號碼狀態(tài)“否”則為不推送狀態(tài)，短信用戶管理頁面見圖11。點擊“短信日志信息”可以看到已推送的用戶和手機短信內容。

圖11 短信用戶管理頁面

信息發(fā)布及推送截圖見圖12，用戶接收的信息見圖12（a），點擊鏈接（圖中已隱去）即可查看最近一次鐵路影響信息（見圖12（b））。

圖12 信息發(fā)布及推送

4.4 測試結果

基于QGIS的“鐵路地震影響加速度計算及發(fā)布插件”開發(fā)完成后，開展了3個月的內部測試。因開發(fā)所用數(shù)據(jù)和軟件皆為開源性質，為穩(wěn)定運行，環(huán)境部署在互聯(lián)網(wǎng)云服務器上。

（1）穩(wěn)定性測試中，插件經(jīng)過2 000余h測試無執(zhí)行錯誤、崩潰、內存溢出等運行故障，能及時獲取地震信息，并通過鏈接短信正確發(fā)送文字、圖片等信息至用戶手機。

（2）準確性測試中，插件在周期內共計分析、發(fā)送地震信息1 000余次，其中153次為自動獲取的臺網(wǎng)中心天然地震數(shù)據(jù)，其余為人工添加的歷史地震測試數(shù)據(jù)，地震加速度影響計算無誤。

5 結論

在詳細分析鐵路地震需求和合理設計實現(xiàn)流程的基礎上，利用鐵路基礎地理信息數(shù)據(jù)，基于地震動衰減關系開發(fā)了一個開源QGIS插件，主要實現(xiàn)了以下功能：

（1）自動抓取國家地震臺網(wǎng)中心地震目錄頁面的地震三要素，并應用地震動衰減關系對地震影響場進行分析。

（2）自動計算震源與最近鐵路線的距離，并預估鐵路線最近位置的地震動峰值加速度（PGA）。

（3）對計算分析的數(shù)據(jù)和地圖可視化展示，并實時發(fā)送給訂閱用戶。

此插件可在地震后及時通知相關人員地震影響范圍和最近鐵路的預估峰值加速度，可為鐵路地震分析、應急處置和災后救援提供數(shù)據(jù)支撐。