孫文韜，王友彪，周學(xué)影

（中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 鐵道科學(xué)技術(shù)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(zāi)害之一，為增強我國高速鐵路防震減災(zāi)能力，自2012年起原鐵道部和中國地震局聯(lián)合攻關(guān)，開始共同研發(fā)高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)［1-3］，2015年底高速鐵路地震預(yù)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(yù)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(biāo)，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(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)條件》［6］等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(yù)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(guān)心的PGA作為地震影響場指標(biāo)。

地理信息系統(tǒng)（GIS）在防震減災(zāi)中作用的研究起始于20世紀(jì)80年代末。經(jīng)過30年的發(fā)展，GIS已在災(zāi)害評估、地震危險性分析、地震預(yù)警、地震烈度速報和緊急救援等領(lǐng)域發(fā)揮了至關(guān)重要的作用［7］。隨著我國鐵路建設(shè)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(dǎo)致無法提前預(yù)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(jié)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(zhǔn)地了解可能受到地震威脅的鐵路，為震后處置和防災(zāi)、減災(zāi)提供數(shù)據(jù)支撐。根據(jù)前期調(diào)研情況，目前鐵路行業(yè)尚未應(yīng)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(shè)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(guān)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(yīng)急處置和災(zāi)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(yīng)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(diào)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(xué)者相互應(yīng)用和分享插件［8］。QGIS中各算法之間可以相互調(diào)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(nèi)外研究現(xiàn)狀

地震防災(zāi)、減災(zāi)領(lǐng)域中，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者利用GIS開展了不同方向的研究應(yīng)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(shù)和Arcpy空間繪制技術(shù)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(wù)的自動發(fā)布；馮駿等［10］基于Arc Engine、C#編程語言開發(fā)設(shè)計了畢節(jié)市地震應(yīng)急分類響應(yīng)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(yīng)急分類響應(yīng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了四大功能，包括基礎(chǔ)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(zāi)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(zhì)、斷層、建筑物震害等資料［11］。

3 地震動衰減關(guān)系應(yīng)用

地震動衰減關(guān)系是建立震級與加速度關(guān)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(nèi)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(guān)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(biāo)準(zhǔn)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?qū)?yīng)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(yīng)的震中距R。以R為半徑圓的范圍，即對應(yīng)了PGA=40、80、120 gal的影響范圍。

根據(jù)鐵路行業(yè)應(yīng)用的安全余量，衰減關(guān)系通常運用長軸結(jié)果。對應(yīng)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(yīng)獲得該地震的地震影響場。

地震動衰減關(guān)系是基于一定樣本量的經(jīng)驗推導(dǎo)，估算結(jié)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(shè)地震臺站，所以根據(jù)地震動衰減關(guān)系預(yù)估我國任一地區(qū)的地震動PGA是目前行業(yè)內(nèi)的通用做法。特定區(qū)域中有符合局部特征更好的衰減關(guān)系，在此不做分析。分區(qū)PGA衰減關(guān)系系數(shù)見表1。

表1 分區(qū)PGA衰減關(guān)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(wù)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(chǔ)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(yīng)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(biāo)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(chǔ)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(guān)系分區(qū)數(shù)據(jù)。如利用第五代區(qū)劃圖中的衰減關(guān)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(guān)信息可查閱GB18306—2015和中國標(biāo)準(zhǔn)出版社出版的《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》。衰減關(guān)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(guān)系分區(qū)數(shù)據(jù)

如利用其他衰減關(guān)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(wù)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(zhǔn)確性的影響。如需在路網(wǎng)環(huán)境應(yīng)用，則應(yīng)將相應(yīng)各矢量數(shù)據(jù)替換為專業(yè)工程數(shù)據(jù)。

4.2 設(shè)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(shè)定，也可人工點擊進行抓取，并將結(jié)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(jié)果為PGA影響范圍的半徑。根據(jù)高速鐵路地震預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)的規(guī)則習(xí)慣，需計算當(dāng)PGA=40、80、120 gal或人工輸入值時對應(yīng)的范圍半徑，將所有結(jié)果保存至本地。此處預(yù)留衰減關(guān)系替換功能，可根據(jù)運用的不同算法替換衰減關(guān)系系數(shù)，以達到精準(zhǔn)預(yù)測的目的。

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

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

（6）步驟（5）圖層創(chuàng)建后，選取適當(dāng)?shù)慕缑姹壤哌M行截圖保存，要求截圖中包含所有計算結(jié)果生成的圖形。將計算結(jié)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(nèi)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(wù)器。

（8）由短信服務(wù)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(chǔ)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(shè)計流程，創(chuàng)建插件需要的基礎(chǔ)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(guān)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(biāo)轉(zhuǎn)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(cè)“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(biāo)。

圖4 插件安裝菜單欄

圖5 選擇安裝插件

4.3.2.2 基礎(chǔ)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(biāo)系設(shè)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(wù)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(nèi)存在鐵路線則進行分析和計算，如果此距離范圍內(nèi)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(guān)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(shè)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(wù)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(nèi)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(shè)定的采集間隔，自動采集獲取國家地震臺網(wǎng)中國境內(nèi)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(dāng)時的地震截圖和數(shù)據(jù)（見圖9），記錄了地震事件基礎(chǔ)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(yù)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(yù)估PGA為54.75 gal。預(yù)估地震40 gal半徑范圍為3.86 km；預(yù)估地震80 gal半徑范圍為1.07 km?！币貓D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(shè)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(nèi)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(jié)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(nèi)部測試。因開發(fā)所用數(shù)據(jù)和軟件皆為開源性質(zhì)，為穩(wěn)定運行，環(huán)境部署在互聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)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(nèi)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(zhǔn)確性測試中，插件在周期內(nèi)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(jié)論

在詳細(xì)分析鐵路地震需求和合理設(shè)計實現(xiàn)流程的基礎(chǔ)上，利用鐵路基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，基于地震動衰減關(guān)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(yīng)用地震動衰減關(guān)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(yù)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(guān)人員地震影響范圍和最近鐵路的預(yù)估峰值加速度，可為鐵路地震分析、應(yīng)急處置和災(zāi)后救援提供數(shù)據(jù)支撐。