楊 林，張格明，胡兆冰，周達(dá)天

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100081； 2.北京交通大學(xué)，北京 100044)

引言

中國是世界上地震活動最強(qiáng)烈和地震災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一，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%[1]，高速鐵路建設(shè)仍不可避免地跨越或鄰近地震斷裂帶，處于Ⅶ度及以上的里程超過1萬km。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]。由于目前地震發(fā)生后，鐵路系統(tǒng)不能快速得到地震烈度破壞信息，無法在短時間內(nèi)了解地震對鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的破壞情況，只能通過安排全線人工巡檢的方式來確定線路是否受損，其時間長、效率低，地震發(fā)生后嚴(yán)重干擾鐵路的正常運輸生產(chǎn)次序。

目前，中國地震臺網(wǎng)中心正在全國范圍內(nèi)實施“國家地震烈度速報與預(yù)警工程”，共計在全國建設(shè)15 000余個地震烈度速報與預(yù)警臺站，對外可提供臺站測試波形、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。同時，我國高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)已于2017年成功下線，目前正在全路推廣應(yīng)用。高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)以路局為信息處理中心[4-6]，沿局管范圍內(nèi)高鐵線路建設(shè)地震強(qiáng)震監(jiān)測臺站，預(yù)計全路監(jiān)測臺站數(shù)目在1 000余個以上。

基于地震臺網(wǎng)和高鐵沿線臺站的實測波形、加速度峰值等信息，快速確定地震動參數(shù)信息，產(chǎn)出斷層長度和走向，進(jìn)而更精確預(yù)測PGA、PGV，形成烈度等值線；并結(jié)合鐵路沿線基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)，自動生成震后鐵路基礎(chǔ)設(shè)施巡檢建議，調(diào)度人員根據(jù)巡檢建議，可有針對性地對破壞程度較嚴(yán)重的線路區(qū)段進(jìn)行巡檢，避免全線巡檢，可大大節(jié)省震后恢復(fù)時間，提高鐵路運輸生產(chǎn)效率[7]。

1 地震烈度信息快速生成算法

1.1 地震斷層長度和走向快速確定方法

有地震必有斷層，有斷層必有地震，斷層活動誘發(fā)了地震，地震發(fā)生又促成了斷層的生成與發(fā)育[8]。大多數(shù)強(qiáng)震的極震區(qū)和等震線的延長方向與當(dāng)?shù)財鄬幼呦蛞恢?，破裂的方向性效?yīng)受震源的破裂機(jī)制、斷層破裂方向與場點夾角以及斷層破裂速度等方面影響[9]。此外，臺站分布、場地響應(yīng)等因素也會影響實時確定斷層長度和走向方法產(chǎn)出的準(zhǔn)確性和可靠性。明確斷層長度和走向有助于確定斷層面，為后續(xù)深入研究致災(zāi)機(jī)理提供重要參考。

采用FinDer算法，從地震數(shù)據(jù)中估計破裂尺寸，確定斷層長度和走向，F(xiàn)inDer算法根據(jù)臺站接收的實時數(shù)據(jù)判別近場區(qū)域，進(jìn)而通過圖像識別技術(shù)識別斷層的破裂參數(shù)。該方法在2015年被美國加州ShakeAlert預(yù)警系統(tǒng)采用[10]，為地震預(yù)警系統(tǒng)實時識別斷層參數(shù)提供了一條很好的思路。

FinDer使用二維空間模板匹配找到最好的線源模型來解釋在給定時間內(nèi)地震臺網(wǎng)中觀測到的地面運動模式。該算法將表示迄今觀測到的峰值絕對地面加速度振幅空間分布的圖像I與理論模板T進(jìn)行比較，理論模板T由不同長度線源的經(jīng)驗GMPE模擬而來，通過旋轉(zhuǎn)模板以確定破裂走向[11]。線源近似最適合于垂直傾斜斷層情況，對于傾角較小的斷層，F(xiàn)inDer線源通常會在斷層垂直方向平移幾千米，以達(dá)到與觀測到的地面運動模式更好匹配。FinDer迭代計算使T和I之間的失配最小化，以恢復(fù)最佳T及其在I中的位置，從而確定相應(yīng)線源的質(zhì)心X={緯度，經(jīng)度}、長度L和走向θ。地震震級M根據(jù)經(jīng)驗的破裂長度-震級關(guān)系估計，事件的發(fā)震時間t0根據(jù)各種傳感器上峰值振幅的到達(dá)時間確定。

根據(jù)經(jīng)驗GMPE對模板T(x，y)中的每個值進(jìn)行建模，計算模板的表達(dá)式為

T(x，y)=lg(PGA(x，y))=

(1)

式中，C(M)=1.16exp[0.96(M-5)]×[arctan(M-5)+π/2]；R為M<5的震中距離和M≥5到位于每個模板中心的假定線源斷層距離。

線源的長度L[km]與震級M的關(guān)系為

lgL=(M-4.33)/1.49

(2)

FinDer的輸出取決于為模板生成選擇的GMPE。利用歷史數(shù)據(jù)，通過在各地的不同地區(qū)測試FinDer算法表明，只要有可能，最好使用當(dāng)?shù)谿MPE。模板集是在外部創(chuàng)建的，由FinDer在啟動時加載。

使用上述方法，為M2.5-M8.0創(chuàng)建了1組56個模板，對應(yīng)于L=0.06～300 km的破裂長度。每個線源的走向設(shè)置為Θ=0，但在模板匹配過程中，允許模板圍繞模板中心旋轉(zhuǎn)180°，以確定破裂走向。這些模板圍繞它們的線源是對稱的，因此，Θ時的解和Θ+180°時的解是等效的。對于PGA分布，二元模板匹配比連續(xù)匹配更穩(wěn)健。因此，對于給定的地震動閾值PGA閾值列表，將二值圖像和模板定義為

(3)

(4)

對于給定的(L，Θ)，定義結(jié)果矩陣R的每個(x，y)位置元素為

(5)

對所有模板進(jìn)行搜索，由于旋轉(zhuǎn)角(走向)Θ和閾值PGAthreshold對于實時應(yīng)用來說太耗時，可按如下方式縮小搜索空間：對于每個PGA閾值，計算破裂長度L的初始估計值；然后應(yīng)用分而治之的算法在最初的猜測周圍來估計不同破裂長度L的最佳走向Θ；繼續(xù)搜索，直到找到使E最小化的Θ/L組合。

1.2 地震烈度信息快速確定算法

目前國家預(yù)警臺網(wǎng)的規(guī)劃是在重點監(jiān)視區(qū)實現(xiàn)較高密度臺網(wǎng)布設(shè)，一般防御區(qū)的臺網(wǎng)密度并不高。未來地震有可能落在重點監(jiān)視區(qū)邊緣或一般防御區(qū)，這種情況下，臺網(wǎng)分布密度和均勻度不夠。因此，地震烈度速報中必須考慮震中附近臺網(wǎng)的分布情況。當(dāng)臺網(wǎng)密度高且分布均勻時，可直接對臺站儀器烈度進(jìn)行空間插值得到烈度分布圖。當(dāng)臺網(wǎng)密度高且不均勻，可以利用地震動衰減模型，結(jié)合臺站觀測數(shù)據(jù)，回歸當(dāng)次地震的衰減關(guān)系系數(shù)，再利用此模型計算加密插值點的烈度，最后與臺站儀器烈度一同插值得到烈度分布圖。以2017年8月8日九寨溝M7.0地震為例[12]，算法基本步驟如下。

(1)獲取觀測PGA值

基于中國地震臺網(wǎng)“十五”項目建設(shè)的臺站[13]，獲取以震中為中心、周邊2.5°范圍內(nèi)臺站記錄，將臺站速度記錄仿真為加速度記錄，取每個臺站三分向加速度記錄最大值，形成每個臺站PGA，將臺站坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為笛卡爾坐標(biāo)，如圖1所示。

圖1 九寨溝M7.0地震震后43 s周邊臺站觀測PGA分布

(2)構(gòu)建delaunary三角網(wǎng)

以各臺站坐標(biāo)為頂點，構(gòu)建delaunary三角網(wǎng)，如圖2所示。

(3)插值形成觀測圖像

對于每個delaunary三角形，使用其3個頂點的PGA，采用線性插值方法，插值形成三角形內(nèi)各網(wǎng)格點上的PGA，從而形成震中區(qū)PGA觀測圖像I，見圖3。

圖3 震中區(qū)PGA觀測圖像I

(4)搜索匹配的理論圖像

基于式(1)和式(2)，構(gòu)建不同斷層長度L和不同走向Θ的模板T，使用式(3)～式(5)，尋找與觀測圖像I最佳匹配的模板，最佳匹配的模板長度L與走向Θ就是要求的解，即斷層長度53 km，走向160°，見圖4。

圖4 模板T圖像

(5)獲得斷層屬性，預(yù)測PGA分布圖

根據(jù)求解的斷層長度，由式(2)可得震級M，將已知斷層長度與走向及M代入式(1)，計算震中區(qū)域各點PGA分布，再根據(jù)場地影響校正各點PGA，則得到預(yù)測的PGA分布圖。

PGA(x，y)=10(F(M，R)+lg1.1)

(6)

其中

式中，M為震級；R為線源距，若事先設(shè)置了各點PGA報警閾值，則當(dāng)PGA超過預(yù)設(shè)的閾值，可發(fā)布警報。

1.3 算法驗證

以2019年6月17日四川長寧M6.0地震為例，對算法進(jìn)行驗證[14]。通過回放事件波形，獲取以震中為中心、周邊2.5°范圍內(nèi)臺站記錄，插值形成觀測圖像，搜搜匹配圖像，在震后19 s計算出地震斷層長度為33 km，走向為150°，根據(jù)斷層長度、走向及臺站實測峰值數(shù)據(jù)，預(yù)測了PGA分布，形成等烈度線見圖5。中國地震局的震后調(diào)查烈度見圖6。通過圖5、圖6對比可知，獲取的斷層長度、走向與余震分布及震后調(diào)查烈度分布是基本一致的，走向稍偏大，與震中區(qū)臺站分布較少，對觀測圖像的約束不夠所致。

圖5 長寧地震斷層長度與走向

圖6 長寧地震烈度(中國地震局，2019)

圖7 數(shù)據(jù)交換平臺與中國地震臺網(wǎng)信息系統(tǒng)間安全交換區(qū)示意

因此，在使用FinDer方法預(yù)測地震斷層屬性時，要注意臺站分布。臺站分布相對均勻情況下，可靠性好，結(jié)果可用。臺站分布特別稀疏、分布不均衡的情況下，需謹(jǐn)慎評估結(jié)果的可用性[15-16]。

2 地震烈度信息在鐵路上的應(yīng)用技術(shù)研究

2.1 地震臺網(wǎng)信息安全接入技術(shù)

地震專網(wǎng)是一個內(nèi)部封閉的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從功能上劃分為國家級中心、省級中心、市縣匯聚和臺站4個層級節(jié)點。國家級中心包括位于北京的中國地震臺網(wǎng)中心和位于廣州的國家地震速報災(zāi)備中心，在國家中心設(shè)立數(shù)據(jù)安全交換區(qū)，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部和對外的實時數(shù)據(jù)信息交換。設(shè)立國家地震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)交換平臺，通過數(shù)據(jù)交換平臺和中國地震臺網(wǎng)信息系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的信息交互。由于數(shù)據(jù)交換平臺屬于鐵路專網(wǎng)，地震臺網(wǎng)是外網(wǎng)，對于雙方之間進(jìn)行信息交互其安全保障顯得尤為重要。為此，數(shù)據(jù)交換平臺和中國地震臺網(wǎng)信息系統(tǒng)之間通過DMZ進(jìn)行信息的安全交互，在DMZ間各自部署接口服務(wù)器，采用消息中間件的方式進(jìn)行通信[17]。為防止數(shù)據(jù)泄露、信息篡改，在應(yīng)用層面通過采用數(shù)據(jù)加密的方式進(jìn)行交互，其信息安全交換示意如圖7所示。

在雙方的數(shù)據(jù)安全交換區(qū)，制定網(wǎng)絡(luò)安全策略，部署網(wǎng)絡(luò)安全防范設(shè)備，實現(xiàn)地震預(yù)警系統(tǒng)與臺網(wǎng)信息系統(tǒng)間的有效隔離。雙方通過DMZ的數(shù)據(jù)安全交換區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，不進(jìn)行直接連接，在滿足數(shù)據(jù)傳輸效率的同時，不進(jìn)行系統(tǒng)間的信息直接互訪，最大程度保證兩套系統(tǒng)原有的獨立性。數(shù)據(jù)安全交換區(qū)域通過網(wǎng)閘等安全設(shè)備進(jìn)行隔離，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩阅堋?/p>

2.2 地震烈度影響鐵路范圍計算

我國高速鐵路采取不同車速下的高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)警報三級閾值，即以計測或?qū)崪y三向加速度峰值為評判依據(jù)，地震警報分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級，對應(yīng)的閾值分別為40，80，120 gal[18]。烈度值為Ⅴ度對應(yīng)的峰值加速度合成值范圍為22～44 gal，平均值為31 gal，烈度值為VI度對應(yīng)的峰值加速度合成值范圍為45～89 gal，平均值為63 gal，對應(yīng)高鐵地震預(yù)警Ⅰ～Ⅱ級處置范圍，處于此范圍內(nèi)的車輛、軌道、橋梁及其建筑物可能會有一定程度的損壞。因此，可采用高鐵線路處于Ⅴ度及其以上范圍作為烈度影響高鐵范圍。計算地震烈度影響鐵路范圍，可以采用以下3種方式計算。

(1)利用國家地震臺網(wǎng)發(fā)布的烈度速報信息直接獲取烈度等值包絡(luò)線

國家地震臺網(wǎng)的烈度速報信息主要提供烈度等值包絡(luò)線，包絡(luò)線主要為不同烈度封閉曲線，用經(jīng)緯度坐標(biāo)點來描述。通過烈度等值包絡(luò)線，疊加鐵路線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，獲取交集坐標(biāo)，交集坐標(biāo)即為地震烈度影響鐵路范圍。

(2)利用臺網(wǎng)發(fā)布的地震參數(shù)信息

當(dāng)臺網(wǎng)臺站密度高且不均勻，可利用地震動衰減模型來計算烈度范圍[19-20]。根據(jù)地震臺網(wǎng)發(fā)布的地震參數(shù)信息，采用不同烈度衰減模型如橢圓模型、斷層模型等來計算地震烈度衰減關(guān)系，結(jié)合鐵路線路空間位置關(guān)系，可獲取不同烈度等級的鐵路線路影響范圍。

(3)利用鐵路沿線臺站的實測加速度峰值

當(dāng)臺網(wǎng)臺站密度低且不均勻時，可利用鐵路沿線臺站數(shù)據(jù)。通過插值算法對烈度等值包絡(luò)線進(jìn)行修正。對研究區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，每隔一定距離來虛擬出臺站點，利用衰減關(guān)系估計每隔虛擬臺站點的地震動值，估計該點峰值加速度和速度；最后用插值方法估計出整個區(qū)域的地震動值，根據(jù)峰值速度和加速度，計算線路范圍所對應(yīng)烈度值。

2.3 地震烈度信息綜合處理

高鐵地震預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)采用兩級架構(gòu)，以鐵路局中心系統(tǒng)作為信息的匯聚和處理中心[21]。各鐵路局中心系統(tǒng)通過國家地震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)交換平臺接收國家地震臺網(wǎng)地震速報信息、地震動參數(shù)信息，國家地震臺網(wǎng)臺站實測加速度峰值信息、鐵路局中心系統(tǒng)管轄范圍內(nèi)臺站實測加速度峰值信息，對信息進(jìn)行綜合處理與分析，生成地震烈度信息，將地震烈度信息與局管范圍內(nèi)鐵路線路進(jìn)行疊加、分析與計算，生成震后路局線路等基礎(chǔ)設(shè)施巡檢建議，并向地震預(yù)警維護(hù)終端發(fā)送。

其主要信息處置流程如圖8所示。

圖8 烈度速報信息處理平臺信息處置流程

國家地震臺網(wǎng)信息通過臺網(wǎng)數(shù)據(jù)交換平臺向影響范圍內(nèi)的鐵路局中心系統(tǒng)發(fā)送地震速報信息，地震動參數(shù)信息處理軟件從鐵路局中心系統(tǒng)接收地震速報信息后，進(jìn)行分析處理，計算烈度影響局管鐵路線范圍，依據(jù)后續(xù)信息不斷修訂精度；當(dāng)收到國家地震臺網(wǎng)地震動參數(shù)信息后，修訂地震烈度影響范圍；當(dāng)收到國家地震臺網(wǎng)和高鐵沿線臺站實測加速度峰值信息，修訂地震烈度影響范圍；最后，依據(jù)路局對高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施震后應(yīng)急處置規(guī)則，生成鐵路基礎(chǔ)設(shè)施巡檢建議，并將建議發(fā)送到地震監(jiān)測業(yè)務(wù)和維護(hù)終端，路局相關(guān)業(yè)務(wù)人員可依據(jù)巡檢建議有針對性對重點區(qū)域安排巡檢。

2.4 技術(shù)在高鐵地震預(yù)警中的應(yīng)用情況

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，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)地震發(fā)生后自動三級處置，控制列車限速或者緊急制動，目前高鐵地震預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)已在太原鐵路局、北京鐵路局管轄的大西、京張等鐵路線正式上線運行。現(xiàn)有高鐵地震預(yù)警系統(tǒng)是以震時預(yù)警、緊急處置為目的，并不涉及到震后恢復(fù)領(lǐng)域。因此，通過此項技術(shù)的應(yīng)用，可形成對高鐵地震預(yù)警系統(tǒng)的有益補(bǔ)充，擴(kuò)充預(yù)警系統(tǒng)功能，實現(xiàn)地震發(fā)生后的全流程處置，建立震時預(yù)警與緊急處置、震后快速恢復(fù)的全流程預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)控體系，以技術(shù)保安全，具有重要的社會和經(jīng)濟(jì)意義

3 結(jié)語

通過采用FinDer算法計算地震斷層屬性，預(yù)測PGA分布，并對地震信息在鐵路上的應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了研究，實現(xiàn)了地震發(fā)生后地震烈度分布圖的快速產(chǎn)出及烈度破壞鐵路線路情況的快速發(fā)布。該算法綜合臺網(wǎng)和鐵路沿線臺站實測波形數(shù)據(jù)，快速確定地震斷層長度和走向，結(jié)合臺網(wǎng)密度分布情況，通過地震動衰減模型和空間插值等方法，預(yù)測地震烈度分布。同時，通過臺網(wǎng)信息安全、快速分發(fā)技術(shù)，將地震速報、烈度等信息發(fā)送到高鐵地震預(yù)警監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)中，中心系統(tǒng)匯聚相應(yīng)信息，對信息進(jìn)行綜合處理與分析，計算烈度影響鐵路范圍，自動生成鐵路基礎(chǔ)設(shè)施巡檢建議并發(fā)送到相應(yīng)管理、維護(hù)人員手中，大大節(jié)省了地震發(fā)生后鐵路應(yīng)急響應(yīng)時間，提高了作業(yè)人員巡檢效率，提升了鐵路運輸生產(chǎn)效率。將此項方法與技術(shù)在高鐵地震預(yù)警系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用，可以增補(bǔ)預(yù)警系統(tǒng)功能，建立全流程安防體系，使得預(yù)警系統(tǒng)具有更加廣闊的應(yīng)用場景。

隨著國家地震烈度速報與預(yù)警工程的全面實施及高鐵地震預(yù)警系統(tǒng)工程的逐步推進(jìn)，高鐵地震預(yù)警系統(tǒng)可依據(jù)臺網(wǎng)臺站分布情況合理、科學(xué)部署自建臺站，通過雙方的信息共享，為高鐵提供快速、精確的地震烈度速報信息。