地震監測預警中心系統在鐵路上的應用研究

楊 林 閆 璐 郭奇園

地震是危害最大的自然災害，會直接破壞鐵路基礎設施，導致列車脫軌、傾覆等災害。為避免或減輕這些災害，要盡可能使列車在地震發生前或發生時減低運行速度或停運，一套有效的鐵路地震監測預警系統，可使列車在災害發生時的損失程度降至最小。在鐵路較為發達的日本、法國和中國臺灣地區，均針對鐵路運輸建立了地震報警或預警系統，以減輕地震災害對鐵路運輸安全的危害。

地震報警主要通過監測S波，當地震動參數達到一定閾值后發出警報；而地震預警則是利用P波和S波的速度差、電磁波和地震波的速度差，在地震發生后，當破壞性地震波尚未來襲的數秒至數十秒之前發出預警。

1 國內外現狀

目前世界上把地震監測系統用于鐵路防護主要有日本和法國。

日本非常重視列車地震防災，其地震預警系統的發展歷程大體可以分為三個階段：S波報警裝置（1964年－1991年），UrEDAS——單點P波報警裝置 （1992年－2004年），多點P波預警與S波監測并行——快速地震報警系統EQAS（2005年至今）。其發展歷程是從機械式發展到電子式，從單純沿線監測報警到海岸和內陸異地預警，從監測S波 （有局限性）到監測P波 （準確度不高），再到氣象廳地震緊急快報 （延時較大）。盡管各類系統都不是完善預警，但日本新干線都保留了所有模式，且報警 （預警）互為備份，無論哪種報警 （預警）技術失效，都會有備用技術 （哪怕時效性或準確性不高）作為兜底。日本地震預警系統在鐵路安全運營方面發揮了重要作用，投入運營以來，多次對地震成功進行預警，對列車實施了緊急制動，保證了旅客生命安全。

法國地中海線地震監測系統僅具備報警功能而無預警，每個區段的局部監測點各自獨立工作，且均與中央決策系統 （馬賽控制中心）相連，形成地震監測網絡。馬賽控制中心具有雙機冗余的判別處理和報警裝備，接收到監測點報警信息后，要與國家地震部門驗證進行確認，通過中心報警部件向列控系統發出控制列車運行的信息。

我國大陸是一個震災嚴重的國家，與日本、法國、以及中國臺灣地區相比，中國大陸地震分布較廣，震源分散、復雜，對鐵路安全運營影響大。目前，我國雖在鐵路防災安全監控系統中設立了地震監測報警子系統，并沿鐵路線設置現場監測點，但僅具備實時S報警功能，無預警功能。且沒有集中統一的鐵路局信息處理中心，且各自獨立運行、互不連通，影響了地震災害監測系統的深化應用。因此，開展地震災害監測預警中心系統 （簡稱中心系統）建設是解決現存問題的必要手段，充分利用資源，避免重復建設，對提高災害監測預警系統應用水平有著重要的作用。為此，在對國內外地震監測與預警技術研究、對比、分析的基礎上，對鐵路地震監測預警系統的需求、功能、結構等進行細化研究，提出了鐵路地震監測預警中心技術方案。

2 系統設計

2．1 研究目標

設計技術先進、架構合理、穩定可靠的鐵路地震監測預警中心系統，全面實現鐵路地震災害監測信息的集成與共享、集中管理，更大程度地發揮監測預警系統作用，為鐵路列車運行安全提供技術支撐。具體目標如下。

1．構建鐵路地震監測預警中心系統，集成既有和新建的地震預警系統，形成統一的地震監測預警中心，實現地震監測、警報等信息的集中處置。

2．實現現地報警、異地預警。

3．實現與國家地震部門、調度系統、信號系統等路內相關系統的互聯互通。

4．通過快速識別技術，實現預警范圍、預警級別的快速確定。

5．與車載緊急處置裝置配合，實現地震報警信息的快速處理，確保列車運行安全。

6．實現對地震真實性的判別，及時發布誤報解除信息，實現快速恢復行車。

7．實現對地震監測預警系統設備的集中監測與維護管理。

8．統一應用軟件及數據接口標準，實現系統的規范化建設。

2．2 系統功能

鐵路地震監測預警中心系統主要功能分為三大塊：地震預警與緊急處置、系統維護、統計分析。其中，地震預警與緊急處置是系統的核心功能；系統維護主要實現整個地震預警系統的安全運行功能；統計分析作為系統的輔助功能模塊，可以生成各種類型的地震事件報表，為領導和相關部門提供數據參考。地震預警的關鍵功能概括如下。

1．地震信息綜合處理功能。實時接收、匯總沿線各地震監測臺站、國家地震臺網中心 （省級）上傳的地震監測、預警、報警信息，對單點監測、相鄰點間監測、多點監測的地震參數進行快速處理，綜合分析、估算不同級別命令地震影響范圍和影響范圍內不同區域的警報登記，并據此發布緊急處置信息。

2．P波多點預警。匯聚各個臺站P波預警信息，實時分析、計算，快速定位地震，確定震中距、震級、方位角等地震關鍵要素。

3．地震緊急處置信息發布功能。確定為地震事件后，計算地震加速度衰減范圍，確定地震警報影響級別、影響范圍，通過GSM－R系統向車載地震緊急處置裝置發送地震緊急處置信息，經地震監測臺站和信號接口單元分別向牽引供電系統和信號系統發送地震緊急處置信息，同時向本局調度系統和地震影響范圍內的地震監測預警中心系統發送。

4．地震誤報判斷和解除信息發布功能。針對P波預警對地震發生的真實性進行判別，根據判別結果，通過上述相同的路徑發布誤報解除信息。

圖1 鐵路地震監測預警中心系統總體結構

2．3 總體設計

地震監測預警系統按照二層結構設計，地震監測預警中心系統作為第1層，第2層是布設在鐵路沿線的現場監測設備 （包括地震監測預警臺站、信號接口單元）和車載緊急處置裝置。中心系統實時接收地震監測臺站地震監測數據、地震警報等數據，進行數據分析及處理。同時，中心系統與國家地震臺網省級中心、相鄰中心系統互聯，進行信息共享。具體見圖1所示。

2．4 結構設計

鐵路中心系統軟件結構采用多層架構設計，分為展現層、應用層、服務層、數據層、接口層、系統軟件層和系統硬件層7層，具體關系見圖2所示。

系統硬件層包括數據庫服務器、應用服務器、接口服務器、通信服務器、時鐘同步服務器、網絡設備和存儲設備。數據備份采用磁盤陣列。

系統軟件層包括操作系統、數據庫管理系統、存儲／備份系統、應用中間件、通信中間件、數據中間件和防病毒系統等。

接口層包括地震監測臺站、國家地震臺網中心、GSM－R通信系統、信號接口單元、調度系統、相鄰鐵路局數據交換、地震監測預警綜合處理分析平臺等接口。

數據層包括地震監測、地震警報、設備狀態、緊急處置指令、路局中心與接入系統間的通信交互過程、系統運行基礎和系統管理等數據。

服務層采用SOA架構的方式，提供數據、業務、流程、訪問、安全認證、系統日志、系統資源監控等服務，實現數據訪問、數據協議和格式轉換、數據訂閱／發布、數據傳輸、數據存儲、地震警報、緊急處置命令生成等功能。

應用層功能主要由后臺服務模塊提供，包括地震預警P波識別、地震影響范圍計算、地震警報信息發布、地震臺網中心接入、中心與臺站、信號等接口單元信息交互、地震數據存儲與分析、系統診斷與維護、資源管理、日志管理、業務監控等模塊。

展現層主要由客戶端軟件提供，采用WebService和MQ等協議與后臺進行交互，提供地震信息監控操作、基于GIS的地震信息綜合展示、數據綜合統計分析、地震波形分析／展示等界面功能。

3 系統的關鍵技術

3．1 異地預警

及時監測地震的發生，根據地震發生強度和地點，快速確定地震破壞 （影響）范圍，并向影響范圍內的列車發出預警信息，采取必要的措施確保列車處于安全運行狀態，這是鐵路地震監測預警的最根本與最重要的目標。采用異地預警技術，能夠更加有效地實現對地震影響范圍內列車發出預警，為相應系統采取措施爭取時間，異地預警的本質就是通過時間、空間和傳輸速度的差異帶來的時間差來實現。本系統通過基于S波、基于P波、基于國家地震預警系統三種方式實現異地預警。

3．2 預警誤報解除

基于P波預警是一項全世界范圍內的尚未成熟的前沿技術，由于理論和技術上的限制，會產生誤報的情況，如果誤報信息不能及時發現并采取相應的措施，將會給鐵路正常的行車秩序帶來嚴重的影響，因此必須采取相應的技術手段，確保實現P波預警誤報信息被及時識別和消除。本系統采用以下2種方案實現誤報的識別與解除。

實時采集地震監測信息，監視P波預警發出后其后續S波的峰值，如果后續S波如期到來并超過設定的閾值，證明P波預警是正確的，如果后續S波沒有到來或沒有超過設定的閾值，則前期的P波預警即為誤報。

通過地震部門臺網 （國家地震預警系統），實時接受地震預警和地震速報信息，如果在P波預警發出120s后，沒有收到國家臺網的地震速報信息，或速報信息中地震的強度沒有超過鐵路地震監測預警系統設定的閾值，則前期的P波預警即為誤報。

當確認所發送的P波預警信息為誤報信息后，中心系統通過網絡向影響范圍內的地震監測臺站、信號接口單元、車載緊急處置裝置發送預警解除信息，使牽引供電系統、列控系統和車載緊急處置裝置采取相應措施，恢復列車的正常運行。如果影響范圍超出本局管轄范圍，預警信息還將被發送到相鄰的中心系統，相鄰中心系統按照上述原則采取同樣的措施。

3．3 緊急處置命令生成技術

鐵路地震監測預警中心系統緊急處置命令生成技術，是通過應用服務器技術和GIS空間技術完美的結合來實現的。采用空間和非空間數據的聯合運算，其運用手段包括各種幾何的邏輯運算、數理統計分析，代數運算等數學手段，來提取和傳輸地震影響范圍，自動生成緊急處置命令。GIS中實現空間分析的基本功能，包括空間查詢與量算，緩沖區分析、疊加分析、路徑分析、空間插值、統計分類分析等。

4 問題與結論

在研發鐵路地震監測預警中心系統的過程中，P波預警模型算法和地震烈度衰減緊急處置范圍模型計算還需要進一步研究，需要對地震監測布設點的地形、地貌、巖土結構、地震構造特征做綜合分析，建立地震預警處理模型，通過大量實際試驗，用海量數據來優化模型參數，提供系統的預警精度。

構建鐵路地震監測預警系統網絡，集成既有和新建的地震預警系統，全面實現鐵路地震災害監測信息的集成與共享，形成統一的地震監測預警中心，更大程度地發揮監測預警系統作用，對保障高鐵地震安全具有重要意義。

［1］ 首都圈地區地震預警與烈度速報系統的試驗及示范應用．國家科技支撐計劃課題研究報告．

［2］ 張紅才，金星，李軍，韋永祥．地震預警定位方法研究［J］．地震工程與工程振動，2011（6）．

［3］ 金星，張紅才．地震預警連續定位方法研究［J］．計算機學報，2012（3）．

［4］ Anderson K R．Epicentral location using arrival time order．Bulletin of the Seismological Society of America，198l，7O（2）：541 545．