高速鐵路與國家地震臺網信息接入及資源共享方式研究1

翟璐媛 黃志斌 楊 陳 魏 星 劉曉雨

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高速鐵路與國家地震臺網信息接入及資源共享方式研究1

翟璐媛 黃志斌 楊 陳 魏 星 劉曉雨

（中國地震臺網中心，北京 100045）

本文對高速鐵路與國家地震臺網信息接入和資源共享方式進行了討論。通過對組網模式和時延的分析及測試，在遵循目前地震系統信息傳輸模式的前提下，對于實時波形數據，可以根據實際情況采取國家中心型或者省局中心型的方式進行共享，用于高鐵系統臺站的補充，在地震預警發布階段使用；對于地震速報信息，可以采取國家中心型的方式進行共享，用于地震信息的確認，在地震預警解除階段使用。為了減小實時數據傳輸的時延以適應預警需求，應對數據采集器進行升級，并更新相應的流服務器的儀器適配器。

高鐵預警 地震臺網 資源共享 預警發布 預警解除

引言

我國是一個地震災害嚴重的國家，地震災害對高速列車運行安全的影響不容忽視，地震預警信息則是保證列車安全的重要手段。隨著我國高速鐵路建設規模的不斷擴大，針對高速鐵路建設專用的地震預警系統是其中一項重要的內容。

按照時效性劃分，高速鐵路地震監控系統一般分為兩類：報警系統和預警系統。其中，報警系統主要通過監測S波，當地震動加速度達到一定閾值后發出警報，采取相應應急措施減少災害損失；而預警系統則是利用P波和S波的速度差（現地預警）、電信號和地震波的速度差（異地預警），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，從而采取相應措施，避免重大的人員傷亡和經濟損失。

目前，我國高速鐵路地震監測系統存在技術水平落后，已建成的地震監測系統僅具備實時報警功能，無預警功能，并且未考慮系統互聯互通，監測和報警信息也無法共享等。2012年2月原鐵道部與中國地震局簽訂戰略合作協議，成立了高速鐵路地震安全技術研發組，對高速鐵路地震監測預警中的5個關鍵技術問題開展研究（周銀興等，2015）。本文主要針對高速鐵路與國家地震臺網信息接入和共享的方式進行討論，以求拋磚引玉，希望能得出對于中國高速鐵路地震預警系統建設有意義的建議。

1 高鐵預警的發展與現狀

1.1 國際高鐵預警的發展與現狀

在高速鐵路較為發達的日本、法國、德國、韓國等，均針對鐵路運輸建立了地震緊急處置系統，以防止或減輕地震災害對鐵路運輸安全的危害。其中日本是地震預警發展最為先進的國家。臺灣的系統則是從日本引進的（孫利等，2011）。由于我國高鐵預警主要參考日本，這里著重介紹日本的高鐵預警系統。

上世紀50年代末，日本國家鐵路在其所屬的鐵路干線布設了簡單的報警地震儀。1964年10月東海道新干線開始運行，并安裝了相同的報警地震儀（宋晉東等，2012；Nakamura，1988；Nakanmra等，2007；Ashiya，2004；Yamamoto，2010）。之后日本對報警地震儀進行了改進，將其安裝在1982年投入運行的東北新干線上。目前，日本總共已安裝了400余臺這類報警地震儀，在常規鐵路線上布設間距為40—50km，在新干線上布設間距約20km。但這種報警地震儀具有預警太晚、頻繁發布小震警報和非地震警報的缺陷。為此，日本鐵道技術研究所研制了新一代的智能型系統：即基于地震P波的緊急地震檢測和預警系統UrEDAS（Urgent Earthquake Detection and Alarm System）。考慮到多臺站系統的復雜性和網絡系統的脆弱性，UrEDAS采用單臺信號報警。UrEDAS系統能在檢測出P波后的3s內，估計出地震參數（方位角、震中距、深度和震級），然后換算出高速鐵路沿線的地震動加速度，以判斷是否需要對高速行駛的列車進行管制。此外，考慮到日本附近海域常發生大地震的情況（如日本海中部地震、北海道西南海域地震等），又特別在日本海岸設置了5處P波監測地震儀。2004年10月28日新瀉地區發生6.8級地震，UrEDAS系統成功地讓5輛高速行駛的列車減速，雖然有1輛列車稍微傾斜脫軌，但未造成人員傷亡，大幅度地降低了地震造成的損失。UrEDAS系統控制信號的傳輸環節少、可靠性高、實時性強、能在第一時間控制列車制動停車，但如果判斷不準則可能發生誤報。

2007年10月1日，日本全國性地震緊急速報系統投入運行（Hoshiba等，2008；Kamigaichi等，2009）。截至2009年3月，已有52家鐵路公司應用日本氣象廳的地震緊急速報信息。這些鐵路公司中的大部分通過專用線或衛星通訊將緊急速報信息接入控制中心，利用氣象廳提供的緊急地震速報信息為管區內的普通列車提供地震報警服務；部分公司還將自有的新干線地震監測與預警系統信息與氣象廳緊急速報系統信息相結合，共同為普通鐵路進行地震防災服務；東海道新干線和東北新干線分別于2008年11月和2012年秋季引入氣象廳緊急地震速報信息，為新干線地震緊急處置服務。

1.2 中國高鐵預警現狀

中國的高速鐵路建設起步較晚，但發展迅速。截至2014年底，中國高速鐵路里程已達到1.3萬公里，形成“四橫四縱”的交通網絡。目前已建成武廣線、鄭西線、滬杭線、滬寧線、京哈線、哈大線、京沈線、京滬線等高速鐵路，同時還有許多高速鐵路線路仍在規劃中。

目前，我國已經建成或正在建設地震監測預警系統的分別有：北京-天津、北京-上海、哈爾濱-大連、北京-石家莊-武漢和石家莊-太原，總長度3000余公里。京津城際鐵路地震監測系統已建成，正在進行試運行；京滬高速鐵路地震監測系統已完成靜態驗收；哈大客運專線地震監測系統處于施工階段；滬寧高速鐵路、京石武客專、石太高速等設計中均包括了地震監測系統。

目前已建成的高速鐵路地震監測臺站都是沿線布設的加速度記錄儀，只能實現日本的第一代“強震報警”（或閾值報警）。地震監測網絡系統則是依附在高速鐵路專用內部網絡通信系統基礎上。各條高速鐵路地震監控系統網絡自成體系，相互之間沒有互聯互通；其他設計中的各條高速鐵路地震監控系統網絡也未考慮系統互聯互通，信息無法共享。

2 高鐵預警接入國家地震臺網的信息需求

如果沿鐵路線部署地震監測臺站，按照一般地震定位的方法，很難交匯出震中位置。當然也有其它辦法解決這個問題，比如單臺定位，但其精確度及在預警系統中可操作性會很差。接入中國地震臺網的觀測臺站，實時獲取高速鐵路沿線規定區域內測震臺站的觀測數據，可以為快速、準確地確定出地震信息提供條件，為預警后的第二報、第三報等后續警報提供準確的依據。

由于中國地震臺網不僅部署于鐵路沿線，它在全國基本成網狀部署，即使采用S波報警，在某些條件下，也要比只部署于鐵路沿線的臺站報警時間要短得多。在加入中國地震臺網的臺站后，能采用離震源更近的臺站來做地震預警，其效果要比單純的高速鐵路沿線部署監測站具有明顯優勢。

高速鐵路地震預警系統，必然需要面對最終地震預警信息的確認問題，就現在的技術而言，無論采用S波報警還是P波預警，都會受到其它因素的干擾，比如在短時間內2個臨近臺站出現不同的大的干擾，是否是地震事件發生的確認，現在最準確的方法是用地震學的方法測定地震參數，若單純沿鐵路線部署臺站，很難進行地震定位，因此，當高速鐵路地震預警系統發出預警信息后，最終在鐵路局中心系統對地震預警信息的確認，還是需要結合中國地震臺網的臺站數據進行地震學計算，從而得到有關數據，形成運營恢復建議。

此外，對于最終的地震預警信息確認，還需要使用中國地震臺網發布的地震速報信息。因此，除了實時波形數據的共享之外，還需要地震速報信息的共享。

3 信息共享方式分析

3.1 信息共享的前提條件

在中國地震局“十五”建設項目完成后，地震系統進行了一系列升級改造，地震實時數據傳輸模式已形成一整套成熟、穩定的運行機制。在此基礎上地震實時數據要與全新的高鐵系統進行網絡互聯，必須要滿足一系列相應的前提條件，使得網絡互聯和數據傳輸工作按照流程和規則，有條不紊，有章可循。為此，筆者給出了以下幾個網絡數據傳輸條件：

（1）地震局臺站只匯集到本省的臺網中心，不向其它省份的臺網中心直接匯集；

（2）省臺網中心通過流服務器將實時數據向國家臺網中心匯集；

（3）省臺網中心之間不進行互聯，而是通過國家中心流服務器下載自身所需的實時數據；

（4）國家臺網中心從流服務器接收所有省臺網中心匯集的數據，不從臺站直接接收數據；

（5）國家臺網中心負責管理各個省臺網中心數據傳輸情況，省臺網中心負責管理各個下屬臺站數據傳輸情況；

（6）流服務器傳輸過程中進行加密、打包，網絡信道采用SDH行業網專線傳輸，保障網絡安全；

以上6個條件是地震系統進行成熟、穩定的實時數據傳輸的基礎，同樣，在設計地震系統和高鐵系統進行信息共享方案時，需要充分考慮以上6個前提條件，確保數據傳輸的通暢、安全、高效、易行。

3.2 實時波形數據共享方式分析

出于各自系統安全的考慮，地震系統與高速鐵路系統應設置公共數據交換區，兩者均可訪問該區域，但不可互相訪問，下面以此為基礎來分析實時波形數據的共享方式。

在中國地震監測系統中，地震臺站的實時波形數據通過數據采集器匯集至省級地震臺網中心，各省級地震臺網中心通過流服務器與中國地震臺網中心進行數據匯集與共享。在不改變現有地震系統運行方式的原則上，根據數據匯集與共享協議，在高速鐵路預警系統配置流服務器，實現實時波形數據共享功能。

綜合現有的信息傳輸模式，實時數據共享方案可分為以下三種。

3.2.1 方案一：國家中心型

國家中心型實時數據共享方案如圖1所示。

國家中心型實時數據共享方案中，數據傳輸經過地震臺站傳輸至省級地震臺網中心，再匯集到國家地震臺網中心，通過公共數據交換區和高鐵路局中心進行數據交換。

3.2.2 方案二：省局中心型

省局中心型實時數據共享方案如圖2所示。

省局中心型實時數據共享方案中，數據傳輸經過地震臺站傳輸至省級地震臺網中心，再通過公共數據交換區和高鐵路局中心進行數據交換。

3.2.3 方案三：臺站直連型

臺站直連型實時數據共享方案如圖3所示。

臺站直連型實時數據共享方案中，數據從地震臺站使用網絡轉換設備，通過公共數據交換區和高鐵路局中心進行數據交換。

3.2.4 實時數據信息共享推薦方案

對上述三組互聯拓撲類型進行比較分析后發現，若考慮減少數據流中間環節，進而減少出錯概率，在這種情況下推薦方案二：省局中心型。若考慮在現有模式下最便于兩個系統之間的整合，責權明晰，利于管理和維護，則推薦方案一：國家中心型。上述兩種方案均可滿足國家地震臺網信息接入與資源共享的要求，可在實際工程項目中綜合考慮，擇優而定。而考慮到臺站直連型盡管環節較少，但改造所需的工程量及費用巨大，在此不作推薦。

3.3 地震速報信息共享方式分析

目前中國地震監測系統所使用的地震速報信息分為人工地震速報信息和自動地震速報信息。其中，人工地震速報信息由中國地震臺網中心匯集各省級地震臺網中心和國家地震臺網中心的結果，統一對外發布；自動地震速報信息由中國地震臺網中心匯集各自動地震速報分中心的結果，統一對外發布。

在不改變現有地震系統運行方式的基礎上，遵循統一對外發布的原則，中國地震臺網中心將自動地震速報綜合觸發結果（AU）和正式地震速報結果（CC/CD）同高速鐵路預警系統通過公共數據交換區進行共享。根據信息匯集與共享協議，在高速鐵路預警系統相關單位配置地震速報信息共享服務器，通過配置在公共數據交換區的地震速報信息共享服務器進行信息共享。地震速報信息共享方案如圖4所示。

3.4 國家地震臺網信息共享效果

根據數據信息共享方案設計，中國地震監測系統運行方式不變，僅在中國地震臺網中心或者省級地震臺網層面與高速鐵路預警系統通過公共數據交換區實現實時波形數據與地震速報信息（包括自動地震速報與人工地震速報）共享。中國地震監測系統接收高速鐵路預警臺站實時數據，作為地震監測臺站的補充使用；高速鐵路預警系統接收所需的中國地震監測系統臺站實時數據，作為高速鐵路預警系統使用；接收中國地震臺網中心發布的自動地震速報信息和人工地震速報信息，作為高速鐵路預警警報的初步解除和確認解除的條件之一使用。共享建設完成后，高速鐵路預警系統效果如圖5所示。

4 國家地震臺網信息接入時延分析

下面對第三節所述的三種數據信息共享方案（方案一：國家中心型；方案二：省局中心型；方案三：臺站直連型），分別分析實時數據在國家地震臺網到高速鐵路監測預警系統整個流程中的傳輸時延，以便為進一步的研究提供依據。

4.1 方案一：國家中心型

國家中心型的數據傳輸流程如圖6所示。其具體流程為：地震實時波形數據從產生到地震數采記錄，經省級中心的流服務最后傳輸到中國地震臺網中心，再由中國地震臺網中心傳輸至高鐵路局中心流服務器，最后由地震預警處理系統接收。

從圖6可以看出，數據傳輸時延主要包括以上6個：數據采集器打包時延1；數據傳輸網絡時延2；儀器適配器打包時延3；省級臺網流服務器到臺網中心流服務器網絡時延4；臺網中心流服務器到高鐵路局中心流服務器時延5；地震預警處理系統網絡時延6。

時延1由數據采集器決定。此部分時延分為兩個部分：數據長度本身和數據打包時間。現階段中國地震臺網大部分數采所采用的打包方式為總數據量達到512字節時，整體進行傳輸。因為采用STEIM壓縮算法，所以512字節所包含的采樣點數變化較大，平時的地面噪聲因臺基差距，512字節的采樣點數多在350—450之間，而地震時壓縮率大大降低，甚至完全不能壓縮，現有臺網設置的采樣率為100點，在大部分情況下，數據長度大約為3—4s，而在地震發生時會稍短些。為了適應預警的需求，中國地震局“背景場項目”開始使用新一代數采，如港震公司的EDAS-24GN和REFTEK公司的130-REN-3數采可以采用0.2s打包的方式，加上數據本身的0.2s，此部分最小時延為0.4s。數采打包時間與數采本身的性能和打包方式有關，在目前的情況下大部分數采打包時間都能控制在1s以內。

時延2由地震臺站到省級臺網的網絡決定。現階段地震臺站到省級臺網數據傳輸網絡主要有SDH、MSTP、3G、衛星等。其中，有線專網（SDH、MSTP等）傳輸時延一般在10ms左右；3G一般在100ms以內；衛星一般在300ms以內。總體來說，此部分時延大部分在10ms到300ms之間，一般不會超過1s。

時延3由儀器適配器的打包方式決定。與目前數采的打包方式相同，現階段使用的儀器適配器采用的打包方式為512字節一個包進行對外服務。如果接收到的數采發過來的數據包為512字節，則立即對外進行發送，此時的時延僅為計算機處理時間，單位為ms級；如果數據包不滿512字節，則要等到滿512字節再對外服務。在目前的情況下，即使采用最新的數采進行0.2s打包，在此環節仍要以512字節的方式進行對外服務。

時延4由省級臺網到臺網中心的網絡決定。目前此部分網絡主要為行業專線，大部分時延在30ms左右或者更少，少數時延較長的一般也不會超過60ms。

時延5由臺網中心與高鐵路局中心網絡決定。目前此部分網絡主要為行業專線，大部分時延在30ms左右或者更少，少數時延較長的一般也不會超過60ms。

時延6由高鐵路局中心內部網絡決定。由于是局域網內部，此部分時延一般在10ms以內。

總體來說，時延2、時延4、時延5和時延6為網絡時延，總時延一般不會超過1s；而時延1和時延3分別對應為數據采集器硬件打包時延和儀器適配器的軟件打包時延，由于存在瓶頸效應，一般在4s左右；再加上計算機處理時間，目前臺站數據到處理系統的時延一般為6s左右。

4.2 方案二：省局中心型

省局中心型的數據傳輸流程如圖7所示。其流程為：地震實時波形數據從產生到地震數采記錄，經省級中心的流服務傳輸至高鐵路局中心流服務器，最后由地震預警處理系統接收。

與國家中心型相比，省局中心型時延少了省級臺網到臺網中心這部分，其它時延均相同，該部分時延通過上節分析大約為30ms左右，一般不超過60ms。總體來說，目前采用省局中心型數據傳輸方式臺站數據到處理系統的時延一般為6s左右，僅比國家中心型時延少30—60ms。

4.3 方案三：臺站直連型

臺站直連型的數據傳輸流程如圖8所示。其具體流程為：地震實時波形數據從產生到地震數采記錄，通過公共數據交換區直接傳輸至高鐵路局中心流服務器，最后由地震預警處理系統接收。

臺站直連型數據由臺站直接到高鐵路局中心流服務器，與省局中心型相比，臺站直連型時延少了臺站到省級臺網中心這部分，其它時延均相同，通過4.1節的分析，該部分時延大約在10—300ms之間，一般不超過1s。總體來說，目前采用省局中心型數據傳輸方式臺站數據到處理系統的時延一般為5s左右，僅比國家中心型時延少40ms—1s。

4.4 數據時延測試

為了驗證前面對于數據時延的分析，筆者在位于中國地震臺網中心的1臺服務器上做了一個簡單的測算。具體方法如下：將該臺服務器的時間進行網絡授時，盡可能地保證時間的準確性，對實時數據流進行簡單的解析，用當前時間減去數據頭的時間，每隔一分鐘統計一次，并持續統計一段時間，得出各臺站的時延的平均值。對于統計數據，去掉了一些因為GPS錯誤和網絡堵塞續傳等原因造成較大時延的不合理結果，使用一天的平均時延繪制了臺站數據傳輸時延分布圖（見圖9）。

從圖9可以看出，去除個別異常點外，大部分臺站的數據傳輸時延為4—10s，其中以6—8s為最多（約占55%），時延較大的原因可能與數采和流服務器的設置有關，也有部分是由于網絡堵塞后進行斷點續傳造成的，基本符合前面的分析。而對于數據異常點（負值或者平均時延大于200s的），經過逐一排查，都是由于臺站GPS故障造成的。

5 結論與建議

通過以上分析可得出如下結論：

（1）國家地震臺網信息接入網絡互聯方案推薦“方案二”和“方案一”，而“方案三”可行性較差，不予推薦。若考慮減少數據流中間環節，進而減少出錯概率，在此種情況下推薦“方案二”；若考慮在現有模式下最便于兩個系統之間的整合，權責明晰，利于管理和維護，則推薦“方案一”。兩種方案均可滿足國家地震臺網信息接入與資源共享的要求，可在實際工程項目中綜合考慮，擇優而定。

（2）國家地震臺網與高速鐵路地震監測系統地震速報信息共享采取國家中心型的方式，高速鐵路系統從國家地震臺網中心接入自動速報信息和正式速報信息，用于地震預警信息的初步解除和確認解除。

由于地震實時波形數據傳輸時延主要發生在地震數據采集器的打包和流服務器適配器上傳方面。因此，為了更好地滿足高鐵預警需求，應降低數據傳輸時延，為地震P波預警創造條件；為了建成高效實用的高速鐵路地震預警系統，重點應改進和升級地震數據采集器和流服務器的適配器。

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Research of High-Speed Railway System and National Earthquake Network on Information Access and Sharing Method

Zhai Luyuan, Huang Zhibin, Yang Chen, Wei Xing and Liu Xiaoyu

(China Earthquake Networks Center，Beijing 100045，China)

In this article we discussed the high-speed railway system, national earthquake network information access, and resource sharing methods. In earthquake early warning release we may use National center or Province center for real-time waveform data sharing according to practical situation under the currently earthquake system information transmission mode for high-speed railway system station supplement. In earthquake warning remove, we can use National center type for sharing earthquake information confirmed. In order to reduce real-time data transmission delay to accommodate the early warning, we should upgrade data recorder instruments and streaming server adapters as well.

High-speed railway earthquake warning; Earthquake network; Resource sharing; Earthquake warning release; Earthquake warning remove

高速鐵路地震監測預警關鍵技術研究——國家地震臺網信息接入與資源共享技術研究（2012T001-3）

2015-02-07

翟璐媛，女，生于1982年。2006年畢業于中國科技大學，工程師。主要從事地震監測及臺網管理等工作。 E-mail：zly@seis.ac.cn

黃志斌，男，生于1968年。研究員。主要從事地震監測、學科管理和測震臺網中心技術系統建設等方面的研究。 E-mail：13910278015@139.com