高速鐵路地震監測預警信號接口單元的研發

郭奇園

(中國鐵道科學研究院 通信信號研究所，北京　100081)

在高速鐵路較為發達的日本、法國以及中國的臺灣省，均建立了相應的高速鐵路地震監測系統。當地震發生時，地震監測系統利用破壞性地震波來襲前的數秒至數十秒時間發出報警信號，觸發高速鐵路的信號系統或牽引變電系統動作，使高速列車盡快減速或停車，以防止或減輕地震災害對高速鐵路運輸安全帶來的危害，避免重大的人員傷亡和經濟損失[1]。目前，國外高速鐵路地震緊急處置的模式主要有 2種：一種是以法國地中海線為代表的列控系統控制模式，即接到報警時，由列控系統發出控制列車運行的信號，自動控制列車停止運行；另一種是以日本新干線為代表的牽引變電系統控制模式，即接到報警時，牽引變電所停止向列車供電，列車因失去動力而自動減速直至停止運行[2-3]。借鑒國外的高速鐵路地震緊急處置技術，結合我國高速鐵路的技術特點和實際需求，目前我國高速鐵路地震監測系統采用的緊急處置方式是信號系統控制列車實施緊急制動和牽引供電系統停止向接觸網供電這2種控車方式并舉的模式[3-6]。為了實現在地震發生時正確、及時地向地震影響區域的高速鐵路信號系統輸出地震緊急處置信號，實現信號系統對地震緊急處置信息的快速響應，確保高速列車的行車安全和避免或減輕地震次生災害，針對我國高速鐵路地震監測系統的地震監測預警信號接口單元開展了研究。

1　構成及主要功能

1.1　構成

高速鐵路地震監測預警信號接口單元由工控機、網絡通信設備、接口驅動單元、電源和防雷設備等組成，并且在高速鐵路地震監測預警信號接口單元中設置2個繼電器(簡稱接口單元側地震報警繼電器)，在信號系統中也對應設置2個繼電器(簡稱信號系統側地震報警接口繼電器)，通過控制接口單元側地震報警繼電器的狀態，實現向列控系統傳送地震報警信息，從而觸發信號系統側地震報警接口繼電器動作。接口單元側地震報警繼電器和信號系統側地震報警接口繼電器均采用獨立電源、雙斷驅動的AX安全型繼電器。高速鐵路地震監測預警信號接口單元與鐵路局中心系統、地震監測臺站間采用鐵路專用通信網絡連接，并且為雙網冗余設計，如圖1所示。

1.2　主要功能

高速鐵路地震監測預警信號接口單元的主要功能包括接收來自于高速鐵路沿線相鄰地震監測臺站的地震P波預警信息、地震閾值報警信息和鐵路局中心系統發布的緊急處置指令，以及進行設備狀態自檢和故障隔離等，功能具體如下。

圖1　地震監測預警信號接口單元聯網示意圖

(1)接收相鄰地震監測臺站發送的地震P波預警信息和地震閾值報警信息，并判斷警報級別，當警報級別為2級或3級時，觸發信號系統側地震報警接口繼電器動作。

(2)接收鐵路局中心系統發送的緊急處置指令，并判斷處置級別，當處置級別為2級或3級時，觸發信號系統側地震報警接口繼電器動作。

(3)接收鐵路局中心系統發送的地震誤報解除和恢復行車指令，并向信號系統側地震報警接口繼電器輸出恢復正常行車狀態的信號。

(4)系統具備自檢功能，實時監測系統運行狀態，發現工作異常時立即向鐵路局中心系統報告。

(5)當高速鐵路地震監測預警信號接口單元自檢出故障或需要維護時，可通過人工隔離開關實現故障隔離，并及時向鐵路局中心系統傳輸隔離狀態的信息。

2　設　計

2.1　模塊設計

在設計高速鐵路地震監測預警信號接口單元時除了考慮需要實現的功能外，還要考慮可靠性和安全性[6]。可靠性是指設備在規定的條件下和時間內完成規定功能的能力，可靠性越高，設備的無故障運行時間就越長。安全性是指在設備發生故障或判斷信息異常時能夠保障人員和設備的安全。綜合安全性和可靠性的要求，高速鐵路地震監測預警信號接口單元的模塊設計采用了雙路并行加冗余的結構，其主要模塊包括冗余網絡接口模塊、處理模塊、輸入輸出接口模塊、控制模塊、電源模塊以及繼電器和防雷單元。高速鐵路地震監測預警信號接口單元的內部結構如圖2所示。

圖2　高速鐵路地震監測預警信號接口單元內部結構

圖2中所有對稱的模塊設計均完全相同。2個網絡接口模塊分別接入鐵路傳輸網之地震系統專網1(LAN1)和專網2(LAN2)，由于凡是連接到LAN1或者LAN2后端的設備均可以接收到數據，因此處理模塊C和D可分別通過LAN1和LAN2與鐵路局中心系統或相鄰地震監測臺站進行通訊，從而實現網絡的冗余功能。2個處理模塊對分別接收到的數據進行解析后生成控制信號，然后2路控制信號經對應的輸入輸出接口模塊至控制模塊進行邏輯處理，即2路控制信號只要其中1路輸出有效，輸出的控制信號就有效。

1)處理模塊

處理模塊為雙機同時運行，并通過以太網互相檢測對端機的工作狀態是否運行正常。處理模塊接收到相鄰地震監測臺站發送的警報信息和鐵路局中心系統發布的緊急處置指令后，對其進行解析，然后回復相應的回執信息和設備狀態信息，并顯示主機的電源狀態、網絡狀態、地震報警狀態以及是否處于隔離狀態等；處理模塊的功能框圖如圖3所示。

圖3　處理模塊的功能框圖

2) 控制模塊

控制模塊由電源電路、接口電路、控制電路、接口單元側地震報警繼電器控制的信號輸出電路、繼電器信號回采電路以及接口電路指示燈和隔離開關等組成；其功能如圖4所示。其中，控制電路仲裁2個處理模塊的輸出信號，并結合隔離開關信號，將有效數據傳給接口單元側地震報警繼電器控制的信號輸出電路；報警輸出需要仲裁的邏輯輸入信息有：處理模塊A輸出的控制信號、處理模塊B輸出的控制信號和隔離開關的狀態。由于設定了隔離開關的信號優先級為最高，因此當隔離開關打開時，即使處理模塊發出了地震報警信號，也不會向接口單元側地震報警繼電器輸出報警控制信號。在隔離開關閉合時，處理模塊A和B同時工作，當這2個處理模塊的任意一個給出有效的地震報警信號后，則立即向接口單元側地震報警繼電器發出報警控制命令，當2個處理模塊均給出無效信號時，則向鐵路局中心系統發出系統故障報警信息，且使接口單元側地震報警繼電器處于安全狀態。

圖4　控制模塊的功能框圖

高速鐵路地震監測預警信號接口單元通過繼電器回采電路采集接口單元側地震報警繼電器前接點和后接點的工作狀態，并將其發送給處理模塊以判斷接口單元側地震報警繼電器是否按要求工作。

3)電源模塊

采用24 V電源模塊給設置在每個車站信號機械室內的2個信號系統側地震報警接口繼電器供電。因為地震監測預警信號接口單元所在機房與信號系統側地震報警接口繼電器所在的車站信號機械室之間的距離不固定，所以線路的電阻也不固定。為了保證信號系統側地震報警接口繼電器的電壓為24 V，電源模塊具有動態調整電壓的功能。電源模塊采用雙電源冗余設計，即由電源模塊A、電源模塊B和冗余電源模塊C三部分組成，其功能如圖5所示。電源模塊A和B為直流不間斷電源(UPS)，可在電源出現故障的情況下繼續為負載供電，且供電時間不少于7×24 h。冗余電源模塊由2個電源并聯而成，采用ACB(自動電流平衡)技術以確保均衡供電，并且當一路失電時不會導致系統斷電，從而提高系統的可靠性。另外，冗余電源模塊還可以監測電源的冗余狀態、輸出電壓，以及電源輸出接線、解耦合輸出的負載電流。

圖5　電源模塊的功能框圖

2.2　軟件設計

高速鐵路地震監測預警信號接口單元的工作軟件采用分層方式設計，如圖6所示，可分為系統軟件層、系統通信層、接口層、數據層、邏輯處理層和展現層。

(1) 系統軟件層主要包括操作系統、時鐘同步軟件和通信中間件。操作系統集成了設備驅動程序和中斷處理軟件等，負責控制和管理全機的資源，包括CPU、內存、中斷源、接口和任務管理等，并提供軟件開發及系統維護的平臺。時鐘同步軟件采用NTP (網絡時間協議)，從而實現了高速鐵路地震監測預警信號接口單元與路局中心系統的時鐘同步。

(2) 在系統通信層，信號接口單元采用雙機同工的方式，每臺主機均擁有雙網卡，將其中一塊網卡設置成外部的IP地址，通過該地址實現2臺主機與鐵路局中心系統和地震監測臺站間的通信；將另外一塊網卡設置成內部的IP地址，通過該地址實現2臺主機間的數據通訊，以提高系統的可靠性。

(3) 接口層包括相鄰地震監測臺站接口、信號系統接口以及鐵路局中心系統接口等。

(4) 數據層包括鐵路局中心系統發布的地震緊急處置指令數據、地震警報數據、設備狀態數據、系統運行基礎數據和系統管理數據。

(5) 邏輯處理層主要包括地震警報信息接收處理軟件、系統震后恢復與系統自檢軟件、系統故障診斷軟件、系統日志維護軟件等。其中，地震警報信息接收處理軟件的功能主要包括接收來自鐵路局中心系統的地震緊急處置指令、來自相鄰地震監測臺站的地震報警信息、生成的接口單元側地震報警繼電器控制指令，同時將已收到緊急處置指令的回執發送給鐵路局中心系統；在震后恢復階段，輸出控制信號以使信號系統側地震報警接口繼電器的狀態恢復為正常狀態。系統故障診斷軟件主要負責診斷系統的網絡通信故障、接口單元側地震報警繼電器故障、電源故障等，并將故障信息實時發送給鐵路局中心系統。系統日志維護軟件主要負責高速鐵路地震監測預警信號接口單元工作過程日志的生成與維護。

圖6　地震監測預警信號接口單元軟件的架構圖

(6) 展現層主要以表格和圖形的方式通過客戶端軟件提供報警、設備狀態、網絡通信狀態以及為信號系統側地震報警接口繼電器供電的電源狀態等信息。

2.3　接口設計

高速鐵路地震監測預警信號接口單元與鐵路局中心系統、相鄰監測臺站、信號系統的接口設計如下。

(1)在高速鐵路地震監測預警信號接口單元與相鄰地震監測臺站的監控單元之間建立SOCKET(套接字)連接。相鄰地震監測臺站的監控單元將P波預警數據、閾值報警數據封裝成數據包，并實時發送給高速鐵路地震監測預警信號接口單元；高速鐵路地震監測預警信號接口單元接收到數據包后對其進行解析并據此做相應的動作。

(2)在高速鐵路地震監測預警信號接口單元與鐵路局中心系統的接口服務器之間建立MQ(消息隊列)連接。鐵路局中心系統將緊急處置命令等信息封裝成數據包并采用實時方式發送至高速鐵路地震監測預警信號接口單元，信號接口單元接收到數據包后對其進行解析并做相應的處置。

(3)高速鐵路地震監測預警信號接口單元與信號系統之間以信號分線盤為分界，通過繼電方式實現物理接口[7]，如圖7所示。高速鐵路地震監測預警信號接口單元通過控制接口單元側地震報警繼電器(DZYJ1和DZYJ2)的接點狀態，向信號系統傳送地震報警信息，而列控中心則根據采集到的信號系統側地震報警接口繼電器(DZJ1和DZJ2)的接點狀態進行相應處置，對運行列車進行防護。

圖7高速鐵路地震監測預警信號接口單元與信號系統的接口示意圖

3　關鍵技術

3.1　冗余技術

為提高地震監測預警信號接口單元的可用性，盡量避免誤報和系統級的單點故障，對其所有硬件的設置均采用交叉冗余，即可概括為雙網通信、雙機并行運行、2個不間斷電源為信號接口單元供電、二乘二的24 V獨立電源為信號系統側地震報警接口繼電器供電、2個獨立的控制模塊進行信號輸出及回采。

3.2　故障自檢及隔離技術

通過對硬件狀態的回采及與軟件的邏輯判斷相結合的方式，實現故障自檢。比如，通過回采電源的電壓，可判斷電源是否有故障；通過回采繼電器的狀態并與輸出的指令進行比較，可判斷繼電器是否有故障；通過雙機互相監測“心跳”信息及網絡狀況，可判斷2臺主機是否宕機及軟件是否正常運行；等等。當高速鐵路地震監測預警信號接口單元的某個硬件出現故障后，立刻自動將相關硬件的狀態信息發送至鐵路局中心系統，鐵路局中心系統根據其故障的原因遠程發送指令，停止或繼續允許地震監測預警信號接口單元參與有效控制。當需要對地震監測預警信號接口單元進行維修時，先由人工啟動隔離開關，使地震監測預警信號接口單元處于隔離狀態，以避免信號系統側地震報警接口繼電器因誤動作而導致意外事故，提高系統的可靠性和可維護性。

3.3　雙重過電保護技術

地震監測預警信號接口單元通過電纜與信號系統側地震報警接口繼電器連接。為避免信號系統側地震報警接口繼電器短路時損壞地震監測預警信號接口單元的電源和相關器件，在地震監測預警信號接口單元中設置了恒流二極管和短路保護器的雙重過電保護。恒流二極管用于在瞬時短路甚至是較長時間短路時保證供電回路中的電流不會對地震監測預警信號接口單元造成損壞，而短路保護器則可在恒流二極管被擊穿后切斷回路，保證設備的安全。若僅使用短路保護器，瞬時短路就可造成其跳閘，并需要人工到現場才可恢復。雙重過電保護技術在保證設備安全的前提下盡量提高了其可用性，減少了人工干預。

4　現場試驗

為了檢驗筆者研發的地震監測預警信號接口單元，在大同至西安的客運專線(以下簡稱大西線)對其進行了現場試驗。現場試驗的主要內容包括：基本功能驗證、性能測試、故障模擬試驗、輔助功能驗證等。其中的性能測試又包括地震監測預警信號接口單元控制接口單元側地震報警繼電器的時延和控制信號系統側地震報警接口繼電器的成功率。

表1　地震監測預警信號接口單元的性能測試結果　s

注：地震監測預警信號接口單元與鐵路局中心系統的時鐘同步，時間誤差≤10 ms。

試驗結果表明，試驗期間地震監測預警信號接口單元運行穩定，各項功能完全達到要求。對試驗中得到的40組性能測試數據進行統計和分析，結果見表1。由表1可知，地震監測預警信號接口單元的性能指標均符合《高速鐵路地震監測預警暫行技術要求》[8]，而且地震監測預警信號接口單元的處理延時完全滿足≤150 ms的技術要求，控制信號系統側地震報警接口繼電器的成功率為100%。

5　結束語

地震監測預警信號接口單元作為高速鐵路地震監測預警系統的關鍵組件，對于實現高速鐵路地震監測預警系統向地震影響區域內的列控中心及時發布地震預警信息，進而對運行中列車采取有效的緊急處置措施，保證列車運行安全，提高高速鐵路防災減災能力，具有重要作用。采用冗余、故障自檢及隔離、雙重過電保護等關鍵技術研發的地震監測預警信號接口單元通過了大西線現場試驗的考核，各項功能及性能符合規定的技術條件要求。

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