高速鐵路地震預(yù)警緊急信息服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

高 楠，閆 曦，王 松，侯建民

（1.中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100045；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京 100844）

高速鐵路地震預(yù)警緊急信息服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

高 楠1，閆 曦2，王 松1，侯建民1

（1.中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100045；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京 100844）

我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，對(duì)鐵路安全保障提出了更高的要求。高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)的建立是減輕和避免地震災(zāi)害的重要手段。介紹了地震預(yù)警的基本原理和各國(guó)在高鐵預(yù)警方面的應(yīng)用及實(shí)踐，提出了高速鐵路地震預(yù)警緊急信息發(fā)布系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)，從業(yè)務(wù)邏輯、信息發(fā)布流程、服務(wù)產(chǎn)品、通信網(wǎng)絡(luò)等幾個(gè)方面分別進(jìn)行了闡述，為地震預(yù)警系統(tǒng)面向行業(yè)用戶的緊急信息服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)提供了參考和借鑒。

高速鐵路；地震預(yù)警；信息服務(wù)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)高速鐵路事業(yè)蓬勃發(fā)展，現(xiàn)已擁有全球里程最長(zhǎng)的高速鐵路網(wǎng)。至2015年末，我國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到12.1萬(wàn)公里，高速鐵路營(yíng)業(yè)里程超過(guò)1.9萬(wàn)公里，基本建成“四縱四橫”的客運(yùn)專線[1]。可以說(shuō)，鐵路是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈，關(guān)乎國(guó)計(jì)民生。在影響高速鐵路運(yùn)行安全的自然災(zāi)害中，地震雖然發(fā)生概率相對(duì)較小，但危害性最大[2]。我國(guó)也是世界上地震多發(fā)的國(guó)家之一。如2016年，國(guó)內(nèi)共發(fā)生5.0級(jí)以上地震33次（大陸地區(qū)18次，海域和臺(tái)灣地區(qū)15次）。其中，6.0～6.9級(jí)地震9次；5.0～5.9級(jí)地震24次[3]。高鐵運(yùn)營(yíng)線路近一半處于7度及以上地震危險(xiǎn)區(qū)。以京滬鐵路為例，沿線穿越了華北平原地震帶、郯城—營(yíng)口地震帶、淮河地震帶和長(zhǎng)江中下游—南黃海地震帶等4條主要地震帶。在近場(chǎng)區(qū)內(nèi)，有第四紀(jì)活動(dòng)斷裂77條，其中全新世活動(dòng)斷裂6條，晚更新世活動(dòng)斷裂15條[4]。歷史上發(fā)生的可能危及高速鐵路的地震約有20次，20世紀(jì)以來(lái)的危險(xiǎn)性地震有7次[2]。因此，如何減輕和避免地震災(zāi)害對(duì)高速鐵路的危害是當(dāng)前研究的重要課題。通過(guò)借鑒國(guó)外地震預(yù)警的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)高鐵運(yùn)行和發(fā)展的現(xiàn)狀，建立可靠且高效的地震預(yù)警系統(tǒng)，是確保高速鐵路生命線安全的關(guān)鍵。

1 地震預(yù)警的基本原理和各國(guó)預(yù)警系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 地震預(yù)警基本原理

地震預(yù)警的基本思想是利用電磁波的傳播速度（約30萬(wàn)公里/秒）遠(yuǎn)大于地震波速（約10公里/秒），地震P波傳播快于地震主運(yùn)動(dòng) S波與面波的特點(diǎn)，在地震波或地震主運(yùn)動(dòng)尚未到達(dá)給定地點(diǎn)時(shí)[5]，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(fā)生后的數(shù)秒至數(shù)十秒之前發(fā)出預(yù)警信號(hào)，從而及時(shí)采取相應(yīng)措施，避免地震災(zāi)害造成重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失[6]。

傳統(tǒng)地震預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警方式是地震動(dòng)值預(yù)警，即直接利用地震動(dòng)值是否超過(guò)給定的閾值來(lái)判斷是否進(jìn)行預(yù)警[7]，不區(qū)分P波與S波震相，不確定地震的有關(guān)參數(shù)，有效性相對(duì)較低。而現(xiàn)代地震預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警方式是地震參數(shù)預(yù)警，即利用地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站監(jiān)測(cè)到的P波或S波確定出地震的震級(jí)、震源深度、震中距等參數(shù)，從而確定需要進(jìn)行預(yù)警的范圍和級(jí)別，決策時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，但有效性較高[6]。

1.2 各國(guó)預(yù)警系統(tǒng)現(xiàn)狀

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，日本、墨西哥、法國(guó)、美國(guó)及中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)等紛紛建立了地震預(yù)警系統(tǒng)，土耳其、哥斯達(dá)黎加、羅馬尼亞、立陶宛等國(guó)也有類似預(yù)警系統(tǒng)的部署[8]。

我國(guó)政府高度重視防震減災(zāi)工作，為適應(yīng)政府、社會(huì)和公眾對(duì)減輕地震災(zāi)害的需求，以及促進(jìn)地震科學(xué)研究的進(jìn)步，中國(guó)地震局根據(jù)國(guó)家發(fā)展改革委批復(fù)，將實(shí)施國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程項(xiàng)目。項(xiàng)目將實(shí)現(xiàn)全國(guó)分鐘級(jí)儀器地震烈度速報(bào)和重點(diǎn)地區(qū)秒級(jí)地震預(yù)警，為政府應(yīng)急決策、工作逃生避險(xiǎn)、重大工程地震緊急處置、地球科學(xué)研究等提供服務(wù)，維護(hù)國(guó)家安全和社會(huì)穩(wěn)定，最大限度的保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

地震預(yù)警系統(tǒng)除了應(yīng)用于一般的防震減災(zāi)領(lǐng)域，還面向各級(jí)政府有關(guān)部門、社會(huì)公眾、新聞媒體等，在核電、水利、燃?xì)狻⒒ぁ⑨t(yī)療衛(wèi)生、教育、商業(yè)等重要領(lǐng)域中也有所應(yīng)用，高速鐵路預(yù)警系統(tǒng)是其中的代表之一。

2 高鐵預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)踐與應(yīng)用

日本氣象廳等公共機(jī)構(gòu)在20世紀(jì)晚期大力推進(jìn)全日本建立起地震觀測(cè)網(wǎng)，推進(jìn)發(fā)送“緊急地震速報(bào)”計(jì)劃。基于氣象廳的早期地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，鐵道綜研所進(jìn)行了利用緊急地震速報(bào)的早期鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)的研發(fā)[9]，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)三次升級(jí)。日本新干線公司在新干線沿線多處設(shè)置地震儀，預(yù)警系統(tǒng)在不同時(shí)期發(fā)生的阪神大地震、新瀉中越地震、“3·11地震”中得到應(yīng)用。

臺(tái)灣中央氣象局在1994年開(kāi)始投入地震預(yù)警系統(tǒng)的研究工作[6]。臺(tái)灣高速鐵路是連結(jié)臺(tái)灣臺(tái)北市與高雄市兩市之間的高速鐵路系統(tǒng)，線路全長(zhǎng)345km，已于2007年3月2日正式通車，最高運(yùn)營(yíng)速度設(shè)定為 300km/h。臺(tái)灣高鐵在建設(shè)過(guò)程中根據(jù)具體的線路情況進(jìn)行地震預(yù)警的相應(yīng)設(shè)計(jì)。為實(shí)時(shí)偵測(cè)到地震警訊，臺(tái)灣高鐵在高鐵沿線的區(qū)域內(nèi)設(shè)計(jì)并建置天然災(zāi)害告警系統(tǒng)（DWS，Disaster Warning System） 及相關(guān)設(shè)備。“地震告警系統(tǒng)”是其重要的子系統(tǒng)。告警系統(tǒng)主要分為即時(shí)強(qiáng)地動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)、資料傳輸線路、快速資料處理中心、地震消息發(fā)布途徑四個(gè)部分。地震告警系統(tǒng)在嘉義地震、茂林地震中都得到了應(yīng)用。

法國(guó)沿地中海線高速鐵路設(shè)置24個(gè)地震監(jiān)測(cè)點(diǎn)，建立了地中海線地震預(yù)警系統(tǒng)[10]。該系統(tǒng)投入后，并未發(fā)生達(dá)到觸發(fā)條件的地震事件。

在我國(guó)，許多學(xué)者也開(kāi)展了高速鐵路預(yù)警系統(tǒng)的相關(guān)研究工作。從2004年起，中國(guó)地震局開(kāi)始著手建立地震可能發(fā)生區(qū)危險(xiǎn)可信度分級(jí)預(yù)警系統(tǒng)[6]。預(yù)警系統(tǒng)中，地震部門針對(duì)高鐵行業(yè)在地震緊急處置、恢復(fù)行車、震后高鐵線路安全評(píng)估與救援等方面的需求提供地震預(yù)警緊急信息服務(wù)。

本文僅以高鐵預(yù)警系統(tǒng)為例，提出地震預(yù)警緊急信息服務(wù)系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)。

3 高速鐵路地震預(yù)警緊急信息服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)

地震預(yù)警中心一般由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、緊急地震信息服務(wù)系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及技術(shù)支持與保障系統(tǒng)等四個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成。圖1為地震預(yù)警中心業(yè)務(wù)邏輯流程圖。

3.1 緊急地震信息服務(wù)系統(tǒng)整體架構(gòu)

緊急地震信息服務(wù)系統(tǒng)包括國(guó)家級(jí)、省級(jí)和地市級(jí)三級(jí)緊急地震信息服務(wù)發(fā)布平臺(tái)，主要由軟硬件支撐平臺(tái)、信息處理系統(tǒng)、信息發(fā)布系統(tǒng)三個(gè)部分構(gòu)成，如圖2。

其承擔(dān)的主要任務(wù)就是根據(jù)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)推送的地震報(bào)警與預(yù)警、烈度速報(bào)等高鐵行業(yè)急需的地震信息，利用發(fā)布系統(tǒng)定制化的處理和加工，形成最終的服務(wù)產(chǎn)品，通過(guò)專用接收終端或軟件等各種通信媒介，以專用網(wǎng)絡(luò)方式推送至高鐵用戶，實(shí)現(xiàn)地震預(yù)警、地震參數(shù)速報(bào)、烈度速報(bào)、地震動(dòng)參數(shù)速報(bào)、應(yīng)急響應(yīng)等多類地震信息服務(wù)產(chǎn)品的快速產(chǎn)出和面向用戶的有效服務(wù)，使預(yù)警系統(tǒng)的防震減災(zāi)效能得到切實(shí)體現(xiàn)，是預(yù)警系統(tǒng)的重要組成部分，也是預(yù)警中心綜合效益的集中體現(xiàn)。

圖1 地震預(yù)警中心業(yè)務(wù)邏輯流程圖Fig.1 The business logic chart of the earthquake early warning center

圖2 緊急地震信息發(fā)布平臺(tái)架構(gòu)圖Fig.2 Emergency earthquake information publishing platform architecture

軟硬件支撐平臺(tái)的構(gòu)成主要包括網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、私有云平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，是為應(yīng)用系統(tǒng)提供運(yùn)行支撐的基礎(chǔ)平臺(tái)。軟件的功能包括地震預(yù)警信息生成、地震速報(bào)信息生成、地震烈度信息生成、信息發(fā)布、用戶管理、系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控、系統(tǒng)安全、服務(wù)內(nèi)容設(shè)計(jì)等。

信息處理系統(tǒng)的主要功能包括信息匯聚、信息加工和信息發(fā)布等，是緊急地震信息服務(wù)系統(tǒng)的核心單元，是實(shí)現(xiàn)緊急地震信息有效服務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

信息發(fā)布系統(tǒng)的功能是向各類用戶實(shí)時(shí)發(fā)布緊急地震信息，包括面向高鐵行業(yè)的信息發(fā)布。

3.2 緊急信息發(fā)布流程

緊急信息發(fā)布平臺(tái)接收數(shù)據(jù)處理中心實(shí)時(shí)地震數(shù)據(jù)處理結(jié)果，并根據(jù)既定策略加工處理，之后進(jìn)行數(shù)據(jù)打包，經(jīng)專線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)實(shí)時(shí)向服務(wù)對(duì)象推送緊急地震信息服務(wù)產(chǎn)品。信息發(fā)布流程如圖3所示。

圖3 信息發(fā)布流程圖Fig.3 The flow chart of information release

3.3 緊急信息服務(wù)產(chǎn)品

地震預(yù)警基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)能為緊急信息發(fā)布系統(tǒng)提供可靠的數(shù)據(jù)保障，針對(duì)高鐵行業(yè)對(duì)預(yù)警信息的需求，根據(jù)高鐵所處位置地質(zhì)條件量身定制所需要的預(yù)警信息。同時(shí)，可以按需求的相似性劃分類別并建立對(duì)應(yīng)的應(yīng)用主題和數(shù)據(jù)內(nèi)容，在地震預(yù)警事件觸發(fā)時(shí)，使高鐵能高效準(zhǔn)確的收到需要的預(yù)警信息服務(wù)產(chǎn)品并做出相關(guān)決策。高速鐵路時(shí)速在300km左右，列車行駛方向、鐵軌受地震波沖擊后是否存在變形、警報(bào)何時(shí)解除、誤報(bào)后的處理措施等都需要進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。其緊急地震信息服務(wù)產(chǎn)品主要有緊急制動(dòng)產(chǎn)品、恢復(fù)行車產(chǎn)品和安全評(píng)估與緊急救援產(chǎn)品，如表1所示。

高鐵用戶利用接收到的緊急地震信息服務(wù)產(chǎn)品，一方面通過(guò)列車控制系統(tǒng)、車載緊急處置終端、牽引接觸網(wǎng)斷電等手段對(duì)列車實(shí)施制動(dòng)減速、緊急停車等應(yīng)急處置措施，另一方面作為恢復(fù)行車、安全評(píng)估和緊急救援的決策依據(jù)。

表1 緊急地震信息服務(wù)產(chǎn)品表（高鐵用戶）

圖4 網(wǎng)絡(luò)連接示意圖Fig.4 The schematic diagram of network connection

3.4 緊急信息服務(wù)通信網(wǎng)絡(luò)

高鐵行業(yè)因其特殊性，需要快速獲取地震預(yù)警信息。其網(wǎng)絡(luò)通信可租用運(yùn)營(yíng)商專線，實(shí)現(xiàn)預(yù)警信息的高可靠、低時(shí)延的傳輸。通過(guò)專線方式為高鐵鐵路局提供緊急地震信息服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)連接如圖4所示。

在對(duì)接產(chǎn)品服務(wù)的實(shí)現(xiàn)上，首先將臺(tái)站實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)和緊急地震信息推送到高速鐵路數(shù)據(jù)與信息交換區(qū)，然后通過(guò)專線發(fā)送至鐵路總公司交換平臺(tái)，此后通過(guò)鐵路行業(yè)網(wǎng)分發(fā)至鐵路局各地震預(yù)警中心。

4 結(jié)論

隨著我國(guó)高速鐵路事業(yè)的蓬勃發(fā)展和防震減災(zāi)技術(shù)的不斷進(jìn)步，高鐵地震預(yù)警研究作為一個(gè)新的研究課題越來(lái)越受到人們的關(guān)注。建立起適應(yīng)我國(guó)地震監(jiān)測(cè)環(huán)境與能力的高鐵地震預(yù)警系統(tǒng)，是確保高鐵運(yùn)行安全的重要環(huán)節(jié)。

本文介紹了地震預(yù)警的基本原理和高鐵預(yù)警的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了高速鐵路地震預(yù)警緊急信息發(fā)布系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)，從業(yè)務(wù)邏輯、信息發(fā)布流程、服務(wù)產(chǎn)品、通信網(wǎng)絡(luò)等幾個(gè)方面分別進(jìn)行了闡述，希望能為服務(wù)于不同領(lǐng)域用戶的地震預(yù)警緊急信息服務(wù)系統(tǒng)相關(guān)規(guī)劃和設(shè)計(jì)提供參考，相信通過(guò)地震預(yù)警系統(tǒng)和各行業(yè)的技術(shù)對(duì)接，能為各行業(yè)提供滿足其行業(yè)技術(shù)要求的應(yīng)急服務(wù)產(chǎn)品，進(jìn)一步提高防震減災(zāi)公共服務(wù)水平。

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Abstract：With the rapid development of China's high-speed railway, rail safety and security put forward higher requirements. The establishment of high - speed railway earthquake early warning system is an important means to reduce and avoid earthquake disaster. The paper introduces the basic principles of earthquake early warning and the application and practice of earthquake early warning in high-speed railway.And the design structure of emergency information release system of high-speed railway is put forward in the paper. It is described from business logic, information release process, service product, communication network and so on .The design provides a reference for the construction of the emergency information service system for the industrial users.

Key words：high-speed railway; earthquake early-warning; information service

Design and Analysis of Emergency Information Service System for Highspeed Railway Earthquake Early-warning System

GAO Nan1， YAN Xi2，WANG Song1，HOU Jian-min1
（1. China Earthquake Networks Center, Beijing 100045, China;2. China Academy of Railway Sciences, Beijing 100844, China.)

P315.9；G222

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.03.016

1674-8565（2017）03-0087-05

2017-06-09

2017-08-03

高楠（1989-），女，山東省煙臺(tái)市人，2012年畢業(yè)于防災(zāi)科技學(xué)院，本科，助理工程師，現(xiàn)主要從事地震監(jiān)測(cè)及地震預(yù)警項(xiàng)目管理方面的工作。E-mail：gaoran@seis.ac.cn