高速鐵路地震預警監測系統工程設計方案研究

閆宏偉,黃乃斌,趙澤宇,尹福康

(1.中國鐵路經濟規劃研究院有限公司,北京 100038； 2.中國鐵路設計集團有限公司,天津 300308)

地震是對鐵路行車安全危害性極大的一種自然災害，尤其隨著我國大面積高速鐵路建設，列車運營速度已達到350 km/h，對其運行安全有了更高的要求，提出了新的挑戰。地震對路基、軌道和橋梁等的沖擊，會造成鐵路路基下沉移位、鋼軌變形斷裂、橋梁與隧道混凝土剝落等基礎設施結構破壞，可能引發脫軌等以致車毀人亡的重大事故。必須通過對鐵路沿線可能發生的地震進行預警，并配備相應的處置預案以保證列車運行安全。

地震發生時產生P波、S波2種地震波，P波傳播速度較快、破壞性較小，S波的傳播速度較慢、破壞程度比較大。地震P波預警基于P波和S波的速度差來實現，當S波尚未來襲的數秒至數十秒之前發出預警預告，從而采取相應措施，避免重大損失[1]。

1 國外高速鐵路地震預警監測概況

日本、法國等國家鐵路均裝備了地震預警監測，實時檢測地震報警信息并及時觸發列車制動，將地震造成的損害降到最低。

日本是一個多地震國家，在20世紀60年代建造東海道新干線時，就考慮了鐵路地震預警監測措施。迄今為止，現行的地震預警系統為第四代產品，同時具備P波預警和閾值報警兩種功能。地震儀同時布設在近震源海岸和鐵路沿線，地震儀的設置間隔分別約為100 km和于20 km，海岸地震監測點的設置及與鐵路沿線地震監測點的連接如圖1所示[2]。

圖1 日本地震監測點設置示意

新干線地震預警系統與COSMOS綜合運輸管理系統相互銜接，實現信息集中管理，各部門調度可同時得到同一信息，根據災害級別進行運輸管制，并采取切斷供電電源或經自動控制系統控制列車減速、制動運行等措施。當檢測到地震，地震儀通過中繼裝置將信息發送到鐵路沿線的變電所，變電所對應的裝置根據接收到的信息判斷是否需要報警。通過對歷史資料分析，當沿線地震計監測到的地震強度大于設定的報警閾值40 gal或海岸監測點地震強度大于設定的報警閾值120 gal時，變電所停止供電，同時列車上的地震車載裝置據此隨即實施緊急制動[3]。

法國地震按烈度設防，建立了地震檢測網絡(RDS)，并開始建設高速鐵路地震預警監測報警系統[4]，監測點設置平均間隔為10 km，各監測點與控制中心相連。地震處置采用列控系統控制模式，收到地震報警信息后由列控系統自動控制列車停止運行。法國報警閾基于工程經驗，報警采取二級處置，對應的閾值分2檔，即40 gal限速170 km/h、65 gal停車。40 gal的地震可能會引起軌道結構等永久變形，而65 gal的地震將會造成建筑物不可恢復變形。

我國臺灣鐵路采用與氣象局合作方式，委托氣象局建設地震監測速報系統。地震計布設于高速鐵路沿線，分為主地震計和副地震計兩類。主地震計設置于車站內主機房，通過ATC控制列車停車。副地震計設置于沿線小機房內采集地震信息。在綜合調度所設置中心系統，并與氣象局交互信息。報警閾值設置為大于40 gal時列車停車。

2 國內高速鐵路地震預警監測概況

自2012年以來，經過科技攻關，已經完成了高速鐵路地震預警系統的研制。

2015年6月11日，原中國鐵路總公司科技管理部會同中國地震局科技司在北京組織專家對《大西線高速鐵路地震預警系統試驗實施方案》進行了評審，指導大西線地震預警系統試驗的實施，同意通過方案評審。大西線高鐵地震預警系統試驗積累了大量試驗數據，取得了良好的試驗成果，實現了高速鐵路地震快速預警及緊急處置技術的突破[5]。

2016年7月28日，原中國鐵路總公司科技部會同中國地震局科技司在北京組織召開高速鐵路地震預警監測鐵路局中心系統和車載地震緊急處置裝置的試用評審會，系統通過了試驗評審，具備了上道試用條件。

2016年底前針對廣鐵集團的海南西環，北京鐵路局京津、津秦、京滬高鐵，沈陽鐵路局哈大高鐵，烏魯木齊鐵路局蘭新高鐵開展了既有地震監測系統的現場調研，了解既有地震監測系統的運用和維護現狀以及存在問題，目前正針對京滬高鐵既有地震監測系統開展重點調研，優先制定京滬高鐵既有地震監測系統的升級方案，將地震預警的新成果展示在京滬高鐵示范線上。

2018年原中國鐵路總公司分別發布了《高速鐵路地震預警系統技術條件》以及《鐵路自然災害及異物侵限監測系統工程技術規范》，以規范地震預警監測系統的工程設計、施工和驗收，完善相關技術標準。

目前，地震與其他自然災害監測預警系統相對獨立構建，由鐵路局中心系統、現場監測設備兩級構成，其架構如圖2所示。

圖2 地震監測系統架構

地震預警監測鐵路局中心系統應設置服務器、存儲設備、監測終端、網絡及安全設備、時間同步設備等，設備根據工程需要按鐵路局冗余設置或者按線路冗余設置，實現現場監測設備與國家地震臺網等實時信息接收，對接收到的信息按時間優先順序進行綜合分析處理，向處置范圍內的列控系統、牽引供電系統等發送緊急處置信息、警報解除等主要預警與防護列車運行功能[6]。

3 監測終端工程設計方案研究

監測終端分為監測業務終端和監測維護終端。監測維護終端根據運營維護需要設置在相關管理單位。監測業務終端布設方案有按局布設和按調度臺布設兩種方案，兩種方案，根據運營組織需要及調度所調度臺位置預留等情況綜合開展設計。

3.1 全局布設一個業務終端

全局設置唯一的業務終端將提供局內所有臺站的地震預警、報警信息、處置信息，鄰局的地震警報信息，地震臺網的地震預警信息、速報等信息。信息顯示全面，即符合地震面狀傳播和影響的特點，也利于業務人員全局掌握地震影響鐵路范圍。工程實施簡單，對調度中心正常運營影響小。無需考慮按臺推送地震信息，軟件設計相對簡單。

一個鐵路局僅一個調度人員首先掌握信息，各線路調度臺調度員稍后掌握信息。由于地震預警系統是自動進行處置的，并不影響整體處置效果。但目前風、雨、雪、異物侵限業務監測終端采用按調度臺設置，可能會在布置與人員安排上帶來一定不協調。

3.2 每個調度臺布設一個業務終端

每個調度臺只收到影響到本臺管轄范圍的地震預警、報警信息，處置信息；鄰局地震報警信息和臺網地震信息也經過篩選過濾后只發往受影響的調度臺終端。地震發生后，在受影響的調度臺業務終端同步顯示信息，便于調度員及時掌握地震影響本臺的情況。

每調度臺設置一個業務終端，工程實施較復雜，業務影響較大；按調度臺推送地震信息，信息推送業務邏輯復雜，軟件設計相對復雜。與全局設置一個終端相比，監測業務終端數量增多，需要占用調度所更大面積，成本相應增高。

4 現場監測設備設計方案研究

現場監測設備包含監控單元和地震計。借鑒國外緊急處置技術，結合我國技術特點與需求，我國采用信號觸發列控系統實施緊急制動和牽引觸發停止向接觸網供電并行的處置方式，因此監控單元具備與牽引供電系統接口功能、與列控系統接口功能[7]。

4.1 地震計設置

地震動峰值加速度0.1g及以上的鐵路區段設置監控單元和地震計[8]。工程設計中，地震計設置間距一般為25 km，成組設置于牽引變電所、分區所、AT所內，每組內兩個地震計水平間距不宜小于40 m，每個測震井內設置1個地震計。在工程建設中，根據選址及工程地質情況等因素影響，優選地震計設置位置與線路中心線距離不宜小于50 m，無列車影響時場地背景振動噪聲小于0.1 gal，以減少或避免設備受列車運行振動產生誤報而影響正常運行，提升設備的可用性。

4.2 監控單元設置

目前我國通過認證上道許可，監控單元根據具備功能不同，可分為具備地震預警監測功能、具備牽變觸發功能、具備信號觸發功能3種類型，設備結構相對獨立。

具備地震預警監測功能的監控單元與地震計同址設置。

具備牽變觸發功能的監控單元宜設置于牽引變電所，與具備地震預警監測功能的監控單元同址設置。

具備信號觸發功能的監控單元根據列控中心位置，可合理設置于牽引變電所、分區所、AT所、基站、中繼站、線路所、車站等處所，場地背景噪聲和地震計布設距離符合要求時，可設置于電力配電所、中繼站、基站等處。

4.3 信號觸發監控單元設置方案

目前地震預警現場監測點主流設計方案，具備地震預警監測功能與具備牽變觸發功能的監控單元設備合設于牽引變電所等處同一機柜內，具備信號觸發功能的監控單元設備設置有兩種方案[9]。

4.3.1 設置于牽引變電所

具備信號觸發功能的監控單元與其他兩種監控單元設置在牽引變電所等處。沿線路兩側電纜槽各敷設一條信號電纜至相鄰的信號列控中心。當該處生成地震報警后設在牽引變電所、分區所、AT所等處的具備信號觸發功能的監控單元繼電器組合動作，通過敷設的信號纜聯動觸發列控系統相應動作，如圖3所示。

圖3 信號觸發監控單元設置于牽引變電所示意

4.3.2 設置于通信機房

具備信號觸發功能的監控單元設置在信號列控中心相鄰通信機房，并敷設兩條室內信號纜接至相鄰信號列控中心，地震預警監測功能的監控單元和鄰近的具備信號觸發功能的監控單元之間通過通信傳輸通道連接。當生成地震報警后，通信傳輸通道將地震報警信息發送到信號觸發監控單元，觸發該監控單元繼電器組合動作，通過敷設的信號纜聯動觸發列控系統相應動作，如圖4所示。

圖4 信號觸發監控單元設置于通信機房示意

4.4 信號觸發監控單元設置方案對比分析

4.4.1 工程投資測算

本次分析選取京滬高鐵運營里程K0+000～K237+860段作為測算區段。該區段地震動峰值加速度超過0.1g。根據規范及技術條件相關要求，并參考既有京滬高速鐵路防災安全監控系統圖紙等相關資料中的設置情況分析，該區段設置地震儀監測點共有11處，相關控制的列控中心共有22處，包含16處中繼站、2處線路所和4處車站。

當采用設置于牽引變電所的方案，根據地震采集點至列控中心距離、單條實際纜線長度，并考慮電纜彎曲系數(選取1.05)，每條電纜考慮50 m的富余量，最終得出共需敷設信號電纜269 158 m(雙條)，信號電纜采用PTYL23型4芯纜。每處列控中心考慮纜線敷設挖溝50 m，鋼管防護100 m。22處共計1 100 m電纜溝，2 200 m鋼管防護量。計算按照相關預算定額在鐵路工程定額軟件計算并考慮結尾相關稅費，計算測算工程投資約為500余萬元。

當采用設置于通信機房方案時，信號觸發監控單元設置于信號機械室旁邊的通信機械室，敷設每條纜線按平均50 m一條考慮，共敷設2 200 m的PTYL23型4芯纜。每處通信機械室單獨設置地震預警監測系統專用配電箱，電力專業共需設置22處電力配電箱，并考慮外電部分引入的電纜費用。通信專業需為每處信號觸發監控單元提供至鐵路局中心系統和相鄰地震預警監測點的傳輸通道，此部分可利用通信專業既有通道及設備接口，暫不計列投資。上述費用加上信號觸發監控單元獨立設置時需要新增的監控單元主機、網絡接口、UPS等設備測算投資為1 000余萬元。

4.4.2 優缺點分析

信號觸發監控單元設置于牽引變電所方案相關監控單元全部設置在牽引變電所，監控單元主機、網絡和電源等設備可合設，設備投資較低。設備集中設置可減少設備維護工作量，但需敷設2條信號電纜至鄰近的列控中心，增加了纜線和相關敷設與防護的投資。同時，目前地震預警監測與信號觸發兩個監控單元設備相對獨立，監控單元主機、網絡和電源等設備沒有共用，還需獨立設置信號觸發監控單元。

信號觸發監控單元設置于通信機房方案無需敷設較多的信號電纜，僅需在通信機械室和列控中心之間敷設較短的室內信號電纜，節省了纜線及相關配套工程的投資。但信號觸發監控單元在每個列控中心都需單獨設置，增加了信號觸發監控單元設備數量、相關電力配套設備及通信機械室一個機柜位置。

上述兩種方案均可實現地震預警監測功能。目前，工程設計通常根據信號觸發監控單元與列控系統接口距離，5 km范圍內將信號觸發監控單元設置在牽引變電所，通過長距離電纜與列控接口單元連接。通常牽引變電所與一側中繼站距離在5 km范圍內，另一側往往超過5 km，仍需分別在牽引變電所及較遠中繼站分別設置兩套信號觸發監控單元，既使用了長途電纜也使用了2套信號觸發監控單元，造成一定浪費。若隨著運營維護需求及技術手段發展，能將不同類型監控單元進行整合，可以節省機房面積及部分投資，降低日常維護勞動強度。

按照目前相關設備的情況，隨著工程開展，相關工程設計時還應根據實際情況和當時的設備報價進行分析比選，確保工程設計的技術科學性與經濟合理性。

5 結語

地震監測系統是高速鐵路災害監測系統不可缺少的部分，對高速列車運行過程中遭遇地震的應急處置起到了至關重要的作用。隨著2018年地震預警監測系統相關規范發布，工程建設更加標準化，隨著科研技術發展，如地震預警監測、牽變觸發和信號觸發監控單元設備進一步整合后，工程投資各方面將逐步降低，地震計防水性能及預警準確率進一步提升。本文在對日本、法國等高速鐵路地震預警系統的現狀進行了總結基礎上，結合技術與建設標準規范對我國高速鐵路地震預警系統的工程設計進行分析，針對調度中心業務終端以及具備信號觸發功能的監控單元設置方案比較分析，為工程設計提供參考。