鐵路地震預警監測系統設計思考及試驗研究

何泉勃

由于強烈地震易導致鐵路橋梁變形、路基塌陷及軌道偏移扭曲，并使震區內巖體破碎，從而引發危巖落石、泥石流等一系列次生災害，對鐵路運營安全造成嚴重影響，因此，很多發達國家和地區在軌道交通領域長期致力于發展地震預警監測技術，并已具有相當多的成功案例，如日本的UrEDAS系統、美國的ShakeAlert系統、法國的RDS監測網絡和我國臺灣省的地震速報系統等。實踐證明：地震預警監測技術不僅能實現軌道交通的應急處理，還能在一定程度上實現強震動到達之前的預警并對列車運行干預，保障生命財產安全。

我國鐵路行業歷來重視地震災害對列車安全運營的影響，近年來更是通過加快推進相關標準制定、落實監測設備技術條件、完善上道程序等有效措施，在鐵路地震預警監測技術方面取得了突飛猛進的發展。然而，由于起步較晚，相關理論儲備及實踐經驗與日本、德國、美國等發達國家存在一定差距。因此，需從設計源頭出發，進一步致力于研究、發現、分析和解決鐵路地震預警監測系統工程中遇到的諸多問題，并進行充分試驗驗證，將規范標準中制定的原則性要求應用于工程實際，提升鐵路災害監測的整體建設水平。

1 鐵路地震預警監測原理

地震波是指由地震震源向四周傳播的一種彈性波，其傳播介質為地球本身。按照傳播方式的不同，地震波可分為實體波和表面波。其中表面波只在地表傳遞，實體波則可在地球內部傳遞。根據波形的不同，實體波又可分為縱波（P波）和橫波（S波）。

1）P波。震動傳遞的性質和聲波類似，是通過介質的體積變化（擠壓和拉伸）來傳播的，是一種推進波。它會使地面發生上下震動，其能量衰減快，破壞性較弱［1］。由于傳播時介質的震動方向與能量傳播方向平行，因此在所有地震波中，縱波具有最快的傳播速度，約為5～7 km/s。

2）S波。又稱為剪切波，它只能在固體中傳播，傳播時介質的震動方向與能量傳播方向垂直，會使地面發生前后、左右的搖晃，且持續時間長，因此具有較強的破壞性［1］。同時，傳播特性也決定了它的傳播速度較縱波慢，約為3.2～4 km/s。

3）表面波。是由P波與S波在地球表面相遇碰撞后所產生的混合波，因此其產生的時間晚于縱波與橫波。表面波具有波長大、頻率低、振幅強和易頻散的特性，是造成人工構筑物強烈破壞的主要因素。由于它只能在地表傳播，因此淺源地震所引起的表面波更為明顯。

由上述各類地震波的固有特性可知，P波的傳播速度快且破壞性弱，通常可作為強震來臨前的預警依據。因此，基于用空間爭取時間的理念，在鐵路沿線合理布設地震監測點。當地震發生時，利用P波初至各監測點的信息，快速估算震中位置、震級大小、震源深度等地震基本參數，并預測地震震動對鐵路的影響，進而發布報警信息，即可通過技術手段及時控制列車減速或停車，最大程度降低地震對鐵路列車運行造成的危害。鐵路地震預警監測原理示意見圖1。

圖1 鐵路地震預警監測原理示意

2 設計思考

鐵路地震預警監測系統需具備地震監測、閾值報警、P波預警和緊急處置等功能，并通過觸發車載地震裝置、列控系統、牽引供電系統等3種方式加以實現。在具體設計過程中，應從系統功能要求和實現方式出發，結合工程實際，深入思考、研究并確定系統網絡架構、中心系統設備配置、現場監測設備布設、相關專業接口標準等一系列關鍵點，確保設計方案的完整性、合理性和針對性。

2.1 網絡架構

鐵路地震預警監測系統總體為鐵路局中心系統和現場監測設備二級架構［2］，見圖2。一般采用鐵路數據通信網承載，星型結構連接，車站與現場監測設備之間設置傳輸網，并雙通道冗余，以提高數據傳輸可靠性。鐵路局中心系統設置在鐵路局調度所，負責地震信息的接收、處理，緊急處置信息的發布、警報解除，以及設備狀態監測和維護管理等。現場監測設備布設于鐵路沿線，包含地震計和監控單元，用于地震數據采集、報警信息發送、接收緊急處置信息，并實現與列控和牽引供電系統的接口功能。

圖2 鐵路地震預警監測系統網絡架構示意

鐵路局管轄范圍內各線路設置獨立的前端預警服務器，具備多臺站P波預警和誤報判識功能，用于接收現場監控單元的P波預警、閾值報警等信息，并將其發送至前端接口服務器，進而實現現場監控單元與鐵路局中心系統之間的互聯［3］。實際工程中，現場監測設備接入中心系統時，還應包括監控單元數據錄入、軟件配置擴容修改、GSM-R通信系統與地震預警監測中心系統的接入調試等工程內容。

目前路內部分鐵路局地震預警監測中心系統尚未建成，對于此類情況，某些先期建設的線路在設計初期可利用按線設置的前端預警服務器，先實現現場監測設備的預警、報警功能，待中心系統建成后，再進一步完善接入部分的相關設計，實現緊急處置等其他功能。

2.2 鐵路局中心系統

鐵路局中心系統在管轄本局內現場監測設備的同時，分別與國家地震臺網、相鄰鐵路局地震預警監測中心系統互聯，實時獲取相關監測、預警、速報等信息。中心系統硬件設備包括各類別服務器、存儲設備、監測終端、網絡安全設備及時間同步設備等，具體設備組成及連接關系見圖3。

圖3 鐵路局中心系統設備組成

根據多項工程的設計經驗，總結出鐵路局中心系統主要設備配置原則如下。

1）服務器。按應用功能可劃分為數據庫、前端接口、鄰局接口、臺網接口、短信服務、前端預警、緊急處置、地理信息、通信應用、GPRS通信、地震GPRS接口、維護管理、時間同步、防病毒等類別。其中，臺網接口服務器用于與國家地震臺網數據交換平臺進行信息交互；鄰局接口服務器用于與相鄰鐵路局中心系統進行信息交互；通信應用服務器、GPRS通信服務器、地震GPRS接口服務器則通過GSM-R系統，向車載地震裝置發送緊急處置信息。基于安全可靠性考慮，中心系統服務器均應采用冗余熱備配置。

2）存儲設備。用于集中存儲局管內地震信息，在設計時應考慮近期建設線路的接入能力（一般按5年內需求考慮），并預留充足的擴容條件。技術規格上，要求磁盤陣列支持包括RAID（1+0）、RAID5、RAID6在內的多種存儲方式，并具備存儲分區和熱備功能。

3）監測終端。包括監測業務終端和監測維護終端［3］。其中，監測業務終端可設置于調度所行車調度臺/供電調度臺；監測維護終端根據運營維護需要，通常設置在鐵路局信息技術所，工務部，工程范圍內涉及的工務段、通信段、工電段等單位。在工程設計中，應充分調查現場情況，盡量利用既有監測終端，通過對終端軟件進行配置更改、數據調測等方式，實現地震信息的可視化和運行維護操作。

2.3 地震計布設

進行地震計布設時，首先應確定地震計的設置區段。根據《鐵路自然災害及異物侵限監測系統工程技術規程》（TB 10185—2021）要求，地震計應設置于《中國地震動參數區劃圖》（GB18306）確定的地震動峰值加速度0.1 g（g=9.8 m/s2）及以上的鐵路沿線區段［4］。設計過程中，應注意及時更新上述區劃圖年度版本，并結合踏勘情況和線路所在區域地震區劃報告，確定地震動峰值加速度≥0.1 g的區段，避免因基礎資料差錯引起設計疏漏。

相鄰地震監測點在線路上的設置間距宜為25 km，應盡量統籌設置于牽引變電所、分區所、AT所的場坪內，并復核場地背景噪聲要求（無列車影響時，場地背景振動噪聲宜小于0.1 gal，最大不超過0.5 gal）。考慮互為驗證因素，每處地震監測點采用雙地震計（水平間距不宜小于40 m）。

地震計一般設置于測震井中，在初步確定地震計布設里程后，應在對應場坪內完成測震井的合理選址。為避免列車干擾，地震計應盡量遠離線路（距線路中心線宜大于50 m）。此外，地震計如設置在電氣化所亭內，地震觀測室與強電、避雷針的距離還應滿足鐵路電力牽引供電相關規范的要求，即導線與測震井間最小垂直距離（計算最大弛度時）不小于4 m，獨立避雷針與測震井之間的空氣中距離不小于5 m。

根據上述原則完成地震計選址布設，地震計平面布置見圖4［5］。

圖4 地震計平面布置示意圖

2.4 監控單元布設

地震預警監測系統按照地震加速度峰值設有3個警報級別，分別對應3級緊急處置功能，見表1。

表1 地震警報級別及緊急處置功能

警報信息的來源包括線路自建的監控單元、國家地震臺網和相鄰鐵路局中心系統。其中自建監控單元由數據采集器、監控主機、接口模塊、電源、網絡和隔離開關、防雷模塊等組成。根據功能不同，可分為具備地震監測、牽引供電系統觸發、信號系統觸發功能的3類監控單元［6］。設計過程中應根據地震計的監測區段，確定牽引供電系統觸發和信號系統觸發的覆蓋影響范圍，進而完成監控單元的合理布設。實際應用時，由于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級緊急處置功能的依次增強，決定了信號系統觸發的影響范圍應覆蓋地震計監測的區段范圍，牽引供電系統觸發的影響范圍又應覆蓋信號系統觸發的影響范圍。一般具備地震監控功能的監控單元與地震計同址設置；具備信號系統觸發功能的監控單元與列控中心同址設置；具備牽引供電系統觸發功能的監控單元設置于牽引變電所，用于與牽引供電系統接口。地震警報及緊急處置示意見圖5。

圖5 地震警報及緊急處置示意

2.5 相關接口設計

地震預警監測是一個較為復雜的綜合性系統工程，涉及到災害監測專業與房建、通信、信號、牽引變電所、電力、暖通等專業的相關接口，為保證系統安全可靠運行，必須高度重視接口設計工作，主要包括以下內容。

1）與房建專業接口。監控單元、數據采集器等設備設置于沿線車站、區間基站、中繼站和電氣化所亭的災害監測或通信機房內；地震計設置于測震井內的地震墩臺上［7］。房建專業按照實際需求提供相關機房設備布置、荷載、防雷及接地條件，并完成測震井、地震墩臺建造的相關設計。

2）與通信專業接口。通信專業為地震預警監測系統提供網絡通道（監控單元之間、監控單元至車站、車站至中心系統、監測終端至中心系統、相鄰鐵路局中心系統之間、國家地震臺網與鐵路局中心系統之間），并完成地震預警監測系統與GSMR系統、鐵路時間同步系統之間的接口設計。監控單元如采用通信電源供電，通信專業還應根據用電需求，統籌考慮通信電源設備的端子及容量。

3）與信號專業接口。信號列控系統根據地震預警監測系統提供的預警信息，采取相應的列車運行安全防護措施。工程設計中應在列控系統工程數據表中體現地震防護信息，將地震防護措施納入列控碼序表，作為信號相關系統設計、軟件編制、聯鎖試驗等工作的依據。系統之間采用信號電纜連接，以信號防雷分線盤（或綜合柜零層）為分界，通過繼電器方式實現物理接口［8］。接收到地震報警信息后，由列控系統向控制范圍內的所有軌道區段發H碼，同時向車站計算機聯鎖發送軌道區段占用狀態信息；聯鎖關閉車站、線路所的接發車信號；RBC根據聯鎖傳送的相關軌道區段占用信息，向地震預警監測報警信息范圍內的所有列車發送無條件緊急停車消息（UEM）。為保證可靠性，地震預警監測系統與列控系統之間應盡量采用不同物理徑路分別敷設信號電纜，列控中心使用不同的采集板。

4）與牽引供電專業接口。地震預警監測系統向牽引變電所2臺（組）牽引變壓器的高壓斷路器控制回路各輸出3組無源接點，通過接點開閉狀態驅動高壓斷路器分閘和綜合自動化系統報警。系統之間通過獨立的電纜，以繼電器方式互聯，以牽引變電所主變保護測控屏端子排位分界。設計過程中，與牽引供電系統連接的電纜應根據所在牽引變電所是否設置綜合應急保護裝置而進行靈活配置。

3 試驗驗證

根據上述理論基礎和設計思路，選取適當工點開展地震預警監測系統試驗研究，可在工程實踐層面驗證監測設備的選型合理性、可靠性和設計方案的可行性，并根據試驗結果，有的放矢地對設備技術參數、算法和設計方案進行優化調整，有助于形成較為成熟完備的技術條件和設計方法［9］。

多數情況下，穿越地震活動斷裂帶的艱險山區鐵路普遍具有地質情況復雜、鐵路設施設置困難、低級別地震頻發、高級別地震造成危害大等特點，更適合作為試驗對象加以重點研究。為此選取汶川地震強震區的成灌鐵路沿線牽引變電所作為試驗工點（共2處，間距約20 km），分別布設地震監測臺站，依次開展室內試驗和天然地震響應測試。

3.1 室內試驗

室內試驗的目的在于客觀評價地震預警監測系統的設備功能和運用效果，為完善系統功能，提高系統預警正確性和準確性提供依據。試驗內容主要針對監測設備（地震計、數據采集器和監控單元等）進行測試，包括室內地震動模擬試驗、環境振動干擾模擬試驗和預警報警試驗等。

1）室內地震動模擬試驗。如圖6所示，通過設定振動臺的加速度值和頻率值，使其在定頻（加速度取不同值）或定加速度（頻率取不同值）的條件下分別進行正弦振動，記錄地震計的輸出數據，以測試加速度計的測量范圍、線性特性、幅頻特性、設備抗震能力等。測試結果顯示，輸入2.0 g加速度時輸出的數據無失真，振動試驗后檢測線性特性曲線的線性度誤差＜1%，幅頻特性曲線在5～80 Hz范圍內1 dB平坦。

圖6 室內試驗示意

2）環境振動干擾模擬試驗。將模擬地震波與干擾波（包含不同頻率的正弦波、白噪聲信號以及實測的打夯、爆破、列車干擾、背景噪聲等）混合進行抗干擾測試。測試初期，設備對部分白噪聲和個別矩形波難以辨識，經進一步加強對干擾波的研究和分析，采取了合理的濾波措施，在確保不漏報的前提下，將非地震事件誤報率降低至15%以內。

3）預警報警試驗。利用波形發生器載入地震P波+S波完整波形數據（震級范圍設為3～9級，主要集中在4～7級），震中距范圍設為5～550 km（主要集中在20～300 km），合成加速度峰值范圍設為1～1 200 gal（主要集中在40～200 gal），Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級報警閾值分別設為40 gal、80 gal、120 gal，用以測試P波預警判別時間（即P波初至到監控單元發出預警信息第1報的時間）和閾值判別時間（即地震計感知地震波達到報警閾值到監控單元發出報警信息的時間）。試驗過程中，通過更改事件上報流程、優化P波判別算法等方式，將P波預警判別時間控制在3 s以內，閾值判別時間不大于0.5 s［10］。室內試驗主要測試數據詳見表2。

表2 室內試驗主要測試數據

3.2 天然地震響應測試

天然地震響應測試在試驗現場設置地震計和監控單元。其中，地震計選用三分向力平衡式加速度傳感器（見圖6），實時采集天然地震事件數據；監控單元包括數據采集器、監控主機、牽引變電所接口、信號接口、電源、網絡和隔離開關、防雷模塊等，測試地震預警監測系統的P波預警和閾值報警等功能，并將所記錄的數據與國家地震臺網數據進行比對，驗證系統的準確性和可靠性［10］。

歷經4個月的測試，累計成功監測到28次天然地震事件并發出預警，數據記錄節選見表3［10］。

表3 天然地震事件監測記錄節選

測試結果顯示，在距試驗工點300 km范圍內，4級以上地震事件無漏報；預測震級與國家臺網公布震級相差在2級以內的占90%；預警提前時間100 km之內為0～12 s，100～200 km為12～31 s，200 km以上則大于31 s。

4 結語

通過上述探討、分析和試驗，總結出的設計經驗和方法，普遍適用于鐵路地震預警監測系統設計，能夠對此類工程的設計建設起到一定的借鑒和指導作用。隨著鐵路地震預警監測技術的日漸成熟和廣泛應用，系統設計標準化、精細化和可操作性的要求越來越高，因此需要在工程實踐中，不斷總結，注重細節，對方案進行優化、深化和細化，進一步提升設計水平；同時也可通過試驗、科研等方式，適時對設計成果加以驗證和完善，拓寬思路，創新改進，使我國鐵路地震預警監測體系得以繼續穩步快速發展。