高速铁路地震监测预警系统与中国地震局台站联网预警（技术）研究

研究

白鑫;黄志斌;张洪宇;杨陈;刘晓雨

【摘 要】地震预警可在地震发生后、破坏性地震波到来前，提供数秒至数十秒的预警时间，以便在此期间采取相应应急处置措施，是保证高速铁路运行安全的有效手段。提出高速铁路地震监测预警系统与中国地震局地震台网互联互通进行联合预警的网络互联方案、数据信息共享方案，阐述在高速铁路地震预警监测系统中应用中国地震台网信息的作用。 【期刊名称】《中国铁路》 【年(卷),期】2015(000)003 【总页数】5页(P32-36)

【关键词】高速铁路;地震;监测台站;联网 【作 者】白鑫;黄志斌;张洪宇;杨陈;刘晓雨

【作者单位】中国铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心，副研究员，北京，100081;中国地震台网中心，正研级高级工程师，北京，100045;中国铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心，研究员，北京，100081;中国地震台网中心，高级工程师，北京，100045;中国地震台网中心，工程师，北京，100045 【正文语种】中 文

【中图分类】U211.9;U238

白 鑫：中国铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心，副研究员，北京，100081

黄志斌：中国地震台网中心，正研级高级工程师，北京，100045

张洪宇：中国铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心，研究员，北京，100081

杨 陈：中国地震台网中心，高级工程师，北京，100045 刘晓雨：中国地震台网中心，工程师，北京，100045

随着我国高速铁路的建设，列车运行速度大幅度提高，地震对列车运行安全性的危害风险也随之增加。对于较小震级的地震，即使不会损害线路的结构，也极有可能导致列车在高速运行中脱轨，造成灾难性的危害。因此如果能在破坏性地震波到来前及时发出预警信息，采取相应应急处置措施，则可有效地保障高速铁路运行安全。将中国地震局地震台网站点作为高速铁路地震监测预警系统的外围监测点，利用高速铁路沿线自建的地震监测台站信息与中国地震局高密度地震台站的速报信息和预警信息进行联合预警，可以提高计算精度、获得更多的响应时间，有利于更早地监测到地震发生，极大提高高速铁路地震预警水平。 1.1 高速铁路地震预警

高速铁路地震预警就是在高速铁路沿线或潜在震源附近设置地震仪，当地震发生并达到报警水平时，利用电磁波与地震波的速度差以及P波与S波之间的速度差，在破坏性地震波到来之前给地震影响区域内正在行驶的列车提供几秒到几十秒的预警时间，使列车减速或停车，避免安全事故发生。高速铁路地震监测预警系统包括阈值报警与P波预警两种模式。

（1）阈值报警指在地震发生后，若高速铁路沿线地震台站实时监测的地震动参数达到或超过预定的阈值时将发出地震报警信息。此时本区段地震灾害可能已经发生，阈值报警仅可起到阻止相邻区间的列车进入灾害区，防止发生次生灾害的作用。

（2）P波预警是通过布设在高速铁路沿线的地震台网或强震台网以及实时通信传输线路对地震进行实时监测，利用地震初至时的P波信息快速分析出地震震中与铁路线的距离、地震震级、震源深度等参数，或者直接估计高速铁路沿线地震动参数，当预测的地震动参数达到或超过预定的阈值时发出地震预警信息，对可能受破坏线路上运行的列车进行管制，使得高速列车在主震袭击线路前有更多的时间减速或停驶，以防止出轨，消除潜在威胁。 1.2 高速铁路地震监测预警系统构成

高速铁路地震监测预警系统可采用铁路局中心系统与铁路沿线现场监测设备两级架构（见图1）。铁路局中心系统由地震监测预警信息系统和通信接口单元构成，设置在铁路局信息机房内；现场监测设备设置在铁路沿线牵引变电所、分区所、AT所、通信中继站及列控中心附近，由地震仪、监控单元、信号接口单元、网络通信设备等组成。

地震监测预警系统对高速铁路沿线地震活动进行实时连续监测，接收相邻铁路局地震监测预警系统及地震部门相关地震信息进行数据分析及处理。当地震发生后，若监测到地震动强度达到报警阈值，及时向铁路局中心系统发出地震预警或报警信息，通过牵引供电系统、列控系统和车载紧急处置装置控制列车减速或紧急制动。同时，根据地震影响范围，铁路局中心系统向铁路局调度指挥系统提供列车运行管制、灾后恢复和启动救援等信息。 2.1 高速铁路地震监测台站设置

TB 10621—2009 《高速铁路设计规范（试行）》中规定：“沿线地震动峰值加速度大于0.1 g的地区应设置地震监控点，地震监控点应具有S波监控功能，有条件时宜具备P波预警功能。”GBJ 111《铁路工程抗震设计规范》规定：“位于地震烈度大于Ⅶ度地区的结构物，应进行抗震设计。” 因此高速铁路在地震烈度大于等于Ⅶ度的线路区段需设地震监测点。

我国的地震活动主要分布在西南地区、西北地区、华北地区、台湾地区、东南沿海地区的23条地震带上。目前已建的京津、京沪、郑西、石太、合宁、温福、福厦、甬台温等客运专线或高速铁路都地处或接近这些活跃地震带。根据GB 18306—2001《中国地震动参数区划图》的标定，这些地区的地震动峰值加速度达到了0.1 g（1 g=981 cm/s2），即地震基本烈度在Ⅶ度以上。对比2020年中国高速铁路路网规划和《中国地震动峰值加速度区划图》，通过Ⅶ度区以上的高速铁路里程约在7 500 km以上。因此，这些铁路线均应设置地震监测台站。

高速铁路地震监测台站宜布设在牵引变电所/分区所/AT所附近，有利于及时断电回应。用于地震P波预警的铁路沿线台站，地震仪距铁路线路中心线距离原则上应满足无列车影响时场地背景振动噪声小于0.000 1 g和列车通过时综合噪声水平小于0.001 g的要求。

2.2 中国地震局地震监测台站分布

通过“十五”重大工程项目“数字地震观测网络”的实施，中国地震局已经建成了由1个国家地震台网和31个省级地震台网组成的覆盖全国的高密度地震监测台网。全国地震运行台站达到1 014个，其中包括国家台站148个、区域台站814个、火山台站33个、2个台阵19个台点，有利于迅速报出地震发生的时空场。全国地震台站的分布见图2。

3.1 高速铁路地震监测预警系统和中国地震局台网联接方案

高速铁路地震监测预警系统（简称高速铁路系统）和中国地震局台网（简称地震系统）都拥有各自业务应用的行业专用网络，均采用高速专线作为通信信道单独成网，与其他网络系统隔离，具备较高的安全性与自治域独立运管能力。要使高速铁路系统与地震系统在各自已有系统的基础上实现互联，首先要保证现有系统的正常运转，任何设计建设都不能对已有业务产生任何影响。

为了实现高速铁路系统与地震系统的网络互联，两者之间需要建立一个数据安全交

换区域，用于部署数据交换服务系统。高速铁路系统、地震系统、数据交换区域之间使用高性能状态防火墙进行连接及安全防护（见图3）。通过数据安全交换区域互联方案，高速铁路系统与地震系统可在数据交换区域实时交换地震波形数据和地震信息，在满足数据传输快速安全可靠的同时，最大程度保证两套系统原有的独立性。

3.2 高速铁路地震监测预警系统和中国地震局台网数据信息共享方案 3.2.1 共享数据源

高速铁路地震监测预警系统与中国地震局台网的共享数据包括：与高速铁路地震监测预警系统相关台站的实时监测数据、中国地震台网地震预警数据和烈度速报数据。 3.2.2 实时数据共享方案

在中国地震局台网监测系统中，地震台站的实时波形数据通过数据采集器汇集至省级地震台网中心。在不改变现有中国地震台网中心运行方式的原则上，根据数据汇集与共享协议，在高速铁路地震监测预警系统配置流服务器。其中，监测台站的数据应遵循协议标准，汇集到高速铁路路局中心；高速铁路路局中心配置流服务器，通过流服务器与设置在公共数据交换区（公共交换区也可建立在高铁系统内）的流服务器实现实时波形数据共享功能。实时数据共享方案见图4。 3.2.3 地震速报信息共享方案

目前中国地震台网的监测系统所使用的地震速报信息分为人工地震速报信息和自动地震速报信息。其中，人工地震速报信息由中国地震台网中心汇集各省级地震台网中心和国家地震台网中心的结果，统一对外发布；自动地震速报信息由中国地震台网中心汇集各自动地震速报分中心的结果，统一对外发布。

在不改变现有中国地震台网中心运行方式的基础上，遵循统一对外发布的原则，中国地震台网中心与高速铁路地震监测预警系统通过公共数据交换区（公共交换区也可建立在高铁系统内）共享自动地震速报综合触发结果（AU）和正式地震速报结

果（CC/ CD）。根据信息汇集与共享协议，在高速铁路路局中心系统配置地震速报信息共享服务器，通过配置在公共数据交换区的地震速报信息共享服务器进行信息共享。地震速报信息共享方案见图5。 4.1 实现快速准确定位

铁路线是狭长的线状结构物，如果沿高速铁路线部署地震监测台站，按照一般地震定位的方法（如交切法），很难交汇出震中位置。尽管单台定位等方法可以解决这个问题，但其精确度不高，在地震监测预警系统中的可操作性差。接入中国地震台网的观测台站，在地震预警处置过程中，不仅可使用高速铁路沿线的地震监测台站，也可利用全国地震监测网络实时获取高速铁路沿线规定区域内的观测数据。铁路路局中心系统综合处理多台的观测数据，随着汇集的台站数据的不断增多，预警（报警）信息的可信度将不断增加，这将为快速、准确地确定出地震信息提供条件，为预警后的第二报、第三报等后续警报提供准确的依据。 4.2 实现快速异地预警

高速铁路地震监测预警信息快速传输的最终目的是要实现地震后将预警信息尽快传送到路局中心系统控制高速列车限速或停车，从而达到降低损害程度的目的。由于中国地震台网不仅部署于铁路沿线，它在全国基本成网状部署，即使采用S波报警方式，在某些条件下，也比只部署于铁路沿线的台站报警时间要短得多。如图6所示，高速铁路地震监测台站部署在离铁路不小于100 m的范围（这里设定为200 m）。假设地震发生在距离高速铁路100 km的距离，在震中附近10 km有一处中国地震台网的监测台站，则S波传播到台网台站大致需要10/3.6=2.78 s（P波的传播速度约为7 km/s，S波的传播速度约为3.6 km/s），传播到高速铁路沿线的时间约为100/3.6=27.8 s；P波传播到铁路沿线监测站，在P波到达后，假设采用P波预警需要3 s，则使用铁路沿线监测站对高速铁路进行预警是在地震发生后100/7+3=17.28 s。由此可见，在高速铁路地震预警中，如果分别采用中

国地震台网的台站和高速铁路地震监测台站，中国地震台网的台站的S波报警时间为震后2.78 s，而单纯采用高速铁路自建监测台站，地震预警信息发出的时间为震后17.28 s，S波报警时间为27.8 s。如将前述两者台站的地震监测信息联合考虑进行地震预警，则联合地震预警信息发出时间约为2.78+90/3×10-5=2.78 s。显然，接入中国地震台网的监测台站后，预警效果要比单纯的高速铁路沿线部署监测台站具有明显优势。 4.3 实现地震误报确认

当高速铁路沿线地震动加速度峰值达到或超过设定的报警阈值，高速铁路地震监测预警系统就会自动实时向车载紧急处置装置、列车运行控制系统、牵引供电系统和调度系统发送预警或报警信息，尽快控制高速列车减速或停车。因此，如果出现误报，将扰乱正常的行车秩序，给铁路运输造成不必要的损失。为了防止误报，高速铁路地震监测预警系统必然需要面对最终地震预警信息的确认问题。目前，无论采用阈值报警还是采用P波预警，这些报警或者预警信息都有可能受到其他因素的干扰，如很短的时间内两个临近台站出现非地震事件的强干扰（如爆破、打夯等）。对地震事件的确认，最准确的方法是采用地震学的方法进行计算，从而得到地震的震级、发震时刻及发震位置。因此，当高速铁路地震预警系统发出预警信息后，铁路局中心系统为确认信息的准确性，还需要结合中国地震台网的台站信息进行地震学计算。通过双方系统的互联互通，高速铁路地震监测预警系统可实时接收中国地震局台网监测信息并进行校核，对地震真实性进行判别。经核实信息后，如果没有发生地震，或将低警报等级的地震报为高警报等级的地震，即可判定此预警或报警信息为误报。系统将及时向车载紧急处置装置、信号系统、牵引供电系统和调度系统发送误报解除信息及恢复行车信息，使高速列车尽快恢复正常运行。 4.4 实现震后尽快恢复行车

地震发生后，在确保安全前提下尽快恢复高速铁路行车是非常必要的。对于国内地

震，现阶段中国地震台网中心的正式地震速报时间为6～12 min，自动地震速报时间为30～60 s。高速铁路地震监测预警系统通过与中国地震局台网互联，可以实时获取高密度的中国地震局监测台站的数据，通过与自建铁路地震台站的监测信息进行比较，确认地震对行车无影响后，形成运营恢复建议。

在高速铁路地震监测预警系统中实现铁路自建台站与中国地震局观测台站的互联，能够加密地震监测点，完善和优化高速铁路地震监测预警网络布局，实现地震监测数据共享，增强地震速报的效率，提高报警和预警的准确性，实现更快更全面的异地预警，从而提高高速铁路运行的安全系数。

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