累积绝对速度CAV和峰值加速度PGA联合报警在高铁地震监测预警中的应用*

黄 俊，姚运生，陈志高，杨 江

（中国地震局地震研究所地震预警湖北省重点实验室，湖北武汉430071）

累积绝对速度CAV和峰值加速度PGA联合报警在高铁地震监测预警中的应用*

黄 俊，姚运生，陈志高，杨 江

（中国地震局地震研究所地震预警湖北省重点实验室，湖北武汉430071）

美国电力研究所EPRI在1991年通过研究认为累积绝对速度CAV对低频震动敏感而对高频震动不敏感，能很好避免没有破坏性的高频小震报警。简要介绍CAV的概念和标准化算法，并以汶川地震及部分余震数据为例，分析高铁采用CAV参数报警的可行性，结果表明高铁地震监测预警中CAV参数可能会对破坏性小的远震大震报警，但CAV参数和峰值加速度PGA参数联合报警能有效地排除近震小震和远震大震对高铁地震报警的干扰。

高铁地震监测预警；报警参数；标准化CAV算法；峰值加速度

地震预警系统能在地震动强度达到或超过预警水平时，在一定的范围内采取适当的方式向正在运行的列车发出地震警报，使之在破坏性地震波到达之前采取紧急处置手段［1］。目前我国高铁地震监测预警系统通常将是峰值加速度PGA作为控车与否的参数［2－3］，但峰值加速度只代表地震动的大小，并不能反映地震的持续破坏能力，可能会对较大的干扰或峰值大破坏小的高频小震报警。为避免这种干扰的发生，美国电力研究所EPRI在核电地震监测报警设计中认为当反应谱参数和CAV阈值同时超出规定的限值，即认为超出运行基准地震（OBE），发出报警［4］。我国三代核电站的地震监测预警系统也考虑采用此种报警方式。由于反应谱一般是在地震动结束之后计算的，考虑高铁地震报警的实时性，本文只研究CAV作为报警参数的情况。

1 CAV的概念及标准化CAV算法

CAV的概念由美国电力设计院EPRI在1988年提出。CAV最初被定义为加速度绝对值对时间历程的积分。但由于此算法的CAV值过于依赖时间历程，因此EPRI在1991年提出了标准化的CAV算法［5］。标准化的CAV算法如下：

式中：a（t）为1 s间隔内的加速度，其中至少有一个值超过0.025 g；i取1，2，…，n，n表示以s为单位的记录长度。EPRI通过处理地震数据，确定CAV潜在破坏阈值为0.16（g－sec），对应的修正的麦加利地震烈度（MMI）为Ⅶ度。使用标准的CAV算法计算2008年5月12日汶川5.8级余震理县木卡台东西向记录的地震时程，结果如图1所示。

图1 标准CAV算法算例

2 我国高铁地震监测预警原理

目前我国已经建设的京津、京沪地震监测预警系统，其原理都是在高铁沿线地震基本烈度在Ⅶ度及以上的区段以20～30 km左右的间隔布设地震监测预警台，当沿线地震监测预警台站中相邻的三个地震监测预警台中有两个台检测到的地震加速度值超过0.04 g时即发出地震报警停车，原理示意图如图2所示。这种报警方式优点是易于操作且几乎不会出现误报，即使三个地震台中有一个地震台仪器发生故障不能正常工作依然可以发出报警控车，但是由于是基于多台报警，所以报警延时长，并存在一定漏报风险［2］。

图2 京津、京沪高铁地震监测预警系统原理示意图

3 CAV参数在高铁地震监测预警的应用分析

3.1 CAV参数在高铁地震监测预警中的可行性分析

CAV算法以是否超过0.025 g作为对加速度积分的条件。经实测京津高铁和京沪高铁沿线变电所的背景噪声，统计得到的背景噪声峰值都未超过0.025 g。并且CAV算法是一个累积的过程，对于只有若干个加速度值超过0.04g的高频小震或者噪声干扰，CAV值会很小。因此CAV参数可以有效的防止高铁沿线高频小震和其他干扰，可以作为高铁地震监测预警参数。

3.2 CAV参数在高铁地震监测预警中的报警阈值确定

CAV参数最先在核电设计提出，0.16（g-sec）的报警阈值相当于修正的麦加利地震烈度Ⅶ度，而中国目前高铁地震监测预警设计中假定当自由场监测到的地震动达到0.047 g时高铁轨道所承受的横向加速度值可达到0.12 g［6－7］，这时列车可能脱轨，考虑安全因素取报警阈值为0.04 g［2］。高铁轨道上的列车是以200～300 km／h的速度运行，相对核电站来说在破坏性地震面前更加脆弱。因此选取CAV参数作报警参数时不能简单地使用核电地震报警阈值，而应该结合目前高铁地震报警阈值和国内的地震特性来综合考虑阈值的选取。下文将通过地震数据处理来探讨CAV值与PGA值的关系。

3.2.1 数据初选

在2008年发生的汶川8.0级地震中，共有全国的420个台站获得了主震加速度记录，距震中21～1 763 km均有台站记录到强震数据。而选取的汶川地震部分余震，震级分布为3.8～6.3级，共有629组三分向记录，震中距分布在1～402 km。所选数据能够很好地代表远震小震、远震大震、近震小震和近震大震。选取的地震事件参数见表1。

表1 汶川地震及部分余震数据表

续表1

3.2.2 数据筛选

由于峰值加速度小于0.025 g的地震CAV值为0，并且高铁地震监测预警中的CAV报警阈值不会超过核电地震监测预警的报警阈值，为便于分析CAV参数的报警阈值，从汶川地震及余震数据中选取峰值加速度值超过0.025 g的三分向数据计算CAV值，定义三分向中最大的CAV值为CAVmax，选取CAVmax值在0～0.16（g-sec）的台站数据供分析使用，筛选之后共有103个三分向数据记录。

3.2.3 计算结果分析

筛选的103个三分向数据峰值加速度值PGA和CAVmax的对应关系如图3所示。从图3中可以看出即使是峰值未超过0.04 g，也可能产生较大的CAV值。这是因为CAV值大小与地震的持续时间有关，远震大震数据能产生峰值不大但长时间超过0.025 g的震动，计算出的CAV值较大。在高铁地震监测预警预警中如果仅用CAV值作为报警参数，可能会对破坏性不大的远震大震报警，因此CAV不能单独作为高铁地震监测预警的报警参数。

图3 汶川地震及部分余震CAVmax与PGA关系图

3.3 CAV和PGA参数联合报警

将图3中PGA以0.04 g为界，CAVmax以0.048（g-sec）为界作两条直线，可以将地震明显分为四个区域级别。如图4所示，其中0区代表远震小震没有破坏，1区代表远震大震对列车有轻度影响，2区代表近震小震对列车有轻度影响，3区代表近震大震，对列车有严重破坏。因此在高铁地震监测预警预警中联合CAV和PGA两个参数报警，能有效的排除近震小震和远震大震对高铁地震报警的干扰。PGA的报警阈值仍设为0.04 g，CAV的报警阈值根据图4分界线并考虑一定的安全性可以设为0.045（g-sec）。

图4 汶川地震及部分余震分四个区域的CAVmax与PGA关系图

目前高铁地震监测预警中，虽然对峰值加速度PGA超过0.04 g的地震报警，但是报警之后并不知道地震的基本信息。CAV与PGA参数联合报警不仅能提高单台报警的准确率，还可以通过CAV和PGA值粗略判断地震的破坏性，从而灵活地采取不同的应急处置措施，如当地震处于0区时，可认为地震对列车行驶没有影响继续匀速行驶；当地震处于1～2区时，认为地震对列车有轻度影响，需要减速运行；当地震的报警级别为3区时，认为地震对列车有严重破坏，需要紧急停车。

4 结论与讨论

用汶川地震及其部分余震数据来证实CAV参数在高铁地震监测预警中应用的可能性，结果表明CAV参数作为高铁地震监测预警的报警参数可能会对高铁安全运行影响不大的远震大震报警，但联合PGA参数可以有效地排除近震小震和远震大震的干扰，并可将地震分为四个区域采取不同的应急处置措施。

CAV和PGA参数联合报警与目前我国高铁监测使用的PAG参数报警相比要更加稳定高效，待在高铁沿线试验一段时间证明稳定后可以作为单台地震报警参数取代基于PGA参数的多台报警方式。目前CAV阈值选取依据来自于汶川地震及余震数据的统计结果，还需要高铁沿线大量的强震数据进行验证，才能得到更加合理的报警阈值。

［1］ 施伟华，崔建文，徐硕，等.快速轨道交通地震减灾对策研究［J］.灾害学，2013，28（4）：81－88.

［2］ 樊艳，京津城际高速铁路地震监控系统技术方案探讨［J］.铁路技术创新，2010（5）：116－119.

［3］ 马强，李山有，于海英，等.高速铁路地震防灾系统的应急处置范围确定［J］.铁道学报，2013，35（6）：110－115.

［4］ Electric Power Research Institute.A criterion for determining exceedance of the operating basis earthquake［R］.EPRIReport NP－5930，1988.

［5］ Electric Power Research Institute.Standardization of the cumulative absolute velocity［R］.EPRIReport TR－100082，1991.

［6］ 刘林，阎贵平，辛学忠.京沪高速铁路地震预警系统的方案及关键参数研究［J］.中国安全科学学报，2002，12（4）：75－79.

［7］ 孙汉武，王澜，戴贤春，等.高速铁路地震紧急自动处置系统的研究［J］.中国铁道科学，2007，28（5）：121－127.

Application of Standardized Cumulative Absolute Velocity and Peak Ground Acceleration for High-speed Rail Earthquake
M onitoring and Early W arning
Huang Jun，Yao Yunsheng，Chen Zhigao and Yang Jiang（Hubei Key Laboratory of Earthquake Early Warning，Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071，China）

In the research conducted by America Electric Power Research Institute in 1991，cumulative absolute velocity（CAV）is believed to be sensitive to low frequency vibration nor high frequency vibration，could well avoid alarms of high frequency small earthquakeswithout destruction.Concept and standardized algorithm of CAV are introduced briefly.Based on Wenchuan earthquake and some of its aftershocks，the feasibility of the application of CAV alarm on high-speed rail earthquakemonitoring and early warning is analyzed.Result show that CAV may give an alarm when a larger and farther earthquake happened，but an alarm method which combined CAV and PGA could exclude the interferences of the nearer and smaller earthquakes aswell as the larger and farther earthquakes.

high-speed rail earthquakemonitoring and early warning；alarm parameter；standard CAV algorithm；peak acceleration

P315.61；X43

A

1000－811X（2014）02－0213－04

10.3969／j.issn.1000－811X.2014.02.039

黄俊，姚运生，陈志高，等.累积绝对速度CAV和峰值加速度PGA联合报警在高铁地震监测预警中的应用［J］.灾害学，2014，29（2）：213－216.［Huang Jun，Yao Yunsheng，Chen Zhigao，etal.Application of Standardized Cumulative Absolute Velocity and Peak Ground Acceleration for High-speed Rail Earthquake Monitoring and Early Warning［J］.Journal of Catastrophology，2014，29（2）：213－216.］

2013－09－18

2013－11－07

湖北省自然科学基金（2012FFA063）；中国地震局地震研究所所长基金（IS20136001）

黄俊（1986－），男，湖北孝感人，助理工程师，主要从事地震预警技术研究.E-mail：huang.jun＠139.com