地震监测预警中心系统在铁路上的应用研究

2015-01-01郭奇园

铁道通信信号 2015年12期

杨林闫璐郭奇园

地震是危害最大的自然灾害，会直接破坏铁路基础设施，导致列车脱轨、倾覆等灾害。为避免或减轻这些灾害，要尽可能使列车在地震发生前或发生时减低运行速度或停运，一套有效的铁路地震监测预警系统，可使列车在灾害发生时的损失程度降至最小。在铁路较为发达的日本、法国和中国台湾地区，均针对铁路运输建立了地震报警或预警系统，以减轻地震灾害对铁路运输安全的危害。

地震报警主要通过监测S波，当地震动参数达到一定阈值后发出警报；而地震预警则是利用P波和S波的速度差、电磁波和地震波的速度差，在地震发生后，当破坏性地震波尚未来袭的数秒至数十秒之前发出预警。

1 国内外现状

目前世界上把地震监测系统用于铁路防护主要有日本和法国。

日本非常重视列车地震防灾，其地震预警系统的发展历程大体可以分为三个阶段：S波报警装置（1964年－1991年），UrEDAS——单点P波报警装置（1992年－2004年），多点P波预警与S波监测并行——快速地震报警系统EQAS（2005年至今）。其发展历程是从机械式发展到电子式，从单纯沿线监测报警到海岸和内陆异地预警，从监测S波（有局限性）到监测P波（准确度不高），再到气象厅地震紧急快报（延时较大）。尽管各类系统都不是完善预警，但日本新干线都保留了所有模式，且报警（预警）互为备份，无论哪种报警（预警）技术失效，都会有备用技术（哪怕时效性或准确性不高）作为兜底。日本地震预警系统在铁路安全运营方面发挥了重要作用，投入运营以来，多次对地震成功进行预警，对列车实施了紧急制动，保证了旅客生命安全。

法国地中海线地震监测系统仅具备报警功能而无预警，每个区段的局部监测点各自独立工作，且均与中央决策系统（马赛控制中心）相连，形成地震监测网络。马赛控制中心具有双机冗余的判别处理和报警装备，接收到监测点报警信息后，要与国家地震部门验证进行确认，通过中心报警部件向列控系统发出控制列车运行的信息。

我国大陆是一个震灾严重的国家，与日本、法国、以及中国台湾地区相比，中国大陆地震分布较广，震源分散、复杂，对铁路安全运营影响大。目前，我国虽在铁路防灾安全监控系统中设立了地震监测报警子系统，并沿铁路线设置现场监测点，但仅具备实时S报警功能，无预警功能。且没有集中统一的铁路局信息处理中心，且各自独立运行、互不连通，影响了地震灾害监测系统的深化应用。因此，开展地震灾害监测预警中心系统（简称中心系统）建设是解决现存问题的必要手段，充分利用资源，避免重复建设，对提高灾害监测预警系统应用水平有着重要的作用。为此，在对国内外地震监测与预警技术研究、对比、分析的基础上，对铁路地震监测预警系统的需求、功能、结构等进行细化研究，提出了铁路地震监测预警中心技术方案。

2 系统设计

2．1 研究目标

设计技术先进、架构合理、稳定可靠的铁路地震监测预警中心系统，全面实现铁路地震灾害监测信息的集成与共享、集中管理，更大程度地发挥监测预警系统作用，为铁路列车运行安全提供技术支撑。具体目标如下。

1．构建铁路地震监测预警中心系统，集成既有和新建的地震预警系统，形成统一的地震监测预警中心，实现地震监测、警报等信息的集中处置。

2．实现现地报警、异地预警。

3．实现与国家地震部门、调度系统、信号系统等路内相关系统的互联互通。

4．通过快速识别技术，实现预警范围、预警级别的快速确定。

5．与车载紧急处置装置配合，实现地震报警信息的快速处理，确保列车运行安全。

6．实现对地震真实性的判别，及时发布误报解除信息，实现快速恢复行车。

7．实现对地震监测预警系统设备的集中监测与维护管理。

8．统一应用软件及数据接口标准，实现系统的规范化建设。

2．2 系统功能

铁路地震监测预警中心系统主要功能分为三大块：地震预警与紧急处置、系统维护、统计分析。其中，地震预警与紧急处置是系统的核心功能；系统维护主要实现整个地震预警系统的安全运行功能；统计分析作为系统的辅助功能模块，可以生成各种类型的地震事件报表，为领导和相关部门提供数据参考。地震预警的关键功能概括如下。

1．地震信息综合处理功能。实时接收、汇总沿线各地震监测台站、国家地震台网中心（省级）上传的地震监测、预警、报警信息，对单点监测、相邻点间监测、多点监测的地震参数进行快速处理，综合分析、估算不同级别命令地震影响范围和影响范围内不同区域的警报登记，并据此发布紧急处置信息。

2．P波多点预警。汇聚各个台站P波预警信息，实时分析、计算，快速定位地震，确定震中距、震级、方位角等地震关键要素。

3．地震紧急处置信息发布功能。确定为地震事件后，计算地震加速度衰减范围，确定地震警报影响级别、影响范围，通过GSM－R系统向车载地震紧急处置装置发送地震紧急处置信息，经地震监测台站和信号接口单元分别向牵引供电系统和信号系统发送地震紧急处置信息，同时向本局调度系统和地震影响范围内的地震监测预警中心系统发送。

4．地震误报判断和解除信息发布功能。针对P波预警对地震发生的真实性进行判别，根据判别结果，通过上述相同的路径发布误报解除信息。

图1 铁路地震监测预警中心系统总体结构

2．3 总体设计

地震监测预警系统按照二层结构设计，地震监测预警中心系统作为第1层，第2层是布设在铁路沿线的现场监测设备（包括地震监测预警台站、信号接口单元）和车载紧急处置装置。中心系统实时接收地震监测台站地震监测数据、地震警报等数据，进行数据分析及处理。同时，中心系统与国家地震台网省级中心、相邻中心系统互联，进行信息共享。具体见图1所示。

2．4 结构设计

铁路中心系统软件结构采用多层架构设计，分为展现层、应用层、服务层、数据层、接口层、系统软件层和系统硬件层7层，具体关系见图2所示。

系统硬件层包括数据库服务器、应用服务器、接口服务器、通信服务器、时钟同步服务器、网络设备和存储设备。数据备份采用磁盘阵列。

系统软件层包括操作系统、数据库管理系统、存储／备份系统、应用中间件、通信中间件、数据中间件和防病毒系统等。

接口层包括地震监测台站、国家地震台网中心、GSM－R通信系统、信号接口单元、调度系统、相邻铁路局数据交换、地震监测预警综合处理分析平台等接口。

数据层包括地震监测、地震警报、设备状态、紧急处置指令、路局中心与接入系统间的通信交互过程、系统运行基础和系统管理等数据。

服务层采用SOA架构的方式，提供数据、业务、流程、访问、安全认证、系统日志、系统资源监控等服务，实现数据访问、数据协议和格式转换、数据订阅／发布、数据传输、数据存储、地震警报、紧急处置命令生成等功能。

应用层功能主要由后台服务模块提供，包括地震预警P波识别、地震影响范围计算、地震警报信息发布、地震台网中心接入、中心与台站、信号等接口单元信息交互、地震数据存储与分析、系统诊断与维护、资源管理、日志管理、业务监控等模块。

展现层主要由客户端软件提供，采用WebService和MQ等协议与后台进行交互，提供地震信息监控操作、基于GIS的地震信息综合展示、数据综合统计分析、地震波形分析／展示等界面功能。

3 系统的关键技术

3．1 异地预警

及时监测地震的发生，根据地震发生强度和地点，快速确定地震破坏（影响）范围，并向影响范围内的列车发出预警信息，采取必要的措施确保列车处于安全运行状态，这是铁路地震监测预警的最根本与最重要的目标。采用异地预警技术，能够更加有效地实现对地震影响范围内列车发出预警，为相应系统采取措施争取时间，异地预警的本质就是通过时间、空间和传输速度的差异带来的时间差来实现。本系统通过基于S波、基于P波、基于国家地震预警系统三种方式实现异地预警。

3．2 预警误报解除

基于P波预警是一项全世界范围内的尚未成熟的前沿技术，由于理论和技术上的限制，会产生误报的情况，如果误报信息不能及时发现并采取相应的措施，将会给铁路正常的行车秩序带来严重的影响，因此必须采取相应的技术手段，确保实现P波预警误报信息被及时识别和消除。本系统采用以下2种方案实现误报的识别与解除。

实时采集地震监测信息，监视P波预警发出后其后续S波的峰值，如果后续S波如期到来并超过设定的阈值，证明P波预警是正确的，如果后续S波没有到来或没有超过设定的阈值，则前期的P波预警即为误报。

通过地震部门台网（国家地震预警系统），实时接受地震预警和地震速报信息，如果在P波预警发出120s后，没有收到国家台网的地震速报信息，或速报信息中地震的强度没有超过铁路地震监测预警系统设定的阈值，则前期的P波预警即为误报。

当确认所发送的P波预警信息为误报信息后，中心系统通过网络向影响范围内的地震监测台站、信号接口单元、车载紧急处置装置发送预警解除信息，使牵引供电系统、列控系统和车载紧急处置装置采取相应措施，恢复列车的正常运行。如果影响范围超出本局管辖范围，预警信息还将被发送到相邻的中心系统，相邻中心系统按照上述原则采取同样的措施。

3．3 紧急处置命令生成技术

铁路地震监测预警中心系统紧急处置命令生成技术，是通过应用服务器技术和GIS空间技术完美的结合来实现的。采用空间和非空间数据的联合运算，其运用手段包括各种几何的逻辑运算、数理统计分析，代数运算等数学手段，来提取和传输地震影响范围，自动生成紧急处置命令。GIS中实现空间分析的基本功能，包括空间查询与量算，缓冲区分析、叠加分析、路径分析、空间插值、统计分类分析等。