高速铁路地震预警紧急信息服务系统设计与分析

高 楠，闫 曦，王 松，侯建民

（1.中国地震台网中心，北京 100045；2.中国铁道科学研究院，北京 100844）

高速铁路地震预警紧急信息服务系统设计与分析

高 楠1，闫 曦2，王 松1，侯建民1

（1.中国地震台网中心，北京 100045；2.中国铁道科学研究院，北京 100844）

我国高速铁路的快速发展，对铁路安全保障提出了更高的要求。高速铁路地震预警系统的建立是减轻和避免地震灾害的重要手段。介绍了地震预警的基本原理和各国在高铁预警方面的应用及实践，提出了高速铁路地震预警紧急信息发布系统的设计架构，从业务逻辑、信息发布流程、服务产品、通信网络等几个方面分别进行了阐述，为地震预警系统面向行业用户的紧急信息服务系统建设提供了参考和借鉴。

高速铁路；地震预警；信息服务

0 引言

近年来，我国高速铁路事业蓬勃发展，现已拥有全球里程最长的高速铁路网。至2015年末，我国铁路营业里程达到12.1万公里，高速铁路营业里程超过1.9万公里，基本建成“四纵四横”的客运专线[1]。可以说，铁路是国民经济的大动脉，关乎国计民生。在影响高速铁路运行安全的自然灾害中，地震虽然发生概率相对较小，但危害性最大[2]。我国也是世界上地震多发的国家之一。如2016年，国内共发生5.0级以上地震33次（大陆地区18次，海域和台湾地区15次）。其中，6.0～6.9级地震9次；5.0～5.9级地震24次[3]。高铁运营线路近一半处于7度及以上地震危险区。以京沪铁路为例，沿线穿越了华北平原地震带、郯城—营口地震带、淮河地震带和长江中下游—南黄海地震带等4条主要地震带。在近场区内，有第四纪活动断裂77条，其中全新世活动断裂6条，晚更新世活动断裂15条[4]。历史上发生的可能危及高速铁路的地震约有20次，20世纪以来的危险性地震有7次[2]。因此，如何减轻和避免地震灾害对高速铁路的危害是当前研究的重要课题。通过借鉴国外地震预警的经验，结合国内高铁运行和发展的现状，建立可靠且高效的地震预警系统，是确保高速铁路生命线安全的关键。

1 地震预警的基本原理和各国预警系统现状

1.1 地震预警基本原理

地震预警的基本思想是利用电磁波的传播速度（约30万公里/秒）远大于地震波速（约10公里/秒），地震P波传播快于地震主运动 S波与面波的特点，在地震波或地震主运动尚未到达给定地点时[5]，利用P波和S波的速度差、电磁波和地震波的速度差，在地震发生后的数秒至数十秒之前发出预警信号，从而及时采取相应措施，避免地震灾害造成重大的人员伤亡和经济财产损失[6]。

传统地震预警系统的预警方式是地震动值预警，即直接利用地震动值是否超过给定的阈值来判断是否进行预警[7]，不区分P波与S波震相，不确定地震的有关参数，有效性相对较低。而现代地震预警系统的预警方式是地震参数预警，即利用地震监测台站监测到的P波或S波确定出地震的震级、震源深度、震中距等参数，从而确定需要进行预警的范围和级别，决策时间相对较长，但有效性较高[6]。

1.2 各国预警系统现状

随着信息技术的发展，日本、墨西哥、法国、美国及中国台湾地区等纷纷建立了地震预警系统，土耳其、哥斯达黎加、罗马尼亚、立陶宛等国也有类似预警系统的部署[8]。

我国政府高度重视防震减灾工作，为适应政府、社会和公众对减轻地震灾害的需求，以及促进地震科学研究的进步，中国地震局根据国家发展改革委批复，将实施国家地震烈度速报与预警工程项目。项目将实现全国分钟级仪器地震烈度速报和重点地区秒级地震预警，为政府应急决策、工作逃生避险、重大工程地震紧急处置、地球科学研究等提供服务，维护国家安全和社会稳定，最大限度的保护人民生命财产安全。

地震预警系统除了应用于一般的防震减灾领域，还面向各级政府有关部门、社会公众、新闻媒体等，在核电、水利、燃气、化工、医疗卫生、教育、商业等重要领域中也有所应用，高速铁路预警系统是其中的代表之一。

2 高铁预警系统的实践与应用

日本气象厅等公共机构在20世纪晚期大力推进全日本建立起地震观测网，推进发送“紧急地震速报”计划。基于气象厅的早期地震监测系统，铁道综研所进行了利用紧急地震速报的早期铁路地震预警系统的研发[9]，系统经过三次升级。日本新干线公司在新干线沿线多处设置地震仪，预警系统在不同时期发生的阪神大地震、新泻中越地震、“3·11地震”中得到应用。

台湾中央气象局在1994年开始投入地震预警系统的研究工作[6]。台湾高速铁路是连结台湾台北市与高雄市两市之间的高速铁路系统，线路全长345km，已于2007年3月2日正式通车，最高运营速度设定为 300km/h。台湾高铁在建设过程中根据具体的线路情况进行地震预警的相应设计。为实时侦测到地震警讯，台湾高铁在高铁沿线的区域内设计并建置天然灾害告警系统（DWS，Disaster Warning System） 及相关设备。“地震告警系统”是其重要的子系统。告警系统主要分为即时强地动观测网、资料传输线路、快速资料处理中心、地震消息发布途径四个部分。地震告警系统在嘉义地震、茂林地震中都得到了应用。

法国沿地中海线高速铁路设置24个地震监测点，建立了地中海线地震预警系统[10]。该系统投入后，并未发生达到触发条件的地震事件。

在我国，许多学者也开展了高速铁路预警系统的相关研究工作。从2004年起，中国地震局开始着手建立地震可能发生区危险可信度分级预警系统[6]。预警系统中，地震部门针对高铁行业在地震紧急处置、恢复行车、震后高铁线路安全评估与救援等方面的需求提供地震预警紧急信息服务。

本文仅以高铁预警系统为例，提出地震预警紧急信息服务系统的架构设计。

3 高速铁路地震预警紧急信息服务系统架构

地震预警中心一般由数据处理系统、紧急地震信息服务系统、通信网络系统及技术支持与保障系统等四个系统构成。图1为地震预警中心业务逻辑流程图。

3.1 紧急地震信息服务系统整体架构

紧急地震信息服务系统包括国家级、省级和地市级三级紧急地震信息服务发布平台，主要由软硬件支撑平台、信息处理系统、信息发布系统三个部分构成，如图2。

其承担的主要任务就是根据数据处理系统推送的地震报警与预警、烈度速报等高铁行业急需的地震信息，利用发布系统定制化的处理和加工，形成最终的服务产品，通过专用接收终端或软件等各种通信媒介，以专用网络方式推送至高铁用户，实现地震预警、地震参数速报、烈度速报、地震动参数速报、应急响应等多类地震信息服务产品的快速产出和面向用户的有效服务，使预警系统的防震减灾效能得到切实体现，是预警系统的重要组成部分，也是预警中心综合效益的集中体现。

图1 地震预警中心业务逻辑流程图Fig.1 The business logic chart of the earthquake early warning center

图2 紧急地震信息发布平台架构图Fig.2 Emergency earthquake information publishing platform architecture

软硬件支撑平台的构成主要包括网络系统、私有云平台和数据库系统，是为应用系统提供运行支撑的基础平台。软件的功能包括地震预警信息生成、地震速报信息生成、地震烈度信息生成、信息发布、用户管理、系统运行监控、系统安全、服务内容设计等。

信息处理系统的主要功能包括信息汇聚、信息加工和信息发布等，是紧急地震信息服务系统的核心单元，是实现紧急地震信息有效服务的关键环节。

信息发布系统的功能是向各类用户实时发布紧急地震信息，包括面向高铁行业的信息发布。

3.2 紧急信息发布流程

紧急信息发布平台接收数据处理中心实时地震数据处理结果，并根据既定策略加工处理，之后进行数据打包，经专线网络传输系统实时向服务对象推送紧急地震信息服务产品。信息发布流程如图3所示。

图3 信息发布流程图Fig.3 The flow chart of information release

3.3 紧急信息服务产品

地震预警基础数据库能为紧急信息发布系统提供可靠的数据保障，针对高铁行业对预警信息的需求，根据高铁所处位置地质条件量身定制所需要的预警信息。同时，可以按需求的相似性划分类别并建立对应的应用主题和数据内容，在地震预警事件触发时，使高铁能高效准确的收到需要的预警信息服务产品并做出相关决策。高速铁路时速在300km左右，列车行驶方向、铁轨受地震波冲击后是否存在变形、警报何时解除、误报后的处理措施等都需要进行分析和设计。其紧急地震信息服务产品主要有紧急制动产品、恢复行车产品和安全评估与紧急救援产品，如表1所示。

高铁用户利用接收到的紧急地震信息服务产品，一方面通过列车控制系统、车载紧急处置终端、牵引接触网断电等手段对列车实施制动减速、紧急停车等应急处置措施，另一方面作为恢复行车、安全评估和紧急救援的决策依据。

表1 紧急地震信息服务产品表（高铁用户）

图4 网络连接示意图Fig.4 The schematic diagram of network connection

3.4 紧急信息服务通信网络

高铁行业因其特殊性，需要快速获取地震预警信息。其网络通信可租用运营商专线，实现预警信息的高可靠、低时延的传输。通过专线方式为高铁铁路局提供紧急地震信息服务，网络连接如图4所示。

在对接产品服务的实现上，首先将台站实时观测数据和紧急地震信息推送到高速铁路数据与信息交换区，然后通过专线发送至铁路总公司交换平台，此后通过铁路行业网分发至铁路局各地震预警中心。

4 结论

随着我国高速铁路事业的蓬勃发展和防震减灾技术的不断进步，高铁地震预警研究作为一个新的研究课题越来越受到人们的关注。建立起适应我国地震监测环境与能力的高铁地震预警系统，是确保高铁运行安全的重要环节。

本文介绍了地震预警的基本原理和高铁预警的发展现状，提出了高速铁路地震预警紧急信息发布系统的设计架构，从业务逻辑、信息发布流程、服务产品、通信网络等几个方面分别进行了阐述，希望能为服务于不同领域用户的地震预警紧急信息服务系统相关规划和设计提供参考，相信通过地震预警系统和各行业的技术对接，能为各行业提供满足其行业技术要求的应急服务产品，进一步提高防震减灾公共服务水平。

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Abstract：With the rapid development of China's high-speed railway, rail safety and security put forward higher requirements. The establishment of high - speed railway earthquake early warning system is an important means to reduce and avoid earthquake disaster. The paper introduces the basic principles of earthquake early warning and the application and practice of earthquake early warning in high-speed railway.And the design structure of emergency information release system of high-speed railway is put forward in the paper. It is described from business logic, information release process, service product, communication network and so on .The design provides a reference for the construction of the emergency information service system for the industrial users.

Key words：high-speed railway; earthquake early-warning; information service

Design and Analysis of Emergency Information Service System for Highspeed Railway Earthquake Early-warning System

GAO Nan1， YAN Xi2，WANG Song1，HOU Jian-min1
（1. China Earthquake Networks Center, Beijing 100045, China;2. China Academy of Railway Sciences, Beijing 100844, China.)

P315.9；G222

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.03.016

1674-8565（2017）03-0087-05

2017-06-09

2017-08-03

高楠（1989-），女，山东省烟台市人，2012年毕业于防灾科技学院，本科，助理工程师，现主要从事地震监测及地震预警项目管理方面的工作。E-mail：gaoran@seis.ac.cn