高速铁路地震预警监测系统工程设计方案研究

闫宏伟,黄乃斌,赵泽宇,尹福康

(1.中国铁路经济规划研究院有限公司,北京 100038； 2.中国铁路设计集团有限公司,天津 300308)

地震是对铁路行车安全危害性极大的一种自然灾害，尤其随着我国大面积高速铁路建设，列车运营速度已达到350 km/h，对其运行安全有了更高的要求，提出了新的挑战。地震对路基、轨道和桥梁等的冲击，会造成铁路路基下沉移位、钢轨变形断裂、桥梁与隧道混凝土剥落等基础设施结构破坏，可能引发脱轨等以致车毁人亡的重大事故。必须通过对铁路沿线可能发生的地震进行预警，并配备相应的处置预案以保证列车运行安全。

地震发生时产生P波、S波2种地震波，P波传播速度较快、破坏性较小，S波的传播速度较慢、破坏程度比较大。地震P波预警基于P波和S波的速度差来实现，当S波尚未来袭的数秒至数十秒之前发出预警预告，从而采取相应措施，避免重大损失[1]。

1 国外高速铁路地震预警监测概况

日本、法国等国家铁路均装备了地震预警监测，实时检测地震报警信息并及时触发列车制动，将地震造成的损害降到最低。

日本是一个多地震国家，在20世纪60年代建造东海道新干线时，就考虑了铁路地震预警监测措施。迄今为止，现行的地震预警系统为第四代产品，同时具备P波预警和阈值报警两种功能。地震仪同时布设在近震源海岸和铁路沿线，地震仪的设置间隔分别约为100 km和于20 km，海岸地震监测点的设置及与铁路沿线地震监测点的连接如图1所示[2]。

图1 日本地震监测点设置示意

新干线地震预警系统与COSMOS综合运输管理系统相互衔接，实现信息集中管理，各部门调度可同时得到同一信息，根据灾害级别进行运输管制，并采取切断供电电源或经自动控制系统控制列车减速、制动运行等措施。当检测到地震，地震仪通过中继装置将信息发送到铁路沿线的变电所，变电所对应的装置根据接收到的信息判断是否需要报警。通过对历史资料分析，当沿线地震计监测到的地震强度大于设定的报警阈值40 gal或海岸监测点地震强度大于设定的报警阈值120 gal时，变电所停止供电，同时列车上的地震车载装置据此随即实施紧急制动[3]。

法国地震按烈度设防，建立了地震检测网络(RDS)，并开始建设高速铁路地震预警监测报警系统[4]，监测点设置平均间隔为10 km，各监测点与控制中心相连。地震处置采用列控系统控制模式，收到地震报警信息后由列控系统自动控制列车停止运行。法国报警阈基于工程经验，报警采取二级处置，对应的阈值分2档，即40 gal限速170 km/h、65 gal停车。40 gal的地震可能会引起轨道结构等永久变形，而65 gal的地震将会造成建筑物不可恢复变形。

我国台湾铁路采用与气象局合作方式，委托气象局建设地震监测速报系统。地震计布设于高速铁路沿线，分为主地震计和副地震计两类。主地震计设置于车站内主机房，通过ATC控制列车停车。副地震计设置于沿线小机房内采集地震信息。在综合调度所设置中心系统，并与气象局交互信息。报警阈值设置为大于40 gal时列车停车。

2 国内高速铁路地震预警监测概况

自2012年以来，经过科技攻关，已经完成了高速铁路地震预警系统的研制。

2015年6月11日，原中国铁路总公司科技管理部会同中国地震局科技司在北京组织专家对《大西线高速铁路地震预警系统试验实施方案》进行了评审，指导大西线地震预警系统试验的实施，同意通过方案评审。大西线高铁地震预警系统试验积累了大量试验数据，取得了良好的试验成果，实现了高速铁路地震快速预警及紧急处置技术的突破[5]。

2016年7月28日，原中国铁路总公司科技部会同中国地震局科技司在北京组织召开高速铁路地震预警监测铁路局中心系统和车载地震紧急处置装置的试用评审会，系统通过了试验评审，具备了上道试用条件。

2016年底前针对广铁集团的海南西环，北京铁路局京津、津秦、京沪高铁，沈阳铁路局哈大高铁，乌鲁木齐铁路局兰新高铁开展了既有地震监测系统的现场调研，了解既有地震监测系统的运用和维护现状以及存在问题，目前正针对京沪高铁既有地震监测系统开展重点调研，优先制定京沪高铁既有地震监测系统的升级方案，将地震预警的新成果展示在京沪高铁示范线上。

2018年原中国铁路总公司分别发布了《高速铁路地震预警系统技术条件》以及《铁路自然灾害及异物侵限监测系统工程技术规范》，以规范地震预警监测系统的工程设计、施工和验收，完善相关技术标准。

目前，地震与其他自然灾害监测预警系统相对独立构建，由铁路局中心系统、现场监测设备两级构成，其架构如图2所示。

图2 地震监测系统架构

地震预警监测铁路局中心系统应设置服务器、存储设备、监测终端、网络及安全设备、时间同步设备等，设备根据工程需要按铁路局冗余设置或者按线路冗余设置，实现现场监测设备与国家地震台网等实时信息接收，对接收到的信息按时间优先顺序进行综合分析处理，向处置范围内的列控系统、牵引供电系统等发送紧急处置信息、警报解除等主要预警与防护列车运行功能[6]。

3 监测终端工程设计方案研究

监测终端分为监测业务终端和监测维护终端。监测维护终端根据运营维护需要设置在相关管理单位。监测业务终端布设方案有按局布设和按调度台布设两种方案，两种方案，根据运营组织需要及调度所调度台位置预留等情况综合开展设计。

3.1 全局布设一个业务终端

全局设置唯一的业务终端将提供局内所有台站的地震预警、报警信息、处置信息，邻局的地震警报信息，地震台网的地震预警信息、速报等信息。信息显示全面，即符合地震面状传播和影响的特点，也利于业务人员全局掌握地震影响铁路范围。工程实施简单，对调度中心正常运营影响小。无需考虑按台推送地震信息，软件设计相对简单。

一个铁路局仅一个调度人员首先掌握信息，各线路调度台调度员稍后掌握信息。由于地震预警系统是自动进行处置的，并不影响整体处置效果。但目前风、雨、雪、异物侵限业务监测终端采用按调度台设置，可能会在布置与人员安排上带来一定不协调。

3.2 每个调度台布设一个业务终端

每个调度台只收到影响到本台管辖范围的地震预警、报警信息，处置信息；邻局地震报警信息和台网地震信息也经过筛选过滤后只发往受影响的调度台终端。地震发生后，在受影响的调度台业务终端同步显示信息，便于调度员及时掌握地震影响本台的情况。

每调度台设置一个业务终端，工程实施较复杂，业务影响较大；按调度台推送地震信息，信息推送业务逻辑复杂，软件设计相对复杂。与全局设置一个终端相比，监测业务终端数量增多，需要占用调度所更大面积，成本相应增高。

4 现场监测设备设计方案研究

现场监测设备包含监控单元和地震计。借鉴国外紧急处置技术，结合我国技术特点与需求，我国采用信号触发列控系统实施紧急制动和牵引触发停止向接触网供电并行的处置方式，因此监控单元具备与牵引供电系统接口功能、与列控系统接口功能[7]。

4.1 地震计设置

地震动峰值加速度0.1g及以上的铁路区段设置监控单元和地震计[8]。工程设计中，地震计设置间距一般为25 km，成组设置于牵引变电所、分区所、AT所内，每组内两个地震计水平间距不宜小于40 m，每个测震井内设置1个地震计。在工程建设中，根据选址及工程地质情况等因素影响，优选地震计设置位置与线路中心线距离不宜小于50 m，无列车影响时场地背景振动噪声小于0.1 gal，以减少或避免设备受列车运行振动产生误报而影响正常运行，提升设备的可用性。

4.2 监控单元设置

目前我国通过认证上道许可，监控单元根据具备功能不同，可分为具备地震预警监测功能、具备牵变触发功能、具备信号触发功能3种类型，设备结构相对独立。

具备地震预警监测功能的监控单元与地震计同址设置。

具备牵变触发功能的监控单元宜设置于牵引变电所，与具备地震预警监测功能的监控单元同址设置。

具备信号触发功能的监控单元根据列控中心位置，可合理设置于牵引变电所、分区所、AT所、基站、中继站、线路所、车站等处所，场地背景噪声和地震计布设距离符合要求时，可设置于电力配电所、中继站、基站等处。

4.3 信号触发监控单元设置方案

目前地震预警现场监测点主流设计方案，具备地震预警监测功能与具备牵变触发功能的监控单元设备合设于牵引变电所等处同一机柜内，具备信号触发功能的监控单元设备设置有两种方案[9]。

4.3.1 设置于牵引变电所

具备信号触发功能的监控单元与其他两种监控单元设置在牵引变电所等处。沿线路两侧电缆槽各敷设一条信号电缆至相邻的信号列控中心。当该处生成地震报警后设在牵引变电所、分区所、AT所等处的具备信号触发功能的监控单元继电器组合动作，通过敷设的信号缆联动触发列控系统相应动作，如图3所示。

图3 信号触发监控单元设置于牵引变电所示意

4.3.2 设置于通信机房

具备信号触发功能的监控单元设置在信号列控中心相邻通信机房，并敷设两条室内信号缆接至相邻信号列控中心，地震预警监测功能的监控单元和邻近的具备信号触发功能的监控单元之间通过通信传输通道连接。当生成地震报警后，通信传输通道将地震报警信息发送到信号触发监控单元，触发该监控单元继电器组合动作，通过敷设的信号缆联动触发列控系统相应动作，如图4所示。

图4 信号触发监控单元设置于通信机房示意

4.4 信号触发监控单元设置方案对比分析

4.4.1 工程投资测算

本次分析选取京沪高铁运营里程K0+000～K237+860段作为测算区段。该区段地震动峰值加速度超过0.1g。根据规范及技术条件相关要求，并参考既有京沪高速铁路防灾安全监控系统图纸等相关资料中的设置情况分析，该区段设置地震仪监测点共有11处，相关控制的列控中心共有22处，包含16处中继站、2处线路所和4处车站。

当采用设置于牵引变电所的方案，根据地震采集点至列控中心距离、单条实际缆线长度，并考虑电缆弯曲系数(选取1.05)，每条电缆考虑50 m的富余量，最终得出共需敷设信号电缆269 158 m(双条)，信号电缆采用PTYL23型4芯缆。每处列控中心考虑缆线敷设挖沟50 m，钢管防护100 m。22处共计1 100 m电缆沟，2 200 m钢管防护量。计算按照相关预算定额在铁路工程定额软件计算并考虑结尾相关税费，计算测算工程投资约为500余万元。

当采用设置于通信机房方案时，信号触发监控单元设置于信号机械室旁边的通信机械室，敷设每条缆线按平均50 m一条考虑，共敷设2 200 m的PTYL23型4芯缆。每处通信机械室单独设置地震预警监测系统专用配电箱，电力专业共需设置22处电力配电箱，并考虑外电部分引入的电缆费用。通信专业需为每处信号触发监控单元提供至铁路局中心系统和相邻地震预警监测点的传输通道，此部分可利用通信专业既有通道及设备接口，暂不计列投资。上述费用加上信号触发监控单元独立设置时需要新增的监控单元主机、网络接口、UPS等设备测算投资为1 000余万元。

4.4.2 优缺点分析

信号触发监控单元设置于牵引变电所方案相关监控单元全部设置在牵引变电所，监控单元主机、网络和电源等设备可合设，设备投资较低。设备集中设置可减少设备维护工作量，但需敷设2条信号电缆至邻近的列控中心，增加了缆线和相关敷设与防护的投资。同时，目前地震预警监测与信号触发两个监控单元设备相对独立，监控单元主机、网络和电源等设备没有共用，还需独立设置信号触发监控单元。

信号触发监控单元设置于通信机房方案无需敷设较多的信号电缆，仅需在通信机械室和列控中心之间敷设较短的室内信号电缆，节省了缆线及相关配套工程的投资。但信号触发监控单元在每个列控中心都需单独设置，增加了信号触发监控单元设备数量、相关电力配套设备及通信机械室一个机柜位置。

上述两种方案均可实现地震预警监测功能。目前，工程设计通常根据信号触发监控单元与列控系统接口距离，5 km范围内将信号触发监控单元设置在牵引变电所，通过长距离电缆与列控接口单元连接。通常牵引变电所与一侧中继站距离在5 km范围内，另一侧往往超过5 km，仍需分别在牵引变电所及较远中继站分别设置两套信号触发监控单元，既使用了长途电缆也使用了2套信号触发监控单元，造成一定浪费。若随着运营维护需求及技术手段发展，能将不同类型监控单元进行整合，可以节省机房面积及部分投资，降低日常维护劳动强度。

按照目前相关设备的情况，随着工程开展，相关工程设计时还应根据实际情况和当时的设备报价进行分析比选，确保工程设计的技术科学性与经济合理性。

5 结语

地震监测系统是高速铁路灾害监测系统不可缺少的部分，对高速列车运行过程中遭遇地震的应急处置起到了至关重要的作用。随着2018年地震预警监测系统相关规范发布，工程建设更加标准化，随着科研技术发展，如地震预警监测、牵变触发和信号触发监控单元设备进一步整合后，工程投资各方面将逐步降低，地震计防水性能及预警准确率进一步提升。本文在对日本、法国等高速铁路地震预警系统的现状进行了总结基础上，结合技术与建设标准规范对我国高速铁路地震预警系统的工程设计进行分析，针对调度中心业务终端以及具备信号触发功能的监控单元设置方案比较分析，为工程设计提供参考。