城市轨道交通地震预警 紧急处置系统设计研究

杨 林，闫 璐，张格明

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司 通信信号研究所，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团 有限公司 科信部，北京 100081)

我国是地震灾害特别严重的国家之一，在西南、西北、华北以及东南沿海的广东福建以及台湾海域等5个地区分布了23条地震带，地震活动频度高、强度大、震源浅。近10年来，全国城市轨道交通发展迅猛，除了4个直辖市和沿海地区，中西部及东北地区的武汉、成都、昆明、沈阳等城市也都在快速发展轨道交通[1]。目前，我国正在全国范围内实施“国家地震烈度速报与预警工程”，通过国家级地震台网中心的建设，华北、南北地震带、东南沿海和新疆天山中段4个重点区具备秒级地震预警能力，全国具备分钟级地震烈度速报能力，并为政府、公众、学校以及铁路等示范用户提供信息服务。现有城市轨道交通系统对地震的处置手段是采用人工方式，在地震发生时通过电话接受本地区地震预报部门报警，调度员采取人工手段进行调度控车，时间延迟较长、处置效率较低。因此开展城市轨道交通地震预警紧急处置技术研究十分必要，研究适应于我国城市轨道交通的地震预警紧急处置技术，构建地震预警紧急处置信息中心，通过中心接收国家地震台网、现场地震监测设备的地震信息，自动生成紧急处置信息并快速向基于通信的列车自动控制系统(CBTC)、运输管理等部门发送，实现地震发生时地震预警信息到紧急处置信息的快速转换和自动上车，可大大缩减城市轨道交通的地震应急处置时间，显著提升地震防灾水平。

1 城市轨道交通地震预警紧急处置系统架构设计

1.1 城市轨道交通地震预警紧急处置方式

目前国内轨道交通针对地震的紧急处置普遍采用应急管理模式，该模式主要为震后应急管理，需要调度员通过电话或者网络等收到地震台网发布的信息后，人工下达调度命令去控制列车运行，效率较低。城市轨道交通地震预警紧急处置方式是自动为主，人工为辅，其处置方式主要涉及到系统的震时紧急处置策略，时间和效率大大优于原来人工干预的手段，包含3个方面的内容。

（1）地震处置方式。城市轨道交通的速度目标值一般不超过100 km/h，主要服务于中心城区的通勤客流，其服务半径一般不超过35 km，区间和车站均以地下或高架为主，行车密度大，最小行车间隔在1 ~ 5 min内，一般采用站站停的运营方式。综合考虑我国城市轨道交通车速、发车间隔、车站长度、主要结构物的抗震性能、对恢复运营的影响、车站疏散能力等诸多因素，地震发生时，地面振动一般不会引发桥梁、隧道、接触网、供电轨等结构出现明显震害，但可能引发行进中的列车发生脱轨[2]。为了保证列车安全运行以及人员安全，地震发生时采用紧急处置使列车停车，待地震波过去后，立即启动列车驶入邻近车站。

（2）控制列车停车方式。采用自动控车为主，行车调度员控制为辅的紧急处置方案。建立地震预警紧急处置中心，实时接入地震预警信息，对信息进行综合分析处理后，生成紧急处置信息，通过列控系统和制动系统实现列车自动停车，不需要人员控制。自动控车的地震紧急处置可通过2种路径实现，一种是通过地震预警紧急处置中心与CBTC列控地面中心(ATS)之间的接口，由ATS接收中心紧急处置信息并向车载控制器(VOBC)发送，实现地震发生时列控系统的自动控车；第二种是通过地震预警中心与通信系统之间的接口，由通信接口单元接收中心紧急处置信息并以无线局域网(WLAN)或城市轨道交通车地综合通信系统(LTE-M)等方式，向车载地震紧急处置装置发送，通过列车上的车载地震紧急处置装置实现列车制动[3]。

（3）地震紧急处置阈值的确定。报警阈值作为报警和处置的重要参数，直接决定地震预警系统对列车的处置策略。报警阈值设置过低，对轨道交通影响不大的小震或远震也可能触发系统报警使列车限速或停车，影响运输秩序，报警阈值设置过高，近震或大震发生时地震波幅值增长快，发出警报与破坏性地震波达到时间过短，系统会损失一部分提前预警的时间，无法充分发挥纵波(P波)提前预警的功效。借鉴高速铁路地震预警系统报警阈值的设定原则和经验，考虑到城市轨道交通站间距较近，列车速度较低等因素，基于轨道交通列车-轨道-桥梁动力耦合分析计算结果，提出轨道交通的地震警报阈值设为40 gal[4-8]，当3方向加速度峰值大于等于40 gal时就采用停车的紧急处置[9]。

1.2 系统架构设计

（1）设计目标。建立城市轨道交通地震预警紧急处置系统，接收地震台网、城轨现场地震监测设备的地震预警信息、阈值报警信息、地震速报等信息，对信息进行综合分析、协同处理，快速生成紧急处置信息，并将紧急处置信息自动发送到列控系统和车载地震紧急处置装置，实现列车的紧急控制。在发生地震时，系统还将地震预警、紧急处置等信息实时发送到列调终端、维护终端、运输管理部门，便于调度人员和管理人员实时掌握地震灾害情况。

（2）架构设计。城市轨道交通地震预警紧急处置系统由现场地震监测设备、地震紧急处置信息中心、通信接口单元组成。城市轨道交通地震紧急处置系统架构如图1所示。

图1 城市轨道交通地震紧急处置系统架构图Fig.1 Architecture of earthquake emergency response system of urban rail transit

由图1可以看出，现场地震监测设备沿城轨线路部署，通过专用通信传输网络向地震紧急处置信息中心传输地震预警、报警等信息，地震台网通过专线的方式接入城轨系统通信传输网络，向地震紧急处置信息中心传输地震预警、报警、速报及地震烈度等信息。地震紧急处置信息中心部署于城轨调度机房，分别设立现场监测设备接口服务器和地震台网接口服务器接收城轨现场地震监测设备、地震台网的地震信息，对信息进行综合处理，生成紧急处置信息，通过CBTC接口服务器实时向列车自动监控系统(ATS)发送，ATS收到紧急处置信息后，以WLAN的方式向车载VOBC装置发送，实现列车的紧急制动。同时，地震紧急处置信息中心还通过通信接口单元以WLAN和LTE-M的方式实时将紧急处置信息发送到车载地震紧急处置装置中。此外，地震紧急处置信息中心还实时将地震报警信息、紧急处置信息发送给行车调度、维修调度等相关系统，便于运输管理人员全面掌握地震灾害信息及其处置流程。

（3）系统主要功能。城市轨道交通地震紧急处置系统主要功能有6个。①信息接收功能。实时接收地震台网的预警信息、自动速报信息、正式确报信息等，现场地震监测设备的监测信息、预警信息、报警信息等，以及设备工作状态信息。②信息融合处理功能。对接收到的信息依据时间顺序和信息类型进行融合处理，计算地震烈度衰减范围，叠加轨道交通线路模型数据，生成不同处置范围和级别的紧急处置信息。③紧急处置功能。通过专用通信传输网络向CBTC地面系统发送相应级别的紧急处置信息。④信息存储功能。将接收到的地震警报信息、紧急处置信息、系统工作状态信息等进行存储。⑤信息综合显示功能。用于为控制中心各调度岗位提供地震预警、报警、紧急处置等全过程信息展示；针对维修调度，除显示上述各项信息外，还显示系统的工作状态信息。⑥地震警报解除功能。地震事件结束后，向CBTC地面系统以及相关调度发送地震警报解除信息，解除地震事件影响。

（4）系统主要界面。地震紧急处置信息中心给调度提供实时信息展示界面，为各调度工种配有监测业务终端界面，监测业务终端能够实时显示地震台网发送的地震预警、报警、速报等信息，现场地震监测设备发送的预警、报警等信息，地震紧急处置信息中心生成的紧急处置信息等。此外，监测业务终端还能显示系统的运行工作状态信息。

2 城市轨道交通地震预警紧急处置系统信息构建处理

在系统架构确定后，城市轨道交通地震预警紧急处置系统通过对信息处置流程进行分析，采用Petri网时序建模手段，对信息进行构建与处理，实现了地震预警信息到紧急处置信息的快速转换，大大减少了地震信息处理时间，提高了地震预警处置效率。

2.1 信息的处置流程

地震紧急处置信息中心实时接收地震台网的预警、报警等信息，同时也实时接收现场地震监测设备发送的纵波(P波)预警、阈值报警等地震警报信息，通过对信息进行综合分析、融合处理，计算地震影响城轨线路范围，生成紧急处置信息并向相应目的地发送。鉴于地震台网预警信息精确度通常较高，一般优于城轨自建台站本地预警数据，所以，在对台网预警和本地预警等数据进行处理时，遵循警报升级、台网信息优先利用原则进行处理，可以提高处置效率，提高地震处置精度。城市轨道交通地震预警紧急处置系统信息处理流程如图2所示。

图2 城市轨道交通地震预警紧急处置系统信息处理流程图Fig.2 Information processing flow chart of earthquake emergency response system of urban rail transit

城市轨道交通地震预警紧急处置系统对现场地震监测设备和地震台网预警、报警信息的处理流程如下。①中心实时接收地震台网地震预警信息，对信息进行分析与处理，计算影响线路范围，生成紧急处置信息，向通信接口单元、列车自动监控系统(ATS)和相关调度终端发送，中心同时将警报信息向终端发送。②当收到地震台网信息后，后续收到城轨现场地震监测设备发送的地震预警信息，中心仅保存现场地震监测设备地震预警信息，并不进行分析处理。③当收到预警信息后，后续收到地震台网、现场地震监测设备发送的地震阈值报警信息，中心对信息进行分析处理，计算警报影响范围和级别，与最近一次处置信息进行比较。④当处置信息升级(范围扩大)时向通信接口单元、列车自动监控系统(ATS)和相关调度终端进行发送，中心同时将警报信息向终端发送。

通常情况下，地震台网预警信息要早于城轨沿线自建台站预警信息，本着台网信息优先处理原则，中心对于后续收到的台站预警信息，不予处理。但如果中心先收到沿线自建台站预警信息后，可先行进行处置，后续再收到台网信息，再按照上述流程进行处理。

2.2 信息分析与处理

Petri网可用于模拟系统的动态运行过程，反映系统的动态特性，其特点是基于时序关系的协同设计[10]。采用Petri网工作流来对城市轨道交通地震紧急处置系统的信息协同处理过程进行建模，将系统的这一处置过程转换为矩阵模式描述的数学方程式来表达，可简化协同信息处理逻辑，提高系统信息处置效率。在Petri网中，一个具有m个库所，n个变迁的Petri网的关联矩阵是一个m×n的整数矩阵，根据系统对地震台网、现场地震监测设备信息的处理过程，可以构建基于Petri 网的多源信息紧急处置模型。城市轨道交通地震紧急处置模型关系表如表1所示。

表1 城市轨道交通地震紧急处置模型关系表Tab.1 Relation table of earthquake emergency response model for urban rail transit

根据关系表，生成Petri网络模型。系统整体Petri网可用四元组描述，库所、变迁、输入、输出。C= (P，T，I，O)，其中P为库所集合，T为变迁集合，I为输入集合，O为输出集合。

其中P= (p1，p2，…，p25)

其中存在以下时序关系。

ifO(t2) beforeO(t4) & &O(t5) 则O(t4)O(t5)触发；

ifO(t2) afterO(t5) 则O(t5)'触发；

ifO(t2) afterO(t4) 则O(t4)'触发；

Petri网的结构和性能分析可以通过分析PN网的关联矩阵A来实现，设

其中：P= {p1，p2，…，pm}，T= {t1，t2，…，tn} 满足

PN结构可以用一个m行n列的矩阵A来表示。

其中：

A为Petri网PN的关联矩阵，用来描述Petri网系统的动态行为，工作流网的有界性求解可以转化为求解方程：∃X> 0，ATX≤ 0对于中心系统融合处理过程，只要求解方程满足条件：ATX= 0，就能保证Petri网模型结构上的有界性和守恒性，输入输出关系矩阵如下。

由公式ATX= 0，解方程得到

方程有解，说明所构建的Petri网结构合理，满足可达性、活性、有界性等特性，因而该Petri网模型可以作为系统的紧急处置信息生成算法模型，用于实现地震预警信息到紧急处置信息的快速转换。

2.3 时效性分析

城市轨道交通地震紧急处置信息中心从接收到地震预警信息到生成紧急处置信息，发送到相应处置接口系统中，其全过程时延主要包括信息传输时间、信息处理时间、信息发送到列控系统和车载地震紧急处置装置时间。

（1）台网预警到紧急处置信息发送到列控系统中，其总时间为

式中：twc为地震台网信息到信息中心的传输时延；tcl为信息中心处置信息的时延；tats为信息中心发送处置信息到ATS的时延；tzc为ATS发送处置信息到区域控制器(ZC)的传输时延；tvobc为ZC发送处置信息到车载VOBC的传输时延。

（2）台网预警到紧急处置信息发送到车载地震紧急处置装置中，其总时间为

式中：ttxjk为信息中心到通信接口单元的传输时延；tltem为通信接口单元到车载的传输时延(150 ms为98%的概念，≤2 s (99.92%))

综上所述，采用城市轨道交通地震紧急处置自动控制技术，可自动接收地震台网和现场监测设备预警、报警信息，生成紧急处置信息并快速发送到受影响的列车上。系统在接收到台网发送预警信息后，最快可在550 ms将紧急控车信息发送到运行的列车上，与现有的地震发生后行车调度员通过电话或者网络掌握地震速报信息，手动下发调度命令控制列车运行的方式比较，其耗时减少，处置效率提高，整体时效性大大优于既有系统处置方式。而且，信息中心可对多源异构地震信息进行融合处理，精确计算处置范围并实时以WLAN和LTE-M 2种方式发送到车载地震紧急处置装置和列控系统中，可大大提高震时的处置精度和处置可靠性。

3 结束语

基于中国城市轨道交通地震防灾现状，研究城市轨道交通地震预警紧急处置系统，提出城市轨道交通地震预警紧急处置系统结构设计和系统对多源预警、报警信息的构建处理技术，实现地震发生时城市轨道交通的快速预警与自动处置，提高轨道交通安全防护水平。随着中国城市轨道交通大规模的建设与实施，对地震防护有更高的需求，未来预计需建立数十个城市轨道交通地震紧急处置信息中心，单一中心其地震信息获取量有限，影响处置效率，有必要研究各信息中心间、信息中心与国家地震台网间信息的安全、实时交互技术，扩大轨道交通地震预警信息获取源，建立全国城市轨道交通地震预警立体化监控网络。