基于实测波形的地震烈度信息快速确定算法及地震信息在铁路上的应用技术研究

杨 林，张格明，胡兆冰，周达天

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081； 2.北京交通大学，北京 100044)

引言

中国是世界上地震活动最强烈和地震灾害最严重的国家之一，地震基本烈度Ⅵ度及Ⅶ度以上地区占国土总数的32.5%[1]，高速铁路建设仍不可避免地跨越或邻近地震断裂带，处于Ⅶ度及以上的里程超过1万km。因此，在我国高速铁路覆盖范围大、运行速度快，运行密度高的情况下，亟需进一步提升高速铁路地震预警系统对地震灾害的预防和应对能力[2-3]。由于目前地震发生后，铁路系统不能快速得到地震烈度破坏信息，无法在短时间内了解地震对铁路基础设施的破坏情况，只能通过安排全线人工巡检的方式来确定线路是否受损，其时间长、效率低，地震发生后严重干扰铁路的正常运输生产次序。

目前，中国地震台网中心正在全国范围内实施“国家地震烈度速报与预警工程”，共计在全国建设15 000余个地震烈度速报与预警台站，对外可提供台站测试波形、地震预警信息、地震速报信息、S波报警信息、地震动参数等信息。同时，我国高速铁路地震预警系统已于2017年成功下线，目前正在全路推广应用。高速铁路地震预警系统以路局为信息处理中心[4-6]，沿局管范围内高铁线路建设地震强震监测台站，预计全路监测台站数目在1 000余个以上。

基于地震台网和高铁沿线台站的实测波形、加速度峰值等信息，快速确定地震动参数信息，产出断层长度和走向，进而更精确预测PGA、PGV，形成烈度等值线；并结合铁路沿线基础设施数据，自动生成震后铁路基础设施巡检建议，调度人员根据巡检建议，可有针对性地对破坏程度较严重的线路区段进行巡检，避免全线巡检，可大大节省震后恢复时间，提高铁路运输生产效率[7]。

1 地震烈度信息快速生成算法

1.1 地震断层长度和走向快速确定方法

有地震必有断层，有断层必有地震，断层活动诱发了地震，地震发生又促成了断层的生成与发育[8]。大多数强震的极震区和等震线的延长方向与当地断层走向一致，破裂的方向性效应受震源的破裂机制、断层破裂方向与场点夹角以及断层破裂速度等方面影响[9]。此外，台站分布、场地响应等因素也会影响实时确定断层长度和走向方法产出的准确性和可靠性。明确断层长度和走向有助于确定断层面，为后续深入研究致灾机理提供重要参考。

采用FinDer算法，从地震数据中估计破裂尺寸，确定断层长度和走向，FinDer算法根据台站接收的实时数据判别近场区域，进而通过图像识别技术识别断层的破裂参数。该方法在2015年被美国加州ShakeAlert预警系统采用[10]，为地震预警系统实时识别断层参数提供了一条很好的思路。

FinDer使用二维空间模板匹配找到最好的线源模型来解释在给定时间内地震台网中观测到的地面运动模式。该算法将表示迄今观测到的峰值绝对地面加速度振幅空间分布的图像I与理论模板T进行比较，理论模板T由不同长度线源的经验GMPE模拟而来，通过旋转模板以确定破裂走向[11]。线源近似最适合于垂直倾斜断层情况，对于倾角较小的断层，FinDer线源通常会在断层垂直方向平移几千米，以达到与观测到的地面运动模式更好匹配。FinDer迭代计算使T和I之间的失配最小化，以恢复最佳T及其在I中的位置，从而确定相应线源的质心X={纬度，经度}、长度L和走向θ。地震震级M根据经验的破裂长度-震级关系估计，事件的发震时间t0根据各种传感器上峰值振幅的到达时间确定。

根据经验GMPE对模板T(x，y)中的每个值进行建模，计算模板的表达式为

T(x，y)=lg(PGA(x，y))=

(1)

式中，C(M)=1.16exp[0.96(M-5)]×[arctan(M-5)+π/2]；R为M<5的震中距离和M≥5到位于每个模板中心的假定线源断层距离。

线源的长度L[km]与震级M的关系为

lgL=(M-4.33)/1.49

(2)

FinDer的输出取决于为模板生成选择的GMPE。利用历史数据，通过在各地的不同地区测试FinDer算法表明，只要有可能，最好使用当地GMPE。模板集是在外部创建的，由FinDer在启动时加载。

使用上述方法，为M2.5-M8.0创建了1组56个模板，对应于L=0.06～300 km的破裂长度。每个线源的走向设置为Θ=0，但在模板匹配过程中，允许模板围绕模板中心旋转180°，以确定破裂走向。这些模板围绕它们的线源是对称的，因此，Θ时的解和Θ+180°时的解是等效的。对于PGA分布，二元模板匹配比连续匹配更稳健。因此，对于给定的地震动阈值PGA阈值列表，将二值图像和模板定义为

(3)

(4)

对于给定的(L，Θ)，定义结果矩阵R的每个(x，y)位置元素为

(5)

对所有模板进行搜索，由于旋转角(走向)Θ和阈值PGAthreshold对于实时应用来说太耗时，可按如下方式缩小搜索空间：对于每个PGA阈值，计算破裂长度L的初始估计值；然后应用分而治之的算法在最初的猜测周围来估计不同破裂长度L的最佳走向Θ；继续搜索，直到找到使E最小化的Θ/L组合。

1.2 地震烈度信息快速确定算法

目前国家预警台网的规划是在重点监视区实现较高密度台网布设，一般防御区的台网密度并不高。未来地震有可能落在重点监视区边缘或一般防御区，这种情况下，台网分布密度和均匀度不够。因此，地震烈度速报中必须考虑震中附近台网的分布情况。当台网密度高且分布均匀时，可直接对台站仪器烈度进行空间插值得到烈度分布图。当台网密度高且不均匀，可以利用地震动衰减模型，结合台站观测数据，回归当次地震的衰减关系系数，再利用此模型计算加密插值点的烈度，最后与台站仪器烈度一同插值得到烈度分布图。以2017年8月8日九寨沟M7.0地震为例[12]，算法基本步骤如下。

(1)获取观测PGA值

基于中国地震台网“十五”项目建设的台站[13]，获取以震中为中心、周边2.5°范围内台站记录，将台站速度记录仿真为加速度记录，取每个台站三分向加速度记录最大值，形成每个台站PGA，将台站坐标转化为笛卡尔坐标，如图1所示。

图1 九寨沟M7.0地震震后43 s周边台站观测PGA分布

(2)构建delaunary三角网

以各台站坐标为顶点，构建delaunary三角网，如图2所示。

(3)插值形成观测图像

对于每个delaunary三角形，使用其3个顶点的PGA，采用线性插值方法，插值形成三角形内各网格点上的PGA，从而形成震中区PGA观测图像I，见图3。

图3 震中区PGA观测图像I

(4)搜索匹配的理论图像

基于式(1)和式(2)，构建不同断层长度L和不同走向Θ的模板T，使用式(3)～式(5)，寻找与观测图像I最佳匹配的模板，最佳匹配的模板长度L与走向Θ就是要求的解，即断层长度53 km，走向160°，见图4。

图4 模板T图像

(5)获得断层属性，预测PGA分布图

根据求解的断层长度，由式(2)可得震级M，将已知断层长度与走向及M代入式(1)，计算震中区域各点PGA分布，再根据场地影响校正各点PGA，则得到预测的PGA分布图。

PGA(x，y)=10(F(M，R)+lg1.1)

(6)

其中

式中，M为震级；R为线源距，若事先设置了各点PGA报警阈值，则当PGA超过预设的阈值，可发布警报。

1.3 算法验证

以2019年6月17日四川长宁M6.0地震为例，对算法进行验证[14]。通过回放事件波形，获取以震中为中心、周边2.5°范围内台站记录，插值形成观测图像，搜搜匹配图像，在震后19 s计算出地震断层长度为33 km，走向为150°，根据断层长度、走向及台站实测峰值数据，预测了PGA分布，形成等烈度线见图5。中国地震局的震后调查烈度见图6。通过图5、图6对比可知，获取的断层长度、走向与余震分布及震后调查烈度分布是基本一致的，走向稍偏大，与震中区台站分布较少，对观测图像的约束不够所致。

图5 长宁地震断层长度与走向

图6 长宁地震烈度(中国地震局，2019)

图7 数据交换平台与中国地震台网信息系统间安全交换区示意

因此，在使用FinDer方法预测地震断层属性时，要注意台站分布。台站分布相对均匀情况下，可靠性好，结果可用。台站分布特别稀疏、分布不均衡的情况下，需谨慎评估结果的可用性[15-16]。

2 地震烈度信息在铁路上的应用技术研究

2.1 地震台网信息安全接入技术

地震专网是一个内部封闭的网络系统，从功能上划分为国家级中心、省级中心、市县汇聚和台站4个层级节点。国家级中心包括位于北京的中国地震台网中心和位于广州的国家地震速报灾备中心，在国家中心设立数据安全交换区，实现系统内部和对外的实时数据信息交换。设立国家地震台网数据交换平台，通过数据交换平台和中国地震台网信息系统进行统一的信息交互。由于数据交换平台属于铁路专网，地震台网是外网，对于双方之间进行信息交互其安全保障显得尤为重要。为此，数据交换平台和中国地震台网信息系统之间通过DMZ进行信息的安全交互，在DMZ间各自部署接口服务器，采用消息中间件的方式进行通信[17]。为防止数据泄露、信息篡改，在应用层面通过采用数据加密的方式进行交互，其信息安全交换示意如图7所示。

在双方的数据安全交换区，制定网络安全策略，部署网络安全防范设备，实现地震预警系统与台网信息系统间的有效隔离。双方通过DMZ的数据安全交换区域进行数据交换，不进行直接连接，在满足数据传输效率的同时，不进行系统间的信息直接互访，最大程度保证两套系统原有的独立性。数据安全交换区域通过网闸等安全设备进行隔离，以保证数据传输的安全性能。

2.2 地震烈度影响铁路范围计算

我国高速铁路采取不同车速下的高速铁路地震预警系统警报三级阈值，即以计测或实测三向加速度峰值为评判依据，地震警报分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级，对应的阈值分别为40，80，120 gal[18]。烈度值为Ⅴ度对应的峰值加速度合成值范围为22～44 gal，平均值为31 gal，烈度值为VI度对应的峰值加速度合成值范围为45～89 gal，平均值为63 gal，对应高铁地震预警Ⅰ～Ⅱ级处置范围，处于此范围内的车辆、轨道、桥梁及其建筑物可能会有一定程度的损坏。因此，可采用高铁线路处于Ⅴ度及其以上范围作为烈度影响高铁范围。计算地震烈度影响铁路范围，可以采用以下3种方式计算。

(1)利用国家地震台网发布的烈度速报信息直接获取烈度等值包络线

国家地震台网的烈度速报信息主要提供烈度等值包络线，包络线主要为不同烈度封闭曲线，用经纬度坐标点来描述。通过烈度等值包络线，叠加铁路线路基础数据，获取交集坐标，交集坐标即为地震烈度影响铁路范围。

(2)利用台网发布的地震参数信息

当台网台站密度高且不均匀，可利用地震动衰减模型来计算烈度范围[19-20]。根据地震台网发布的地震参数信息，采用不同烈度衰减模型如椭圆模型、断层模型等来计算地震烈度衰减关系，结合铁路线路空间位置关系，可获取不同烈度等级的铁路线路影响范围。

(3)利用铁路沿线台站的实测加速度峰值

当台网台站密度低且不均匀时，可利用铁路沿线台站数据。通过插值算法对烈度等值包络线进行修正。对研究区域进行网格划分，每隔一定距离来虚拟出台站点，利用衰减关系估计每隔虚拟台站点的地震动值，估计该点峰值加速度和速度；最后用插值方法估计出整个区域的地震动值，根据峰值速度和加速度，计算线路范围所对应烈度值。

2.3 地震烈度信息综合处理

高铁地震预警监测系统采用两级架构，以铁路局中心系统作为信息的汇聚和处理中心[21]。各铁路局中心系统通过国家地震台网数据交换平台接收国家地震台网地震速报信息、地震动参数信息，国家地震台网台站实测加速度峰值信息、铁路局中心系统管辖范围内台站实测加速度峰值信息，对信息进行综合处理与分析，生成地震烈度信息，将地震烈度信息与局管范围内铁路线路进行叠加、分析与计算，生成震后路局线路等基础设施巡检建议，并向地震预警维护终端发送。

其主要信息处置流程如图8所示。

图8 烈度速报信息处理平台信息处置流程

国家地震台网信息通过台网数据交换平台向影响范围内的铁路局中心系统发送地震速报信息，地震动参数信息处理软件从铁路局中心系统接收地震速报信息后，进行分析处理，计算烈度影响局管铁路线范围，依据后续信息不断修订精度；当收到国家地震台网地震动参数信息后，修订地震烈度影响范围；当收到国家地震台网和高铁沿线台站实测加速度峰值信息，修订地震烈度影响范围；最后，依据路局对高速铁路基础设施震后应急处置规则，生成铁路基础设施巡检建议，并将建议发送到地震监测业务和维护终端，路局相关业务人员可依据巡检建议有针对性对重点区域安排巡检。

2.4 技术在高铁地震预警中的应用情况

高速铁路地震预警系统具备P波预警和阈值报警等功能，能通过牵变接口、信号接口和车载地震紧急处置装置实现地震发生后自动三级处置，控制列车限速或者紧急制动，目前高铁地震预警监测系统已在太原铁路局、北京铁路局管辖的大西、京张等铁路线正式上线运行。现有高铁地震预警系统是以震时预警、紧急处置为目的，并不涉及到震后恢复领域。因此，通过此项技术的应用，可形成对高铁地震预警系统的有益补充，扩充预警系统功能，实现地震发生后的全流程处置，建立震时预警与紧急处置、震后快速恢复的全流程预警系统监控体系，以技术保安全，具有重要的社会和经济意义

3 结语

通过采用FinDer算法计算地震断层属性，预测PGA分布，并对地震信息在铁路上的应用技术进行了研究，实现了地震发生后地震烈度分布图的快速产出及烈度破坏铁路线路情况的快速发布。该算法综合台网和铁路沿线台站实测波形数据，快速确定地震断层长度和走向，结合台网密度分布情况，通过地震动衰减模型和空间插值等方法，预测地震烈度分布。同时，通过台网信息安全、快速分发技术，将地震速报、烈度等信息发送到高铁地震预警监测铁路局中心系统中，中心系统汇聚相应信息，对信息进行综合处理与分析，计算烈度影响铁路范围，自动生成铁路基础设施巡检建议并发送到相应管理、维护人员手中，大大节省了地震发生后铁路应急响应时间，提高了作业人员巡检效率，提升了铁路运输生产效率。将此项方法与技术在高铁地震预警系统中进行应用，可以增补预警系统功能，建立全流程安防体系，使得预警系统具有更加广阔的应用场景。

随着国家地震烈度速报与预警工程的全面实施及高铁地震预警系统工程的逐步推进，高铁地震预警系统可依据台网台站分布情况合理、科学部署自建台站，通过双方的信息共享，为高铁提供快速、精确的地震烈度速报信息。