中外高铁地震监测报警系统相关问题

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在各种自然灾害中，地震是一种小概率灾害事件，但是其危害性却十分巨大。中国位于世界两大地震带(欧亚地震带与环太平洋地震带)之间，受太平洋板块、印度板块和菲律宾海板块的挤压，地震断裂带十分发育，地震活动频度高、强度大、震源浅、分布广，是蒙受地震灾害最为深重的国家之一。对铁路运营而言，在过去列车低速运行的条件下，地震的危害性还不是特别突出。但当列车运行速度超过200km/h以后，哪怕是较小震级的地震对于路基、桥梁、轨道的冲击都可能会造成列车的脱轨、倾覆等危害旅客生命、健康、财产的重大安全事故。此外，由于列车开行密度很高，地震灾害还极有可能造成因后续列车进入事故区段而导致次生灾害发生的危险。因此，深入研究与优化符合我国高速铁路运营需求的地震监测系统是十分必要的。同时，开展关于地震报警模式及联动控制方面的研究与分析，对提高高速铁路的防震减灾能力，保证旅客生命健康和财产安全，也具有极其重要的社会和经济意义。

1地震监测系统简介

防灾安全监控系统是保证高速铁路列车安全、高速运行的重要基础装备之一，如图1所示。列车调度员根据防灾安全监控系统对风雨雪天气、地震灾害、异物侵限灾害等安全环境的实时监测报警、预警信息，以及铁道部、铁路局的相关规章制度，指挥列车安全运行;维护部门按照防灾安全监控系统提供的相关灾害信息，开展基础设施的巡检、抢险及维修养护工作。其中，地震监测系统是防灾安全监控系统的一个子系统，通过现场级的采集设备(地震加速度计及强震动记录仪)实现对地震的实时监测和记录，同时将实时监测数据上传至监控数据处理设备进行综合分析及逻辑判断，生成预警或报警信息，并联动控制牵引变电系统、信号系统完成控车及控电的动作。2地震监测系统报警模式分析

2.1国外高速铁路的地震报警模式

2.1.1日本新干线日本新干线地震监测系统分为以下三个阶段。第一阶段，地震报警系统。该系统于1964年新干线开通时同步建设，在全线的25个变电所内设置机械式地震仪，平均距离约为20km。系统只提供单监测点的地震S波监测，只有报警功能，没有预警功能。存在的问题:①不必要的报警动作过多(即多余反应);②从发出报警到发生最大地震动的时间间隔太近(即报警太迟)。第二阶段，早期地震警报系统(UrgentEarth-quakeDetectionandAlarmSystem，UrEDAS)。是一个既利用电磁波和地震波速度差，也利用地震P波和S波走时差进行地震预警的系统。使用一个监测点3个方向的地震动分量进行地震分析，结构简单，并提供单监测点P波预警与S波监测报警结合的报警判定模式。尽管P波的推断精度不高，但在S波到达之后，可以推断出较准确的震源距离。该系统在检测到地震P波后的3s内可估算出震中方位、震级、震中距和震源深度等地震参数并发出第一次警报，在S波到达后计算出更精确的地震参数之后再发出第二次警报，由中心台接收各台的警报并进行综合处理。即使在主震动到来的同时，UREDAS遭到了破坏，但警报已经发出，震源信息已传送到必要的地方。因此，UREDAS具有遭到破坏性地震动的袭击后仍能保持其主要功能的特点。第三阶段，快速地震报警系统(EarthquakeQuickAlarmSystem，EQAS)如图2所示。该系统对于地震灾害判定不局限于单监测点，可分为多级(多次多点)进行P波预警与S波监测报警判定。地震发生时，根据全国地震网监测到的实时地震信息，推算出震源、震级等，再根据推算结果由快速地震报警系统对运行中的列车通过多种方式进行控制，保证行车安全。

2.1.2法国地中海线目前法国地中海线地震报警模式为:如果相邻的3个监测站每隔5s就发出一致的报警信息，则表明发出警报;一个监测站如果失去信号，则可以看作其与相邻监测站的监测数据相当;如果超过了某一个指定的阈值，且警报是从3个监测点同时发出的，则确认是地震报警信息，即系统利用相邻的3个监测站监测地震报警信息;若某一监测站单独发出报警，系统处理为非地震警报信息，以防止误报。同时系统还连接到国家地震验证中心，地震发生后的强度级别确认及灾后救援工作均由国家地震验证中心与铁路部门共同进行。显然法国报警模式实时性能较差，如图3所示。

2.2国内高速铁路的地震报警模式方式一，全线任意2个地震监测点检测到的地震动加速度值均超过预设的报警门限值时，经逻辑判断后产生强震报警并进行联动控制，京津城际铁路采用此种方式。联动控制范围为全线的信号列控系统、牵引变电系统。方式二，全线任意相邻的3个地震监测点中有2个检测到地震动加速度值均超过预设的报警门限值时，经逻辑判断后产生强震报警并进行联动控制，京沪高速铁路采用此种方式。目前，国内高速铁路地震监测系统只具有地震报警功能，未实现地震预警功能。

2.3地震报警模式分析借鉴国外高速铁路与国内已建高速铁路地震监测系统报警模式，需解决的关键问题是多余报警(误报)及延迟报警。因此，我国高速铁路地震监测系统报警模式应选择的技术路线为:系统具备单监测点预警与报警，多监测点预警与报警的分析、处理及判定功能。在单监测点报警与预警判定模式中，监控单元应具备分析、处理现场采集设备上传的地震动加速度数据并直接进行P波预警与S波报警的判定，触发与信号系统、牵引变电系统的接口，分析出地震报警和预警应联动的控制范围的功能，并能将报警、预警、联动控制范围等信息上传至监控数据处理设备。监控数据处理设备将收到的联动控制命令下发至其他相关监控单元，触发与其相关的信号系统与牵引变电系统的接口。单点地震监测报警系统结构及判定逻辑简单，报警与预警模式减少了地震信息在多个层级之间的传输判断再传输的时间，能够快速地进行地震预警与预报警判断，并在第一时间触发与本监测点直接相连的信号系统和牵引变电系统的接口，减少了地震报警与预警的响应时间。结合仪器安装墩采用的隔振工程措施以及采取软件滤波等手段，漏报率较低，实时性好。其缺点是没有与其他的地震监测点进行比对与分析，单点预警的准确度不如多点准确度高，可能会存在误报率较高的情况。为了提高预警与报警准确度，保证正常情况下的行车效率，系统也应具备多监测点预警与报警判定功能，即地震波预警及报警信息由上层的监控数据处理设备进行分析判定，当2个或多个地震监测点同时检测到地震动P波或S波信息时，由监控数据处理设备实现最终的地震判定，并分析出地震所影响的联动控制范围，同时将信号系统、牵引变电系统的联动控制命令下发至相应的监控单元，由监控单元触发信号系统和牵引变电系统的接口实现控车与控电的操作。

3地震联动控制分析

3.1国外高速铁路地震联动控制情况目前日本新干线采用的方案是防灾系统，只联动牵引供电系统，但基于日本铁路供电制式和信号制式，停电同时相当于发出信号系统停车指令。而法国高铁采用的方案为当防灾系统监测到地震时，仅联动信号系统停车，接触网不断电，即空电复合制动模式。

3.2我国高速铁路地震联动控制情况分析我国高铁地震联动控制有2种方案。方案一，先控车，后控电。在这种情况下，应采用空电复合紧急制动模式(电制动与空气制动结合的复合制动方式)。在接触网带电情况下采用空电复合紧急制动模式，使列车在最短的时间内以最短的制动距离进行最安全地制动。随后，为避免地震引发的次生灾害发生(如牵引变电所失火等)，延时一定时间后(不小于空电复合制动转换至纯空气制动的时间，保证列车带电制动时间)，通过地震监控系统接口继电器输出干接点信号，自动联动控制牵引变电系统断电。方案二，同时控车与控电。在这种情况下，应采用纯空气紧急制动，即地震发生时同时联动信号系统、牵引变电系统的接口，使动车组在断电情况下实现紧急制动。铁科技〔2009〕212号，关于印发《铁路客运专线技术管理办法(试行)(300～350km/h部分)》文第178条，对列车紧急制动距离的规定:制动初速度为350km/h时，列车紧急制动距离限值为6500m;制动初速度为300km/h时，紧急制动距离限值为3800m。铁科技〔2009〕116号，关于印发《铁路客运专线技术管理办法(试行)(200～250km/h部分)》文第104条，对列车紧急制动距离的规定:制动初速度为200km/h时，列车紧急制动距离限值为2000m;制动初速度为250km/h时，紧急制动距离限值为3200m。根据《京津城际铁路联调联试动车组动力学、牵引制动试验数据》，对CRH3型动车组进行了初速度为330，300，250，200，160km/h的空电复合紧急制动及纯空气紧急制动试验，试验结果表明空电复合紧急制动比纯空气紧急制动所需的制动距离稍短，列车能在更短的时间内停下，并且因为经过了一段切电延时，这种模式还可以在一定程度上减少对牵引变电系统接口的误操作，降低系统误报对牵引变电系统的影响。由于空电复合紧急制动模式优先采用了零磨耗的电制动方式，对列车制动装置的磨耗也将大大减少。但是，空电复合模式的逻辑判定较为复杂，不同类型、不同速度的列车其制动距离与切电延时各不相同，这样会在一定程度上加大软件设计的复杂性，降低系统的可靠性。若切电延时较长，主震波达到铁路沿线时可能会对铁路基础设施及通信网络造成破坏性的损害，这时沿线的通信网络已然瘫痪，现场采集设备、监控单元、监控数据处理设备之间不再有信息传递，接触网将一直带电运行，那么由此引发的次生灾害(如牵引变电所失火等)可能也将难以避免。方案二与方案一相比，从试验结果上看虽然增加了列车的制动距离与制动时间(仍然满足技规中的相关规定)，但是它同时触发了信号系统和牵引变电系统的接口，去掉了对切电延时的判定，简化了系统的逻辑判断和联动控制流程，降低了牵引变电所失火等次生灾害对铁路系统的影响，工程可实施性更强。因此，我国高速铁路地震联动控制模式宜采用同时控车与控电的方式。

4结论

通过对国外高速铁路的深入分析，并结合国内高速铁路的情况，提出了单监测点预警和报警同多监测点预警和报警相结合的地震报警模式;提出了同时控车与控电的地震联动控制模式;并对这些方面进一步优化，完善了高速铁路地震监测系统的相关技术方案，也为高速铁路的快速、稳定、安全的发展提供了一定的技术支撑。