中外高鐵地震監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)相關(guān)問(wèn)題

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在各種自然災(zāi)害中，地震是一種小概率災(zāi)害事件，但是其危害性卻十分巨大。中國(guó)位于世界兩大地震帶(歐亞地震帶與環(huán)太平洋地震帶)之間，受太平洋板塊、印度板塊和菲律賓海板塊的擠壓，地震斷裂帶十分發(fā)育，地震活動(dòng)頻度高、強(qiáng)度大、震源淺、分布廣，是蒙受地震災(zāi)害最為深重的國(guó)家之一。對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)而言，在過(guò)去列車(chē)低速運(yùn)行的條件下，地震的危害性還不是特別突出。但當(dāng)列車(chē)運(yùn)行速度超過(guò)200km/h以后，哪怕是較小震級(jí)的地震對(duì)于路基、橋梁、軌道的沖擊都可能會(huì)造成列車(chē)的脫軌、傾覆等危害旅客生命、健康、財(cái)產(chǎn)的重大安全事故。此外，由于列車(chē)開(kāi)行密度很高，地震災(zāi)害還極有可能造成因后續(xù)列車(chē)進(jìn)入事故區(qū)段而導(dǎo)致次生災(zāi)害發(fā)生的危險(xiǎn)。因此，深入研究與優(yōu)化符合我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)需求的地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是十分必要的。同時(shí)，開(kāi)展關(guān)于地震報(bào)警模式及聯(lián)動(dòng)控制方面的研究與分析，對(duì)提高高速鐵路的防震減災(zāi)能力，保證旅客生命健康和財(cái)產(chǎn)安全，也具有極其重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義。

1地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)是保證高速鐵路列車(chē)安全、高速運(yùn)行的重要基礎(chǔ)裝備之一，如圖1所示。列車(chē)調(diào)度員根據(jù)防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)風(fēng)雨雪天氣、地震災(zāi)害、異物侵限災(zāi)害等安全環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警、預(yù)警信息，以及鐵道部、鐵路局的相關(guān)規(guī)章制度，指揮列車(chē)安全運(yùn)行;維護(hù)部門(mén)按照防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)提供的相關(guān)災(zāi)害信息，開(kāi)展基礎(chǔ)設(shè)施的巡檢、搶險(xiǎn)及維修養(yǎng)護(hù)工作。其中，地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的采集設(shè)備(地震加速度計(jì)及強(qiáng)震動(dòng)記錄儀)實(shí)現(xiàn)對(duì)地震的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄，同時(shí)將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理設(shè)備進(jìn)行綜合分析及邏輯判斷，生成預(yù)警或報(bào)警信息，并聯(lián)動(dòng)控制牽引變電系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)完成控車(chē)及控電的動(dòng)作。2地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)報(bào)警模式分析

2.1國(guó)外高速鐵路的地震報(bào)警模式

2.1.1日本新干線日本新干線地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為以下三個(gè)階段。第一階段，地震報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)于1964年新干線開(kāi)通時(shí)同步建設(shè)，在全線的25個(gè)變電所內(nèi)設(shè)置機(jī)械式地震儀，平均距離約為20km。系統(tǒng)只提供單監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地震S波監(jiān)測(cè)，只有報(bào)警功能，沒(méi)有預(yù)警功能。存在的問(wèn)題:①不必要的報(bào)警動(dòng)作過(guò)多(即多余反應(yīng));②從發(fā)出報(bào)警到發(fā)生最大地震動(dòng)的時(shí)間間隔太近(即報(bào)警太遲)。第二階段，早期地震警報(bào)系統(tǒng)(UrgentEarth-quakeDetectionandAlarmSystem，UrEDAS)。是一個(gè)既利用電磁波和地震波速度差，也利用地震P波和S波走時(shí)差進(jìn)行地震預(yù)警的系統(tǒng)。使用一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)3個(gè)方向的地震動(dòng)分量進(jìn)行地震分析，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并提供單監(jiān)測(cè)點(diǎn)P波預(yù)警與S波監(jiān)測(cè)報(bào)警結(jié)合的報(bào)警判定模式。盡管P波的推斷精度不高，但在S波到達(dá)之后，可以推斷出較準(zhǔn)確的震源距離。該系統(tǒng)在檢測(cè)到地震P波后的3s內(nèi)可估算出震中方位、震級(jí)、震中距和震源深度等地震參數(shù)并發(fā)出第一次警報(bào)，在S波到達(dá)后計(jì)算出更精確的地震參數(shù)之后再發(fā)出第二次警報(bào)，由中心臺(tái)接收各臺(tái)的警報(bào)并進(jìn)行綜合處理。即使在主震動(dòng)到來(lái)的同時(shí)，UREDAS遭到了破壞，但警報(bào)已經(jīng)發(fā)出，震源信息已傳送到必要的地方。因此，UREDAS具有遭到破壞性地震動(dòng)的襲擊后仍能保持其主要功能的特點(diǎn)。第三階段，快速地震報(bào)警系統(tǒng)(EarthquakeQuickAlarmSystem，EQAS)如圖2所示。該系統(tǒng)對(duì)于地震災(zāi)害判定不局限于單監(jiān)測(cè)點(diǎn)，可分為多級(jí)(多次多點(diǎn))進(jìn)行P波預(yù)警與S波監(jiān)測(cè)報(bào)警判定。地震發(fā)生時(shí)，根據(jù)全國(guó)地震網(wǎng)監(jiān)測(cè)到的實(shí)時(shí)地震信息，推算出震源、震級(jí)等，再根據(jù)推算結(jié)果由快速地震報(bào)警系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行中的列車(chē)通過(guò)多種方式進(jìn)行控制，保證行車(chē)安全。

2.1.2法國(guó)地中海線目前法國(guó)地中海線地震報(bào)警模式為:如果相鄰的3個(gè)監(jiān)測(cè)站每隔5s就發(fā)出一致的報(bào)警信息，則表明發(fā)出警報(bào);一個(gè)監(jiān)測(cè)站如果失去信號(hào)，則可以看作其與相鄰監(jiān)測(cè)站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相當(dāng);如果超過(guò)了某一個(gè)指定的閾值，且警報(bào)是從3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)同時(shí)發(fā)出的，則確認(rèn)是地震報(bào)警信息，即系統(tǒng)利用相鄰的3個(gè)監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)地震報(bào)警信息;若某一監(jiān)測(cè)站單獨(dú)發(fā)出報(bào)警，系統(tǒng)處理為非地震警報(bào)信息，以防止誤報(bào)。同時(shí)系統(tǒng)還連接到國(guó)家地震驗(yàn)證中心，地震發(fā)生后的強(qiáng)度級(jí)別確認(rèn)及災(zāi)后救援工作均由國(guó)家地震驗(yàn)證中心與鐵路部門(mén)共同進(jìn)行。顯然法國(guó)報(bào)警模式實(shí)時(shí)性能較差，如圖3所示。

2.2國(guó)內(nèi)高速鐵路的地震報(bào)警模式方式一，全線任意2個(gè)地震監(jiān)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)到的地震動(dòng)加速度值均超過(guò)預(yù)設(shè)的報(bào)警門(mén)限值時(shí)，經(jīng)邏輯判斷后產(chǎn)生強(qiáng)震報(bào)警并進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，京津城際鐵路采用此種方式。聯(lián)動(dòng)控制范圍為全線的信號(hào)列控系統(tǒng)、牽引變電系統(tǒng)。方式二，全線任意相鄰的3個(gè)地震監(jiān)測(cè)點(diǎn)中有2個(gè)檢測(cè)到地震動(dòng)加速度值均超過(guò)預(yù)設(shè)的報(bào)警門(mén)限值時(shí)，經(jīng)邏輯判斷后產(chǎn)生強(qiáng)震報(bào)警并進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，京滬高速鐵路采用此種方式。目前，國(guó)內(nèi)高速鐵路地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只具有地震報(bào)警功能，未實(shí)現(xiàn)地震預(yù)警功能。

2.3地震報(bào)警模式分析借鑒國(guó)外高速鐵路與國(guó)內(nèi)已建高速鐵路地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)報(bào)警模式，需解決的關(guān)鍵問(wèn)題是多余報(bào)警(誤報(bào))及延遲報(bào)警。因此，我國(guó)高速鐵路地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)報(bào)警模式應(yīng)選擇的技術(shù)路線為:系統(tǒng)具備單監(jiān)測(cè)點(diǎn)預(yù)警與報(bào)警，多監(jiān)測(cè)點(diǎn)預(yù)警與報(bào)警的分析、處理及判定功能。在單監(jiān)測(cè)點(diǎn)報(bào)警與預(yù)警判定模式中，監(jiān)控單元應(yīng)具備分析、處理現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備上傳的地震動(dòng)加速度數(shù)據(jù)并直接進(jìn)行P波預(yù)警與S波報(bào)警的判定，觸發(fā)與信號(hào)系統(tǒng)、牽引變電系統(tǒng)的接口，分析出地震報(bào)警和預(yù)警應(yīng)聯(lián)動(dòng)的控制范圍的功能，并能將報(bào)警、預(yù)警、聯(lián)動(dòng)控制范圍等信息上傳至監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理設(shè)備。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理設(shè)備將收到的聯(lián)動(dòng)控制命令下發(fā)至其他相關(guān)監(jiān)控單元，觸發(fā)與其相關(guān)的信號(hào)系統(tǒng)與牽引變電系統(tǒng)的接口。單點(diǎn)地震監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及判定邏輯簡(jiǎn)單，報(bào)警與預(yù)警模式減少了地震信息在多個(gè)層級(jí)之間的傳輸判斷再傳輸?shù)臅r(shí)間，能夠快速地進(jìn)行地震預(yù)警與預(yù)報(bào)警判斷，并在第一時(shí)間觸發(fā)與本監(jiān)測(cè)點(diǎn)直接相連的信號(hào)系統(tǒng)和牽引變電系統(tǒng)的接口，減少了地震報(bào)警與預(yù)警的響應(yīng)時(shí)間。結(jié)合儀器安裝墩采用的隔振工程措施以及采取軟件濾波等手段，漏報(bào)率較低，實(shí)時(shí)性好。其缺點(diǎn)是沒(méi)有與其他的地震監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)與分析，單點(diǎn)預(yù)警的準(zhǔn)確度不如多點(diǎn)準(zhǔn)確度高，可能會(huì)存在誤報(bào)率較高的情況。為了提高預(yù)警與報(bào)警準(zhǔn)確度，保證正常情況下的行車(chē)效率，系統(tǒng)也應(yīng)具備多監(jiān)測(cè)點(diǎn)預(yù)警與報(bào)警判定功能，即地震波預(yù)警及報(bào)警信息由上層的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理設(shè)備進(jìn)行分析判定，當(dāng)2個(gè)或多個(gè)地震監(jiān)測(cè)點(diǎn)同時(shí)檢測(cè)到地震動(dòng)P波或S波信息時(shí)，由監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理設(shè)備實(shí)現(xiàn)最終的地震判定，并分析出地震所影響的聯(lián)動(dòng)控制范圍，同時(shí)將信號(hào)系統(tǒng)、牽引變電系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制命令下發(fā)至相應(yīng)的監(jiān)控單元，由監(jiān)控單元觸發(fā)信號(hào)系統(tǒng)和牽引變電系統(tǒng)的接口實(shí)現(xiàn)控車(chē)與控電的操作。

3地震聯(lián)動(dòng)控制分析

3.1國(guó)外高速鐵路地震聯(lián)動(dòng)控制情況目前日本新干線采用的方案是防災(zāi)系統(tǒng)，只聯(lián)動(dòng)牽引供電系統(tǒng)，但基于日本鐵路供電制式和信號(hào)制式，停電同時(shí)相當(dāng)于發(fā)出信號(hào)系統(tǒng)停車(chē)指令。而法國(guó)高鐵采用的方案為當(dāng)防災(zāi)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到地震時(shí)，僅聯(lián)動(dòng)信號(hào)系統(tǒng)停車(chē)，接觸網(wǎng)不斷電，即空電復(fù)合制動(dòng)模式。

3.2我國(guó)高速鐵路地震聯(lián)動(dòng)控制情況分析我國(guó)高鐵地震聯(lián)動(dòng)控制有2種方案。方案一，先控車(chē)，后控電。在這種情況下，應(yīng)采用空電復(fù)合緊急制動(dòng)模式(電制動(dòng)與空氣制動(dòng)結(jié)合的復(fù)合制動(dòng)方式)。在接觸網(wǎng)帶電情況下采用空電復(fù)合緊急制動(dòng)模式，使列車(chē)在最短的時(shí)間內(nèi)以最短的制動(dòng)距離進(jìn)行最安全地制動(dòng)。隨后，為避免地震引發(fā)的次生災(zāi)害發(fā)生(如牽引變電所失火等)，延時(shí)一定時(shí)間后(不小于空電復(fù)合制動(dòng)轉(zhuǎn)換至純空氣制動(dòng)的時(shí)間，保證列車(chē)帶電制動(dòng)時(shí)間)，通過(guò)地震監(jiān)控系統(tǒng)接口繼電器輸出干接點(diǎn)信號(hào)，自動(dòng)聯(lián)動(dòng)控制牽引變電系統(tǒng)斷電。方案二，同時(shí)控車(chē)與控電。在這種情況下，應(yīng)采用純空氣緊急制動(dòng)，即地震發(fā)生時(shí)同時(shí)聯(lián)動(dòng)信號(hào)系統(tǒng)、牽引變電系統(tǒng)的接口，使動(dòng)車(chē)組在斷電情況下實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)。鐵科技〔2009〕212號(hào)，關(guān)于印發(fā)《鐵路客運(yùn)專線技術(shù)管理辦法(試行)(300～350km/h部分)》文第178條，對(duì)列車(chē)緊急制動(dòng)距離的規(guī)定:制動(dòng)初速度為350km/h時(shí)，列車(chē)緊急制動(dòng)距離限值為6500m;制動(dòng)初速度為300km/h時(shí)，緊急制動(dòng)距離限值為3800m。鐵科技〔2009〕116號(hào)，關(guān)于印發(fā)《鐵路客運(yùn)專線技術(shù)管理辦法(試行)(200～250km/h部分)》文第104條，對(duì)列車(chē)緊急制動(dòng)距離的規(guī)定:制動(dòng)初速度為200km/h時(shí)，列車(chē)緊急制動(dòng)距離限值為2000m;制動(dòng)初速度為250km/h時(shí)，緊急制動(dòng)距離限值為3200m。根據(jù)《京津城際鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試動(dòng)車(chē)組動(dòng)力學(xué)、牽引制動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)》，對(duì)CRH3型動(dòng)車(chē)組進(jìn)行了初速度為330，300，250，200，160km/h的空電復(fù)合緊急制動(dòng)及純空氣緊急制動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明空電復(fù)合緊急制動(dòng)比純空氣緊急制動(dòng)所需的制動(dòng)距離稍短，列車(chē)能在更短的時(shí)間內(nèi)停下，并且因?yàn)榻?jīng)過(guò)了一段切電延時(shí)，這種模式還可以在一定程度上減少對(duì)牽引變電系統(tǒng)接口的誤操作，降低系統(tǒng)誤報(bào)對(duì)牽引變電系統(tǒng)的影響。由于空電復(fù)合緊急制動(dòng)模式優(yōu)先采用了零磨耗的電制動(dòng)方式，對(duì)列車(chē)制動(dòng)裝置的磨耗也將大大減少。但是，空電復(fù)合模式的邏輯判定較為復(fù)雜，不同類型、不同速度的列車(chē)其制動(dòng)距離與切電延時(shí)各不相同，這樣會(huì)在一定程度上加大軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，降低系統(tǒng)的可靠性。若切電延時(shí)較長(zhǎng)，主震波達(dá)到鐵路沿線時(shí)可能會(huì)對(duì)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施及通信網(wǎng)絡(luò)造成破壞性的損害，這時(shí)沿線的通信網(wǎng)絡(luò)已然癱瘓，現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備、監(jiān)控單元、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理設(shè)備之間不再有信息傳遞，接觸網(wǎng)將一直帶電運(yùn)行，那么由此引發(fā)的次生災(zāi)害(如牽引變電所失火等)可能也將難以避免。方案二與方案一相比，從試驗(yàn)結(jié)果上看雖然增加了列車(chē)的制動(dòng)距離與制動(dòng)時(shí)間(仍然滿足技規(guī)中的相關(guān)規(guī)定)，但是它同時(shí)觸發(fā)了信號(hào)系統(tǒng)和牽引變電系統(tǒng)的接口，去掉了對(duì)切電延時(shí)的判定，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的邏輯判斷和聯(lián)動(dòng)控制流程，降低了牽引變電所失火等次生災(zāi)害對(duì)鐵路系統(tǒng)的影響，工程可實(shí)施性更強(qiáng)。因此，我國(guó)高速鐵路地震聯(lián)動(dòng)控制模式宜采用同時(shí)控車(chē)與控電的方式。

4結(jié)論

通過(guò)對(duì)國(guó)外高速鐵路的深入分析，并結(jié)合國(guó)內(nèi)高速鐵路的情況，提出了單監(jiān)測(cè)點(diǎn)預(yù)警和報(bào)警同多監(jiān)測(cè)點(diǎn)預(yù)警和報(bào)警相結(jié)合的地震報(bào)警模式;提出了同時(shí)控車(chē)與控電的地震聯(lián)動(dòng)控制模式;并對(duì)這些方面進(jìn)一步優(yōu)化，完善了高速鐵路地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)方案，也為高速鐵路的快速、穩(wěn)定、安全的發(fā)展提供了一定的技術(shù)支撐。