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1、信息技术1162010年第5期1 京津城际高速铁路地震监控系统需求分析京津城际高速铁路沿线属华北地震区，处于地震多发区，存在潜在地震高危影响，有必要设置地震监控系统。1.1 地震危险性分析根据GB 183062001中国地震动参数区划图，京津城际高速铁路沿线地震动峰值加速度值划分如下：北京南站至DK63350为0.20g（地震基本烈度度）；DK63350至天津站为0.15g（地震基本烈度度）。华北地震区是我国东部大陆地区地震活动最强烈的地震区，地震活动具有成带性、周期性和迁移性。地震活动的周期性表现为明显的活跃期和平静期，一个活动周期大约300年，目前尚处在活跃期；在一个活动周期内还可分活动阶
2、段、活动幕。根据地震划分及其边界确定依据，华北地震区又可划分出4个地震带，即汾渭地震带、河北平原地震带、郯庐地震带和河套-银川地震带。京津城际高速铁路跨越河北平原地震带和郯庐地震带。京津城际高速铁路线路处于地震多发区，1970年以后共发生103次MD5级地震，多次对线路所在地区造成严重破坏，如1976年7月28日唐山7.8级大地震、1976年11月15日宁河6.9级地震及1977年5月12日天津汉沽6.2级地震等。 樊艳表1 京津城际高速铁路可能产生的地震灾害分析原生 灾害状态次生灾害 诱发灾害状态OD1直接脱轨SD1引起后续和迎面列 车事故OD2破坏高速铁路线路、 道岔或桥梁SD2引起接近列
3、车事故OD3破坏上跨铁路桥/公路 桥，危及高速铁路SD3引起临近列车事故OD4破坏重点建筑物SD4引起临近列车或候 车旅客事故OD5破坏接触网、变电所 建筑物及设备SD5人身伤害、短路、 火灾等OD6区间长时间停车停电ID1车厢内旅客闷热、 寒冷、焦虑京津城际高速铁路涉及6.0级、6.5级、7.5级和8.0级震源区各1个，7.0级潜在震源区2个，有发生7级以上大地震的可能。1.2 地震灾害分析强震发生时，京津城际高速铁路可能产生的地震灾害分为3类：原生灾害（Original Disasters，简称OD），次生灾害（Secondary Disasters，简称SD），诱发灾害（Induced
4、Disasters，简称ID）（见表1）。京津城际高速铁路地震监控系统 技术方案探讨信息技术1172010年第5期表1中列出了3类12项灾害。灾害发生后，最有可能的事故是SD2：破坏高速铁路线路、道岔，引起接近列车事故。如2004年10月23日日本新泻6.8级地震引发的事故就是由于道岔“四开”引起。1.3 地震监控功能定位京津城际高速铁路地震监控系统是防灾安全监控系统的一个子系统，应综合利用先进的地震检测及分析技术、数据传输及计算机网络技术、自动化控制技术，实时检测地震报警信息，并实现对高速运行列车的紧急处置功能，为调度指挥人员提供行车管制预案，为运营、维护管理人员提供运维措施，最大限度地减小
5、因地震灾害造成的损失。2 地震检测报警及控制方案2.1 地震检测报警模式地震检测报警模式分为强震检测报警系统、P波预警系统两类。强震检测报警系统：通过强震仪检测出超过报警阈值的强震波（S波或P波），立即发出使列车停止运行的控制信息。P波预警系统：通过强震仪检测出的P波信息，经计算，判别出地震发生的震中、方向和震级等，分析出震中距和地震强度，利用P波与S波的走时差，在地震波中对铁路危害较大的S波到达铁路沿线之前提前发出使列车停止运行的控制信息。2.2 国外高速铁路地震检测报警及控制方式分析日本新干线经历了强震监控报警、P波预警、多点P波预警与强震监控报警相结合的3个发展阶段，但控制方式均采用向牵
6、引供电系统发出控制信息停止供电，使列车停止运行。该报警、控制方式实时性强，能在检测到地震的第一时间控制牵引供电系统停电，使列车制动，如果判别不准，可能发生误报。法国地中海线马赛控制中心具有双机冗余的判别处理和报警装备，接收到相邻3个监测站的地震报警信息后，与国家地震部门验证，确认后向列控系统发出控制列车运行的信息。该报警方式准确率高，但采用确认后人工控制列控系统的控制方式（非自动联动控制方式），报警、控制的实时性相对较差。2.3 京津城际高速铁路地震检测报警及控制方案选择2.3.1 地震检测报警方式选择强震检测报警系统应用成熟、可靠，为日本新干线第一代地震监控系统、法国地中海线采用的地震监测报
7、警模式。P波预警系统目前在日本新干线已有成功应用案例，但存在数据积累周期长、技术难度大、预警准确度相对较低等问题。京津城际高速铁路地震监控系统为我国首例实施的高速铁路地震监控报警系统，尚无任何数据积累及应用经验，建议京津城际高速铁路地震监控系统采用强震检测报警模式，预留P波监测报警条件。2.3.2 报警判定方式选择关于地震报警判定方案，从参与报警判定的监测点角度看，有单点报警判定控制、相邻多点报警判定控制两种方式。单点报警判定控制方式为某一地震监测点检测到超过报警阈值的地震时，立即发出强震报警信息及控制指令。此种报警方式实时性好、判定逻辑简单，漏报率低，但存在一定的误报率。相邻多点报警判定控制
8、方式为相邻的2个或3个地震监测点检测到的地震动加速度值超过报警阈值时，经逻辑判定后再发出强震报警。该报警方式的误报率低，但报警判定延时时间相对较长、判定逻辑相对复杂，并存在一定的漏报风险。因此，鉴于地震监控系统在京津城际高速铁路为路内首次使用，为防止误报，建议在系统开通初期，先采用相邻多点报警判定方式；待系统运营一段时间并有一定数据积累，验证单点报警不产生误报后，可改为单点报警判定方式。需要说明的是，无论采用哪种报警判定方式，系统都应具备上述两种报警判定方式功能。当采用相邻多点报警判定方式时，如果系统检测到某一监测点达到报警阈值，系统的监控终端应立即显示单点报警信息。2.3.3 控制方式选择根
9、据日本新干线地震监控系统的经验，以及京津城际高速铁路的具体情况，确定地震报警控制方案如下：当某2个相邻地震监测点检测到的地震动加速度值均达到报警阈值时，地震监控子系统将立即联动控制京津城际高速铁路沿线的列控系统，使列车制动；同时，将联动触发京津城际高速铁路沿线的牵引变电所供变电系统，使接触网断电。 2.3.4 京津城际高速铁路地震报警阈值确定京津城际高速铁路沿线监测点地震动加速度报警阈值（EAT）的确定与基于工程基础设施的最大动力响应系数信息技术1182010年第5期表2 京津城际高速铁路地震监测点设置方案D和保证列车正常运行前提下的轨道所能承受的最大横向加速度值A有直接关系。模拟计算京津城际
10、高速铁路路堤及各种桥梁（连续梁桥、简支梁桥和钢架桥）在几种典型地震波激励下的动力响应系数，获得95%保证概率下最大结构动力响应系数为钢架桥的最大动力响应系数：DMax（Di）=2.55。保证列车正常运行前提下的轨道所能承受的最大横向加速度值A取0.12g，主要原因为：按GB 183062001中国地震动参数区划图标定，京津城际高速铁路沿线的标定地震动峰值加速度在0.15g以上，因而沿线铁路基础设施修建的地震设防水准应当在0.15g以上，考虑一定的保证概率，将A值定为0.12g。报 警 阈 值E A T应 为 ：E A T= A /D= 0 . 1 2g/2.55=0.047g。为安全起见，考虑
11、一定的裕量，并参考日本及法国高速铁路的报警阈值，建议京津城际高速铁路取0.04g，即地震动加速度0.04g为京津城际高速铁路地震报警及控制的阈值。3 京津城际高速铁路地震监测点设置方案3.1 设置原则因京津城际高速铁路地震监控子系统实施属于改造工程，存在一定的工程实施难度，故地震监测点的设置应综合考虑其沿线的地震地质条件、现场背景噪声测试结果、报警阈值及既有牵引变电所、AT所设置情况而确定。3.2 地震监测点设置方案借鉴日本、法国地震监控系统布点方案，依据京津地区近代地震历史数据资料，科学分析沿线地区的地震地质情况，并结合沿线车站、牵引变电所、AT所的具体分布情况，确定京津城际高速铁路地震监控
12、点设置方案（见表2）。牵引变电所名称/ AT所名称运营里程间距/kmTSS1（亦庄）JJK19+767.65 15.12 ATS2JJK34+887.65 13.79 ATS3JJK48+677.6513.32 ATS4JJK61+997.65 19.06 TSS2（武清）JJK81+395.2621.66 ATS6JJK103+060.21图1 京津城际高速铁路地震监控系统构成方案4 京津城际高速铁路地震监控系统构成方案4.1 设备构成方案根据京津城际高速铁路地震监控子系统需求分析、报地震数据 处理设备永乐核心层 网络交换机汇聚层 网络交换机通信基站/ 机房监控单元TSS/AT 监控单元编号
13、 里程地震监测子系统 数据库/应用服务器北京调度中心主备用通道：各12 Mb/s 主备用借口：110 M/100 Mb/s 永乐综合维修保养点亦庄站武清站天津站SU 强震仪信号列控中心EHW2 TSS1 CYW ATS2 EHW3 CYM ATS3 EHW1 ATS4 EHW2 TSS2 CWE EHE1 ATS6 EHE2 JJK10 JJK19 JJK22 JJK34 JJK36 JJK46 JJK48 JJK60 JJK61 JJK75 JJK81 JJK84 JJK97 JJK103 JJK110供变电系统信号列控中心信号列控中心信号列控中心信号列控中心供变电系统信号列控中心信号列控中
14、心信号列控中心强震仪强震仪强震仪强震仪强震仪主备用通道：各12 Mb/s 主备用借口：110 M/100 Mb/s 主备用通道：各12 Mb/s 主备用借口：110 M/100 Mb/s 主备用通道：各12 Mb/s 主备用借口：110 M/100 Mb/s 主备用通道：各12 Mb/s 主备用借口：110 M/100 Mb/s 主备用通道：各12 Mb/s 主备用借口：110 M/100 Mb/s 信号列控中心SU SU SU SU SU SU SU SU SU SU SU SU SU 信息技术1192010年第5期警控制方案及地震监测点的设置方案，京津城际高速铁路地震监控子系统由强震仪、监
15、控单元、监控数据处理设备构成。京津城际高速铁路地震监控系统构成方案见图1。4.1.1 强震仪京津城际高速铁路沿线共设置6处地震监测点，均设置在牵引变电所/AT所。每处地震监测点均设置2套强震仪。每套强震仪包括1台地震传感器（加速度计）、1台强震动记录器。地震传感器安装在牵引变电所/AT所院内，为保证有效地过滤邻近的背景噪声，2台地震传感器的安装间距大于40 m。强震动记录器安装在牵引变电所/AT所控制室内。强震动记录器接收现场地震传感器设备传来的信号，并将其转换成数字信号进行阈值判断，生成报警信号并发送至监控单元；同时，强震动记录器将地震波数据和报警信号整合时间信息后，经监控单元传输至监控数据
16、处理设备，为灾后应急预案的启动提供数据参考。4.1.2 监控单元监控单元共划分为AT所监控单元、牵引变电所监控单元、列控中心监控单元三类。AT所监控单元：设置在AT所控制室内，主要实现对2套强震动记录器数据的分析和处理，检测报警信号，并将报警信号上传至监控数据处理设备。牵引变电所监控单元：设置在牵引变电所控制室内，除具备AT所监控单元功能外，还具备地震报警情况下接收监控数据处理设备指令、输出继电器组合干接点信号至牵引供电系统、联动控制牵引供电系统停电等功能。列控中心监控单元：设置在邻近列控中心的GSM-R通信基站内，除具备AT所监控单元功能外，还具备地震报警情况下接收监控数据处理设备指令，输出继电器组合
