铁路地震预警监测系统设计思考及试验研究

何泉勃

由于强烈地震易导致铁路桥梁变形、路基塌陷及轨道偏移扭曲，并使震区内岩体破碎，从而引发危岩落石、泥石流等一系列次生灾害，对铁路运营安全造成严重影响，因此，很多发达国家和地区在轨道交通领域长期致力于发展地震预警监测技术，并已具有相当多的成功案例，如日本的UrEDAS系统、美国的ShakeAlert系统、法国的RDS监测网络和我国台湾省的地震速报系统等。实践证明：地震预警监测技术不仅能实现轨道交通的应急处理，还能在一定程度上实现强震动到达之前的预警并对列车运行干预，保障生命财产安全。

我国铁路行业历来重视地震灾害对列车安全运营的影响，近年来更是通过加快推进相关标准制定、落实监测设备技术条件、完善上道程序等有效措施，在铁路地震预警监测技术方面取得了突飞猛进的发展。然而，由于起步较晚，相关理论储备及实践经验与日本、德国、美国等发达国家存在一定差距。因此，需从设计源头出发，进一步致力于研究、发现、分析和解决铁路地震预警监测系统工程中遇到的诸多问题，并进行充分试验验证，将规范标准中制定的原则性要求应用于工程实际，提升铁路灾害监测的整体建设水平。

1 铁路地震预警监测原理

地震波是指由地震震源向四周传播的一种弹性波，其传播介质为地球本身。按照传播方式的不同，地震波可分为实体波和表面波。其中表面波只在地表传递，实体波则可在地球内部传递。根据波形的不同，实体波又可分为纵波（P波）和横波（S波）。

1）P波。震动传递的性质和声波类似，是通过介质的体积变化（挤压和拉伸）来传播的，是一种推进波。它会使地面发生上下震动，其能量衰减快，破坏性较弱［1］。由于传播时介质的震动方向与能量传播方向平行，因此在所有地震波中，纵波具有最快的传播速度，约为5～7 km/s。

2）S波。又称为剪切波，它只能在固体中传播，传播时介质的震动方向与能量传播方向垂直，会使地面发生前后、左右的摇晃，且持续时间长，因此具有较强的破坏性［1］。同时，传播特性也决定了它的传播速度较纵波慢，约为3.2～4 km/s。

3）表面波。是由P波与S波在地球表面相遇碰撞后所产生的混合波，因此其产生的时间晚于纵波与横波。表面波具有波长大、频率低、振幅强和易频散的特性，是造成人工构筑物强烈破坏的主要因素。由于它只能在地表传播，因此浅源地震所引起的表面波更为明显。

由上述各类地震波的固有特性可知，P波的传播速度快且破坏性弱，通常可作为强震来临前的预警依据。因此，基于用空间争取时间的理念，在铁路沿线合理布设地震监测点。当地震发生时，利用P波初至各监测点的信息，快速估算震中位置、震级大小、震源深度等地震基本参数，并预测地震震动对铁路的影响，进而发布报警信息，即可通过技术手段及时控制列车减速或停车，最大程度降低地震对铁路列车运行造成的危害。铁路地震预警监测原理示意见图1。

图1 铁路地震预警监测原理示意

2 设计思考

铁路地震预警监测系统需具备地震监测、阈值报警、P波预警和紧急处置等功能，并通过触发车载地震装置、列控系统、牵引供电系统等3种方式加以实现。在具体设计过程中，应从系统功能要求和实现方式出发，结合工程实际，深入思考、研究并确定系统网络架构、中心系统设备配置、现场监测设备布设、相关专业接口标准等一系列关键点，确保设计方案的完整性、合理性和针对性。

2.1 网络架构

铁路地震预警监测系统总体为铁路局中心系统和现场监测设备二级架构［2］，见图2。一般采用铁路数据通信网承载，星型结构连接，车站与现场监测设备之间设置传输网，并双通道冗余，以提高数据传输可靠性。铁路局中心系统设置在铁路局调度所，负责地震信息的接收、处理，紧急处置信息的发布、警报解除，以及设备状态监测和维护管理等。现场监测设备布设于铁路沿线，包含地震计和监控单元，用于地震数据采集、报警信息发送、接收紧急处置信息，并实现与列控和牵引供电系统的接口功能。

图2 铁路地震预警监测系统网络架构示意

铁路局管辖范围内各线路设置独立的前端预警服务器，具备多台站P波预警和误报判识功能，用于接收现场监控单元的P波预警、阈值报警等信息，并将其发送至前端接口服务器，进而实现现场监控单元与铁路局中心系统之间的互联［3］。实际工程中，现场监测设备接入中心系统时，还应包括监控单元数据录入、软件配置扩容修改、GSM-R通信系统与地震预警监测中心系统的接入调试等工程内容。

目前路内部分铁路局地震预警监测中心系统尚未建成，对于此类情况，某些先期建设的线路在设计初期可利用按线设置的前端预警服务器，先实现现场监测设备的预警、报警功能，待中心系统建成后，再进一步完善接入部分的相关设计，实现紧急处置等其他功能。

2.2 铁路局中心系统

铁路局中心系统在管辖本局内现场监测设备的同时，分别与国家地震台网、相邻铁路局地震预警监测中心系统互联，实时获取相关监测、预警、速报等信息。中心系统硬件设备包括各类别服务器、存储设备、监测终端、网络安全设备及时间同步设备等，具体设备组成及连接关系见图3。

图3 铁路局中心系统设备组成

根据多项工程的设计经验，总结出铁路局中心系统主要设备配置原则如下。

1）服务器。按应用功能可划分为数据库、前端接口、邻局接口、台网接口、短信服务、前端预警、紧急处置、地理信息、通信应用、GPRS通信、地震GPRS接口、维护管理、时间同步、防病毒等类别。其中，台网接口服务器用于与国家地震台网数据交换平台进行信息交互；邻局接口服务器用于与相邻铁路局中心系统进行信息交互；通信应用服务器、GPRS通信服务器、地震GPRS接口服务器则通过GSM-R系统，向车载地震装置发送紧急处置信息。基于安全可靠性考虑，中心系统服务器均应采用冗余热备配置。

2）存储设备。用于集中存储局管内地震信息，在设计时应考虑近期建设线路的接入能力（一般按5年内需求考虑），并预留充足的扩容条件。技术规格上，要求磁盘阵列支持包括RAID（1+0）、RAID5、RAID6在内的多种存储方式，并具备存储分区和热备功能。

3）监测终端。包括监测业务终端和监测维护终端［3］。其中，监测业务终端可设置于调度所行车调度台/供电调度台；监测维护终端根据运营维护需要，通常设置在铁路局信息技术所，工务部，工程范围内涉及的工务段、通信段、工电段等单位。在工程设计中，应充分调查现场情况，尽量利用既有监测终端，通过对终端软件进行配置更改、数据调测等方式，实现地震信息的可视化和运行维护操作。

2.3 地震计布设

进行地震计布设时，首先应确定地震计的设置区段。根据《铁路自然灾害及异物侵限监测系统工程技术规程》（TB 10185—2021）要求，地震计应设置于《中国地震动参数区划图》（GB18306）确定的地震动峰值加速度0.1 g（g=9.8 m/s2）及以上的铁路沿线区段［4］。设计过程中，应注意及时更新上述区划图年度版本，并结合踏勘情况和线路所在区域地震区划报告，确定地震动峰值加速度≥0.1 g的区段，避免因基础资料差错引起设计疏漏。

相邻地震监测点在线路上的设置间距宜为25 km，应尽量统筹设置于牵引变电所、分区所、AT所的场坪内，并复核场地背景噪声要求（无列车影响时，场地背景振动噪声宜小于0.1 gal，最大不超过0.5 gal）。考虑互为验证因素，每处地震监测点采用双地震计（水平间距不宜小于40 m）。

地震计一般设置于测震井中，在初步确定地震计布设里程后，应在对应场坪内完成测震井的合理选址。为避免列车干扰，地震计应尽量远离线路（距线路中心线宜大于50 m）。此外，地震计如设置在电气化所亭内，地震观测室与强电、避雷针的距离还应满足铁路电力牵引供电相关规范的要求，即导线与测震井间最小垂直距离（计算最大弛度时）不小于4 m，独立避雷针与测震井之间的空气中距离不小于5 m。

根据上述原则完成地震计选址布设，地震计平面布置见图4［5］。

图4 地震计平面布置示意图

2.4 监控单元布设

地震预警监测系统按照地震加速度峰值设有3个警报级别，分别对应3级紧急处置功能，见表1。

表1 地震警报级别及紧急处置功能

警报信息的来源包括线路自建的监控单元、国家地震台网和相邻铁路局中心系统。其中自建监控单元由数据采集器、监控主机、接口模块、电源、网络和隔离开关、防雷模块等组成。根据功能不同，可分为具备地震监测、牵引供电系统触发、信号系统触发功能的3类监控单元［6］。设计过程中应根据地震计的监测区段，确定牵引供电系统触发和信号系统触发的覆盖影响范围，进而完成监控单元的合理布设。实际应用时，由于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级紧急处置功能的依次增强，决定了信号系统触发的影响范围应覆盖地震计监测的区段范围，牵引供电系统触发的影响范围又应覆盖信号系统触发的影响范围。一般具备地震监控功能的监控单元与地震计同址设置；具备信号系统触发功能的监控单元与列控中心同址设置；具备牵引供电系统触发功能的监控单元设置于牵引变电所，用于与牵引供电系统接口。地震警报及紧急处置示意见图5。

图5 地震警报及紧急处置示意

2.5 相关接口设计

地震预警监测是一个较为复杂的综合性系统工程，涉及到灾害监测专业与房建、通信、信号、牵引变电所、电力、暖通等专业的相关接口，为保证系统安全可靠运行，必须高度重视接口设计工作，主要包括以下内容。

1）与房建专业接口。监控单元、数据采集器等设备设置于沿线车站、区间基站、中继站和电气化所亭的灾害监测或通信机房内；地震计设置于测震井内的地震墩台上［7］。房建专业按照实际需求提供相关机房设备布置、荷载、防雷及接地条件，并完成测震井、地震墩台建造的相关设计。

2）与通信专业接口。通信专业为地震预警监测系统提供网络通道（监控单元之间、监控单元至车站、车站至中心系统、监测终端至中心系统、相邻铁路局中心系统之间、国家地震台网与铁路局中心系统之间），并完成地震预警监测系统与GSMR系统、铁路时间同步系统之间的接口设计。监控单元如采用通信电源供电，通信专业还应根据用电需求，统筹考虑通信电源设备的端子及容量。

3）与信号专业接口。信号列控系统根据地震预警监测系统提供的预警信息，采取相应的列车运行安全防护措施。工程设计中应在列控系统工程数据表中体现地震防护信息，将地震防护措施纳入列控码序表，作为信号相关系统设计、软件编制、联锁试验等工作的依据。系统之间采用信号电缆连接，以信号防雷分线盘（或综合柜零层）为分界，通过继电器方式实现物理接口［8］。接收到地震报警信息后，由列控系统向控制范围内的所有轨道区段发H码，同时向车站计算机联锁发送轨道区段占用状态信息；联锁关闭车站、线路所的接发车信号；RBC根据联锁传送的相关轨道区段占用信息，向地震预警监测报警信息范围内的所有列车发送无条件紧急停车消息（UEM）。为保证可靠性，地震预警监测系统与列控系统之间应尽量采用不同物理径路分别敷设信号电缆，列控中心使用不同的采集板。

4）与牵引供电专业接口。地震预警监测系统向牵引变电所2台（组）牵引变压器的高压断路器控制回路各输出3组无源接点，通过接点开闭状态驱动高压断路器分闸和综合自动化系统报警。系统之间通过独立的电缆，以继电器方式互联，以牵引变电所主变保护测控屏端子排位分界。设计过程中，与牵引供电系统连接的电缆应根据所在牵引变电所是否设置综合应急保护装置而进行灵活配置。

3 试验验证

根据上述理论基础和设计思路，选取适当工点开展地震预警监测系统试验研究，可在工程实践层面验证监测设备的选型合理性、可靠性和设计方案的可行性，并根据试验结果，有的放矢地对设备技术参数、算法和设计方案进行优化调整，有助于形成较为成熟完备的技术条件和设计方法［9］。

多数情况下，穿越地震活动断裂带的艰险山区铁路普遍具有地质情况复杂、铁路设施设置困难、低级别地震频发、高级别地震造成危害大等特点，更适合作为试验对象加以重点研究。为此选取汶川地震强震区的成灌铁路沿线牵引变电所作为试验工点（共2处，间距约20 km），分别布设地震监测台站，依次开展室内试验和天然地震响应测试。

3.1 室内试验

室内试验的目的在于客观评价地震预警监测系统的设备功能和运用效果，为完善系统功能，提高系统预警正确性和准确性提供依据。试验内容主要针对监测设备（地震计、数据采集器和监控单元等）进行测试，包括室内地震动模拟试验、环境振动干扰模拟试验和预警报警试验等。

1）室内地震动模拟试验。如图6所示，通过设定振动台的加速度值和频率值，使其在定频（加速度取不同值）或定加速度（频率取不同值）的条件下分别进行正弦振动，记录地震计的输出数据，以测试加速度计的测量范围、线性特性、幅频特性、设备抗震能力等。测试结果显示，输入2.0 g加速度时输出的数据无失真，振动试验后检测线性特性曲线的线性度误差＜1%，幅频特性曲线在5～80 Hz范围内1 dB平坦。

图6 室内试验示意

2）环境振动干扰模拟试验。将模拟地震波与干扰波（包含不同频率的正弦波、白噪声信号以及实测的打夯、爆破、列车干扰、背景噪声等）混合进行抗干扰测试。测试初期，设备对部分白噪声和个别矩形波难以辨识，经进一步加强对干扰波的研究和分析，采取了合理的滤波措施，在确保不漏报的前提下，将非地震事件误报率降低至15%以内。

3）预警报警试验。利用波形发生器载入地震P波+S波完整波形数据（震级范围设为3～9级，主要集中在4～7级），震中距范围设为5～550 km（主要集中在20～300 km），合成加速度峰值范围设为1～1 200 gal（主要集中在40～200 gal），Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级报警阈值分别设为40 gal、80 gal、120 gal，用以测试P波预警判别时间（即P波初至到监控单元发出预警信息第1报的时间）和阈值判别时间（即地震计感知地震波达到报警阈值到监控单元发出报警信息的时间）。试验过程中，通过更改事件上报流程、优化P波判别算法等方式，将P波预警判别时间控制在3 s以内，阈值判别时间不大于0.5 s［10］。室内试验主要测试数据详见表2。

表2 室内试验主要测试数据

3.2 天然地震响应测试

天然地震响应测试在试验现场设置地震计和监控单元。其中，地震计选用三分向力平衡式加速度传感器（见图6），实时采集天然地震事件数据；监控单元包括数据采集器、监控主机、牵引变电所接口、信号接口、电源、网络和隔离开关、防雷模块等，测试地震预警监测系统的P波预警和阈值报警等功能，并将所记录的数据与国家地震台网数据进行比对，验证系统的准确性和可靠性［10］。

历经4个月的测试，累计成功监测到28次天然地震事件并发出预警，数据记录节选见表3［10］。

表3 天然地震事件监测记录节选

测试结果显示，在距试验工点300 km范围内，4级以上地震事件无漏报；预测震级与国家台网公布震级相差在2级以内的占90%；预警提前时间100 km之内为0～12 s，100～200 km为12～31 s，200 km以上则大于31 s。

4 结语

通过上述探讨、分析和试验，总结出的设计经验和方法，普遍适用于铁路地震预警监测系统设计，能够对此类工程的设计建设起到一定的借鉴和指导作用。随着铁路地震预警监测技术的日渐成熟和广泛应用，系统设计标准化、精细化和可操作性的要求越来越高，因此需要在工程实践中，不断总结，注重细节，对方案进行优化、深化和细化，进一步提升设计水平；同时也可通过试验、科研等方式，适时对设计成果加以验证和完善，拓宽思路，创新改进，使我国铁路地震预警监测体系得以继续稳步快速发展。