基于GNSS/傳感器高鐵沿線地震早期預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

翁信文 朱明非 王 濤

(安徽理工大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院, 安徽 淮南 232001)

基于GNSS/傳感器高鐵沿線地震早期預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

翁信文 朱明非 王 濤

(安徽理工大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院, 安徽 淮南 232001)

高鐵沿線地震早期預(yù)警系統(tǒng)融合了GNSS、傳感器、軟件開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)傳輸、計(jì)算機(jī)、地震監(jiān)測(cè)等先進(jìn)技術(shù)。土耳其地處北安納托利亞斷層帶，地質(zhì)構(gòu)造不穩(wěn)定，地震是土耳其最頻繁的自然災(zāi)害之一。在土耳其鐵路的頭號(hào)敵人就是地震，由于地震導(dǎo)致鐵軌偏移、下沉，都給高鐵的運(yùn)行帶來了極大的隱患。根據(jù)土耳其實(shí)際地質(zhì)情況，建設(shè)高鐵沿線地震預(yù)警系統(tǒng)，維護(hù)高鐵安全運(yùn)行，符合了土耳其希望加強(qiáng)自身三大洲樞紐地位的發(fā)展方向。同時(shí)，該設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)土耳其高鐵沿線地表監(jiān)測(cè)信息采集內(nèi)外業(yè)一體化提供了理論與技術(shù)基礎(chǔ)。

GNSS/傳感器 地震 監(jiān)測(cè) 預(yù)警

1 引言

隨著國(guó)有經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，新興經(jīng)濟(jì)體國(guó)家對(duì)改變落后的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求迫切。自2003年開始，土耳其建設(shè)高速鐵路。第一條從土耳其最大的都市伊斯坦布爾經(jīng)過埃斯基謝希爾到首都安卡拉全長(zhǎng)553公里的線路正在建設(shè)中，并于2007年開始運(yùn)營(yíng)，全程旅行時(shí)間從6-7小時(shí)縮短至3小時(shí)10分。另一條線，安卡拉至科尼亞(Konya)的線路于2006年開工。全程旅行時(shí)間在70分鐘左右。另有其他幾條線連接各大都市，已經(jīng)規(guī)劃并將于若干年內(nèi)建設(shè)。2014年1月17日土耳其安卡拉至伊斯坦布爾高速鐵路二期主體工程已完工。土耳其鐵路分布如圖1所示。有了高鐵后，土耳其人民的出行可以大大縮短，這對(duì)城市引進(jìn)人才、城市發(fā)展十分有幫助、為其帶來前所未有的機(jī)遇。隨著土耳其鐵路近年發(fā)展，鐵路推動(dòng)了該國(guó)經(jīng)濟(jì)巨大發(fā)展。此前土耳其主要發(fā)展的項(xiàng)目有航空和公路這兩個(gè)方面，但航空覆蓋不夠具體化，地形復(fù)雜導(dǎo)致公路交通不便，高鐵是目前該國(guó)主推的項(xiàng)目。而且土耳其不產(chǎn)原油，原油全部靠進(jìn)口，高鐵能節(jié)約燃油，環(huán)保意義也十分重大。

土耳其地處北安納托利亞斷層帶，地質(zhì)構(gòu)造不穩(wěn)定，地震是土耳其最頻繁的自然災(zāi)害之一。在土耳其鐵路的頭號(hào)敵人就是地震，由于地震導(dǎo)致鐵軌偏移、下沉，都給高鐵的運(yùn)行帶來了極大的隱患。因此，建設(shè)高鐵沿線地震預(yù)警系統(tǒng)，維護(hù)高鐵安全運(yùn)行，建立一張發(fā)達(dá)的快速鐵路網(wǎng)，符合了土耳其希望加強(qiáng)自身三大洲樞紐地位的發(fā)展方向。按照中國(guó)2014年1月1日起實(shí)施的《鐵路安全管理?xiàng)l例》規(guī)定：高速鐵路是指設(shè)計(jì)開行時(shí)速250公里以上(含預(yù)留)，并且初期運(yùn)營(yíng)時(shí)速200公里以上的客運(yùn)列車專線鐵路(客運(yùn)專線)。面對(duì)如此快速的運(yùn)行速度，遇到地震時(shí)，會(huì)造成無法估量的損失。所以建立及時(shí)預(yù)警的高鐵地震預(yù)警系統(tǒng)是土耳其高鐵安全運(yùn)行的必要保障。

2 地震預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)施

2.1 系統(tǒng)組成

高鐵沿線地震早期預(yù)警系統(tǒng)融合了GNSS、軟件開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)傳輸、計(jì)算機(jī)、傳感器、地震監(jiān)測(cè)等先進(jìn)技術(shù)，由監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)、警報(bào)子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通訊子系統(tǒng)四部分組成，其組成部分及工作流程如圖2所示。監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)主要由傳感器監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成，包括GNSS專用接收機(jī)、各類傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星/有線通訊模塊等設(shè)備。數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)由硬件和軟件組成，硬件：光纜、交換機(jī)、服務(wù)器、路由器、防火墻、磁盤陣列等；軟件：處理各類傳感器數(shù)據(jù)軟件、預(yù)警軟件。警報(bào)子系統(tǒng)，主要為廣播和車站、列車客戶端軟件，可以通過信息推送發(fā)布預(yù)警信息。網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)，主要為光纖有線局域網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通訊模式。

2.2 工作原理

高鐵沿線地震早期預(yù)警系統(tǒng)基本工作原理：監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)將通過數(shù)字強(qiáng)震記錄儀讀取來自加速度計(jì)、數(shù)字傾角傳感器、風(fēng)速傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過專用無線網(wǎng)絡(luò)與光纜相結(jié)合方式傳輸至數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)；數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)對(duì)GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)和傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，先由數(shù)據(jù)處理軟件實(shí)時(shí)處理得出地震強(qiáng)度、鐵軌位移沉降實(shí)況、鐵路沿線風(fēng)速以及對(duì)橋梁、隧道的影響。再由土耳其鐵路管理中心的預(yù)警軟件對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。由鐵路管理中心根據(jù)鐵軌情況、沿線橋梁、隧道的危險(xiǎn)情況；利用警報(bào)子系統(tǒng)根據(jù)預(yù)報(bào)分析軟件，自動(dòng)地通過衛(wèi)星通訊、光纜等手段向沿線的車站和運(yùn)營(yíng)中的列車發(fā)布危險(xiǎn)警報(bào)信息，通知列車減速或停車。

3 系統(tǒng)研究?jī)?nèi)容和實(shí)施方案

3.1 研究?jī)?nèi)容

3.1.1 融合多種傳感器數(shù)據(jù)的終端軟件研制

為了能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確的分析地震對(duì)高鐵列車可能造成的損害，系統(tǒng)利用埋設(shè)在鐵路沿線的數(shù)字強(qiáng)震記錄儀、加速度計(jì)、傾角儀、風(fēng)速傳感器等多種傳感器的組合用以精準(zhǔn)測(cè)定地震強(qiáng)度、位置、可能造成的影響。處理如此多的不同種類的數(shù)據(jù)，研究出一個(gè)多源數(shù)據(jù)融合的終端軟件是必要的這樣可以提高處理分析的效率，加強(qiáng)預(yù)警的效果。該軟件既能處理各類傳感器的數(shù)據(jù)，又能立刻繪出地震對(duì)鐵路路段造成的影響的災(zāi)害圖。

3.1.2 基于3G、光纜/GPS網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的研究

光纜的基本結(jié)構(gòu)一般是由纜芯、加強(qiáng)鋼絲、填充物和護(hù)套等幾部分組成，另外根據(jù)需要還有防水層、緩沖層、絕緣金屬導(dǎo)線等構(gòu)件。光纜具有通頻帶很寬，理論可達(dá)30億兆赫茲、無中繼段長(zhǎng)幾十到100多公里、不受電磁場(chǎng)和電磁輻射的影響。它的優(yōu)點(diǎn)是重量輕，體積小、光纖通訊不帶電，使用安全可用于易燃、易暴場(chǎng)所，使用環(huán)境溫度范圍寬、抗化學(xué)腐蝕、使用壽命長(zhǎng)。目前，由于傳感器監(jiān)測(cè)站所處地理環(huán)境的不同。站與站之間的傳輸方式也呈現(xiàn)出多樣化。得益于，便捷的交通、良好的地表?xiàng)l件，在沿線的車站的地下鋪設(shè)光纜，與數(shù)據(jù)控制中心之間的數(shù)據(jù)傳輸采用光纜連接。另外，由于GPRS無線網(wǎng)絡(luò)也不穩(wěn)定且費(fèi)用高。在車站其他的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，由于分布散落、地表?xiàng)l件不佳。所以，在車站外的監(jiān)測(cè)站，采用GPS衛(wèi)星通訊或3G網(wǎng)絡(luò)，用以傳輸數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)控制中心。3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是指支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動(dòng)通訊技術(shù)。

3.1.3 基于GPS、GIS和數(shù)字強(qiáng)震記錄儀智能監(jiān)測(cè)與預(yù)警平臺(tái)的研制

該系統(tǒng)的終端軟件將基于GPS、GIS和數(shù)字強(qiáng)震記錄儀等快速提取列車的相關(guān)信息、地理位置信息以及地震的相關(guān)信息，并迅速分析做出災(zāi)害程度預(yù)判。通過3G網(wǎng)絡(luò)、光纜傳輸、衛(wèi)星通訊等手段向沿線車站、行進(jìn)中的列車發(fā)布預(yù)警。同時(shí)該平臺(tái)也會(huì)擁有傳輸數(shù)據(jù)的功能，以供其他科研機(jī)構(gòu)共享相關(guān)信息。

3.2 系統(tǒng)的實(shí)施方案

高鐵沿線地震早期預(yù)警系統(tǒng)實(shí)施必須利用多種傳感器融合使用。

數(shù)字地震記錄儀是一款高性能的速度和加速度采集系統(tǒng)。它集合了無線電遙測(cè)接口及采集設(shè)備。標(biāo)準(zhǔn)的GSR-24地震記錄儀可以記錄來自地震計(jì)、加速度計(jì)或地震檢波器的三個(gè)信號(hào)。GSR-24配有數(shù)字化線路輸出，GSR-24的線路輸出可以連接上無線電發(fā)射機(jī)?？梢詫⑦B續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸回基站，并且同時(shí)復(fù)制連續(xù)記錄。

軟件方面，有一套高級(jí)的、基于Windows的分析軟件綜合包。GEODAS軟件包含在GSR-24中，可以在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)記錄數(shù)據(jù)初步查看。SEISLOG軟件含在由筆記本或PC機(jī)組成的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，是GSD-24記錄功能的基礎(chǔ)。SEISLOG還允許圖形顯示的記錄數(shù)據(jù)。GEODAS DAP(Data Analysis Package)數(shù)據(jù)分析包和SEISAN，可以為地震、土木工程以及地震學(xué)家提供的兩個(gè)詳細(xì)的分析程序。

加速度計(jì) (accelerometer) 測(cè)量加速度的儀表。傾角傳感器經(jīng)常用于系統(tǒng)的水平測(cè)量。數(shù)字化儀，是一種電腦輸入設(shè)備，它能將各種圖形，根據(jù)坐標(biāo)值，準(zhǔn)確地輸入電腦，并能通過屏幕顯示出來。風(fēng)速傳感器是可連續(xù)監(jiān)測(cè)上述地點(diǎn)的風(fēng)速、風(fēng)量(風(fēng)量=風(fēng)速x橫截面積)大小，能夠?qū)λ幭锏赖娘L(fēng)速風(fēng)量進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

以上多種傳感器共同組成系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)段，為整個(gè)系統(tǒng)的分析預(yù)警采集信息。

4 結(jié)束語

高鐵沿線地震早期預(yù)警系統(tǒng)對(duì)于土耳其鐵路建設(shè)有著重要的意義，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)的接收采集的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行快速處理，同時(shí)該預(yù)警系統(tǒng)可以清晰的反應(yīng)鐵路列車的運(yùn)行狀況以及鐵路沿邊的地面凹陷情況，以達(dá)到實(shí)時(shí)預(yù)警高鐵沿邊地震的目的。該系統(tǒng)利用GNSS和各類傳感器聯(lián)合使用，是一種新型的高鐵沿線地震早期預(yù)警系統(tǒng)。

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The Early Earthquake Warning System Of High Speed Railway Design Based On GNSS/Sensor

WENG Xin-wen,ZHU Ming-fei,WANG Tao

(School of Surveying and Mapping Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 231001, China)

The early earthquake warning system of high speed railway along the line is integrated with GNSS, sensors, software development, network transmission, computer, earthquake monitoring and other advanced technologies. Turkey is located in the North Anatolian Fault Zone, geologic structure is not stable, the earthquake is one of Turkey's most frequent natural disasters. The earthquake caused the railway to offset, sink,and brought a great hidden danger to the high-speed rail way operation. According to the actual geological conditions in Turkey, constructing the earthquake warning system of high speed railway along the line which keeps safety operation of high-speed rail arrive at the Turkey hopes to strengthen its three continents and suit the development direction of the hub. At the same time, the design provides a theoretical basis for the realization of Turkey's high-speed rail along the surface monitoring information collection Inside and outside integration.

GNSS/Sensors;earthquake;monitoring;early warning

2016-04-26

P228.4

B

1007-3000(2016)06-3