高速鐵路地震預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)工程設(shè)計方案研究

閆宏偉,黃乃斌,趙澤宇,尹?？?/p>

(1.中國鐵路經(jīng)濟規(guī)劃研究院有限公司,北京 100038； 2.中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司,天津 300308)

地震是對鐵路行車安全危害性極大的一種自然災(zāi)害，尤其隨著我國大面積高速鐵路建設(shè)，列車運營速度已達(dá)到350 km/h，對其運行安全有了更高的要求，提出了新的挑戰(zhàn)。地震對路基、軌道和橋梁等的沖擊，會造成鐵路路基下沉移位、鋼軌變形斷裂、橋梁與隧道混凝土剝落等基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)破壞，可能引發(fā)脫軌等以致車毀人亡的重大事故。必須通過對鐵路沿線可能發(fā)生的地震進(jìn)行預(yù)警，并配備相應(yīng)的處置預(yù)案以保證列車運行安全。

地震發(fā)生時產(chǎn)生P波、S波2種地震波，P波傳播速度較快、破壞性較小，S波的傳播速度較慢、破壞程度比較大。地震P波預(yù)警基于P波和S波的速度差來實現(xiàn)，當(dāng)S波尚未來襲的數(shù)秒至數(shù)十秒之前發(fā)出預(yù)警預(yù)告，從而采取相應(yīng)措施，避免重大損失[1]。

1 國外高速鐵路地震預(yù)警監(jiān)測概況

日本、法國等國家鐵路均裝備了地震預(yù)警監(jiān)測，實時檢測地震報警信息并及時觸發(fā)列車制動，將地震造成的損害降到最低。

日本是一個多地震國家，在20世紀(jì)60年代建造東海道新干線時，就考慮了鐵路地震預(yù)警監(jiān)測措施。迄今為止，現(xiàn)行的地震預(yù)警系統(tǒng)為第四代產(chǎn)品，同時具備P波預(yù)警和閾值報警兩種功能。地震儀同時布設(shè)在近震源海岸和鐵路沿線，地震儀的設(shè)置間隔分別約為100 km和于20 km，海岸地震監(jiān)測點的設(shè)置及與鐵路沿線地震監(jiān)測點的連接如圖1所示[2]。

圖1 日本地震監(jiān)測點設(shè)置示意

新干線地震預(yù)警系統(tǒng)與COSMOS綜合運輸管理系統(tǒng)相互銜接，實現(xiàn)信息集中管理，各部門調(diào)度可同時得到同一信息，根據(jù)災(zāi)害級別進(jìn)行運輸管制，并采取切斷供電電源或經(jīng)自動控制系統(tǒng)控制列車減速、制動運行等措施。當(dāng)檢測到地震，地震儀通過中繼裝置將信息發(fā)送到鐵路沿線的變電所，變電所對應(yīng)的裝置根據(jù)接收到的信息判斷是否需要報警。通過對歷史資料分析，當(dāng)沿線地震計監(jiān)測到的地震強度大于設(shè)定的報警閾值40 gal或海岸監(jiān)測點地震強度大于設(shè)定的報警閾值120 gal時，變電所停止供電，同時列車上的地震車載裝置據(jù)此隨即實施緊急制動[3]。

法國地震按烈度設(shè)防，建立了地震檢測網(wǎng)絡(luò)(RDS)，并開始建設(shè)高速鐵路地震預(yù)警監(jiān)測報警系統(tǒng)[4]，監(jiān)測點設(shè)置平均間隔為10 km，各監(jiān)測點與控制中心相連。地震處置采用列控系統(tǒng)控制模式，收到地震報警信息后由列控系統(tǒng)自動控制列車停止運行。法國報警閾基于工程經(jīng)驗，報警采取二級處置，對應(yīng)的閾值分2檔，即40 gal限速170 km/h、65 gal停車。40 gal的地震可能會引起軌道結(jié)構(gòu)等永久變形，而65 gal的地震將會造成建筑物不可恢復(fù)變形。

我國臺灣鐵路采用與氣象局合作方式，委托氣象局建設(shè)地震監(jiān)測速報系統(tǒng)。地震計布設(shè)于高速鐵路沿線，分為主地震計和副地震計兩類。主地震計設(shè)置于車站內(nèi)主機房，通過ATC控制列車停車。副地震計設(shè)置于沿線小機房內(nèi)采集地震信息。在綜合調(diào)度所設(shè)置中心系統(tǒng)，并與氣象局交互信息。報警閾值設(shè)置為大于40 gal時列車停車。

2 國內(nèi)高速鐵路地震預(yù)警監(jiān)測概況

自2012年以來，經(jīng)過科技攻關(guān)，已經(jīng)完成了高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)的研制。

2015年6月11日，原中國鐵路總公司科技管理部會同中國地震局科技司在北京組織專家對《大西線高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)試驗實施方案》進(jìn)行了評審，指導(dǎo)大西線地震預(yù)警系統(tǒng)試驗的實施，同意通過方案評審。大西線高鐵地震預(yù)警系統(tǒng)試驗積累了大量試驗數(shù)據(jù)，取得了良好的試驗成果，實現(xiàn)了高速鐵路地震快速預(yù)警及緊急處置技術(shù)的突破[5]。

2016年7月28日，原中國鐵路總公司科技部會同中國地震局科技司在北京組織召開高速鐵路地震預(yù)警監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)和車載地震緊急處置裝置的試用評審會，系統(tǒng)通過了試驗評審，具備了上道試用條件。

2016年底前針對廣鐵集團(tuán)的海南西環(huán)，北京鐵路局京津、津秦、京滬高鐵，沈陽鐵路局哈大高鐵，烏魯木齊鐵路局蘭新高鐵開展了既有地震監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)場調(diào)研，了解既有地震監(jiān)測系統(tǒng)的運用和維護(hù)現(xiàn)狀以及存在問題，目前正針對京滬高鐵既有地震監(jiān)測系統(tǒng)開展重點調(diào)研，優(yōu)先制定京滬高鐵既有地震監(jiān)測系統(tǒng)的升級方案，將地震預(yù)警的新成果展示在京滬高鐵示范線上。

2018年原中國鐵路總公司分別發(fā)布了《高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)條件》以及《鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》，以規(guī)范地震預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)的工程設(shè)計、施工和驗收，完善相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

目前，地震與其他自然災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)相對獨立構(gòu)建，由鐵路局中心系統(tǒng)、現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備兩級構(gòu)成，其架構(gòu)如圖2所示。

圖2 地震監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

地震預(yù)警監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置服務(wù)器、存儲設(shè)備、監(jiān)測終端、網(wǎng)絡(luò)及安全設(shè)備、時間同步設(shè)備等，設(shè)備根據(jù)工程需要按鐵路局冗余設(shè)置或者按線路冗余設(shè)置，實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備與國家地震臺網(wǎng)等實時信息接收，對接收到的信息按時間優(yōu)先順序進(jìn)行綜合分析處理，向處置范圍內(nèi)的列控系統(tǒng)、牽引供電系統(tǒng)等發(fā)送緊急處置信息、警報解除等主要預(yù)警與防護(hù)列車運行功能[6]。

3 監(jiān)測終端工程設(shè)計方案研究

監(jiān)測終端分為監(jiān)測業(yè)務(wù)終端和監(jiān)測維護(hù)終端。監(jiān)測維護(hù)終端根據(jù)運營維護(hù)需要設(shè)置在相關(guān)管理單位。監(jiān)測業(yè)務(wù)終端布設(shè)方案有按局布設(shè)和按調(diào)度臺布設(shè)兩種方案，兩種方案，根據(jù)運營組織需要及調(diào)度所調(diào)度臺位置預(yù)留等情況綜合開展設(shè)計。

3.1 全局布設(shè)一個業(yè)務(wù)終端

全局設(shè)置唯一的業(yè)務(wù)終端將提供局內(nèi)所有臺站的地震預(yù)警、報警信息、處置信息，鄰局的地震警報信息，地震臺網(wǎng)的地震預(yù)警信息、速報等信息。信息顯示全面，即符合地震面狀傳播和影響的特點，也利于業(yè)務(wù)人員全局掌握地震影響鐵路范圍。工程實施簡單，對調(diào)度中心正常運營影響小。無需考慮按臺推送地震信息，軟件設(shè)計相對簡單。

一個鐵路局僅一個調(diào)度人員首先掌握信息，各線路調(diào)度臺調(diào)度員稍后掌握信息。由于地震預(yù)警系統(tǒng)是自動進(jìn)行處置的，并不影響整體處置效果。但目前風(fēng)、雨、雪、異物侵限業(yè)務(wù)監(jiān)測終端采用按調(diào)度臺設(shè)置，可能會在布置與人員安排上帶來一定不協(xié)調(diào)。

3.2 每個調(diào)度臺布設(shè)一個業(yè)務(wù)終端

每個調(diào)度臺只收到影響到本臺管轄范圍的地震預(yù)警、報警信息，處置信息；鄰局地震報警信息和臺網(wǎng)地震信息也經(jīng)過篩選過濾后只發(fā)往受影響的調(diào)度臺終端。地震發(fā)生后，在受影響的調(diào)度臺業(yè)務(wù)終端同步顯示信息，便于調(diào)度員及時掌握地震影響本臺的情況。

每調(diào)度臺設(shè)置一個業(yè)務(wù)終端，工程實施較復(fù)雜，業(yè)務(wù)影響較大；按調(diào)度臺推送地震信息，信息推送業(yè)務(wù)邏輯復(fù)雜，軟件設(shè)計相對復(fù)雜。與全局設(shè)置一個終端相比，監(jiān)測業(yè)務(wù)終端數(shù)量增多，需要占用調(diào)度所更大面積，成本相應(yīng)增高。

4 現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備設(shè)計方案研究

現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備包含監(jiān)控單元和地震計。借鑒國外緊急處置技術(shù)，結(jié)合我國技術(shù)特點與需求，我國采用信號觸發(fā)列控系統(tǒng)實施緊急制動和牽引觸發(fā)停止向接觸網(wǎng)供電并行的處置方式，因此監(jiān)控單元具備與牽引供電系統(tǒng)接口功能、與列控系統(tǒng)接口功能[7]。

4.1 地震計設(shè)置

地震動峰值加速度0.1g及以上的鐵路區(qū)段設(shè)置監(jiān)控單元和地震計[8]。工程設(shè)計中，地震計設(shè)置間距一般為25 km，成組設(shè)置于牽引變電所、分區(qū)所、AT所內(nèi)，每組內(nèi)兩個地震計水平間距不宜小于40 m，每個測震井內(nèi)設(shè)置1個地震計。在工程建設(shè)中，根據(jù)選址及工程地質(zhì)情況等因素影響，優(yōu)選地震計設(shè)置位置與線路中心線距離不宜小于50 m，無列車影響時場地背景振動噪聲小于0.1 gal，以減少或避免設(shè)備受列車運行振動產(chǎn)生誤報而影響正常運行，提升設(shè)備的可用性。

4.2 監(jiān)控單元設(shè)置

目前我國通過認(rèn)證上道許可，監(jiān)控單元根據(jù)具備功能不同，可分為具備地震預(yù)警監(jiān)測功能、具備牽變觸發(fā)功能、具備信號觸發(fā)功能3種類型，設(shè)備結(jié)構(gòu)相對獨立。

具備地震預(yù)警監(jiān)測功能的監(jiān)控單元與地震計同址設(shè)置。

具備牽變觸發(fā)功能的監(jiān)控單元宜設(shè)置于牽引變電所，與具備地震預(yù)警監(jiān)測功能的監(jiān)控單元同址設(shè)置。

具備信號觸發(fā)功能的監(jiān)控單元根據(jù)列控中心位置，可合理設(shè)置于牽引變電所、分區(qū)所、AT所、基站、中繼站、線路所、車站等處所，場地背景噪聲和地震計布設(shè)距離符合要求時，可設(shè)置于電力配電所、中繼站、基站等處。

4.3 信號觸發(fā)監(jiān)控單元設(shè)置方案

目前地震預(yù)警現(xiàn)場監(jiān)測點主流設(shè)計方案，具備地震預(yù)警監(jiān)測功能與具備牽變觸發(fā)功能的監(jiān)控單元設(shè)備合設(shè)于牽引變電所等處同一機柜內(nèi)，具備信號觸發(fā)功能的監(jiān)控單元設(shè)備設(shè)置有兩種方案[9]。

4.3.1 設(shè)置于牽引變電所

具備信號觸發(fā)功能的監(jiān)控單元與其他兩種監(jiān)控單元設(shè)置在牽引變電所等處。沿線路兩側(cè)電纜槽各敷設(shè)一條信號電纜至相鄰的信號列控中心。當(dāng)該處生成地震報警后設(shè)在牽引變電所、分區(qū)所、AT所等處的具備信號觸發(fā)功能的監(jiān)控單元繼電器組合動作，通過敷設(shè)的信號纜聯(lián)動觸發(fā)列控系統(tǒng)相應(yīng)動作，如圖3所示。

圖3 信號觸發(fā)監(jiān)控單元設(shè)置于牽引變電所示意

4.3.2 設(shè)置于通信機房

具備信號觸發(fā)功能的監(jiān)控單元設(shè)置在信號列控中心相鄰?fù)ㄐ艡C房，并敷設(shè)兩條室內(nèi)信號纜接至相鄰信號列控中心，地震預(yù)警監(jiān)測功能的監(jiān)控單元和鄰近的具備信號觸發(fā)功能的監(jiān)控單元之間通過通信傳輸通道連接。當(dāng)生成地震報警后，通信傳輸通道將地震報警信息發(fā)送到信號觸發(fā)監(jiān)控單元，觸發(fā)該監(jiān)控單元繼電器組合動作，通過敷設(shè)的信號纜聯(lián)動觸發(fā)列控系統(tǒng)相應(yīng)動作，如圖4所示。

圖4 信號觸發(fā)監(jiān)控單元設(shè)置于通信機房示意

4.4 信號觸發(fā)監(jiān)控單元設(shè)置方案對比分析

4.4.1 工程投資測算

本次分析選取京滬高鐵運營里程K0+000～K237+860段作為測算區(qū)段。該區(qū)段地震動峰值加速度超過0.1g。根據(jù)規(guī)范及技術(shù)條件相關(guān)要求，并參考既有京滬高速鐵路防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)圖紙等相關(guān)資料中的設(shè)置情況分析，該區(qū)段設(shè)置地震儀監(jiān)測點共有11處，相關(guān)控制的列控中心共有22處，包含16處中繼站、2處線路所和4處車站。

當(dāng)采用設(shè)置于牽引變電所的方案，根據(jù)地震采集點至列控中心距離、單條實際纜線長度，并考慮電纜彎曲系數(shù)(選取1.05)，每條電纜考慮50 m的富余量，最終得出共需敷設(shè)信號電纜269 158 m(雙條)，信號電纜采用PTYL23型4芯纜。每處列控中心考慮纜線敷設(shè)挖溝50 m，鋼管防護(hù)100 m。22處共計1 100 m電纜溝，2 200 m鋼管防護(hù)量。計算按照相關(guān)預(yù)算定額在鐵路工程定額軟件計算并考慮結(jié)尾相關(guān)稅費，計算測算工程投資約為500余萬元。

當(dāng)采用設(shè)置于通信機房方案時，信號觸發(fā)監(jiān)控單元設(shè)置于信號機械室旁邊的通信機械室，敷設(shè)每條纜線按平均50 m一條考慮，共敷設(shè)2 200 m的PTYL23型4芯纜。每處通信機械室單獨設(shè)置地震預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)專用配電箱，電力專業(yè)共需設(shè)置22處電力配電箱，并考慮外電部分引入的電纜費用。通信專業(yè)需為每處信號觸發(fā)監(jiān)控單元提供至鐵路局中心系統(tǒng)和相鄰地震預(yù)警監(jiān)測點的傳輸通道，此部分可利用通信專業(yè)既有通道及設(shè)備接口，暫不計列投資。上述費用加上信號觸發(fā)監(jiān)控單元獨立設(shè)置時需要新增的監(jiān)控單元主機、網(wǎng)絡(luò)接口、UPS等設(shè)備測算投資為1 000余萬元。

4.4.2 優(yōu)缺點分析

信號觸發(fā)監(jiān)控單元設(shè)置于牽引變電所方案相關(guān)監(jiān)控單元全部設(shè)置在牽引變電所，監(jiān)控單元主機、網(wǎng)絡(luò)和電源等設(shè)備可合設(shè)，設(shè)備投資較低。設(shè)備集中設(shè)置可減少設(shè)備維護(hù)工作量，但需敷設(shè)2條信號電纜至鄰近的列控中心，增加了纜線和相關(guān)敷設(shè)與防護(hù)的投資。同時，目前地震預(yù)警監(jiān)測與信號觸發(fā)兩個監(jiān)控單元設(shè)備相對獨立，監(jiān)控單元主機、網(wǎng)絡(luò)和電源等設(shè)備沒有共用，還需獨立設(shè)置信號觸發(fā)監(jiān)控單元。

信號觸發(fā)監(jiān)控單元設(shè)置于通信機房方案無需敷設(shè)較多的信號電纜，僅需在通信機械室和列控中心之間敷設(shè)較短的室內(nèi)信號電纜，節(jié)省了纜線及相關(guān)配套工程的投資。但信號觸發(fā)監(jiān)控單元在每個列控中心都需單獨設(shè)置，增加了信號觸發(fā)監(jiān)控單元設(shè)備數(shù)量、相關(guān)電力配套設(shè)備及通信機械室一個機柜位置。

上述兩種方案均可實現(xiàn)地震預(yù)警監(jiān)測功能。目前，工程設(shè)計通常根據(jù)信號觸發(fā)監(jiān)控單元與列控系統(tǒng)接口距離，5 km范圍內(nèi)將信號觸發(fā)監(jiān)控單元設(shè)置在牽引變電所，通過長距離電纜與列控接口單元連接。通常牽引變電所與一側(cè)中繼站距離在5 km范圍內(nèi)，另一側(cè)往往超過5 km，仍需分別在牽引變電所及較遠(yuǎn)中繼站分別設(shè)置兩套信號觸發(fā)監(jiān)控單元，既使用了長途電纜也使用了2套信號觸發(fā)監(jiān)控單元，造成一定浪費。若隨著運營維護(hù)需求及技術(shù)手段發(fā)展，能將不同類型監(jiān)控單元進(jìn)行整合，可以節(jié)省機房面積及部分投資，降低日常維護(hù)勞動強度。

按照目前相關(guān)設(shè)備的情況，隨著工程開展，相關(guān)工程設(shè)計時還應(yīng)根據(jù)實際情況和當(dāng)時的設(shè)備報價進(jìn)行分析比選，確保工程設(shè)計的技術(shù)科學(xué)性與經(jīng)濟合理性。

5 結(jié)語

地震監(jiān)測系統(tǒng)是高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)不可缺少的部分，對高速列車運行過程中遭遇地震的應(yīng)急處置起到了至關(guān)重要的作用。隨著2018年地震預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)相關(guān)規(guī)范發(fā)布，工程建設(shè)更加標(biāo)準(zhǔn)化，隨著科研技術(shù)發(fā)展，如地震預(yù)警監(jiān)測、牽變觸發(fā)和信號觸發(fā)監(jiān)控單元設(shè)備進(jìn)一步整合后，工程投資各方面將逐步降低，地震計防水性能及預(yù)警準(zhǔn)確率進(jìn)一步提升。本文在對日本、法國等高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)的現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)基礎(chǔ)上，結(jié)合技術(shù)與建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對我國高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)的工程設(shè)計進(jìn)行分析，針對調(diào)度中心業(yè)務(wù)終端以及具備信號觸發(fā)功能的監(jiān)控單元設(shè)置方案比較分析，為工程設(shè)計提供參考。