高速鐵路地震預警檢測系統(tǒng)方案研究

史建平，張寶軍，竇埡錫

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道科學技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 通信信號研究所，北京 100081)

我國是一個地震災害嚴重的國家，地震災害對高速鐵路列車運行安全的影響不容忽視。為減輕和避免地震災害對高速鐵路的影響，保障高速鐵路列車運營安全，我國高速鐵路推廣運用了高速鐵路地震預警系統(tǒng)[1]。高速鐵路地震預警系統(tǒng)是一個涉及機車、通信、信號、牽引供電等專業(yè)交叉的防災系統(tǒng)，如何定期對高速鐵路地震預警系統(tǒng)的地震處置功能及設(shè)備狀態(tài)進行檢測，指導設(shè)備維護，確保高速鐵路地震預警系統(tǒng)發(fā)揮效用，成為鐵路防災維護管理部門亟待解決的問題。

1 高速鐵路地震預警檢測系統(tǒng)架構(gòu)

依托綜合檢測車，研制高速鐵路地震預警檢測系統(tǒng)，動態(tài)高效地對高速鐵路地震預警系統(tǒng)進行定期檢測驗證，確保系統(tǒng)設(shè)備能在災害發(fā)生時及時發(fā)揮效用，以減輕甚至避免地震帶來的災害影響，保障高速鐵路運營安全。

1.1 高速鐵路地震預警系統(tǒng)

作為鐵路運輸安全保障系統(tǒng)，高速鐵路地震預警系統(tǒng)主要由現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備、鐵路局中心系統(tǒng)和車載地震裝置組成。現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備采集地震動，判識地震事件，并將發(fā)震時間、震中、震級三大要素發(fā)送至鐵路局中心系統(tǒng)；鐵路局中心系統(tǒng)判別地震影響范圍，確定地震警報級別，并將地震處置指令分別送達高速鐵路列車、列控系統(tǒng)和牽引供電系統(tǒng)，通過3種處置措施保障高速列車及時、可靠地應對地震災害，避免高速列車脫軌、傾覆等運營風險[2]。其中，鐵路局中心系統(tǒng)通過GSM-R網(wǎng)絡(luò)向車載地震裝置發(fā)送緊急處置信息，列車接受后實施制動處置；通過監(jiān)控單元向列控系統(tǒng)發(fā)送緊急處置信息，觸發(fā)列控系統(tǒng)處置；向牽引供電系統(tǒng)發(fā)送緊急處置信息，觸發(fā)接觸網(wǎng)斷電。

高速鐵路地震預警監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)條件規(guī)定，地震緊急處置策略分為3級。當高速鐵路列車安裝的車載地震裝置接收到Ⅰ級地震處置后，車載地震裝置聲光報警提示，由司機手動制動限速運行；接收到Ⅱ級地震處置后，通過車載地震裝置和信號系統(tǒng)實現(xiàn)緊急處置；接收到Ⅲ級地震處置后，通過車載地震裝置、信號系統(tǒng)和牽引供電系統(tǒng)共同實現(xiàn)緊急處置[2]。

1.2 檢測需求

高速鐵路地震預警系統(tǒng)通過3種途徑觸發(fā)高速列車實施緊急處置，包括高速列車車載地震裝置接收地震處置命令、列控系統(tǒng)接收地震處置命令和牽引供電系統(tǒng)接收地震處置命令，因而對3種處置命令的檢測是高速鐵路地震預警系統(tǒng)功能檢測的核心需求。此外，地震預警系統(tǒng)自身設(shè)備狀態(tài)也是高速鐵路地震預警系統(tǒng)的基本檢測要求。

（1）高速列車接收地震處置命令檢測。地震發(fā)生后，為了保障高速列車的運行安全，高速鐵路地震預警系統(tǒng)將地震處置指令通過GSM-R網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到高速鐵路列車，高速鐵路列車安裝的車載地震裝置接收到地震處置指令后，語音提示司機限速運行或直接觸發(fā)高速鐵路列車制動環(huán)路，實施緊急制動停車[3]。鐵路局中心系統(tǒng)根據(jù)地震動大小估算地震影響范圍，需要檢測地震影響范圍內(nèi)所有高速鐵路列車是否能夠及時有效接收到地震處置指令，從而控制其限速運行或緊急停車。同時，需要檢測地震影響范圍外的高速鐵路列車不應收到地震處置指令，避免造成運輸組織混亂。

（2）列控系統(tǒng)接收地震處置命令檢測。當高速鐵路線路影響區(qū)域地震動幅值達到II級和III級警報閾值時，鐵路局中心系統(tǒng)除了需要將地震處置指令傳送給高速鐵路列車外，還應將其傳送給列控系統(tǒng)，由列控系統(tǒng)封鎖控制受地震影響區(qū)段，受控區(qū)段的高速鐵路列車依據(jù)機車信號緊急停車。地震處置指令的發(fā)送應當控制在鐵路局中心系統(tǒng)估算及實施范圍內(nèi)，需要檢測影響范圍內(nèi)的列控區(qū)間是否及時采取閉塞控制，閉塞區(qū)間內(nèi)的高速鐵路列車是否接收到機車信號緊急制動停車。同時，需要檢測處置區(qū)段影響范圍外的列控區(qū)間不應采取閉塞控制。

（3）牽引供電系統(tǒng)接收地震處置命令檢測。當高速鐵路線路影響區(qū)域地震動幅值達到III級警報閾值時，鐵路局中心系統(tǒng)還會將地震處置指令傳送給牽引供電系統(tǒng)，由牽引供電系統(tǒng)對影響處置區(qū)段實施接觸網(wǎng)斷電，使受控區(qū)段內(nèi)的高速鐵路列車失去牽引動力緊急停車。因此，需要檢測最高級別地震處置區(qū)段的高速鐵路列車是否被及時有效接觸網(wǎng)斷電，同時接觸網(wǎng)斷電區(qū)段不應擴展延伸到其他供電區(qū)間，造成對運輸組織的影響。

（4）地震預警系統(tǒng)設(shè)備檢測。雖然地震是小概率事件，達到高速鐵路緊急處置級別須采取相應處置的情況極少發(fā)生，但是為了保證高速鐵路的行車安全，仍然需要保證地震預警設(shè)備時刻處于正常工作狀態(tài)。為此，需要對現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備、鐵路局中心系統(tǒng)和車載地震裝置進行定期檢測維護。同時，對歷史處置記錄數(shù)據(jù)進行復核驗證，確保系統(tǒng)設(shè)備正常發(fā)揮效用，減少和避免地震漏報、地震誤報、地震處置誤觸發(fā)、地震處置漏觸發(fā)的發(fā)生，確保高速鐵路列車運輸生產(chǎn)安全。

1.3 系統(tǒng)架構(gòu)

基于高速鐵路地震預警系統(tǒng)檢測業(yè)務需求，利用綜合檢測車作為地震預警系統(tǒng)功能和設(shè)備狀態(tài)檢測載體，構(gòu)建的高速鐵路地震預警檢測系統(tǒng)獨立于高速鐵路地震預警系統(tǒng)，其系統(tǒng)業(yè)務架構(gòu)分為數(shù)據(jù)接口層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)交換層、數(shù)據(jù)處理層和應用層，高速鐵路地震預警檢測系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 高速鐵路地震預警檢測系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Architecture diagram of detection system of EEWS for high-speed railway

（1）數(shù)據(jù)接口層。高速鐵路地震預警檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口層通過GSM-R網(wǎng)絡(luò)的GPRS無線通信接口與鐵路局中心系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)通信連接，實現(xiàn)檢測指令的發(fā)送和檢測結(jié)果的接收。通過RJ-45網(wǎng)絡(luò)接口連接綜合檢測車的綜合系統(tǒng)，獲取精準的速度、里程位置和經(jīng)緯度坐標等信息，同時還向綜合檢測車上傳檢測數(shù)據(jù)。高速鐵路地震預警檢測系統(tǒng)通過USB接口實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移導出。

（2）數(shù)據(jù)傳輸層。考慮到GSM-R網(wǎng)絡(luò)較窄的數(shù)據(jù)傳輸帶寬及綜合檢測車高速檢測運行條件下無線通信傳輸質(zhì)量下降等因素，高速鐵路地震預警檢測系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸層采用面向無連接的UDP協(xié)議與鐵路局中心系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信，采用TCP協(xié)議接收綜合檢測車發(fā)送的定位信息及上傳檢測數(shù)據(jù)。為確保信息的有效傳輸，保持定期通信確認機制，通過重傳機制確保信息傳輸完整性。為保證處置信息的可靠傳輸，對收發(fā)信息進行傳輸校驗處理，通過收發(fā)應答機制，采用短數(shù)據(jù)包格式，長大數(shù)據(jù)分包傳輸，提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性。

（3）數(shù)據(jù)交換層。數(shù)據(jù)交換層對檢測數(shù)據(jù)、定位信息、日志數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)、GIS數(shù)據(jù)及線路數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫進行存儲，并為上層應用提供查詢、檢索等業(yè)務支持。數(shù)據(jù)交換層采用server模式，利用專用端口實時監(jiān)控接收綜合檢測車的定位數(shù)據(jù)及同步時鐘。高速鐵路地震預警檢測系統(tǒng)提前預存下載離線地圖數(shù)據(jù)并定時更新，確保GIS地圖[4]實時有效。

（4）數(shù)據(jù)處理層。數(shù)據(jù)處理層通過統(tǒng)計收發(fā)的檢測數(shù)據(jù)評價高速鐵路地震預警系統(tǒng)地震處置指令下達到高速鐵路列車的數(shù)據(jù)傳輸特性。從鐵路局中心系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫獲得的歷史數(shù)據(jù)記錄，對高速鐵路地震預警系統(tǒng)既往地震處置進行統(tǒng)計分析及復核驗證[5]。數(shù)據(jù)處理層還對處置檢測結(jié)果和設(shè)備狀態(tài)進行分析評價。

（5）應用層。高速鐵路地震預警檢測系統(tǒng)應用層是系統(tǒng)架構(gòu)的最頂層，接收來自接口層、傳輸層的數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，利用人機界面展示設(shè)備檢測、綜合檢測車接收地震處置檢測、列控系統(tǒng)接收地震處置檢測和牽引供電系統(tǒng)接收地震處置檢測結(jié)果，通過來自數(shù)據(jù)交換層的GIS數(shù)據(jù)和接口層、傳輸層的速度、里程、位置及線路信息，實時刷新GIS地圖與檢測結(jié)果結(jié)合顯示。為便于事后分析，應用層還提供檢測設(shè)置和檢測回放等檢測管理功能，可根據(jù)時間點對檢測過程進行檢索回放。

2 地震處置檢測功能試驗驗證方案

2.1 地震處置檢測場景設(shè)置

根據(jù)高速鐵路地震預警監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)條件規(guī)定，地震處置檢測涉及地震監(jiān)測區(qū)域檢測，應按如下處置場景進行檢測：①地震監(jiān)測區(qū)域檢測和綜合檢測車接收Ⅰ級地震處置檢測；②列控系統(tǒng)接收地震處置檢測；③牽引供電系統(tǒng)接收地震處置檢測；④綜合檢測車接收Ⅱ級地震處置檢測；⑤綜合檢測車接收Ⅲ級地震處置檢測。

高速鐵路地震預警系統(tǒng)僅對地震監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的高速鐵路列車發(fā)布地震處置信息。綜合檢測車行進中，可對地震監(jiān)測區(qū)域進行復核檢測，處于地震監(jiān)測區(qū)域應定時收到地震監(jiān)測區(qū)域指示信息，處于非地震監(jiān)測區(qū)域則收不到地震監(jiān)測區(qū)域指示。

地震Ⅱ級處置區(qū)域涵蓋在地震Ⅰ級處置區(qū)域內(nèi)，因而在Ⅱ級處置區(qū)域，綜合檢測車和列控系統(tǒng)都會接收到處置指令，各自獨立進行地震處置。地震Ⅱ級處置區(qū)域涵蓋地震Ⅲ級處置區(qū)域，在地震Ⅲ級處置區(qū)域，綜合檢測車、列控系統(tǒng)和牽引供電系統(tǒng)都會接收到地震處置指令，各自進行地震處置。

2.2 綜合檢測車接收地震處置檢測

綜合檢測車上安裝的車載地震裝置通過鐵路局中心系統(tǒng)，利用GSM-R網(wǎng)絡(luò)下的GPRS技術(shù)，接收獲得地震Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ處置信息。Ⅱ/Ⅲ級地震處置會造成綜合檢測車緊急停車，可通過不涉及緊急停車的Ⅰ級處置測試提高處置檢測效率，避免對列車運營組織的影響。進行Ⅰ級處置檢測，高速鐵路地震預警檢測系統(tǒng)可指定處置里程公里標范圍，由鐵路局中心系統(tǒng)發(fā)布處置信息，對綜合檢測車接收地震處置進行檢測確認。由于Ⅰ級地震處置信息發(fā)布基于點對點通信，可由鐵路局中心系統(tǒng)針對綜合檢測車定向發(fā)送檢測處置指令，避免對處置區(qū)域內(nèi)其他高速鐵路列車造成影響，同時盡量控制處置檢測范圍，檢測處置實施的精準性。檢測確認Ⅰ級處置可分為非處置區(qū)域、進入處置區(qū)域、正在處置區(qū)域和離開處置區(qū)域4種情況，確認策略如下。

（1）處在非處置區(qū)域的綜合檢測車不應當接收到處置信息，否則應檢查處置區(qū)劃是否越界或者處置基站參數(shù)配置是否合理。

（2）從非處置區(qū)域駛?cè)胩幹脜^(qū)域過程中，綜合檢測車應適時接收處置信息，驗證處置指令是否周期重傳，確保后進入處置區(qū)域的高速鐵路列車運行安全。

（3）正處于處置區(qū)域的綜合檢測車應及時接收到處置信息。在處置區(qū)域行駛過程中，綜合檢測車應定時收到周期發(fā)送的處置信息，檢測處置指令發(fā)送間隔周期是否滿足要求，發(fā)送范圍是否完整覆蓋處置區(qū)域。

（4）從處置區(qū)域駛出后，綜合檢測車不應再接收到處置信息。如果鐵路局中心系統(tǒng)配置Ⅰ級處置解除自動發(fā)送功能，綜合檢測車還應及時接收到處置解除指令。

鐵路局中心系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)測警報信息進行綜合分析處理，估算各警報級別環(huán)形影響范圍、處置級別，形成里程信息處置范圍，隨后換算成對應的處置覆蓋基站，再針對覆蓋基站內(nèi)的高速鐵路列車發(fā)送處置指令。

高速鐵路線路一般3 ～ 5 km設(shè)置一個基站，相鄰基站之間交織覆蓋[6]。因此，應提前掌握待測高速鐵路線路信息和通信基站布設(shè)及覆蓋信息。在檢測過程中，綜合檢測車應結(jié)合自身運行速度，設(shè)定適當?shù)哪M處置范圍，合理估算處置里程范圍與處置覆蓋基站的映射關(guān)系，確保處置策略的合理驗證[7]。地震Ⅰ級處置驗證策略示意圖如圖2所示。

2.3 列控系統(tǒng)和牽引供電系統(tǒng)接收地震處置命令檢測

列控系統(tǒng)和牽引供電系統(tǒng)接收到地震處置命令后，觸發(fā)所轄范圍的列控區(qū)間封鎖和接觸網(wǎng)斷電保護，因而應設(shè)計合適的處置檢測策略，選擇適當?shù)臏y試地震事件，對預期的測試高速鐵路區(qū)間進行處置，避免對非測試區(qū)域的列控系統(tǒng)及牽引供電系統(tǒng)產(chǎn)生不必要的影響。

在鐵路局中心系統(tǒng)儲備滿足要求的測試地震事件庫，通過地震震中經(jīng)緯度平移算法，將選定的地震事件及其影響范圍在GIS地圖上設(shè)置到測試區(qū)域。綜合檢測車在測試行進過程中，利用綜合檢測車提供的偏差±3 m定位信息，將當前位置及位移在GIS地圖上同步更新顯示。檢測系統(tǒng)根據(jù)行進路線及位移進度對比測試地震事件覆蓋區(qū)，根據(jù)地震事件代號從綜合檢測車遠程觸發(fā)鐵路局中心系統(tǒng)地震事件庫，啟動列控系統(tǒng)和牽引供電系統(tǒng)接收地震處置檢測。

圖2 地震Ⅰ級處置驗證策略示意圖Fig.2 Schematic diagram of the verification strategy for seismic class I disposal

車載檢測設(shè)備發(fā)起列控系統(tǒng)處置檢測請求，鐵路局中心系統(tǒng)將檢測請求轉(zhuǎn)化為模擬處置命令，通過信號接口引發(fā)列控系統(tǒng)緊急處置，處置檢測結(jié)果將以綜合檢測車為中心在GIS地圖上完整呈現(xiàn)。處于Ⅱ級別控制區(qū)域的列控區(qū)間是否完成區(qū)間閉塞，非處置控制區(qū)域的列控區(qū)間是否錯誤管控，也在GIS地圖上與預期控制區(qū)間結(jié)果進行比對，如果綜合檢測車處于列控系統(tǒng)處置區(qū)域也應被區(qū)間閉塞轉(zhuǎn)入緊急停車[8]。

車載檢測設(shè)備發(fā)起牽引供電系統(tǒng)處置檢測請求，鐵路局中心系統(tǒng)將檢測請求轉(zhuǎn)化為模擬處置命令，通過牽電接口引發(fā)牽引供電系統(tǒng)緊急處置，處于Ⅲ級別控制區(qū)域的高速鐵路線路接觸網(wǎng)是否斷電及非處置控制區(qū)域的高速鐵路線路是否錯誤斷電都將在GIS地圖上與預期結(jié)果進行對比顯示，如果綜合檢測車處于斷電處置區(qū)域也應被斷電。列控系統(tǒng)和牽引供電系統(tǒng)地震處置檢測示意圖如圖3所示。

2.4 地震預警系統(tǒng)設(shè)備檢測

高速鐵路地震預警系統(tǒng)設(shè)備檢測主要針對設(shè)備即時狀態(tài)檢測和歷史記錄數(shù)據(jù)分析。

圖3 列控系統(tǒng)和牽引供電系統(tǒng)地震處置檢測示意圖Fig.3 Schematic diagram of seismic treatment detection of train control system and traction power supply system

（1）設(shè)備狀態(tài)檢測。綜合檢測車在檢測行進過程中，高速鐵路地震預警檢測系統(tǒng)通過GSM-R網(wǎng)絡(luò)向鐵路局中心系統(tǒng)發(fā)出檢測指令，對綜合檢測車位置20 km范圍內(nèi)的地震預警系統(tǒng)設(shè)備進行檢測。通過檢測列表定時刷新設(shè)備狀態(tài)檢測結(jié)果，也可在GIS地圖上對指定設(shè)備進行定向檢測。

（2）車地傳輸性能測試。綜合檢測車與鐵路局中心系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸特性是評價綜合檢測車接收地震處置檢測的基礎(chǔ)，因而高速鐵路地震預警檢測系統(tǒng)還對車地數(shù)據(jù)傳輸特性進行統(tǒng)計評價。綜合檢測車的高速鐵路地震預警檢測系統(tǒng)與高速鐵路列車安裝的車載地震裝置，采用同樣的GPRS通信技術(shù)與鐵路局中心系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議格式類似，僅是數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容存在差異，因而采用高速鐵路地震預警檢測系統(tǒng)與鐵路局中心系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸統(tǒng)計特性類比，評價高速鐵路地震預警系統(tǒng)地震處置指令下達到高速鐵路列車的數(shù)據(jù)傳輸特性。通過檢測指令數(shù)據(jù)收發(fā)所帶的時間記錄，統(tǒng)計分析地震處置信息傳輸成功率和傳輸時延，統(tǒng)計通信中斷概率，評價高速鐵路地震預警系統(tǒng)處置指令下達綜合檢測車的傳輸特性是否滿足標準要求[9]。

（3）歷史數(shù)據(jù)分析。從鐵路局中心系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫獲得歷史數(shù)據(jù)記錄，根據(jù)地震預警信息、地震報警信息、處置發(fā)布信息、處置回執(zhí)等信息，對高速鐵路地震預警系統(tǒng)既往地震處置進行統(tǒng)計分析，復核驗證地震事件的判識、地震影響范圍的計算、地震處置范圍的確定、處置級別的設(shè)定是否合理，是否存在地震誤報、漏報事件，是否存在地震處置誤觸發(fā)和漏觸發(fā)。

3 結(jié)束語

搭載綜合檢測車，依托GSM-R網(wǎng)絡(luò)車地傳輸承載平臺構(gòu)建的高速鐵路地震預警檢測系統(tǒng)方案，設(shè)計采用完整的地震處置命令檢測場景和策略，可對高速鐵路地震預警系統(tǒng)地震緊急處置的可靠性和有效性進行檢測驗證，實現(xiàn)高速鐵路地震預警系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)檢測?；诰C合檢測車的高速鐵路地震預警檢測系統(tǒng)填補了高速鐵路地震預警系統(tǒng)檢測技術(shù)手段空白，納入到高速鐵路綜合檢測車常規(guī)檢測計劃后，可實現(xiàn)對高速鐵路地震預警系統(tǒng)的定期檢測，對指導高速鐵路地震預警系統(tǒng)設(shè)備檢測維修，提升高速鐵路地震預警設(shè)備運用質(zhì)量，保障高速鐵路列車運營安全具有重要意義。