城市軌道交通地震預(yù)警 緊急處置系統(tǒng)設(shè)計研究

楊 林，閆 璐，張格明

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 通信信號研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團 有限公司 科信部，北京 100081)

我國是地震災(zāi)害特別嚴(yán)重的國家之一，在西南、西北、華北以及東南沿海的廣東福建以及臺灣海域等5個地區(qū)分布了23條地震帶，地震活動頻度高、強度大、震源淺。近10年來，全國城市軌道交通發(fā)展迅猛，除了4個直轄市和沿海地區(qū)，中西部及東北地區(qū)的武漢、成都、昆明、沈陽等城市也都在快速發(fā)展軌道交通[1]。目前，我國正在全國范圍內(nèi)實施“國家地震烈度速報與預(yù)警工程”，通過國家級地震臺網(wǎng)中心的建設(shè)，華北、南北地震帶、東南沿海和新疆天山中段4個重點區(qū)具備秒級地震預(yù)警能力，全國具備分鐘級地震烈度速報能力，并為政府、公眾、學(xué)校以及鐵路等示范用戶提供信息服務(wù)?，F(xiàn)有城市軌道交通系統(tǒng)對地震的處置手段是采用人工方式，在地震發(fā)生時通過電話接受本地區(qū)地震預(yù)報部門報警，調(diào)度員采取人工手段進行調(diào)度控車，時間延遲較長、處置效率較低。因此開展城市軌道交通地震預(yù)警緊急處置技術(shù)研究十分必要，研究適應(yīng)于我國城市軌道交通的地震預(yù)警緊急處置技術(shù)，構(gòu)建地震預(yù)警緊急處置信息中心，通過中心接收國家地震臺網(wǎng)、現(xiàn)場地震監(jiān)測設(shè)備的地震信息，自動生成緊急處置信息并快速向基于通信的列車自動控制系統(tǒng)(CBTC)、運輸管理等部門發(fā)送，實現(xiàn)地震發(fā)生時地震預(yù)警信息到緊急處置信息的快速轉(zhuǎn)換和自動上車，可大大縮減城市軌道交通的地震應(yīng)急處置時間，顯著提升地震防災(zāi)水平。

1 城市軌道交通地震預(yù)警緊急處置系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

1.1 城市軌道交通地震預(yù)警緊急處置方式

目前國內(nèi)軌道交通針對地震的緊急處置普遍采用應(yīng)急管理模式，該模式主要為震后應(yīng)急管理，需要調(diào)度員通過電話或者網(wǎng)絡(luò)等收到地震臺網(wǎng)發(fā)布的信息后，人工下達調(diào)度命令去控制列車運行，效率較低。城市軌道交通地震預(yù)警緊急處置方式是自動為主，人工為輔，其處置方式主要涉及到系統(tǒng)的震時緊急處置策略，時間和效率大大優(yōu)于原來人工干預(yù)的手段，包含3個方面的內(nèi)容。

（1）地震處置方式。城市軌道交通的速度目標(biāo)值一般不超過100 km/h，主要服務(wù)于中心城區(qū)的通勤客流，其服務(wù)半徑一般不超過35 km，區(qū)間和車站均以地下或高架為主，行車密度大，最小行車間隔在1 ~ 5 min內(nèi)，一般采用站站停的運營方式。綜合考慮我國城市軌道交通車速、發(fā)車間隔、車站長度、主要結(jié)構(gòu)物的抗震性能、對恢復(fù)運營的影響、車站疏散能力等諸多因素，地震發(fā)生時，地面振動一般不會引發(fā)橋梁、隧道、接觸網(wǎng)、供電軌等結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯震害，但可能引發(fā)行進中的列車發(fā)生脫軌[2]。為了保證列車安全運行以及人員安全，地震發(fā)生時采用緊急處置使列車停車，待地震波過去后，立即啟動列車駛?cè)豚徑囌尽?/p>

（2）控制列車停車方式。采用自動控車為主，行車調(diào)度員控制為輔的緊急處置方案。建立地震預(yù)警緊急處置中心，實時接入地震預(yù)警信息，對信息進行綜合分析處理后，生成緊急處置信息，通過列控系統(tǒng)和制動系統(tǒng)實現(xiàn)列車自動停車，不需要人員控制。自動控車的地震緊急處置可通過2種路徑實現(xiàn)，一種是通過地震預(yù)警緊急處置中心與CBTC列控地面中心(ATS)之間的接口，由ATS接收中心緊急處置信息并向車載控制器(VOBC)發(fā)送，實現(xiàn)地震發(fā)生時列控系統(tǒng)的自動控車；第二種是通過地震預(yù)警中心與通信系統(tǒng)之間的接口，由通信接口單元接收中心緊急處置信息并以無線局域網(wǎng)(WLAN)或城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng)(LTE-M)等方式，向車載地震緊急處置裝置發(fā)送，通過列車上的車載地震緊急處置裝置實現(xiàn)列車制動[3]。

（3）地震緊急處置閾值的確定。報警閾值作為報警和處置的重要參數(shù)，直接決定地震預(yù)警系統(tǒng)對列車的處置策略。報警閾值設(shè)置過低，對軌道交通影響不大的小震或遠震也可能觸發(fā)系統(tǒng)報警使列車限速或停車，影響運輸秩序，報警閾值設(shè)置過高，近震或大震發(fā)生時地震波幅值增長快，發(fā)出警報與破壞性地震波達到時間過短，系統(tǒng)會損失一部分提前預(yù)警的時間，無法充分發(fā)揮縱波(P波)提前預(yù)警的功效。借鑒高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)報警閾值的設(shè)定原則和經(jīng)驗，考慮到城市軌道交通站間距較近，列車速度較低等因素，基于軌道交通列車-軌道-橋梁動力耦合分析計算結(jié)果，提出軌道交通的地震警報閾值設(shè)為40 gal[4-8]，當(dāng)3方向加速度峰值大于等于40 gal時就采用停車的緊急處置[9]。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

（1）設(shè)計目標(biāo)。建立城市軌道交通地震預(yù)警緊急處置系統(tǒng)，接收地震臺網(wǎng)、城軌現(xiàn)場地震監(jiān)測設(shè)備的地震預(yù)警信息、閾值報警信息、地震速報等信息，對信息進行綜合分析、協(xié)同處理，快速生成緊急處置信息，并將緊急處置信息自動發(fā)送到列控系統(tǒng)和車載地震緊急處置裝置，實現(xiàn)列車的緊急控制。在發(fā)生地震時，系統(tǒng)還將地震預(yù)警、緊急處置等信息實時發(fā)送到列調(diào)終端、維護終端、運輸管理部門，便于調(diào)度人員和管理人員實時掌握地震災(zāi)害情況。

（2）架構(gòu)設(shè)計。城市軌道交通地震預(yù)警緊急處置系統(tǒng)由現(xiàn)場地震監(jiān)測設(shè)備、地震緊急處置信息中心、通信接口單元組成。城市軌道交通地震緊急處置系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 城市軌道交通地震緊急處置系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Architecture of earthquake emergency response system of urban rail transit

由圖1可以看出，現(xiàn)場地震監(jiān)測設(shè)備沿城軌線路部署，通過專用通信傳輸網(wǎng)絡(luò)向地震緊急處置信息中心傳輸?shù)卣痤A(yù)警、報警等信息，地震臺網(wǎng)通過專線的方式接入城軌系統(tǒng)通信傳輸網(wǎng)絡(luò)，向地震緊急處置信息中心傳輸?shù)卣痤A(yù)警、報警、速報及地震烈度等信息。地震緊急處置信息中心部署于城軌調(diào)度機房，分別設(shè)立現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備接口服務(wù)器和地震臺網(wǎng)接口服務(wù)器接收城軌現(xiàn)場地震監(jiān)測設(shè)備、地震臺網(wǎng)的地震信息，對信息進行綜合處理，生成緊急處置信息，通過CBTC接口服務(wù)器實時向列車自動監(jiān)控系統(tǒng)(ATS)發(fā)送，ATS收到緊急處置信息后，以WLAN的方式向車載VOBC裝置發(fā)送，實現(xiàn)列車的緊急制動。同時，地震緊急處置信息中心還通過通信接口單元以WLAN和LTE-M的方式實時將緊急處置信息發(fā)送到車載地震緊急處置裝置中。此外，地震緊急處置信息中心還實時將地震報警信息、緊急處置信息發(fā)送給行車調(diào)度、維修調(diào)度等相關(guān)系統(tǒng)，便于運輸管理人員全面掌握地震災(zāi)害信息及其處置流程。

（3）系統(tǒng)主要功能。城市軌道交通地震緊急處置系統(tǒng)主要功能有6個。①信息接收功能。實時接收地震臺網(wǎng)的預(yù)警信息、自動速報信息、正式確報信息等，現(xiàn)場地震監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)測信息、預(yù)警信息、報警信息等，以及設(shè)備工作狀態(tài)信息。②信息融合處理功能。對接收到的信息依據(jù)時間順序和信息類型進行融合處理，計算地震烈度衰減范圍，疊加軌道交通線路模型數(shù)據(jù)，生成不同處置范圍和級別的緊急處置信息。③緊急處置功能。通過專用通信傳輸網(wǎng)絡(luò)向CBTC地面系統(tǒng)發(fā)送相應(yīng)級別的緊急處置信息。④信息存儲功能。將接收到的地震警報信息、緊急處置信息、系統(tǒng)工作狀態(tài)信息等進行存儲。⑤信息綜合顯示功能。用于為控制中心各調(diào)度崗位提供地震預(yù)警、報警、緊急處置等全過程信息展示；針對維修調(diào)度，除顯示上述各項信息外，還顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)信息。⑥地震警報解除功能。地震事件結(jié)束后，向CBTC地面系統(tǒng)以及相關(guān)調(diào)度發(fā)送地震警報解除信息，解除地震事件影響。

（4）系統(tǒng)主要界面。地震緊急處置信息中心給調(diào)度提供實時信息展示界面，為各調(diào)度工種配有監(jiān)測業(yè)務(wù)終端界面，監(jiān)測業(yè)務(wù)終端能夠?qū)崟r顯示地震臺網(wǎng)發(fā)送的地震預(yù)警、報警、速報等信息，現(xiàn)場地震監(jiān)測設(shè)備發(fā)送的預(yù)警、報警等信息，地震緊急處置信息中心生成的緊急處置信息等。此外，監(jiān)測業(yè)務(wù)終端還能顯示系統(tǒng)的運行工作狀態(tài)信息。

2 城市軌道交通地震預(yù)警緊急處置系統(tǒng)信息構(gòu)建處理

在系統(tǒng)架構(gòu)確定后，城市軌道交通地震預(yù)警緊急處置系統(tǒng)通過對信息處置流程進行分析，采用Petri網(wǎng)時序建模手段，對信息進行構(gòu)建與處理，實現(xiàn)了地震預(yù)警信息到緊急處置信息的快速轉(zhuǎn)換，大大減少了地震信息處理時間，提高了地震預(yù)警處置效率。

2.1 信息的處置流程

地震緊急處置信息中心實時接收地震臺網(wǎng)的預(yù)警、報警等信息，同時也實時接收現(xiàn)場地震監(jiān)測設(shè)備發(fā)送的縱波(P波)預(yù)警、閾值報警等地震警報信息，通過對信息進行綜合分析、融合處理，計算地震影響城軌線路范圍，生成緊急處置信息并向相應(yīng)目的地發(fā)送。鑒于地震臺網(wǎng)預(yù)警信息精確度通常較高，一般優(yōu)于城軌自建臺站本地預(yù)警數(shù)據(jù)，所以，在對臺網(wǎng)預(yù)警和本地預(yù)警等數(shù)據(jù)進行處理時，遵循警報升級、臺網(wǎng)信息優(yōu)先利用原則進行處理，可以提高處置效率，提高地震處置精度。城市軌道交通地震預(yù)警緊急處置系統(tǒng)信息處理流程如圖2所示。

圖2 城市軌道交通地震預(yù)警緊急處置系統(tǒng)信息處理流程圖Fig.2 Information processing flow chart of earthquake emergency response system of urban rail transit

城市軌道交通地震預(yù)警緊急處置系統(tǒng)對現(xiàn)場地震監(jiān)測設(shè)備和地震臺網(wǎng)預(yù)警、報警信息的處理流程如下。①中心實時接收地震臺網(wǎng)地震預(yù)警信息，對信息進行分析與處理，計算影響線路范圍，生成緊急處置信息，向通信接口單元、列車自動監(jiān)控系統(tǒng)(ATS)和相關(guān)調(diào)度終端發(fā)送，中心同時將警報信息向終端發(fā)送。②當(dāng)收到地震臺網(wǎng)信息后，后續(xù)收到城軌現(xiàn)場地震監(jiān)測設(shè)備發(fā)送的地震預(yù)警信息，中心僅保存現(xiàn)場地震監(jiān)測設(shè)備地震預(yù)警信息，并不進行分析處理。③當(dāng)收到預(yù)警信息后，后續(xù)收到地震臺網(wǎng)、現(xiàn)場地震監(jiān)測設(shè)備發(fā)送的地震閾值報警信息，中心對信息進行分析處理，計算警報影響范圍和級別，與最近一次處置信息進行比較。④當(dāng)處置信息升級(范圍擴大)時向通信接口單元、列車自動監(jiān)控系統(tǒng)(ATS)和相關(guān)調(diào)度終端進行發(fā)送，中心同時將警報信息向終端發(fā)送。

通常情況下，地震臺網(wǎng)預(yù)警信息要早于城軌沿線自建臺站預(yù)警信息，本著臺網(wǎng)信息優(yōu)先處理原則，中心對于后續(xù)收到的臺站預(yù)警信息，不予處理。但如果中心先收到沿線自建臺站預(yù)警信息后，可先行進行處置，后續(xù)再收到臺網(wǎng)信息，再按照上述流程進行處理。

2.2 信息分析與處理

Petri網(wǎng)可用于模擬系統(tǒng)的動態(tài)運行過程，反映系統(tǒng)的動態(tài)特性，其特點是基于時序關(guān)系的協(xié)同設(shè)計[10]。采用Petri網(wǎng)工作流來對城市軌道交通地震緊急處置系統(tǒng)的信息協(xié)同處理過程進行建模，將系統(tǒng)的這一處置過程轉(zhuǎn)換為矩陣模式描述的數(shù)學(xué)方程式來表達，可簡化協(xié)同信息處理邏輯，提高系統(tǒng)信息處置效率。在Petri網(wǎng)中，一個具有m個庫所，n個變遷的Petri網(wǎng)的關(guān)聯(lián)矩陣是一個m×n的整數(shù)矩陣，根據(jù)系統(tǒng)對地震臺網(wǎng)、現(xiàn)場地震監(jiān)測設(shè)備信息的處理過程，可以構(gòu)建基于Petri 網(wǎng)的多源信息緊急處置模型。城市軌道交通地震緊急處置模型關(guān)系表如表1所示。

表1 城市軌道交通地震緊急處置模型關(guān)系表Tab.1 Relation table of earthquake emergency response model for urban rail transit

根據(jù)關(guān)系表，生成Petri網(wǎng)絡(luò)模型。系統(tǒng)整體Petri網(wǎng)可用四元組描述，庫所、變遷、輸入、輸出。C= (P，T，I，O)，其中P為庫所集合，T為變遷集合，I為輸入集合，O為輸出集合。

其中P= (p1，p2，…，p25)

其中存在以下時序關(guān)系。

ifO(t2) beforeO(t4) & &O(t5) 則O(t4)O(t5)觸發(fā)；

ifO(t2) afterO(t5) 則O(t5)'觸發(fā)；

ifO(t2) afterO(t4) 則O(t4)'觸發(fā)；

Petri網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和性能分析可以通過分析PN網(wǎng)的關(guān)聯(lián)矩陣A來實現(xiàn)，設(shè)

其中：P= {p1，p2，…，pm}，T= {t1，t2，…，tn} 滿足

PN結(jié)構(gòu)可以用一個m行n列的矩陣A來表示。

其中：

A為Petri網(wǎng)PN的關(guān)聯(lián)矩陣，用來描述Petri網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)行為，工作流網(wǎng)的有界性求解可以轉(zhuǎn)化為求解方程：?X> 0，ATX≤ 0對于中心系統(tǒng)融合處理過程，只要求解方程滿足條件：ATX= 0，就能保證Petri網(wǎng)模型結(jié)構(gòu)上的有界性和守恒性，輸入輸出關(guān)系矩陣如下。

由公式ATX= 0，解方程得到

方程有解，說明所構(gòu)建的Petri網(wǎng)結(jié)構(gòu)合理，滿足可達性、活性、有界性等特性，因而該Petri網(wǎng)模型可以作為系統(tǒng)的緊急處置信息生成算法模型，用于實現(xiàn)地震預(yù)警信息到緊急處置信息的快速轉(zhuǎn)換。

2.3 時效性分析

城市軌道交通地震緊急處置信息中心從接收到地震預(yù)警信息到生成緊急處置信息，發(fā)送到相應(yīng)處置接口系統(tǒng)中，其全過程時延主要包括信息傳輸時間、信息處理時間、信息發(fā)送到列控系統(tǒng)和車載地震緊急處置裝置時間。

（1）臺網(wǎng)預(yù)警到緊急處置信息發(fā)送到列控系統(tǒng)中，其總時間為

式中：twc為地震臺網(wǎng)信息到信息中心的傳輸時延；tcl為信息中心處置信息的時延；tats為信息中心發(fā)送處置信息到ATS的時延；tzc為ATS發(fā)送處置信息到區(qū)域控制器(ZC)的傳輸時延；tvobc為ZC發(fā)送處置信息到車載VOBC的傳輸時延。

（2）臺網(wǎng)預(yù)警到緊急處置信息發(fā)送到車載地震緊急處置裝置中，其總時間為

式中：ttxjk為信息中心到通信接口單元的傳輸時延；tltem為通信接口單元到車載的傳輸時延(150 ms為98%的概念，≤2 s (99.92%))

綜上所述，采用城市軌道交通地震緊急處置自動控制技術(shù)，可自動接收地震臺網(wǎng)和現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備預(yù)警、報警信息，生成緊急處置信息并快速發(fā)送到受影響的列車上。系統(tǒng)在接收到臺網(wǎng)發(fā)送預(yù)警信息后，最快可在550 ms將緊急控車信息發(fā)送到運行的列車上，與現(xiàn)有的地震發(fā)生后行車調(diào)度員通過電話或者網(wǎng)絡(luò)掌握地震速報信息，手動下發(fā)調(diào)度命令控制列車運行的方式比較，其耗時減少，處置效率提高，整體時效性大大優(yōu)于既有系統(tǒng)處置方式。而且，信息中心可對多源異構(gòu)地震信息進行融合處理，精確計算處置范圍并實時以WLAN和LTE-M 2種方式發(fā)送到車載地震緊急處置裝置和列控系統(tǒng)中，可大大提高震時的處置精度和處置可靠性。

3 結(jié)束語

基于中國城市軌道交通地震防災(zāi)現(xiàn)狀，研究城市軌道交通地震預(yù)警緊急處置系統(tǒng)，提出城市軌道交通地震預(yù)警緊急處置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和系統(tǒng)對多源預(yù)警、報警信息的構(gòu)建處理技術(shù)，實現(xiàn)地震發(fā)生時城市軌道交通的快速預(yù)警與自動處置，提高軌道交通安全防護水平。隨著中國城市軌道交通大規(guī)模的建設(shè)與實施，對地震防護有更高的需求，未來預(yù)計需建立數(shù)十個城市軌道交通地震緊急處置信息中心，單一中心其地震信息獲取量有限，影響處置效率，有必要研究各信息中心間、信息中心與國家地震臺網(wǎng)間信息的安全、實時交互技術(shù)，擴大軌道交通地震預(yù)警信息獲取源，建立全國城市軌道交通地震預(yù)警立體化監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。