高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)事件確認(rèn)方法

史建平

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京100081）

截至2020年底，中國高速鐵路運(yùn)營里程達(dá)到3.79萬km，占世界高鐵運(yùn)營總里程60%以上，高居全球第一［1］。高速鐵路的大范圍開通運(yùn)營，緩解了我國的交通壓力，促進(jìn)了國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，但倘若發(fā)生地震，即便沒有橋梁或隧道遭受破壞，高速行駛的列車也有可能在地震力作用下脫軌，造成嚴(yán)重的人員傷亡。高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)屬于重大工程地震預(yù)警系統(tǒng)的一種，能在破壞性地震波到達(dá)前通知列車采取緊急措施。日本的經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)證明，地震預(yù)警是提升高速鐵路安全的有效途徑之一［2-3］，但高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)通常會存在一定比例的漏報和誤報。

我國現(xiàn)行的高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)采用2 級構(gòu)架：第1 級為鐵路局中心系統(tǒng)，主要配置前端預(yù)警服務(wù)器、接口服務(wù)器、緊急處置服務(wù)器和GPRS通信服務(wù)器等設(shè)備；第2 級為現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備，主要配置24 位分辨率的記錄器和力平衡加速度地震計等設(shè)備，設(shè)置在鐵路沿線的監(jiān)測臺站。具體工作時，現(xiàn)場的地震監(jiān)測臺站實(shí)時監(jiān)測地震動加速度值并撿拾地震P 波，根據(jù)初至P 波快速估算地震基本參數(shù)；鐵路局中心系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測臺站提供的數(shù)據(jù)，確定地震影響區(qū)域及警報等級［4］。近年來依托成灌、福廈和大西3 條線路，我國對高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)持續(xù)開展大量的研究和應(yīng)用［5-11］，積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)、取得了豐富數(shù)據(jù)、填補(bǔ)了國內(nèi)空白、形成了一系列的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。同時，多年的系統(tǒng)性試驗(yàn)也暴露一些問題亟待解決，例如干擾事件誤報的快速解除。

在傳統(tǒng)的地震監(jiān)測中，地震漏報和誤報的問題并不突出，其原因主要是傳統(tǒng)的地震監(jiān)測臺站選址在遠(yuǎn)離干擾源的偏僻場地，且監(jiān)測時不涉及緊急處置，能夠較為靈敏地設(shè)置觸發(fā)參數(shù)，即便有干擾觸發(fā)記錄，在人工處理時剔除即可。而在高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)中，現(xiàn)場監(jiān)測臺站多沿高鐵線布設(shè)，振動干擾較多，若缺乏有效的手段對誤報事件進(jìn)行快速解除，會對列車運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。

我國高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)通過在現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備監(jiān)控單元中設(shè)置前端智能識別算法的方法應(yīng)對漏報和誤報錯誤。系統(tǒng)中對漏報（False Negative）的定義是：將地震事件識別為干擾事件或未檢測到事件發(fā)生。漏報錯誤一旦出現(xiàn)，地震預(yù)警無法及時發(fā)出，會導(dǎo)致列車在地震風(fēng)險中運(yùn)行。對誤報（False Positive）的定義是：將為干擾事件被識別為地震事件。誤報錯誤一旦出現(xiàn)，會影響高速鐵路的正常運(yùn)營，可能造成列車延誤及其傳播。

以往我國地震預(yù)警系統(tǒng)采用較多的是基于地震波動機(jī)理的互相關(guān)法［12］。然而基于3 條試驗(yàn)線路，通過捕獲天然地震和信號發(fā)生器模擬地震［13］2 種方式獲得的試驗(yàn)結(jié)果均表明：盡管絕大部分干擾事件可以被剔除，但誤報事件仍不能完全杜絕。

高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)著力解決的關(guān)鍵問題之一是預(yù)警的可靠性，要求系統(tǒng)不僅具有極低的誤報概率，而且還擁有一定的自糾錯能力，能夠避免漏報事件。對于地震預(yù)警時干擾事件的快速解除，目前常見方法主要依據(jù)的原理有3種：基于識別地震觸發(fā)臺站的時序［14］或震相是否滿足地震波傳播的規(guī)律；基于識別波形特征是否和地震波特性相似［13］；識別由震源參數(shù)推算的震中烈度與由波形推算的震中烈度是否一致［15］。這些方法要么需要較長的傳播時間，實(shí)時性較差，甚至可能在地震波到達(dá)附近臺站時衰減至低于觸發(fā)閾值，給判識造成困難；要么在干擾下有準(zhǔn)確率不夠理想的缺點(diǎn)。

鑒于以上不足，本文提出1 種高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)事件確認(rèn)方法。先確定地震動衰減模型誤差，推導(dǎo)加速度峰值的置信范圍和置信概率，根據(jù)臺站噪聲水平反推首個觸發(fā)臺站的判斷閾值取值；進(jìn)而利用地震波在臺網(wǎng)中2 個臺站之間的衰減規(guī)律，分析觸發(fā)震相組合工況，確定判別需要等待的時間，即等待延遲，并結(jié)合等待延遲以及地震動峰值與背景噪聲之間的關(guān)系，確認(rèn)該事件是否為地震事件；最后采用模擬測試的方式，利用收集得到的各種干擾記錄和世界各國強(qiáng)震動數(shù)據(jù)分別進(jìn)行干擾事件測試和地震事件測試，考察本文方法解除誤報、避免漏報的能力。

1 方 法

一般情況下，當(dāng)?shù)卣痤A(yù)警監(jiān)測臺網(wǎng)中的某個臺站被觸發(fā)后，地震動的加速度地面峰值（Peak Ground Acceleration，PGA）會達(dá)到一定的幅度，以至于在附近臺站中必定能觀測到高于背景噪聲的震動。對于觸發(fā)了某臺站的地震動，若一段時間后可在附近臺站中觀測到相應(yīng)震動，則可認(rèn)為這是地震事件；反之，若未觀測到震動，則可認(rèn)為這是干擾事件。由此，本文利用地震波在2 個臺站間的衰減關(guān)系，確認(rèn)事件是地震事件還是干擾事件，在解除誤報同時避免漏報，提高系統(tǒng)預(yù)警的可靠性。

1.1 加速度峰值衰減的置信概率

地震動衰減模型為地震動參數(shù)隨震級、距離和場地等因素變化規(guī)律的函數(shù)模型。俞言祥［16］給出了我國東、西部加速度峰值和震級、震中距的衰減模型，同時通過統(tǒng)計給出了誤差的標(biāo)準(zhǔn)差，發(fā)現(xiàn)誤差服從正態(tài)分布。由于是統(tǒng)計結(jié)果，此誤差包含了模型誤差、場地效應(yīng)等多種因素。本文以此為基礎(chǔ)確定加速度地面峰值IPGA衰減的置信概率。

根據(jù)文獻(xiàn)［16］，加速度地面峰值衰減模型為

式中：c1—c6均為由地震發(fā)生區(qū)域和破裂方向決定的參數(shù)；σ為對lg(IPGA)統(tǒng)計的標(biāo)準(zhǔn)差；R為震中距，km；M為震級，量綱為1。

適用于我國東、西部不同區(qū)域和軸向的加速度地面峰值衰減模型回歸系數(shù)見表1。

表1 加速度地面峰值衰減回歸系數(shù)

lg(IPGA)的概率分布如圖1 所示。圖中：μ為期望；百分?jǐn)?shù)為累積概率；不同色塊表示不同標(biāo)準(zhǔn)差范圍。由lg(IPGA)與加速度地面峰值的關(guān)系并結(jié)合圖1，可推導(dǎo)出加速度地面峰值衰減的置信區(qū)間、置信概率的關(guān)系，見表2。由表2可知：當(dāng)概率區(qū)間取1 倍標(biāo)準(zhǔn)差時（對應(yīng)的加速度地面峰值范圍因子F=1.7），置信概率為84.13%；當(dāng)概率區(qū)間取2倍標(biāo)準(zhǔn)差時（對應(yīng)的加速度地面峰值范圍因子F=3.0），置信概率為97.72%。

圖1 正態(tài)分布中期望、置信區(qū)間、置信概率的關(guān)系

結(jié)合表2 和式（1）可知，對于首個觸發(fā)臺站的地震動，若其到達(dá)最近1個臺站時地震動加速度峰值衰減為F倍的臺站背景噪聲ABN，則峰值高于ABN的概率為Cp。

表2 加速度地面峰值衰減的置信范圍和置信概率的關(guān)系

1.2 判斷閾值

根據(jù)TJ/GW 147—2016《高速鐵路地震預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)條件》對高速鐵路地震預(yù)警監(jiān)測臺站選址的要求，無列車影響時的環(huán)境振動噪聲應(yīng)小于0.10 gal，個別最大應(yīng)不超過0.50 gal（地震工程中環(huán)境噪聲一般采用加速度計量）。根據(jù)現(xiàn)場連續(xù)多月的觀測結(jié)果，絕大多數(shù)臺站的環(huán)境噪聲小于1.00 gal。為區(qū)分環(huán)境振動噪聲和地震動，研究時將臺站的背景噪聲ABN定為1.00 gal。

默認(rèn)震源深度為10 km，可按照加速度地面峰值衰減模型，反推地震波首觸發(fā)臺站的判斷閾值為

式中：D為2 個臺站間的距離，km；MH為假設(shè)震級，可由背景噪聲ABN和震中距R反推。

由式（2）可分別計算得到F=1.7 和F=3.0時的震中距和首個觸發(fā)臺站判斷閾值之間的關(guān)系，見表3。由表3 可知：置信概率越大，所需要的ATHR在數(shù)值上越大，繼而確定判別需要等待的時間（即等待延遲）越大，且某些小幅值的干擾可能達(dá)不到ATHR的取值，因此計算ATHR時考慮取較適中的置信概率84.13%，對應(yīng)的F為1.7。

表3 震中距和首個觸發(fā)臺站判斷閾值之間的關(guān)系

需要指出的是，影響臺站周圍噪聲的人為因素很多，環(huán)境振動噪聲是動態(tài)變化的，在特殊振動事件發(fā)生時有可能超過1.00 gal，但不會對列車的安全造成威脅，其理由有2 個。首先，高鐵的地震監(jiān)測臺站間距約為20 km，地震波走時差不大于10 s，在10 s 內(nèi)相鄰2 個臺站均出現(xiàn)干擾是小概率事件；再者，即便出現(xiàn)上述小概率事件，考慮到其相對于漏報誤報事件的危害較小，因此這種小概率事件是可以接受的。

1.3 等待延遲

定義等待延遲twait為首個觸發(fā)臺站和第2 個觸發(fā)臺站之間的觸發(fā)間隔時間。在某個地震臺網(wǎng)中，震中最先觸發(fā)的2 個臺站間位置關(guān)系如圖2 所示。圖中：E為震源；S1和S2為臺網(wǎng)中的任意2 個臺站，其間隔距離為D。假設(shè)地震波最先觸發(fā)的臺站為S1，第2 個觸發(fā)的臺站為S2，根據(jù)三角形邊長關(guān)系可知，圖2 所有可能的波前方向中，波前方向?yàn)镾1指向S2的射線向時，觸發(fā)延遲最長。這一結(jié)論同樣適用于考慮震源深度后的三維空間。為了提高實(shí)時性，減少計算中的等待延遲，不妨設(shè)S2為離S1最近的1個臺站。

圖2 震中和最先觸發(fā)2個臺站的關(guān)系

根據(jù)地震波傳播理論，首個觸發(fā)臺站和第2 個觸發(fā)臺站之間的觸發(fā)間隔時間在數(shù)值上等于這2 個臺站間距離除以地震波平均波速，其中地震波平均波速可以取P 波速度Vp或S 波速度Vs。由于Vp＞Vs，可知當(dāng)?shù)卣鸩ㄆ骄ㄋ偃 波速度Vs時，算得的twait在數(shù)值上較大。因此，為了確保地震波在twait時間內(nèi)能由臺站S1傳播到臺站S2，選取S 波速計算twait，即

根據(jù)式（1）可以畫出地震波的衰減速度和震中距的關(guān)系如圖3 所示。由圖3 可知：震中距越小，地震波衰減速度越快，對首個觸發(fā)臺站的峰值要求越大；從時間延遲上看，假設(shè)震中在首個觸發(fā)臺站的等待延遲最大。因此，計算時取震源在震中位置，可以確保等待延遲和判別閾值均在可靠范圍內(nèi)。

圖3 衰減速度和震中距的關(guān)系

1.4 具體步驟

當(dāng)某個可觸發(fā)監(jiān)測臺站的地震動發(fā)生后，首個觸發(fā)臺站S1實(shí)時輸出波形峰值，鐵路局中心系統(tǒng)接收該信息；假設(shè)此時的震中位于被觸發(fā)的首個臺站S1處，計算臺站S1與最近臺站S2間的距離D；按照S波速度，根據(jù)式（3），計算得到地震波傳播距離為D時的等待延遲twait，并根據(jù)式（2）計算判斷閾值A(chǔ)THR；當(dāng)臺站S1實(shí)測得到的波形峰值超過ATHR后twaits，若此時臺站S2實(shí)測得到的地震動峰值小于背景噪聲ABN，則有84.13%概率是誤報，由鐵路局中心系統(tǒng)發(fā)布誤報解除消息，恢復(fù)列車運(yùn)行；反之則是正確觸發(fā)，不再發(fā)送額外消息。

2 驗(yàn) 證

2.1 驗(yàn)證方法

地震是低概率事件，難以在短時間內(nèi)捕獲大量的天然地震，因此按文獻(xiàn)［13］提出的軟件模擬方法，對收集得到的各種干擾記錄和世界各國強(qiáng)震動數(shù)據(jù)進(jìn)行測試，驗(yàn)證本文方法的可行性和有效性。這種驗(yàn)證方法的最大優(yōu)點(diǎn)在于可大批量地多次重復(fù)測試驗(yàn)證，便于對本文提出的高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)事件確認(rèn)方法的誤報率、解除延遲等指標(biāo)進(jìn)行評價。

在模擬測試前，對所有數(shù)據(jù)的基線進(jìn)行常規(guī)歸零處理，去除傳感器的基線漂移影響。

在具體測試時，按數(shù)據(jù)內(nèi)容分干擾事件測試和地震事件測試2 類分別進(jìn)行，考察對應(yīng)的解除延遲、誤報率和漏報率。地震S 波和P 波均取平均波速［14］，Vs=3.5 km·s-1，Vp=6.0 km·s-1。

干擾事件測試時，大部分的干擾記錄可通過高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)前端監(jiān)測設(shè)備的前端智能識別算法剔除［13］。地震事件測試時，假設(shè)地震預(yù)警系統(tǒng)在干擾波到達(dá)首個臺站后的第3 s 發(fā)出誤報，則按本文方法對誤報做進(jìn)一步識別，考察誤報解除能否被及時發(fā)送，并記錄相應(yīng)的解除延遲；若最終誤報解除沒有發(fā)送，則認(rèn)為誤報識別不成功。

1 次事件確認(rèn)過程的時間進(jìn)程如圖4 所示。圖中：藍(lán)色線條為地震波波形；Talarm為發(fā)出預(yù)警的時刻；TTHR為波形幅值達(dá)到判斷閾值A(chǔ)THR的時刻；TCF為發(fā)出事件確認(rèn)的時刻；tconfirm為地震預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出錯誤的警報至發(fā)出誤報解除之間的間隔時間，即解除延遲時間；twait為等待延遲時間。

圖4 事件確認(rèn)過程的時間進(jìn)程示意圖

由圖4 可知：作為反映誤報解除實(shí)時性的重要指標(biāo)，解除延遲tconfirm在數(shù)值上等于TCF與Talarm之差；而TCF在數(shù)值上又等于twait與TTHR之和，即

由式（4）可知：設(shè)置在高鐵沿線的地震監(jiān)測臺站密度越高，則D越小，相應(yīng)的twait越小，解除延遲也越??；地震波形上升越快，TTHR與Talarm之差越小，則解除延遲越小。

2.2 干擾事件測試

2.2.1 測試及結(jié)果

測試時用到的臺網(wǎng)分布如圖5 所示。圖中：三角形及數(shù)字為監(jiān)測臺站及其編號；紅色表示首個觸發(fā)臺站；藍(lán)色表示后續(xù)觸發(fā)臺站。由圖5 可知，干擾測試時首先受到觸發(fā)的是3 號臺站，距離其最近的是4號臺站。實(shí)際中這2個臺站相距28 km。

圖5 干擾事件測試中的臺網(wǎng)分布

利用高鐵沿線地震監(jiān)測臺站的記錄器和加速度地震計收集得到各種環(huán)境下的干擾波形記錄共計165 條，整理見表4。我國高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)中的監(jiān)測臺站通常相隔20 km 左右，由于振動干擾衰減很快［17］，1 個干擾事件往往只能被最近的1 個臺站記錄到相應(yīng)的波形。對于表4 中的干擾記錄，若可獲得其附近臺站相應(yīng)時間段的波形，則測試時的臺站間距由實(shí)際情況決定。對于只獲得單個臺站波形的這部分干擾記錄，測試時的臺站間距取默認(rèn)值28 km。

利用表4 數(shù)據(jù)，按本文方法進(jìn)行干擾事件測試后，計算得到誤報率為1.2%，平均解除延遲為12.5 s，可見本文方法對干擾事件誤報有很高的識別率，同時解除延遲遠(yuǎn)小于《高速鐵路地震預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)條件》要求的120 s；測試得到的2 次誤報分別出現(xiàn)在列車行車和采石爆破時，誤報原因均為干擾波形的幅值較小，未達(dá)到判斷閾值A(chǔ)THR。

和地震波相比，列車行車振動的能量分布在較高頻率范圍，系統(tǒng)前端的智能識別算法利用了波形的頻域特征進(jìn)行判識，對列車行車振動干擾具有較高的準(zhǔn)確度。福廈、成灌、大西3條試驗(yàn)線的地震預(yù)警系統(tǒng)多年試驗(yàn)結(jié)果表明：列車行車干擾不會觸發(fā)預(yù)警系統(tǒng)。

測試環(huán)境相較實(shí)際場景更為嚴(yán)苛，誤報率是默認(rèn)高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)在干擾振動觸發(fā)現(xiàn)場臺站后均會發(fā)出預(yù)警的情況下統(tǒng)計得到的。實(shí)際中系統(tǒng)前端的智能識別算法可識別出大部分干擾事件（如列車行車干擾），并不會觸發(fā)誤報。如果綜合運(yùn)用本文方法和前端算法，則系統(tǒng)發(fā)出的誤報均會得到及時解除。

2.2.2 典型干擾事件

選取表4 中發(fā)生在我國大西高速鐵路地震預(yù)警監(jiān)測臺站（歡咀臺）的采石爆破干擾事件進(jìn)行分析。

表4 干擾記錄統(tǒng)計及測試結(jié)果

我國高鐵地震預(yù)警系統(tǒng)1 個監(jiān)測臺站內(nèi)通常以一定間隔距離布設(shè)1#和2#共2 個傳感器。在干擾振動觸發(fā)臺站監(jiān)控單元的長短時平均比（STA/LTA）算法后，用赤池信息準(zhǔn)則（Akaike Information Criterion，AIC）方法精確撿拾P 波到時［13］。本次事件中歡咀臺的1#傳感器在豎向的波形和觸發(fā)點(diǎn)如圖6 所示。由圖6 可知，6.97 s 處撿拾到P 波（實(shí)際上為干擾振動），意味著波形記錄開始后的6.97 s干擾振動觸發(fā)歡咀臺站，并向鐵路局中心系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信息。

圖6 1#傳感器在豎向的波形和觸發(fā)點(diǎn)

根據(jù)高速鐵路地震預(yù)警監(jiān)測單元中內(nèi)置的前端智能識別算法［13］，得到2 個傳感器豎向數(shù)據(jù)的相關(guān)曲線如圖7所示。圖中：藍(lán)色、綠色曲線分別為1#傳感器和2#傳感器采集到的干擾波形，對應(yīng)左側(cè)縱軸；紅色曲線為相關(guān)曲線，紅色虛線為相關(guān)系數(shù)閾值0.60，對應(yīng)右側(cè)縱軸。由圖7可知：在干擾波達(dá)到后的一段時間內(nèi)，相關(guān)曲線的峰值約為0.55，并未超過設(shè)定閾值；但在13.03 s 附近，互相關(guān)曲線急劇上升，超過設(shè)定的閾值0.60，因此前端智能算法識別這一干擾波為地震事件，并發(fā)出預(yù)警信息，預(yù)測震級為9.2 級（后證實(shí)為誤報）。由于預(yù)測震級較大，鐵路局中心系統(tǒng)隨即按照地震動衰減規(guī)律計算處置范圍的方法產(chǎn)生大范圍的處置命令，但預(yù)警發(fā)出時高鐵線路正處于試驗(yàn)期間，并未影響列車運(yùn)行。

圖7 歡咀臺2個傳感器的豎直向曲線和相關(guān)曲線

按照本文方法對干擾事件進(jìn)行確認(rèn)。根據(jù)式（2）算得本次干擾事件對應(yīng)的判斷閾值A(chǔ)THR為1.70 gal。由圖7可知，歡咀臺站干擾波在圖7中的13.96 s處（即臺站監(jiān)控單元STA/LTA 算法被觸發(fā)后的第6.96 s）達(dá)到ATHR，利用式（3），計算得到此時的twait值為2.72 s。

離歡咀臺站最近的臺站為陽曲臺，2 個臺站間距9.8 km。人工截取陽曲臺在此事件發(fā)生期間的相應(yīng)數(shù)據(jù)，得到的記錄波形如圖8 所示。由圖8 可知，經(jīng)過twait時長后，陽曲臺站未觀測到超過背景噪聲的震動，系統(tǒng)在發(fā)出預(yù)警信息后6.48 s（觸發(fā)后9.53 s）即識別這一事件為干擾事件，并由鐵路局中心系統(tǒng)向列車發(fā)出誤報解除。

圖8 陽曲臺站在誤報發(fā)生后一段時間內(nèi)的三分向波形

2.3 地震事件測試

2.3.1 測試及結(jié)果

高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)不僅要求干擾作用下的誤報快速解除，同時還要求地震時正確的警報信息不會被誤解除，即避免漏報。

地震事件測試時用到的強(qiáng)震動記錄包括：我國的地震強(qiáng)震動記錄218 次，含我國高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)在高鐵沿線地震監(jiān)測臺站記錄到的地震記錄和我國近年的大地震（如汶川地震及其余震、臺灣集集地震等，數(shù)據(jù)下載于國家強(qiáng)震動臺網(wǎng)中心網(wǎng)站）；1997—2011年間日本地震監(jiān)測網(wǎng)KiK-net 的地震強(qiáng)震動記錄563 次（數(shù)據(jù)下載于KiK-net 網(wǎng)站）；此外還包括美國、墨西哥的部分強(qiáng)震動記錄。對于每次地震數(shù)據(jù)，選取首個觸發(fā)臺站和第2個觸發(fā)臺站的強(qiáng)震動記錄用于測試，臺站間距D由這2 個臺站所在的實(shí)際經(jīng)緯度計算。采用本文方法對這些地震事件進(jìn)行測試，用到的地震記錄數(shù)量及測試結(jié)果見表5。

表5 地震事件測試用強(qiáng)震動臺網(wǎng)地震記錄及其測試結(jié)果

由表5 可知，經(jīng)過大量的地震事件測試，本文方法得到的漏報數(shù)量均為0，意味著本文方法不會將地震事件識別為干擾事件，即無漏報錯誤發(fā)生。

2.3.2 典型地震事件

選取表5 中最接近高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)實(shí)際工況、數(shù)據(jù)記錄質(zhì)量較高且發(fā)生在高鐵線路附近的1 次地震事件進(jìn)行分析。本次地震事件為河北邯鄲市臨漳縣發(fā)生的3.6 級地震，發(fā)生時刻為2019-04-21T17：10：20，當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度為（114.43°,36.34°），震源深度11 km。該地震距京廣高鐵最近處為該縣南東坊鎮(zhèn)后小莊村附近，約6.05 km。

距該地震震中最近的京廣高鐵地震監(jiān)測臺站為分區(qū)所6，公里標(biāo)為K475+633，經(jīng)緯度為（114.56°,36.47°），與震中距離為18.9 km。該臺站對本次地震的記錄數(shù)據(jù)質(zhì)量高，背景噪聲約0.10 gal，震相清晰，臺站中2 個傳感器的三分向加速度地面峰值見表6。

表6 2個傳感器三分向波形加速度地面峰值

STA/LTA算法觸發(fā)后，用AIC方法精確撿拾分區(qū)所6的P波到時如圖9所示。由圖9可知：P波在1.57 s處撿拾到，并可看到觸發(fā)點(diǎn)接近P 波到達(dá)時刻。

圖9 分區(qū)所6臺站波形和P波到時點(diǎn)

分區(qū)所6 的2 個傳感器豎向地震波和相關(guān)曲線如圖10 所示。由圖10 可知：2 個傳感器間的數(shù)據(jù)有明顯的相關(guān)成分，地震波達(dá)到后，互相關(guān)曲線急劇上升，在1.58 s 處超過設(shè)定閾值0.6，互相關(guān)法識別為地震事件，且識別結(jié)果正確。

隨即按照本文方法對地震事件進(jìn)行確認(rèn)。根據(jù)式（2），算得本次地震事件對應(yīng)的判斷閾值A(chǔ)THR值為14.80 gal。由圖10 可知，分區(qū)所6 臺站地震波的加速度地面峰值約為73.00 gal，超過此ATHR值，此時對應(yīng)的twait為11.10 s。

圖10 分區(qū)所6內(nèi)2個傳感器的豎直向曲線和相關(guān)曲線

距離首個被觸發(fā)臺站最近的臺站為分區(qū)所5，2 個臺站間距約40 km。在分區(qū)所5 觀測到的地震波形如圖11 所示。由圖11 可知，此地震波的加速度地面峰值明顯高于背景噪聲ABN，從而確認(rèn)這一事件為地震事件。

圖11 分區(qū)所5觀測到的事件波形

3 結(jié) 論

（1）提出1 種高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)事件確認(rèn)方法，在確定地震動加速度峰值衰減模型誤差的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)加速度峰值的置信范圍和置信概率，根據(jù)臺站噪聲水平反推首個觸發(fā)臺站的判斷閾值取值，并利用地震波在2 個臺站間的幅值衰減關(guān)系判別等待延遲；結(jié)合等待延遲以及地震動峰值與背景噪聲之間的關(guān)系，確認(rèn)該事件是否為地震事件。采用該方法不僅可快速識別并解除干擾事件造成的異常誤報（即解除誤報），而且還能夠避免地震時正確的警報信息被錯誤解除（即避免漏報）。

（2）模擬測試可知，本文方法誤報錯誤率為1.2%，平均解除延遲為12.5 s，無漏報，滿足《高速鐵路地震預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)條件》要求，具有響應(yīng)速度快、正確率高的優(yōu)點(diǎn)。誤報產(chǎn)生的原因?yàn)楦蓴_波形的幅值較小，未達(dá)到要求的判斷閾值A(chǔ)THR。

（3）解除延遲與臺站布置密度和地震波形相關(guān)，密度越高延遲越小，地震波形上升越快延遲越小。

（4）模擬測試環(huán)境相較實(shí)際場景更為嚴(yán)苛，誤報率是在默認(rèn)高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)在地震波觸發(fā)現(xiàn)場臺站后均會發(fā)出預(yù)警的情況下統(tǒng)計得到的。實(shí)際中，系統(tǒng)前端的智能識別算法可識別出大部分干擾事件，并不會觸發(fā)誤報。如果綜合運(yùn)用本文方法和前端算法，則系統(tǒng)發(fā)出的誤報均會得到及時解除。