動車組車載地震緊急處置裝置概述*

于鵬超， 李和平， 曹宏發(fā)， 周　軍

(1　中國鐵道科學研究院， 北京 100081；2　中國鐵道科學研究院　機車車輛研究所， 北京 100081)

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動車組車載地震緊急處置裝置概述*

于鵬超1， 李和平2， 曹宏發(fā)2， 周軍2

(1中國鐵道科學研究院， 北京 100081；2中國鐵道科學研究院機車車輛研究所， 北京 100081)

隨著我國高速鐵路的迅速發(fā)展，研發(fā)地震防災系統(tǒng)的必要性愈加突出。在分析國內(nèi)外高速鐵路地震監(jiān)測預警技術發(fā)展現(xiàn)狀的基礎上，介紹了動車組車載地震緊急處置裝置的系統(tǒng)組成、架構和功能。

高速鐵路; 動車組; 地震緊急處置裝置; 緊急制動

地震發(fā)生時，震源會向地表輻射地震波。在地球內(nèi)部傳播的地震波分為P波(Primary Wave)和S波(Secondary Wave);P波傳播速度較快，約為6 km/h，引起的震動較??；S波傳播速度較慢，約為3.5 km/h，震動和破壞較大?；谝陨咸攸c，利用震源附近地震儀(由地震動加速度傳感器和記錄傳輸裝置構成)觀測到的地震初期產(chǎn)生的P波快速估計地震基本參數(shù)并預測地震對周邊鐵路的影響，利用P波和S波的速度差以及電磁波和地震波的速度差，在破壞性地震波到達之前數(shù)秒至數(shù)十秒發(fā)出地震警報和緊急處置信息，使列車及時制動，避免或減輕地震造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失。

1　國外高速鐵路地震預警技術現(xiàn)狀

目前，國外地震緊急處置系統(tǒng)在接到地震報警后，對列車施行控制的模式主要有兩種：

(1)以日本新干線為代表的牽引供電系統(tǒng)控制模式，即接到報警后，牽引變電所停止向接觸網(wǎng)供電，列車車載裝置檢測到接觸網(wǎng)斷電后立即施加制動。

(2)以法國地中海線為代表的列控系統(tǒng)控制模式，即接到報警后，由列控系統(tǒng)發(fā)出控制列車運行的信號，自動控制列車施加制動。

1.1日本高速鐵路地震預警技術

日本早在1964年建設世界上第一條高速鐵路東海道新干線時，就考慮了地震預警系統(tǒng)。系統(tǒng)經(jīng)過40多年的發(fā)展得到不斷完善和升級。通過布設在鐵路沿線和海岸線的地震儀，采集地震波信息，當檢測到P波參數(shù)達到報警閾值時，4 s之內(nèi)將推算地震的震級、深度和震中位置，并在S波到達后進行更為精確的參數(shù)計算；系統(tǒng)中繼站接收現(xiàn)場發(fā)送的地震參數(shù)和報警信息，同時接收氣象廳的地震監(jiān)測信息，進行信息的綜合處理后，控制牽引變電所切除接觸網(wǎng)供電，列車上的車載接觸網(wǎng)斷電檢測裝置檢知后自動施加緊急制動。此外，中繼站還將地震報警信息發(fā)送至新干線綜合調(diào)度所，通過無線通信系統(tǒng)向列車發(fā)送制動指令。

日本鐵路地震緊急處置策略為：

P波預警：根據(jù)地震P波預估地震參數(shù)和影響范圍，并控制受影響范圍的牽引變電所停止向接觸網(wǎng)供電。

S波報警：檢測到40 gal以上地震動加速度，控制牽引變電所停止向接觸網(wǎng)供電。

1.2法國高速鐵路地震預警技術

法國地中海線高速鐵路位于歐亞板塊交匯處，處于地震易發(fā)區(qū)域，設有地震監(jiān)測預警系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過地震儀采集S波信息，傳輸至馬賽控制中心進行綜合處理，在接收到法國原子能委員會發(fā)送的地震確認信息后，通過列車運行控制系統(tǒng)向沿線的地面信號設備發(fā)送指令，控制列車施加制動或限速運行。

法國鐵路地震預警系統(tǒng)設置了兩級地震報警閾值：

當?shù)卣饎蛹铀俣?0 gal

當?shù)卣饎蛹铀俣萭≥65 gal時，列車施加制動至停車。

2　我國高速鐵路地震監(jiān)測預警系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)組成

我國高速鐵路地震監(jiān)測預警系統(tǒng)(簡稱：地震預警系統(tǒng))主要由地震監(jiān)測臺站(簡稱：臺站)、鐵路局地震監(jiān)測預警中心系統(tǒng)(簡稱：鐵路局中心系統(tǒng))、系統(tǒng)接口單元、車載地震緊急處置裝置(簡稱：車載裝置)組成。

臺站布設在鐵路沿線的牽引變電所、分區(qū)所、AT所附近，包括地震儀、數(shù)據(jù)采集器、監(jiān)控單元、配套設備及設備用房。其主要功能是實時監(jiān)測地震P波和S波，生成地震警報信息，并傳輸至鐵路局中心系統(tǒng)。

鐵路局中心系統(tǒng)是地震預警系統(tǒng)的核心中樞，對地震監(jiān)測數(shù)據(jù)和報警預警信息進行收集、分析及處理，生成緊急處置信息、誤報解除信息及系統(tǒng)恢復信息，并向鐵路相關系統(tǒng)發(fā)布。

系統(tǒng)接口單元為地震預警系統(tǒng)的外部接口設備，負責實現(xiàn)鐵路局中心系統(tǒng)與其他相關系統(tǒng)(通信、信號、牽引供電、國家地震臺網(wǎng)等)的互聯(lián)。主要包括通信接口單元、信號接口單元、繼電器等。

車載裝置安裝于動車組，它實時接收鐵路局中心系統(tǒng)發(fā)送的地震緊急處置信息并據(jù)此控制列車限速運行或制動。

2.2地震緊急處置策略

根據(jù)對列車運營的影響程度，將地震等級劃分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級，且采用3種獨立的控車方式，如表1所示。

表1　中國地震預警系統(tǒng)緊急處置策略

2.3與其他系統(tǒng)的接口

2.3.1與列控系統(tǒng)的接口

如圖1所示，地震預警系統(tǒng)通過信號接口單元與列控系統(tǒng)互聯(lián)。信號接口單元接收來自臺站的警報信息和鐵路局中心系統(tǒng)的緊急處置信息，當警報等級達到Ⅱ級以上時，控制接口繼電器動作，列控地面信號設備根據(jù)該繼電器的狀態(tài)對運行列車進行防護并自動觸發(fā)制動。

圖1　地震預警系統(tǒng)與其他相關系統(tǒng)的接口

2.3.2與牽引供電系統(tǒng)的接口

臺站綜合自身判斷的警報信息和鐵路局中心系統(tǒng)發(fā)送的緊急處置信息，當警報等級達到Ⅲ級時，控制接口繼電器動作，牽引供電遠動系統(tǒng)快速切除牽引變電所外部電源，使接觸網(wǎng)斷電。

2.3.3與GSM-R通信系統(tǒng)的接口

通信接口單元是地震預警系統(tǒng)與GSM-R(Global System for Mobile Communications-Railway，鐵路數(shù)字移動通信)通信系統(tǒng)的接口設備，實現(xiàn)鐵路局中心系統(tǒng)與車載裝置的互聯(lián)。通信接口單元同時以GPRS(General Packet Radio Service，通用分組無線業(yè)務)和小區(qū)廣播兩種冗余的方式與車載裝置進行信息交互。

通信接口單元同時接收鐵路局中心系統(tǒng)發(fā)布的地震警報信息和車載裝置的位置信息，判斷車載裝置是否處于地震影響范圍，進而向車載裝置發(fā)布緊急處置信息。

2.3.4網(wǎng)絡接口

地震預警系統(tǒng)通過專用通信網(wǎng)絡與國家地震臺網(wǎng)、鐵路局調(diào)度系統(tǒng)、相鄰鐵路局中心系統(tǒng)、地震數(shù)據(jù)綜合分析處理平臺互聯(lián)，實現(xiàn)地震警報與緊急處置信息的實時共享，使各系統(tǒng)有機聯(lián)動，有效增強了地震預警的準確性及系統(tǒng)的響應速度。

3　車載地震緊急處置裝置

3.1緊急處置方式

車載裝置通過GSM-R通信單元接收鐵路局中心系統(tǒng)發(fā)布的地震警報信息，并依據(jù)警報等級，采取相應的控車措施：

對于I級警報，車載裝置向司機發(fā)送聲光(語音及顯示)報警，司機按提示手動施加最大常用制動，限速160 km/h運行。

對于Ⅱ級或Ⅲ級警報，車載裝置在向司機發(fā)送聲光報警的同時，自動觸發(fā)緊急制動。

3.2系統(tǒng)架構

車載裝置由主機和操作終端兩部分組成。主機位于動車組電氣柜，通過GSM-R接收地震緊急處置信息，并據(jù)此觸發(fā)列車制動。操作終端位于司機室，是車載裝置與司機的人際交互設備，主要負責顯示和記錄車載裝置各單元的工作狀態(tài)和地震警報信息。

3.2.1主機與操作終端的接口

主機和操作終端通過一根配有DB15接口的電纜連接，主機為操作終端提供電源的同時，實現(xiàn)主機和操作終端的CAN通信。如圖2所示。

圖2　車載裝置主機和操作終端的接口

3.2.2主機

如圖3所示，主機采用高度為3U的19 in標準機箱，包括背板、電源轉換模塊、GSM-R通信單元和制動控車單元。各單元采用模塊化板卡設計，嵌入式安裝于機箱中。

圖3　車載裝置主機(前端)外形

(1) 背板

背板位于主機機箱的底部，為主機內(nèi)各板卡提供公共的電源和CAN總線通道。背板通過DIN41612連接器以機械和電氣方式與各板卡連接，在起到固定作用的同時，將主機內(nèi)各板卡有機地結合為一個整體。

(2) 電源轉換模塊

電源轉換模塊為主機其他板卡提供不同制式的工作電源，由兩塊PW02B板組成，采用熱備冗余技術。如圖4所示，PW02B接收列車DC 110 V電源，將其轉換為DC 5 V、DC 12 V、DC 24 V，并通過背板輸送至其他板卡。此外，制動控車單元中的CM01B板將背板的DC 24 V引出至主機前面板DB15連接器，供操作終端使用。

(3) GSM-R通信單元

GSM-R通信單元是車載裝置與鐵路局中心系統(tǒng)的無線接口單元，一方面將鐵路局中心系統(tǒng)的地震緊急處置信息轉換為CAN信號發(fā)送至車載裝置各單元，另一方面將車載裝置的狀態(tài)信息轉發(fā)至鐵路局中心系統(tǒng)。

GSM-R通信單元采用完全冗余的兩套裝置，每一套由GSM-R與GPS組合天線、GSM-R天饋線、GPS天饋線、GSM-R無線通信板和GSM-R通信控制板組成，如圖5所示。組合天線安裝于動車組頭車頂部，通過天饋線與車載裝置主機的無線通信板和通信控制板連接。無線通信板通過GSM-R天線與鐵路局中心系統(tǒng)進行信息交互，通信控制板通過GPS天線獲取時間和位置信息。無線通信板和通信控制板之間通過背板的CAN總線進行數(shù)據(jù)交互。

圖4　車載裝置電源系統(tǒng)架構

圖5　車載裝置主機GSM-R通信單元架構

與地震預警系統(tǒng)的通信接口單元相對應，車載裝置GSM-R通信單元的兩套裝置分別采用不同的工作方式：GPRS方式和小區(qū)廣播方式，通過這兩種方式實現(xiàn)相同的通信功能，有效提高了GSM-R通信的可靠性。

(4) 制動控車單元

制動控車單元通過背板CAN總線接收GSM-R通信單元發(fā)送的緊急處置信息，當警報等級為Ⅱ級或Ⅲ級時，觸發(fā)動車組的EB緊急制動(簡稱：緊急制動)。制動控車單元由EX01B、CM01B、MC05A 3塊板卡組成，各板卡通過背板CAN總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，功能如表2所示。

動車組設有貫穿全列的緊急制動EB環(huán)路(簡稱：環(huán)路)，制動系統(tǒng)通過采集該環(huán)路的電平狀態(tài)決定是否施加緊急制動。正常情況下，環(huán)路由列車DC 110 V供電，全列不施加緊急制動；當環(huán)路失電時，自動施加緊急制動。

表2　車載裝置主機制動控車單元板卡功能劃分

圖6　車載裝置主機與動車組制動系統(tǒng)的接口示意圖

如圖6所示，制動控車單元通過在環(huán)路中串入特定的繼電器(以下稱為：緊急繼電器)來控制環(huán)路的得失電狀態(tài)。緊急繼電器配有兩路聯(lián)動的觸點，一路是常閉觸點A，串聯(lián)于環(huán)路中，另一路是常開觸點B，用于監(jiān)測緊急繼電器實際的動作狀態(tài)。緊急繼電器由EX01B直接控制，EX01B與動車組制動系統(tǒng)有三路接口：

①端口RO ，EX01B板載繼電器輸出，可處于開路或短路狀態(tài)；

②端口BI 1，EX01B板DC 110 V數(shù)字量輸入，用于判斷緊急繼電器觸點B的狀態(tài)；

③端口BI 2，EX01B板DC 110 V數(shù)字量輸入，用于判斷旁路開關觸點D的狀態(tài)。

MC05A根據(jù)地震緊急處置信息綜合判斷是否觸發(fā)緊急制動。當需要觸發(fā)緊急制動時，MC05A向EX01B發(fā)送控制指令，使端口RO處于短路狀態(tài)，緊急繼電器得電激活，常閉觸點A斷開，導致環(huán)路失電，動車組自動施加緊急制動；同時，常開觸點B閉合，端口BI 1為DC 110 V。反之，當需要解除緊急制動時，MC05A向EX01B發(fā)送控制指令，使端口RO處于開路狀態(tài)，緊急繼電器失電復位，觸點A閉合，環(huán)路得電；同時，觸點B斷開，端口BI 1變?yōu)? V。MC05A實時接收EX01B發(fā)送的端口BI 1狀態(tài)，用于緊急繼電器的狀態(tài)監(jiān)測和診斷。

為避免車載裝置故障時造成緊急制動的誤觸發(fā)，在環(huán)路中設置旁路開關。該旁路開關配有聯(lián)動的觸點C和D，觸點C用于旁路，與緊急繼電器的觸點A相并聯(lián)，觸點D用于監(jiān)測旁路開關的狀態(tài)。正常情況下，觸點C和D都處于斷開狀態(tài)，旁路開關不起作用，環(huán)路的狀態(tài)受觸點A的控制，此時端口BI 2為0 V；當司機撥動旁路開關時，觸點C和D都處于閉合狀態(tài)，觸點A被短路，端口BI 2變?yōu)镈C 110 V，不論緊急繼電器處于何種狀態(tài)，環(huán)路始終處于得電狀態(tài)(本文不考慮觸發(fā)環(huán)路失電的其他條件)，從而屏蔽了車載裝置對制動系統(tǒng)的控制。MC05A實時接收EX01B發(fā)送的端口BI 2狀態(tài)，用于隔離開關的狀態(tài)監(jiān)測。

3.2.3操作終端

操作終端設置有四線電阻式觸摸屏，采用萬向節(jié)支架固定在司機室內(nèi)。操作終端機體如圖7所示。操作終端主要有以下功能：

圖7　車載裝置操作終端外形

顯示工作狀態(tài)，主要包括：車載裝置各單元的工作狀態(tài)、GPRS注冊/注銷狀態(tài)、小區(qū)廣播接收狀態(tài)、進入/駛離地震監(jiān)測區(qū)域狀態(tài)、裝置隔離狀態(tài)、GSM-R信號強度等。

顯示緊急處置輸出狀態(tài)，主要包括：緊急處置信息接收情況、緊急處置等級、緊急處置類型、環(huán)路繼電器狀態(tài)等信息。當收到緊急處置信息時，以聲光報警的方式提示司機。

車載裝置日志信息管理，操作終端持續(xù)接收車載裝置各單元發(fā)送的狀態(tài)報文，并按照一定的格式進行存儲。主要包括：車載裝置工作狀態(tài)記錄、心跳報文接收記錄、緊急處置信息接收記錄、車載裝置控制輸出記錄和人員操作記錄。司機可對這些信息進行查詢，用于故障分析。3.3CAN總線系統(tǒng)

車載裝置各子系統(tǒng)之間采用標準11 位的CAN總線2.0B協(xié)議進行通信，傳輸速率為250 Kb/s 。

如圖8所示，整個總線系統(tǒng)分為兩級，第1級：由制動控車單元和GSM-R通信單元組成的背板CAN總線通道，制動控車單元內(nèi)部的通信、GSM-R通信單元內(nèi)部的通信以及制動控車單元與GSM-R通信單元之間的通信均通過該級實現(xiàn)。第2級：由操作終端和制動控車單元中的CM01B組成的前端CAN總線通道。CM01B在兩級CAN總線中充當“網(wǎng)關”，將主機背板的報文轉發(fā)至操作終端，同時將操作終端發(fā)送的報文轉發(fā)至背板，從而實現(xiàn)操作終端與主機的信息交互。

圖8　車載裝置CAN總線架構

3.4總體功能

3.4.1自動觸發(fā)緊急制動

車載裝置主機GSM-R通信單元接收到鐵路局中心系統(tǒng)發(fā)送的緊急處置信息并轉發(fā)至制動控車單元，當警報等級達到Ⅱ級或Ⅲ級時，制動控車單元控制緊急制動環(huán)路失電，觸發(fā)緊急制動，同時將緊急繼電器的狀態(tài)發(fā)送至操作終端進行顯示。

3.4.2緊急制動解除

車載裝置主機的GSM-R通信單元接收到鐵路局中心系統(tǒng)發(fā)送的對應于Ⅱ級或Ⅲ級警報的警報解除、誤報解除、震后恢復行車命令，并轉發(fā)至操作終端進行顯示，操作終端提示司機進行人工確認。當司機通過觸摸屏按下制動解除功能鍵后，操作終端向制動控車單元發(fā)送緩解指令，制動控車單元控制緊急繼電器復位，緊急制動環(huán)路恢復得電狀態(tài)。

3.4.3緊急繼電器狀態(tài)回采

制動控車單元通過監(jiān)測緊急繼電器觸點B(見圖6)的電平來判斷緊急繼電器的狀態(tài)，并結合緊急繼電器的控制信號進行故障診斷。當緊急繼電器控制信號和回采信號不一致時，形成故障記錄并發(fā)送至操作終端進行存儲和顯示。

3.4.4緊急制動隔離

為避免車載裝置故障時對動車組行車產(chǎn)生干擾，在司機室設置旁路開關。當司機觸發(fā)旁路開關時，車載裝置失去觸發(fā)緊急制動的功能。同時，制動控車單元實時監(jiān)控隔離開關的狀態(tài)，并將其反饋至操作終端進行存儲和顯示。3.4.5自檢

車載裝置的自檢由操作終端、GSM-R通信單元、制動控車單元分別獨立進行，最后由操作終端匯總各單元的自檢結果。自檢的內(nèi)容包括單元工作狀態(tài)、CAN通信狀態(tài)、存儲器狀態(tài)等。自檢指令源分兩種：鐵路局中心系統(tǒng)的遠程自檢指令和司機的人工自檢指令。對于前者，GSM-R通信單元將遠程自檢指令轉發(fā)至操作終端；對于后者，操作終端觸摸屏設有自檢功能鍵，當司機按下時，操作終端生成自檢指令報文。操作終端在進行自身自檢的同時，通過CAN總線向GSM-R通信單元和制動控車單元發(fā)送自檢指令，并接收包含自檢結果的回執(zhí)，同時將各單元的自檢結果進行顯示和存儲。

3.4.6復位

操作終端觸摸屏設有復位功能鍵，當司機按下時，操作終端向GSM-R通信單元、制動控車單元發(fā)送復位指令，并接收回執(zhí)信息，之后各單元重新啟動。

4　車載裝置室內(nèi)試驗

根據(jù)車載裝置的接口配置需求，在試驗室內(nèi)模擬了地面通信接口單元、列車DC 110 V電源、緊急繼電器和緊急制動環(huán)路，并與車載裝置構成閉環(huán)系統(tǒng)。通過上位機模擬發(fā)送不同等級的地震警報信息，測試車載裝置的響應，形成記錄數(shù)據(jù)，如表3和表4所示。

表3　旁路開關復位(未旁路)時的試驗結果

表4　旁路開關動作(旁路)時的試驗結果

從測試結果中，可得出以下結論：

(1) 在車載裝置未旁路的情況下，當?shù)卣鹁瘓鬄棰窦壔驘o警報時，EB環(huán)路得電，不觸發(fā)緊急制動；當?shù)卣鹁瘓鬄棰蚣壔颌蠹墪r，EB環(huán)路失電，觸發(fā)緊急制動。

(2) 在車載裝置旁路的情況下，不論是否存在地震警報信息，EB環(huán)路始終處于得電狀態(tài)，不觸發(fā)緊急制動。

(3) 不論車載裝置是否處于旁路狀態(tài)，當?shù)卣鹁瘓鬄棰窦壔驘o警報時，緊急繼電器失電復位；當?shù)卣鹁瘓鬄棰蚣壔颌蠹墪r，緊急繼電器得電動作。

(4) 緊急繼電器得電僅是EB環(huán)路失電的必要不充分條件。即緊急繼電器得電，不一定導致EB環(huán)路失電；而如果EB環(huán)路失電，則緊急繼電器一定處于得電狀態(tài)。

5　結束語

車載裝置作為動車組上服務于地震預警的專用設備，涉及GSM-R無線通信技術、動車組制動技術、HMI接口技術等諸多領域，大大提升了地震預警系統(tǒng)的緊急處置和控車能力，對我國高速鐵路地震監(jiān)測預警技術的發(fā)展具有重大意義。

車載裝置于2014年啟動研發(fā)工作，目前已完成了室內(nèi)聯(lián)調(diào)測試和型式試驗，且安裝于中國標準動車組，并將赴大西鐵路客運專線開展專項試驗，重點驗證GSM-R通信的穩(wěn)定性及緊急處置性能。

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[4]中國鐵路總公司, 中國地震局. TJ/GW 133-2015, 高速鐵路地震監(jiān)測預警系統(tǒng)暫行試驗辦法[S].

[5]中國鐵路總公司. TJ/GW 124-2015, 車載地震緊急處置裝置暫行技術條件[S].

Summary of Earthquake Emergency Disposal Device on EMU

YUPengchao1,LIHeping2,CAOHongfa2,ZHOUJun2

(1China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China;2Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

With the rapid development of high speed railway in China, research on earthquake disaster prevention system is becoming more and more significant. Based on the domestic and foreign development of earthquake monitoring and early warning technology of high speed railway, this paper introduces the system composition, structure and function of earthquake emergency disposal device on EMU.

high speed railway; EMU; earthquake emergency disposal device; emergency brake

1008-7842 (2016) 03-0051-05

??)男，碩士研究生(

2015-12-17)

U279.5

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.11

*中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃(2013G013)