高速鐵路地震預警系統緊急處置信息快速生成算法

楊 林

(中國鐵道科學研究院 通信信號研究所，北京 100081)

地震是危害最大的自然災害之一，隨著我國大范圍開通高速鐵路，較小震級的地震對路基、軌道、橋梁等的沖擊都可能會導致危害旅客生命安全的重大事故[1]。地震發生后如果能快速生成緊急處置信息，將大大降低旅客生命財產損失。因此，開展高速鐵路地震預警系統的研究，快速實施地震緊急處置，對提升高速鐵路安全水平具有重大的意義。

目前，日本(Osamu等[2])、美國(Wurman等[3])、意大利 (Zollo等[4])以及我國臺灣地區(wu等[5])等多個國家和地區都已經建立起地震預警系統，通過預警系統減輕地震危害。然而，既有的研究主要是針對地震預警，還沒有對緊急處置特別是針對高速鐵路的緊急處置開展研究。我國的高速鐵路具有線路里程長、運營線路多的特點，地震發生后，快速確定影響線路及其范圍，從而形成緊急處置信息具有較大的難度，因此，有必要研究一種緊急處置信息生成算法。該算法可根據地震警報信息快速生成緊急處置信息，并將處置信息迅速發送到相應的動車組及列控、牽變系統中，從而最終實現高速鐵路地震的快速緊急處置。

本文基于我國高速鐵路地震預警監測系統的結構和功能，提出1種高速鐵路地震預警緊急處置信息生成算法，并將該算法應用于高速鐵路地震預警監測鐵路局中心系統的緊急處置模塊中和現場地震試驗中，驗證該算法的合理性和有效性。

1 高速鐵路地震預警監測系統主要結構及功能

高速鐵路地震預警監測系統采用2級架構[6]，第1級為鐵路局中心系統，第2級為現場監測設備，如圖1所示。

圖1 高速鐵路地震預警監測系統總體結構圖

現場監測設備設置在鐵路沿線，其功能主要是用于監測地震動，進行地震預警、報警，并發送到鐵路局中心系統。每個鐵路局有1個中心系統，接收現場監測設備和相關系統傳輸的預警、報警等信息，對這些信息進行綜合處理與分析，快速生成緊急處置信息，并根據不同處置級別采取不同的地震緊急處置措施，包括通過GSM-R網絡發送到動車組車載地震緊急處置裝置實現動車的限速或者緊急制動、通過地震信號接口觸發列控系統動作實現動車緊急制動、通過地震牽變接口(牽引供電系統接口)觸發牽引供電系統動作實現接觸網斷電。鐵路局中心系統由接口服務器、緊急處置服務器、數據庫等服務器及相應的系統軟件和應用軟件等組成。地震發生后，鐵路局中心系統計算地震影響范圍，自動生成緊急處置信息并將信息發送到相應的動車組、信號接口和牽變接口中，實現地震的緊急處置。信號接口和牽變接口是沿高速鐵路線路布置的，其地理位置是固定的；動車組是沿線路行駛的，某一時刻其具體地理位置也是確定的；因此，在地震發生后，迅速確定地震影響的線路及其范圍，根據處置規則形成緊急處置信息，即可實現地震的快速處置。

2 高速鐵路地震預警緊急處置信息快速生成算法

該算法采用曲線擬合方法建立平面坐標系下高速鐵路線路的曲線方程；基于地震動能量衰減方程，建立平面坐標系下地震影響范圍的圓曲線方程；求解這2個曲線方程組成的方程組，得到這2條曲線2個交點的坐標值，將坐標值轉換為經緯度再轉換為公里標，得到這2個交點之間的一段高速鐵路線路，該段線路即為地震對高速鐵路線路的影響范圍；再依據高速鐵路預地震警緊急處置原則，生成高速鐵路地震預警緊急處置信息。

2.1 高速鐵路地震預警緊急處置規則

國外高速鐵路地震緊急處置的模式主要有2種：一種是列控系統控制模式，即接到報警時，由列控系統發出控制列車運行的信號，自動控制列車停止運行；另一種是牽引變電系統控制模式，即接到報警時，牽引變電所停止向列車供電，列車檢測斷電進行制動直至停止運行[7-8]。

國內既有高速鐵路地震監測系統采用的緊急處置模式是：接到閾值報警時觸發信號系統控制列車實施緊急制動，同時觸發牽引供電系統停止向接觸網供電，即這2種控車方式并舉的模式[9]。新研發的高速鐵路地震預警系統采用三級處置模式實現控車，由低到高分別為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ級，如圖2所示。

圖2 高速鐵路地震預警監測系統緊急處置流程

高速鐵路預警地震緊急處置規則為：鐵路局中心系統在收到地震警報信息后，預測地震加速度峰值，并確定其影響地理區域范圍；對于地震加速度峰值在40～80 gal內的地理區域，通過GSM-R向該區域內的動車組地震車載裝置發送Ⅰ級處置信息，司機根據該信息手動施加最大常用制動，至列車限速160 km·h-1運行；對于地震加速度峰值在80～120 gal內的地理區域，分別通過GSM-R和網絡向該區域內的動車組車載地震裝置和信號接口[10]發送Ⅱ級處置信息，觸發列控系統自動實施緊急制動停車；對于地震加速度峰值大于等于120 gal的地理區域，除向該區域內的動車組車載地震裝置和信號接口發送處置信息自動實施緊急制動外，還向該區域內牽變接口發送Ⅲ級處置信息，觸發牽引供電系統進行接觸網斷電。

2.2 高速鐵路線路的曲線方程

車載地震裝置、信號接口、牽變接口的地理位置是由高速鐵路線路的地理位置決定的，高速鐵路線路的地理位置是采用公里標表示的；而地震震源點的地理位置是采用經緯度表示的。因此，采集高速鐵路線路上的數據點，以這些點的經度作為橫坐標的值，緯度作為縱坐標的值，將其轉換為平面坐標系下的數據點；從數據點中提取有效特征點，通過曲線擬合，得到平面坐標系下高速鐵路線路的曲線方程，具體步驟如下。

1)高速鐵路線路有效特征點提取

基于GPS采集模塊，自高速鐵路線路下行方向的起點開始，以1 s為間隔時間，按照線路允許運行速度，沿著下行方向對實際線路采集數據點，并以其起點作為坐標原點，將其轉換成平面坐標系中的數據點，并定義自起點A0至終點Am各點的坐標依次為A0(x0,y0),A1(x1,y1), …，Ai-1(xi-1,yi-1),Ai(xi,yi),A1+1(xi+1,yi+1), …，Am(xm,ym)。

采集高速鐵路線路上數據點的密度越大，定位的高速鐵路線路的地理位置越準確。但是，目前我國高速鐵路線路累計里程較長，2017年達到2.5萬km，若采集密度過高，數據量會相當大，從而導致路局中心系統計算時間較長，影響算法效率，延長地震處置信息生成時間，對地震緊急處置不利。因此，應在高速鐵路線路上選取有限的特征點[11-13]，通過特征點來描述線路地理位置。

高速鐵路線路主要由直線、曲線和緩和曲線組成。曲線的曲率描述了曲線彎曲的變化程度，曲率越大，表示曲線的彎曲程度越大，曲率為0，表示為直線。因此，曲線特征點的提取可以通過計算曲線的曲率，選擇曲率較大的點來獲取。

首先選取線路的起點A0和終點Am作為特征點，自起點A0開始直至終點Am結束，逐段計算線段A0A1，A1A2，…，Ai-1Ai,AiAi+1，…，Am-1Am的斜率值，并求兩者的差值ki。給定1個閾值ε，當ki≥ε時，說明曲線在i點的曲率變化較大，則提取該點作為特征點，反之則不作為特征點。ki的計算公式為

ki=|ki,i+1-ki-1,i|

(1)

2)剔除異常點

特征點提取后，由于采集過程和方法等的影響，致使一些數據存在誤差，具體表現為曲線中的某一點嚴重偏離線路位置，因此應將其剔除。剔除異常點的方法為：計算該點與前、后兩點連線的距離的比值α，若比值突變，則該點為異常點，應將其剔除。比值α的計算公式為

(2)

其中，

式中：di,i-1為點Ai至點Ai-1與點Ai+1連線的垂直距離；di,i+1為點Ai-1與點Ai+1連線的距離。

以京滬高速鐵路北京南到德州東段線路為例，按照上述方法，基于GPS采集模塊共采集數據點5 788個，通過特征點提取并剔除異常點，得到有效特征點391個。分別以全部數據點和有效特征點繪制線路曲線，如圖3所示。由圖3可知：2條曲線比較接近，失真較小，經度和緯度的坐標最大誤差均小于0.05，說明在系統中可以采用有效特征點描述高速鐵路線路。

圖3 由全部數據點與有效特征點繪制線路曲線的對比

3)建立高速鐵路線路的曲線方程

根據高速鐵路線路曲線構成的特征，對選取的高速鐵路線路有效特征點，采用最小二乘多項式數據擬合方法進行數據擬合，得到高速鐵路線路曲線方程為

(2)

式中：ck為擬合參數；n為擬合方程的階數。

仍以京滬線北京南到德州東段為例，針對提取的391個有效特征點，采用最小二乘多項式進行數據擬合，得到此段線路的曲線方程為

y=62.3x6-43.2x5+63.1x4+305.3x3-37.6x2+18.7x+6 735

(3)

2.3 地震影響范圍的圓曲線方程

地震發生后，路局中心系統匯聚沿線各個臺站的P波預警信息，通過多臺站P波預警算法，預測震級和震中位置，根據地震動能量衰減方程，快速計算地震影響范圍。地震動能量衰減方程為[14]

lga=β1+β2M+β3M2+β4lg(R+β5exp(β6M))

(4)

式中：a為地震加速度；M為震級；R為震中距；β1，β2，β3，β4，β5，β6為回歸系數。

由式(10)推導可得震中距R的計算公式為

(5)

將地震影響范圍可近似看作以震中距R為半徑，以震中(xe,ye)為圓心的圓，則該圓在上文平面坐標系中的圓曲線方程為

(x-xe)2+(y-ye)2=R2

(6)

2.4 建立聯立方程組

在平面坐標系中，鐵路線路曲線與地震影響范圍圓曲線會有2個交點，這2個交點之間的鐵路線路即為高速鐵路線路的地震預警處置范圍。因此，聯立式(2)和式(6)，并將式(5)代入式(6)，建立方程組式(7)，求解該方程組，即可得到2個交點的坐標。

(7)

2.5 處置信息生成

將加速度峰值40，80，120 gal分別作為a的值，求解方程組式(7)，即可得到40 gal≤a<80 gal，80 gal≤a<120 gal，a≥120 gal的地震動加速度影響范圍圓曲線與高速鐵路線路曲線的6個交點A，A′，B，B′，C，C′的坐標，如圖4所示。

圖4 高速鐵路線路地震預警處置范圍示意圖

將這6個點的平面坐標值轉換為該點的經緯度，再將其轉換為鐵路線路的公里標，得到鐵路線段AA′，BB′，CC′，該3段線路分別就是Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ級高速鐵路線路的地震預警處置范圍。再根據線路與車載地震裝置、信號接口、牽變接口的對應關系，結合處置規則，最終形成地震預警緊急處置信息。

因高速鐵路線路的地理位置是固定的，所以可采用本文的方法預先對全路所有的高速鐵路線路建立曲線方程，并輸入到計算機內存中。當地震發生時，采用本文方法，則可以快速生成地震預警緊急處置信息。

3 系統測試與現場試驗

3.1 系統測試

為驗證本文方法的合理性和有效性，借助于在實驗室搭建的包括地震預警信息仿真軟件和鐵路局中心系統的測試平臺，由地震預警信息仿真軟件生成以20 ms為間隔的地震預警信息，將該地震預警信息輸入路局中心系統生成緊急處置信息，進行連續24 h的測試。測試結果為：共生成緊急處置信息4 320 000條，并統計每條緊急處置信息生成時間的概率分布，結果如圖5所示，其中，所用時間在10～20 ms的占50%， 0～10 ms的占26%，最大值為40 ms，所用時間的算術平均值為18 ms。可見，其遠遠小于TJ/GW 147—2016《高速鐵路地震預警監測系統暫行技術條件》中對路局中心系統緊急處置時間100 ms的要求。

圖5 緊急處置信息生成時間的概率分布

3.2 現場試驗

從2015年7月至2017年8月，在大西綜合試驗線，對高速鐵路地震預警系統進行了28次地震模擬試驗，其中包括3次單臺站、15次多臺站和9次全系統的控車試驗和1次地震預警系統應急演練。發送測試地震波15 770條，生成緊急處置信息113 790條[18]，其中緊急處置信息生成時間的最小值為5 ms，最大值為40 ms，算術平均值為27 ms。可見所用時間均小于100 ms的要求，說明鐵路局中心系統生成地震緊急處置信息具有較高的實時性。

4 結束語

本文基于高速鐵路地震預警監測系統主要架構和功能，提出了一種高速鐵路地震預警監測系統緊急處置信息快速生成算法。此算法是在平面坐標系下，通過曲線擬合的方法建立高速鐵路線路的曲線方程，基于地震動能量衰減方程建立地震影響范圍的圓曲線方程；聯立2個方程組成方程組，求解方程組確定地震影響的線路范圍；再對應緊急處置規則，生成緊急處置信息。該算法已在高速鐵路地震預警系統綜合試驗中得到了驗證，可以有效地縮短地震緊急處置信息生成時間，真正實現了將地震動信息快速轉換為緊急處置信息，提高了地震預警緊急處置效率。

另一方面，由于我國高速鐵路線路較長，線路空間位置關系復雜，采用最小二乘法進行曲線擬合時，會出現個別區段難以保證精度的情況，建議下一步對復雜線路采用分段建模分段擬合的方法，以保證曲線擬合的精度，從而進一步完善該算法。

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