城市軌道交通地震預警 緊急處置系統設計研究

楊 林，閆 璐，張格明

（1.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；2.中國鐵道科學研究院集團 有限公司 科信部，北京 100081)

我國是地震災害特別嚴重的國家之一，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展迅猛，除了4個直轄市和沿海地區，中西部及東北地區的武漢、成都、昆明、沈陽等城市也都在快速發展軌道交通[1]。目前，我國正在全國范圍內實施“國家地震烈度速報與預警工程”，通過國家級地震臺網中心的建設，華北、南北地震帶、東南沿海和新疆天山中段4個重點區具備秒級地震預警能力，全國具備分鐘級地震烈度速報能力，并為政府、公眾、學校以及鐵路等示范用戶提供信息服務?，F有城市軌道交通系統對地震的處置手段是采用人工方式，在地震發生時通過電話接受本地區地震預報部門報警，調度員采取人工手段進行調度控車，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警緊急處置技術研究十分必要，研究適應于我國城市軌道交通的地震預警緊急處置技術，構建地震預警緊急處置信息中心，通過中心接收國家地震臺網、現場地震監測設備的地震信息，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(CBTC)、運輸管理等部門發送，實現地震發生時地震預警信息到緊急處置信息的快速轉換和自動上車，可大大縮減城市軌道交通的地震應急處置時間，顯著提升地震防災水平。

1 城市軌道交通地震預警緊急處置系統架構設計

1.1 城市軌道交通地震預警緊急處置方式

目前國內軌道交通針對地震的緊急處置普遍采用應急管理模式，該模式主要為震后應急管理，需要調度員通過電話或者網絡等收到地震臺網發布的信息后，人工下達調度命令去控制列車運行，效率較低。城市軌道交通地震預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的震時緊急處置策略，時間和效率大大優于原來人工干預的手段，包含3個方面的內容。

（1）地震處置方式。城市軌道交通的速度目標值一般不超過100 km/h，主要服務于中心城區的通勤客流，其服務半徑一般不超過35 km，區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，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、發車間隔、車站長度、主要結構物的抗震性能、對恢復運營的影響、車站疏散能力等諸多因素，地震發生時，地面振動一般不會引發橋梁、隧道、接觸網、供電軌等結構出現明顯震害，但可能引發行進中的列車發生脫軌[2]。為了保證列車安全運行以及人員安全，地震發生時采用緊急處置使列車停車，待地震波過去后，立即啟動列車駛入鄰近車站。

（2）控制列車停車方式。采用自動控車為主，行車調度員控制為輔的緊急處置方案。建立地震預警緊急處置中心，實時接入地震預警信息，對信息進行綜合分析處理后，生成緊急處置信息，通過列控系統和制動系統實現列車自動停車，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，一種是通過地震預警緊急處置中心與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)發送，實現地震發生時列控系統的自動控車；第二種是通過地震預警中心與通信系統之間的接口，由通信接口單元接收中心緊急處置信息并以無線局域網(WLAN)或城市軌道交通車地綜合通信系統(LTE-M)等方式，向車載地震緊急處置裝置發送，通過列車上的車載地震緊急處置裝置實現列車制動[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，直接決定地震預警系統對列車的處置策略。報警閾值設置過低，對軌道交通影響不大的小震或遠震也可能觸發系統報警使列車限速或停車，影響運輸秩序，報警閾值設置過高，近震或大震發生時地震波幅值增長快，發出警報與破壞性地震波達到時間過短，系統會損失一部分提前預警的時間，無法充分發揮縱波(P波)提前預警的功效。借鑒高速鐵路地震預警系統報警閾值的設定原則和經驗，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果，提出軌道交通的地震警報閾值設為40 gal[4-8]，當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 系統架構設計

（1）設計目標。建立城市軌道交通地震預警緊急處置系統，接收地震臺網、城軌現場地震監測設備的地震預警信息、閾值報警信息、地震速報等信息，對信息進行綜合分析、協同處理，快速生成緊急處置信息，并將緊急處置信息自動發送到列控系統和車載地震緊急處置裝置，實現列車的緊急控制。在發生地震時，系統還將地震預警、緊急處置等信息實時發送到列調終端、維護終端、運輸管理部門，便于調度人員和管理人員實時掌握地震災害情況。

（2）架構設計。城市軌道交通地震預警緊急處置系統由現場地震監測設備、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架構如圖1所示。

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

由圖1可以看出，現場地震監測設備沿城軌線路部署，通過專用通信傳輸網絡向地震緊急處置信息中心傳輸地震預警、報警等信息，地震臺網通過專線的方式接入城軌系統通信傳輸網絡，向地震緊急處置信息中心傳輸地震預警、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度機房，分別設立現場監測設備接口服務器和地震臺網接口服務器接收城軌現場地震監測設備、地震臺網的地震信息，對信息進行綜合處理，生成緊急處置信息，通過CBTC接口服務器實時向列車自動監控系統(ATS)發送，ATS收到緊急處置信息后，以WLAN的方式向車載VOBC裝置發送，實現列車的緊急制動。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、緊急處置信息發送給行車調度、維修調度等相關系統，便于運輸管理人員全面掌握地震災害信息及其處置流程。

（3）系統主要功能。城市軌道交通地震緊急處置系統主要功能有6個。①信息接收功能。實時接收地震臺網的預警信息、自動速報信息、正式確報信息等，現場地震監測設備的監測信息、預警信息、報警信息等，以及設備工作狀態信息。②信息融合處理功能。對接收到的信息依據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據，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絡向CBTC地面系統發送相應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、系統工作狀態信息等進行存儲。⑤信息綜合顯示功能。用于為控制中心各調度崗位提供地震預警、報警、緊急處置等全過程信息展示；針對維修調度，除顯示上述各項信息外，還顯示系統的工作狀態信息。⑥地震警報解除功能。地震事件結束后，向CBTC地面系統以及相關調度發送地震警報解除信息，解除地震事件影響。

（4）系統主要界面。地震緊急處置信息中心給調度提供實時信息展示界面，為各調度工種配有監測業務終端界面，監測業務終端能夠實時顯示地震臺網發送的地震預警、報警、速報等信息，現場地震監測設備發送的預警、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，監測業務終端還能顯示系統的運行工作狀態信息。

2 城市軌道交通地震預警緊急處置系統信息構建處理

在系統架構確定后，城市軌道交通地震預警緊急處置系統通過對信息處置流程進行分析，采用Petri網時序建模手段，對信息進行構建與處理，實現了地震預警信息到緊急處置信息的快速轉換，大大減少了地震信息處理時間，提高了地震預警處置效率。

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的預警、報警等信息，同時也實時接收現場地震監測設備發送的縱波(P波)預警、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目的地發送。鑒于地震臺網預警信息精確度通常較高，一般優于城軌自建臺站本地預警數據，所以，在對臺網預警和本地預警等數據進行處理時，遵循警報升級、臺網信息優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警緊急處置系統信息處理流程如圖2所示。

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

城市軌道交通地震預警緊急處置系統對現場地震監測設備和地震臺網預警、報警信息的處理流程如下。①中心實時接收地震臺網地震預警信息，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、列車自動監控系統(ATS)和相關調度終端發送，中心同時將警報信息向終端發送。②當收到地震臺網信息后，后續收到城軌現場地震監測設備發送的地震預警信息，中心僅保存現場地震監測設備地震預警信息，并不進行分析處理。③當收到預警信息后，后續收到地震臺網、現場地震監測設備發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當處置信息升級(范圍擴大)時向通信接口單元、列車自動監控系統(ATS)和相關調度終端進行發送，中心同時將警報信息向終端發送。

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

2.2 信息分析與處理

Petri網可用于模擬系統的動態運行過程，反映系統的動態特性，其特點是基于時序關系的協同設計[10]。采用Petri網工作流來對城市軌道交通地震緊急處置系統的信息協同處理過程進行建模，將系統的這一處置過程轉換為矩陣模式描述的數學方程式來表達，可簡化協同信息處理邏輯，提高系統信息處置效率。在Petri網中，一個具有m個庫所，n個變遷的Petri網的關聯矩陣是一個m×n的整數矩陣，根據系統對地震臺網、現場地震監測設備信息的處理過程，可以構建基于Petri 網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系表如表1所示。

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

根據關系表，生成Petri網絡模型。系統整體Petri網可用四元組描述，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系。

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

ifO(t2) afterO(t5) 則O(t5)'觸發；

ifO(t2) afterO(t4) 則O(t4)'觸發；

Petri網的結構和性能分析可以通過分析PN網的關聯矩陣A來實現，設

其中：P= {p1，p2，…，pm}，T= {t1，t2，…，tn} 滿足

PN結構可以用一個m行n列的矩陣A來表示。

其中：

A為Petri網PN的關聯矩陣，用來描述Petri網系統的動態行為，工作流網的有界性求解可以轉化為求解方程：?X> 0，ATX≤ 0對于中心系統融合處理過程，只要求解方程滿足條件：ATX= 0，就能保證Petri網模型結構上的有界性和守恒性，輸入輸出關系矩陣如下。

由公式ATX= 0，解方程得到

方程有解，說明所構建的Petri網結構合理，滿足可達性、活性、有界性等特性，因而該Petri網模型可以作為系統的緊急處置信息生成算法模型，用于實現地震預警信息到緊急處置信息的快速轉換。

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警信息到生成緊急處置信息，發送到相應處置接口系統中，其全過程時延主要包括信息傳輸時間、信息處理時間、信息發送到列控系統和車載地震緊急處置裝置時間。

（1）臺網預警到緊急處置信息發送到列控系統中，其總時間為

式中：twc為地震臺網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為信息中心發送處置信息到ATS的時延；tzc為ATS發送處置信息到區域控制器(ZC)的傳輸時延；tvobc為ZC發送處置信息到車載VOBC的傳輸時延。

（2）臺網預警到緊急處置信息發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，可自動接收地震臺網和現場監測設備預警、報警信息，生成緊急處置信息并快速發送到受影響的列車上。系統在接收到臺網發送預警信息后，最快可在550 ms將緊急控車信息發送到運行的列車上，與現有的地震發生后行車調度員通過電話或者網絡掌握地震速報信息，手動下發調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，整體時效性大大優于既有系統處置方式。而且，信息中心可對多源異構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種方式發送到車載地震緊急處置裝置和列控系統中，可大大提高震時的處置精度和處置可靠性。

3 結束語

基于中國城市軌道交通地震防災現狀，研究城市軌道交通地震預警緊急處置系統，提出城市軌道交通地震預警緊急處置系統結構設計和系統對多源預警、報警信息的構建處理技術，實現地震發生時城市軌道交通的快速預警與自動處置，提高軌道交通安全防護水平。隨著中國城市軌道交通大規模的建設與實施，對地震防護有更高的需求，未來預計需建立數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間信息的安全、實時交互技術，擴大軌道交通地震預警信息獲取源，建立全國城市軌道交通地震預警立體化監控網絡。