铁路地震预警监测系统设计思考及试验研究_何泉勃.pdf
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1、 2023 年 2 月第 59 卷 第 2 期铁 道 通 信 信 号Railway Signalling&CommunicationFebruary 2023Vol.59 No.2铁路地震预警监测系统设计思考及试验研究何泉勃摘 要:为提升铁路地震预警监测系统的设计建设水平,从地震监测的原理出发,描述了我国铁路地震预警监测技术的发展现状;把握设计源头,对实际工程中遇到的一系列技术重点和难点进行了深入思考和分析;提出操作性较强的设计方法,并通过室内试验和天然地震响应测试加以验证。所总结出的经验和方法可为铁路地震预警监测系统的设计提供借鉴和参考,有助于保证设计的可靠性及合理性,从而达到优化设计方案的
2、目的。关键词:铁路;地震监测;预警报警;系统设计;试验中图分类号:U284.7 文献标识码:A Design and Experimental Research of Railway Earthquake Early Warning and Monitoring SystemHE QuanboAbstract:In order to improve the design and construction level of railway earthquake early warning and monitoring system,this paper described the develop
3、ment status of railway earthquake early warning and monitoring technology in China based on the principle of earthquake monitoring.Grasping the design source,a series of technical key points and difficulties encountered in the actual project were deeply considered and analyzed.The design method with
4、 strong operability is proposed and verified by indoor test and natural earthquake response test.The experience and methods summarized can provide reference for the design of railway earthquake early warning and monitoring system.It helps to ensure the reliability and rationality of the design,so as
5、 to achieve the purpose of optimizing the design scheme.Key words:Railway;Earthquake monitoring;Early warning and alarm;System design;Experiment由于强烈地震易导致铁路桥梁变形、路基塌陷及轨道偏移扭曲,并使震区内岩体破碎,从而引发危岩落石、泥石流等一系列次生灾害,对铁路运营安全造成严重影响,因此,很多发达国家和地区在轨道交通领域长期致力于发展地震预警监测技术,并已具有相当多的成功案例,如日本何泉勃:中铁二院工程集团有限责任公司 高级工程师 610031
6、成都基金项目:中国铁路总公司科技研究开发计划重大课题(Z2012-061)收稿日期:2022-10-08DOI:10.13879/j.issn.1000-7458.2023-02.22334信号控制扫码浏览下载6Railway Signalling&Communication Vol.59 No.2 2023的 UrEDAS 系统、美国的 ShakeAlert 系统、法国的 RDS 监测网络和我国台湾省的地震速报系统等。实践证明:地震预警监测技术不仅能实现轨道交通的应急处理,还能在一定程度上实现强震动到达之前的预警并对列车运行干预,保障生命财产安全。我国铁路行业历来重视地震灾害对列车安全运营的
7、影响,近年来更是通过加快推进相关标准制定、落实监测设备技术条件、完善上道程序等有效措施,在铁路地震预警监测技术方面取得了突飞猛进的发展。然而,由于起步较晚,相关理论储备及实践经验与日本、德国、美国等发达国家存在一定差距。因此,需从设计源头出发,进一步致力于研究、发现、分析和解决铁路地震预警监测系统工程中遇到的诸多问题,并进行充分试验验证,将规范标准中制定的原则性要求应用于工程实际,提升铁路灾害监测的整体建设水平。1铁路地震预警监测原理地震波是指由地震震源向四周传播的一种弹性波,其传播介质为地球本身。按照传播方式的不同,地震波可分为实体波和表面波。其中表面波只在地表传递,实体波则可在地球内部传递
8、。根据波形的不同,实体波又可分为纵波(P 波)和横波(S波)。1)P波。震动传递的性质和声波类似,是通过介质的体积变化(挤压和拉伸)来传播的,是一种推进波。它会使地面发生上下震动,其能量衰减快,破坏性较弱1。由于传播时介质的震动方向与能量传播方向平行,因此在所有地震波中,纵波具有最快的传播速度,约为57 km/s。2)S波。又称为剪切波,它只能在固体中传播,传播时介质的震动方向与能量传播方向垂直,会使地面发生前后、左右的摇晃,且持续时间长,因此具有较强的破坏性1。同时,传播特性也决定了它的传播速度较纵波慢,约为3.24 km/s。3)表面波。是由P波与S波在地球表面相遇碰撞后所产生的混合波,因
9、此其产生的时间晚于纵波与横波。表面波具有波长大、频率低、振幅强和易频散的特性,是造成人工构筑物强烈破坏的主要因素。由于它只能在地表传播,因此浅源地震所引起的表面波更为明显。由上述各类地震波的固有特性可知,P波的传播速度快且破坏性弱,通常可作为强震来临前的预警依据。因此,基于用空间争取时间的理念,在铁路沿线合理布设地震监测点。当地震发生时,利用P波初至各监测点的信息,快速估算震中位置、震级大小、震源深度等地震基本参数,并预测地震震动对铁路的影响,进而发布报警信息,即可通过技术手段及时控制列车减速或停车,最大程度降低地震对铁路列车运行造成的危害。铁路地震预警监测原理示意见图1。2设计思考铁路地震预
10、警监测系统需具备地震监测、阈值报警、P波预警和紧急处置等功能,并通过触发车载地震装置、列控系统、牵引供电系统等3种方式加以实现。在具体设计过程中,应从系统功能要求和实现方式出发,结合工程实际,深入思考、研究并确定系统网络架构、中心系统设备配置、现场监测设备布设、相关专业接口标准等一系列关键点,确保设计方案的完整性、合理性和针对性。2.1网络架构铁路地震预警监测系统总体为铁路局中心系统和现场监测设备二级架构 2,见图2。一般采用铁路数据通信网承载,星型结构连接,车站与现场监测设备之间设置传输网,并双通道冗余,以提高数据传输可靠性。铁路局中心系统设置在铁路局调度所,负责地震信息的接收、处理,紧急处
11、置信息的发布、警报解除,以及设备状态监测和维护管理等。现场监测设备布设于铁路沿线,包含地震计和监控单元,用于地震数据采集、报警信息发送、接收紧急处置信息,并实现与列控和牵引供电系统的接口功能。铁路局管辖范围内各线路设置独立的前端预警服务器,具备多台站P波预警和误报判识功能,用于接收现场监控单元的 P波预警、阈值报警等信息,并将其发送至前端接口服务器,进而实现现场图1 铁路地震预警监测原理示意7铁道通信信号 2023年第59卷第2期监控单元与铁路局中心系统之间的互联3。实际工程中,现场监测设备接入中心系统时,还应包括监控单元数据录入、软件配置扩容修改、GSM-R通信系统与地震预警监测中心系统的接
12、入调试等工程内容。目前路内部分铁路局地震预警监测中心系统尚未建成,对于此类情况,某些先期建设的线路在设计初期可利用按线设置的前端预警服务器,先实现现场监测设备的预警、报警功能,待中心系统建成后,再进一步完善接入部分的相关设计,实现紧急处置等其他功能。2.2铁路局中心系统铁路局中心系统在管辖本局内现场监测设备的同时,分别与国家地震台网、相邻铁路局地震预警监测中心系统互联,实时获取相关监测、预警、速报等信息。中心系统硬件设备包括各类别服务器、存储设备、监测终端、网络安全设备及时间同步设备等,具体设备组成及连接关系见图3。根据多项工程的设计经验,总结出铁路局中心系统主要设备配置原则如下。1)服务器。
13、按应用功能可划分为数据库、前端接口、邻局接口、台网接口、短信服务、前端预警、紧急处置、地理信息、通信应用、GPRS 通信、地震GPRS接口、维护管理、时间同步、防病毒等类别。其中,台网接口服务器用于与国家地震台网数据交换平台进行信息交互;邻局接口服务器用于与相邻铁路局中心系统进行信息交互;通信应用服务器、GPRS通信服务器、地震GPRS接口服务器则通过GSM-R系统,向车载地震装置发送紧急处置信息。基于安全可靠性考虑,中心系统服务器均应采用冗余热备配置。2)存储设备。用于集中存储局管内地震信息,在设计时应考虑近期建设线路的接入能力(一般按5年内需求考虑),并预留充足的扩容条件。技术规格上,要求
14、磁盘阵列支持包括 RAID(1+0)、RAID5、RAID6在内的多种存储方式,并具备存地震预警监测铁路局中心系统地震计监控单元现场监测设备牵引供电系统牵引变电所列控系统车站现场监测设备监控单元列控系统地震计监控单元现场监测设备列控系统现场监测设备监控单元列控系统车载地震紧急处理装置制动系统 动车组前端预警服务器(按线冗余配置)GSM-R通信系统车站、中继站、线路所车站、中继站、线路所分区所、AT所车站、中继站、线路所图2 铁路地震预警监测系统网络架构示意邻局接口服务器维护管理服务器紧急处置服务器地理信息服务器前端接口服务器前端预警服务器数据库服务器数据存储设备核心交换机监测业务终端监测业务终
15、端监测维护终端监测维护终端台网接口服务器短信服务器通信应用服务器GPRS通信服务器地震GPRS接口服务器通信接口防火墙时间同步服务器相邻铁路局中心系统地震数据综合分析平台国家地震台网数据交换平台国铁集团 复示终端国家地震台网图3 铁路局中心系统设备组成8Railway Signalling&Communication Vol.59 No.2 2023储分区和热备功能。3)监测终端。包括监测业务终端和监测维护终端3。其中,监测业务终端可设置于调度所行车调度台/供电调度台;监测维护终端根据运营维护需要,通常设置在铁路局信息技术所,工务部,工程范围内涉及的工务段、通信段、工电段等单位。在工程设计中,
16、应充分调查现场情况,尽量利用既有监测终端,通过对终端软件进行配置更改、数据调测等方式,实现地震信息的可视化和运行维护操作。2.3地震计布设进行地震计布设时,首先应确定地震计的设置区段。根据铁路自然灾害及异物侵限监测系统工程技术规程(TB 101852021)要求,地震计应设置于中国地震动参数区划图(GB18306)确定的地震动峰值加速度0.1 g(g=9.8 m/s2)及以上的铁路沿线区段4。设计过程中,应注意及时更新上述区划图年度版本,并结合踏勘情况和线路所在区域地震区划报告,确定地震动峰值加速度0.1 g的区段,避免因基础资料差错引起设计疏漏。相邻地震监测点在线路上的设置间距宜为25 km
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