高速铁路地震监测预警系统与中国地震局台站联网预警(技术)研究

定：“沿线地震动峰值加速度大于0.1 g 的地区应设置地震监控 自业务应用的行业专用网络，均采用高速专线作为
CHINESE RAILWAYS 2015/03
- 33 -
研究与探讨
高速铁路地震监测预警系统与中国地震局台站联网预警（技术）研究 白鑫 等
70 °
ห้องสมุดไป่ตู้
80 °
90 ° 100 ° 110 ° 120 ° 130 °
站，按照一般地震定位的方法（如交切法），很难交汇出震中位置。尽 管单台定位等方法可以解决这个问题，但其精确度不高，在地震监测预 警系统中的可操作性差。接入中国地震台网的观测台站，在地震预警处 置过程中，不仅可使用高速铁路沿线的地震监测台站，也可利用全国地 震监测网络实时获取高速铁路沿线规定区域内的观测数据。铁路路局中
国家地震台网 （国家中心）
地震数据综合 分析处理平台
国家地震台网 （省级中心）
高速铁路地震监测预警系统 铁路局中心系统
铁路局 调度系统
相邻铁路局 中心系统
地震监测台站 地震监测台站
GSM-R 地震监测台站
车载地震紧 急处置装置
上。因此，这些铁路线均应设置地震监测台站。 高速铁路地震监测台站宜布设在牵引变电所/
2 地震监测台站布局
3 高速铁路地震监测预警系统和中国地震 局台网网络互联方案设计
3.1 高速铁路地震监测预警系统和中国地震局台网 联接方案
2.1 高速铁路地震监测台站设置
高速铁路地震监测预警系统（简称高速铁路系
TB 10621—2009 《高速铁路设计规范（试行）》中规 统）和中国地震局台网（简称地震系统）都拥有各
目前中国地震台网的监测系统所使 用的地震速报信息分为人工地震速报信 息和自动地震速报信息。其中，人工地 震速报信息由中国地震台网中心汇集各 省级地震台网中心和国家地震台网中心 的结果，统一对外发布；自动地震速报 信息由中国地震台网中心汇集各自动地 震速报分中心的结果，统一对外发布。
在不改变现有中国地震台网中心 运行方式的基础上，遵循统一对外发 布的原则，中国地震台网中心与高速 铁路地震监测预警系统通过公共数据 交换区（公共交换区也可建立在高铁 系统内）共享自动地震速报综合触发 结果（AU）和正式地震速报结果（CC/ CD）。根据信息汇集与共享协议，在 高速铁路路局中心系统配置地震速报 信息共享服务器，通过配置在公共数 据交换区的地震速报信息共享服务器 进行信息共享。地震速报信息共享方 案见图5。
为了实现高速铁路系统与地震系统的网络互联，两者之间需要建立 一个数据安全交换区域，用于部署数据交换服务系统。高速铁路系统、 地震系统、数据交换区域之间使用高性能状态防火墙进行连接及安全防 护（见图3）。通过数据安全交换区域互联方案，高速铁路系统与地震 系统可在数据交换区域实时交换地震波形数据和地震信息，在满足数据 传输快速安全可靠的同时，最大程度保证两套系统原有的独立性。 3.2 高速铁路地震监测预警系统和中国地震局台网数据信息共享方案 3.2.1 共享数据源
高速铁路地震监测预警系统与中国地震局台站联网预警（技术）研究 白鑫 等
研究与探讨
（2）P波预警是通过布设在高速铁路沿线的地震台网或 点，地震监控点应具有S波监控功能，有条件时宜
强震台网以及实时通信传输线路对地震进行实时监测，利用地 具备P波预警功能。”GBJ 111《铁路工程抗震设
震初至时的P波信息快速分析出地震震中与铁路线的距离、地 计规范》规定：“位于地震烈度大于Ⅶ度地区的结
通过“十五”重大工程项目“数字地震观测 网络”的实施，中国地震局已经建成了由1个国 家地震台网和31个省级地震台网组成的覆盖全国
地震监测预警系统对高速铁路沿线地震活动进行实时连续 的高密度地震监测台网。全国地震运行台站达到
监测，接收相邻铁路局地震监测预警系统及地震部门相关地震 1 014个，其中包括国家台站148个、区域台站814
自建的地震监测台站信息与中国地震局高密度地震台站 的速报信息和预警信息进行联合预警，可以提高计算精 度、获得更多的响应时间，有利于更早地监测到地震发 生，极大提高高速铁路地震预警水平。
1 高速铁路地震监测预警系统
1.1 高速铁路地震预警 高速铁路地震预警就是在高速铁路沿线或潜在震源
附近设置地震仪，当地震发生并达到报警水平时，利用 电磁波与地震波的速度差以及P波与S波之间的速度差， 在破坏性地震波到来之前给地震影响区域内正在行驶的 列车提供几秒到几十秒的预警时间，使列车减速或停 车，避免安全事故发生。高速铁路地震监测预警系统包 括阈值报警与P波预警两种模式。
研究与探讨
高速铁路地震监测预警系统与中国地震局台站联网预警（技术）研究 白鑫 等
高速铁路地震监测预警系统与
中国地震局台站联网预警(技术)研究
白 鑫：中国铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心，副研究员，北京，100081 黄志斌：中国地震台网中心，正研级高级工程师，北京，100045 张洪宇：中国铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心，研究员，北京，100081 杨 陈：中国地震台网中心，高级工程师，北京，100045 刘晓雨：中国地震台网中心，工程师，北京，100045
- 34 -
CHINESE RAILWAYS 2015/03
高速铁路地震监测预警系统与中国地震局台站联网预警（技术）研究 白鑫 等
研究与探讨
地震台站 地震台站 地震台站
地震系统
省级地震 台网中心
流服务器
实时数据
公共数据 交换区
流服务器
地震台站 地震台站 地震台站
省级地震 台网中心
流服务器
实时数据
公共数据 交换区
信息进行数据分析及处理。当地震发生后，若监测到地震动强 个、火山台站33个、2个台阵19个台点，有利于迅
度达到报警阈值，及时向铁路局中心系统发出地震预警或报警 速报出地震发生的时空场。全国地震台站的分布
信息，通过牵引供电系统、列控系统和车载紧急处置装置控制 见图2。
列车减速或紧急制动。同时，根据地震影响范围，铁路局中心 系统向铁路局调度指挥系统提供列车运行管制、灾后恢复和启 动救援等信息。
在中国地震局台网监测系统中， 地震台站的实时波形数据通过数据采集 器汇集至省级地震台网中心。在不改变 现有中国地震台网中心运行方式的原则 上，根据数据汇集与共享协议，在高速 铁路地震监测预警系统配置流服务器。 其中，监测台站的数据应遵循协议标 准，汇集到高速铁路路局中心；高速铁 路路局中心配置流服务器，通过流服务 器与设置在公共数据交换区（公共交换 区也可建立在高铁系统内）的流服务器 实现实时波形数据共享功能。实时数据 共享方案见图4。 3.2.3 地震速报信息共享方案
流服务器
高铁系统
监测台站
铁路局 中心系统
流服务器
监测台站 监测台站
铁路局 中心系统
流服务器
监测台站 监测台站 监测台站
地震台站 地震台站 地震台站
省级地震 台网中心
流服务器
实时数据 公共数据 交换区 流服务器
铁路局 中心系统
流服务器
图4 实时数据共享方案
监测台站 监测台站 监测台站
地震系统
高铁系统
中国地震 台网中心
中图分类号：U211.9；U238 文献标识码：A 文章编号：1001-683X（2015）03-0032-05
随 着我国高速铁路的建设，列车运行速度大幅度提 高，地震对列车运行安全性的危害风险也随之增 加。对于较小震级的地震，即使不会损害线路的结构， 也极有可能导致列车在高速运行中脱轨，造成灾难性的 危害。因此如果能在破坏性地震波到来前及时发出预 警信息，采取相应应急处置措施，则可有效地保障高速 铁路运行安全。将中国地震局地震台网站点作为高速铁 路地震监测预警系统的外围监测点，利用高速铁路沿线
高速铁路地震监测预警系统与中国地震局台网的共享数据包括：与
网络访问 高性能状态防火墙
高铁系统
地震系统
高安全区域
实时数据交换
数据安全 交换区域
实时数据交换
高安全区域
低安全区域
图3 高速铁路系统和地震系统网络通过数据安全交换区域互联
高速铁路地震监测预警系统相关台站的 实时监测数据、中国地震台网地震预警 数据和烈度速报数据。 3.2.2 实时数据共享方案
（1）阈值报警指在地震发生后，若高速铁路沿线 地震台站实时监测的地震动参数达到或超过预定的阈值 时将发出地震报警信息。此时本区段地震灾害可能已经 发生，阈值报警仅可起到阻止相邻区间的列车进入灾害 区，防止发生次生灾害的作用。
基金项目：铁道部科技研究开发计划项目（2011G007）。
- 32 -
CHINESE RAILWAYS 2015/03
140 °
40 ° 40 °
30 °
30 °
20 ° 图例 区域台站
国家台站
80 °
90 °
100 °
110 °
120 °
20 °
南海诸岛 1∶3000万
130 °
图2 全国地震台站分布
通信信道单独成网，与其他网络系统隔离，具备较高的安全性与自治域独 立运管能力。要使高速铁路系统与地震系统在各自已有系统的基础上实现 互联，首先要保证现有系统的正常运转，任何设计建设都不能对已有业务 产生任何影响。
分区所/AT所附近，有利于及时断电回应。用于地 震P波预警的铁路沿线台站，地震仪距铁路线路中 心线距离原则上应满足无列车影响时场地背景振动 噪声小于0.000 1 g 和列车通过时综合噪声水平小于 0.001 g 的要求。 2.2 中国地震局地震监测台站分布
牵引供电系统
列控系统
图1 高速铁路地震监测预警系统架构
摘 要：地震预警可在地震发生后、破坏性地震 波到来前，提供数秒至数十秒的预警时间，以便 在此期间采取相应应急处置措施，是保证高速铁 路运行安全的有效手段。提出高速铁路地震监测 预警系统与中国地震局地震台网互联互通进行联 合预警的网络互联方案、数据信息共享方案，阐 述在高速铁路地震预警监测系统中应用中国地震 台网信息的作用。 关键词：高速铁路；地震；监测台站；联网
震震级、震源深度等参数，或者直接估计高速铁路沿线地震动 构物，应进行抗震设计。” 因此高速铁路在地震
参数，当预测的地震动参数达到或超过预定的阈值时发出地震 烈度大于等于Ⅶ度的线路区段需设地震监测点。
预警信息，对可能受破坏线路上运行的列车进行管制，使得高
我国的地震活动主要分布在西南地区、西北地
速列车在主震袭击线路前有更多的时间减速或停驶，以防止出 区、华北地区、台湾地区、东南沿海地区的23条地
心系统综合处理多台的观测数据，随着 汇集的台站数据的不断增多，预警（报 警）信息的可信度将不断增加，这将为 快速、准确地确定出地震信息提供条 件，为预警后的第二报、第三报等后续 警报提供准确的依据。 4.2 实现快速异地预警
高速铁路地震监测预警信息快速 传输的最终目的是要实现地震后将预 警信息尽快传送到路局中心系统控制 高速列车限速或停车，从而达到降低损 害程度的目的。由于中国地震台网不仅 部署于铁路沿线，它在全国基本成网状 部署，即使采用S波报警方式，在某些 条件下，也比只部署于铁路沿线的台站 报警时间要短得多。如图6所示，高速 铁路地震监测台站部署在离铁路不小于 100 m的范围（这里设定为200 m）。假 设地震发生在距离高速铁路100 km的距 离 ， 在 震 中 附 近 1 0 k m 有 一 处 中 国 地 震 台网的监测台站，则S波传播到台网台 站 大 致 需 要 1 0 / 3 . 6 = 2 . 7 8 s （ P 波 的 传 播 速 度 约 为 7 k m / s ， S 波 的 传 播 速 度 约 为 3 . 6 k m / s ） ， 传 播 到 高 速 铁 路 沿 线 的 时 间 约 为 1 0 0 / 3 . 6 = 2 7 . 8 s ； P 波 传 播 到 铁 路 沿线监测站，在P波到达后，假设采用 P 波 预 警 需 要 3 s ， 则 使 用 铁 路 沿 线 监 测 站对高速铁路进行预警是在地震发生后 100/7+3=17.28 s。由此可见，在高速铁 路地震预警中，如果分别采用中国地震 台网的台站和高速铁路地震监测台站， 中国地震台网的台站的S波报警时间为 震后2.78 s，而单纯采用高速铁路自建监 测台站，地震预警信息发出的时间为震 后17.28 s，S波报警时间为27.8 s。如将 前述两者台站的地震监测信息联合考虑 进行地震预警，则联合地震预警信息发 出时间约为2.78+90/3×10-5=2.78 s。显 然，接入中国地震台网的监测台站后，
机房内；现场监测设备设置在铁路沿线牵引变电所、分区所、 地震基本烈度在Ⅶ度以上。对比2020年中国高速铁
AT所、通信中继站及列控中心附近，由地震仪、监控单元、 路路网规划和《中国地震动峰值加速度区划图》，
信号接口单元、网络通信设备等组成。
通 过 Ⅶ 度 区 以 上 的 高 速 铁 路 里 程 约 在 7 5 0 0 k m 以
信息服务器
自动速报 人工速报
公共数据 交换区
信息服务器
自动速报 人工速报
铁路局中心系统 信息服务器
铁路局中心系统 信息服务器
铁路局中心系统 信息服务器
图5 地震速报信息共享方案
4 中国地震局台网信息在高速铁路地震监测预警系统中的作用
4.1 实现快速准确定位 铁路线是狭长的线状结构物，如果沿高速铁路线部署地震监测台
轨，消除潜在威胁。 1.2 高速铁路地震监测预警系统构成
震带上。目前已建的京津、京沪、郑西、石太、合 宁、温福、福厦、甬台温等客运专线或高速铁路都
高速铁路地震监测预警系统可采用铁路局中心系统与铁路 地处或接近这些活跃地震带。根据GB 18306—2001
沿线现场监测设备两级架构（见图1）。铁路局中心系统由地 《中国地震动参数区划图》的标定，这些地区的地 震监测预警信息系统和通信接口单元构成，设置在铁路局信息 震动峰值加速度达到了0.1 g （1 g =981 cm/s2），即