高铁地震预警系统的研究

高铁地震预警系统的研究

吴鹏;陈志高;杨江;夏界宁

【摘要】地震灾害对高铁的安全运营威胁颇大,为有效降低地震灾害对高铁安全运行的破坏,尝试研究一地震预警监控系统进行地震远程监控.本研究采用地震预警监控系统实时采集加速度传感器信号的同时进行滤波和P波捡拾等算法,实现地震识别和震级计算.经由实验证明,该地震预警监控系统能实现地震的实时监控和地震报警输出,可有效降低由地震灾害对高铁造成的危害[1-2].

【期刊名称】《电子器件》

【年(卷),期】2018(041)005

【总页数】5页(P1310-1314)

【关键词】地震预警;P波捡拾;实时监控;高铁

【作者】吴鹏;陈志高;杨江;夏界宁

【作者单位】中国地震局地震研究所,中国地震局地震大地测量重点实验室,武汉430071;武汉地震科学仪器研究院有限公司,湖北咸宁437000;中国地震局地震研究所,中国地震局地震大地测量重点实验室,武汉430071;武汉地震科学仪器研究院有限公司,湖北咸宁437000;中国地震局地震研究所,中国地震局地震大地测量重点实验室,武汉430071;武汉地震科学仪器研究院有限公司,湖北咸宁437000;中国地震局地震研究所,中国地震局地震大地测量重点实验室,武汉430071;武汉地震科学仪器研究院有限公司,湖北咸宁437000

【正文语种】中文

【中图分类】TH89

地震是具有极大破坏性的天然灾害,会直接影响高速铁路的运营安全,对铁路的基础设施破坏极大,从而导致高速列车脱轨、倾覆等严重事故[1-2]。近年来,我国逐渐加大高铁基础设施的建设,并相继开通了京津、京沪、甘青、大西等高铁线路,地震的潜在威胁日益增大[2]。针对上述问题,开始进行高铁地震预警系统的研究。经实验证明,该研究能一定程度解决或减轻地震灾害对高铁的影响,对高铁的运营安全具有重大社会意义和经济意义。

1 方法背景

地震发生时所产生的地震波主要分为P波和S波两种。其中,P波的传播速度比较快,破坏性比较小;S波传播速度比较慢,但是破坏性大[3]。因此,可利用P波和S波之间的速度差,在地震已经发生而破坏性的地震波还没有到达前的数秒至数十秒之间发出地震警报,并通知正在行驶的高速列车减速或者停车,避免造成安全事故。

地震预警技术可分为地震3要素预警和地震动阈值预警。其中,地震3要素预警则是根据捡失P波特真信息进而推算出地震的震级、震源深度和震中距以及方位角等参数来判别地震的级别和方向。地震动阈值预警则是通过判断S波到达后且对应加速度阈值是否超过设定阈值来判断地震级别产生预警[3-4]。

2 高铁地震预警系统组成

高铁地震预警系统可与现场控制系统和地震安全监控以及预警平台对接构成高铁地震监控平台。根据设计院要求,在高铁沿线每隔10 km～30 km布设一强震预警单元,高铁沿线多个单站点强震预警单元构建成一个近似于线性地震监测网络,实现强震报警和单点的P波预警。线性地震监测网络在将来会逐步纳入国家地震监测台网,实现区域性质地震预警,提高预警性能[5]。

地震监测网络由多个强震预警单元构成,每个强震预警单元由机械式加速度计和强

震数据处理单元组成。目前,高铁地震预警系统主要布置在高铁沿线,依据设计院的要求选择性地将强震预警单元分别安装于部分牵引变电站和AT分区所等位置,作为防灾系统的一部分。强震预警单元由两台地震数据处理单元和两台机械式加速度计组成,其中,地震数据处理单元集中安放在牵引变电站或AT分区所的专用机房内,集成于防灾系统机柜中,对风、雨以及异物等构成一套完成的防灾监控系统。两个机械式加速度计则分别安装于场区的对角位置或同边位置。设备布置结构图如图1所示。

图1 单点强震预警采集单元现场布置示意图

3 强震预警采集单元结构和工作原理

高铁地震预警系统主要功能是对加速度传感器进行地震数据采集,并对该地震数据进行滤波和算法处理,判断该信号是否为地震波,以及依据信号大小来判断对应的报警级别。系统依据不同的报警级别输出不同的干节点信号,并将对应的地震事件进行本地存储和通过网络进行上传到服务器。

可以说,本文介绍的强震预警采集单元是集数据采集、分析处理、数据存储和报警等功能于一体的独立进行工作的系统。

强震预警采集单元具备高精度数据采集、地震报警输出、加速度传感器标定、地震事件存储以及SNTP对时等功能。强震数据处理单元主要由传感器A、传感器B、两路三通道(通道之间相互独立)的24 bit AD板卡、控制板报警卡及Ni9606核心处理器板卡构成。该数据处理单元分别对地震加速度传感器A和B的地震信号进行数据采集,并实时进行分析判断,当有地震发生时,根据数据处理结果分别给出小事件报警(P波报警)、S波1级报警和S波2级报警,并通过节点接口输出事件干节点报警信号。当有故障产生时,给出故障节点报警干节点信号。设备输出节点采用故障导向安全模式,当有故障产生时,地震报警输出节点均被屏蔽。该设备结构框图如图2所示。

图2 强震数据采集单元内部结构图

系统工作原理简单介绍如下,系统提供两路+15 V 直流电分别给传感器A和传感器B,并提供+24 V 电源分别给控制板卡和NI9606核心处理器板卡。NI9606核心处理器控制两路三通道24 bit AD采集传感器A和传感器B的模拟地震信号并进行

分析处理,达到P波或者S1、S2报警级别,则通过控制板卡进行报警节点输出,报警节点输出为干节点。当系统处于死机等非正常工作模式时,将会控制控制板卡进行

故障报警,故障报警节点也为干节点。数据服务中心可远程通过服务器对强震数据

处理单元进行工作状态查看和数据信息接收,并对报警节点进行判断,做出是否控制

操作。

4 系统部件选型及功能简介

4.1 加速度传感器选型

本系统采用美国ES-T型机械式加速度传感器,该传感器包含3个EpiSensor力平

衡式加速度计模块,其输出有4种模式:±2.5 V和±10 V单端输出、±5 V和±20 V 差分输出,其动态范围155 dB,带宽DC至200 Hz,其满量程共有5个档位:±0.25 gn,±0.5 gn,±1 gn,±2 gn,±4 gn。应用时,根据现场实际需要选择±5 V或者±20

V的差分输出模式,满量程档位则选择±1 gn。

4.2 三通道相互隔离24位A/D卡

24位A/D采集卡主要包括有前端差分放大电路、AD控制电路以及时钟源电路等。其原理图分别如图2～图5所示。

图3 前端差分前置放大电路

图4 AD控制电路

图5 时钟源电路

在实际使用过程中,选择的加速度传感器可能有±5 V和±20 V差分输出两种类型,

但是选用的AD采集芯片的输入量程只有±2.5 V,因此,为了满足输入的地震信号处