轨道交通地震监测及预警系统现状分析

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轨道交通地震监测及预警系统现状分析肖木洋深圳地震减灾技术研究所摘要：地震会直接破坏轨道交通设施，导致列车脱轨、倾覆等列车运行安全重大事故。本文通过对比分析我国和国际上其他国家在轨道交通地震监测及预警系统领域的发展和现状，阐述丫在轨道交通领域建设地震监测及预警系统的紧迫性和必要性。关键词：地震;轨道交通;Ml震监测及预警系统;作者简介：肖木洋，男，辽宁东港人，助理工程师，主要从事地震工程研究工作。E-mail:496994717@qq.com0收稿日期：2017-09-20StatusAnalysisofEarthquakeMonitoringandWarningSystemforRailTransitXIAOMuyangShenzhenInstituteofearthquakemitigationtechnology;Abstract：Earthquakescandirectlydamagerailtransitfacilities,therebyleadingtotrainderailment,overturning,andothermajoraccidentsthatcanthreatenthesafetyoftrainoperations.Inthisstudy,wecomparedthe developmentandcurrentstatusofearthquakemonitoringandearlywarningsystemswithrespecttorailtransitinChinaandothercountries.Basedonourresults,wehighlighttheurgencyandnecessityoftheconstructionofearthquakemonitoringandearlywarningsystemsforrailtransportation.Keyword：earthquake;railtransit;earthquakemonitoringandearlywarningsystem;Received：2017-09-20肖木洋.轨道交通地震监测及预警系统现状分析[J].地震工程学报，2017，39(增刊)：189-194.doi:10.3969/j.issn.1000-0844.2017.增刊•189XIAOMuyang.StatusAnalysisofEarthquakeMonitoringandWarningSystemforRailTransit[J].ChinaEarthquakeEngineeringJournal,2017，39(Supp.):189-194.doi:10.3969/j.issn.1000-0844.2017.Supp.1890引言2017年6月6口，在全国地震科技创新大会上，屮国地震局郑国光局长提出丫启动《国家地震科技创新工程》，并提出实施四项科学计划:透明地壳、解剖地震、軔性城乡、智慧服务。而利用现代地震观测技术、物联网技术、云计算技术，研制能大量布设的低成木、传感器化、智能化的地震监测仪器，实现地震应急、灾害速报，提升防灾减灾的科技产品，完善服务平台，提供智慧的公共服务，是现代地震观测技术如何与国计民生相结合的关键，是政府和老百姓最关心的现代地震观测技术。轨道交通地震监测及预警系统就是确保防震减灾工作践行“韧性城乡”和“智慧服务”的重大举措之一。1我国地震背景和震情形势我国是世界上地震灾害最严重的国家之一，1949年至1991年间地震灾害造成的死亡人数占全部自然灾害死亡人数的54%，经济损失巨大。地震灾害的特点是突发性强、瞬间破坏性剧烈、难以预测、次生灾害严重、社会影响深远、造成人员巨大伤亡和财产的严重损失。地震可以引发多种灾害，轨道交通系统作为投资巨大的重大生命线工程，也是在地震发生后极容易引发重大二次灾害的系统，系统具有事故后果严重性、对管理和监测的依赖性、受外部环境影响大且难于预测和控制等特点。 2国际上的轨道交通地震监测及预警系统轨道交通监测及预警系统是保证高速列车安仝运行的必耍条件之一，其中自然灾害在高速铁路的安全监控系统中占有重要的位罝。铁路技术发达W家，如法国、德国、H木等，根据各自不同的地理、气象及运营条件，采用适当的报警与监控系统，保障了轨道交通的运行安全。近年来，大震预警系统和地震快速反应系统在国际上也发展迅速。部分国家己有较成熟的使用地震监测方法监测地铁或类似轨道交通的做法，并取得了一定的经济和社会效益。tl木早期的国家铁路系统安装了为切断列车电源而设计的地震开关系统。该系统已发展成一个地震预警台网系统TRTA(TeitoRapidTransitAuthority),该系统可根据震屮距离发出预警信号，并在发生强地震时停止口本东京地铁的运转。日本在铁路沿线每隔一定间距安装一套地震监测预警站，(以新干线为例井在沿线安装了400套监测站)，每个站点均联线至列车、区域控制中心、控制中心总部、铁路技术研究所及日本气象厅。当冇任一预警站水平地动加速度峰值(PGA)超过特定门槛值以上时，该站前后共20km(新干线)的铁路会自动切断列车电源一类停驶列车。同吋控制中心总部人员将依据预警站所监测的PGA及闩本气象厅所估计铁路附近的震度再停驶铁路总长度、要检视铁路之路段及如何控制临近路段的列车。0前该系统己从新干线推广至一般铁路。日本0前最新型的预警系统为UrEDAS(UrgentEarthquakeDetectionandAlarmSystem),该系统利用P波和S波的到时差来实现地震预警。该系统在多次地震中成功地使快速运行列车减速停车，避免了事故的发生。2003年5月，8级地震袭击了东京东北部的地区:这套系统让两列火车停止驶向一座高架桥，而该桥在地震中有23个桥柱发生断裂，从而避免了巨大灾难的发生。2004年10月23日，新泻地震发生吋，UrEDAS系统也正常作用，由于为震源较浅的直下型地震，系统响应时间极短，造成丫列车发生丫脱轨，但由于系统及时响应，启动丫地震应急自动处置系统，列车减速及时，避免了列车倾覆和人员伤亡。新泻地震发生后，円本科研部门已将高速行驶的新干线列车如何应对震源较浅的直下型地震作为今后研究的重要课题。图1新泻地震新干线脱轨图下载原图UrEDAS系统的和关资料图片如下：在美国旧金山的湾区快线(BART)安装了地震开关系统，该系统在记录到0.lg加速度值时系统发出声音报警并通过无线方式传输到中心。在1989年旧金山地震7.1级地震中该系统发挥了一定作用。 图3地震预警系统监测点仪器下载原图图4UrRDAS系统界面截图下载原图洛杉矶地铁和波多黎各铁路客运均安装Y地震监测及警报系统系统，该均可记录地面加速度并将多级警告信号发送到营运中心。洛杉矶地铁安装了数字加速度仪在隧道内，系统具备两级报警，低加速度水平警告（O.lg）将通过发出报警信号，人工干涉以引导地铁降速并停靠在下一地铁站，而高加速度水平报警（0.2g）将在引导同时，启动大型隧道换气扇。波多黎各铁路客运安装了数字地震报警仪，其屮分别安装在地面和地下。低加速度水平（0.06g）警告营运屮心地震己发生，并警示人工作出相关操作，高加速度水平（0.12g）系统报警将自动停止列车的运行。下图分别是洛杉矶地铁和波多黎各铁路两个系统的相关资料。图5UrEDAS系统框图下载原图图6UrRDAS系统P波检测算法下载原图图7日本UrEDAS系统监测点分布下载原图加拿大Vancouver的轻轨系统安装的地震传感器可提供两种可调节的触发报警水平，低水平模式向操作人员报警并由操作人员处理应急程序，高水平模式将 自动启动计算机的应急处理程序并由计算机实现超控。 1999年9刀7日希腊雅典发生队5.9地震，安装在地铁和地表的加速度仪发挥了重要作用，它们记录下了地面和地下地铁站的地震动数据，这些数据对于分析地铁地下结构对于地震的响应具用重要的价值。阁8UrEDAS系统预警方案下载原阁图9UrEDAS系统监测站点图下载原图图10UrEDAS系统监测站内部仪器图下载原图综上所叙，目前国外部分发达国家如美国、日木已经在地铁和轨道交通系统上的地震监测和预警系统进行了卓有成效的建设，特别是日本，其UrE-DAS系统己被多次实践证明不仅能实现轨道交通系统的应急处理，还能够在一定程度上成功地实现了地震震动到达前的地震预警及列车停驶，以保障轨道交通系统的安全有效运行。图11洛杉矶地铁地震监测及警报系统下载原图图12波多黎各铁路地震监测及警报系统下载原图3中国轨道交通地震预警系统随着我国不断地改革开放和持续发展，特别是“九五”“十五”期间地震监测系统的建设，我国的地震强震动监测技术也得到了快速发展。在京津、京沪、哈大高速铁路等工程建设的同时，中国研发了高速铁路地震监测报警系统，但该系统仅具有阈值报警功能，各条线路的地震监测报警系统独立且不能互联互通，报警信息无法共享，没有与国家地震台网相连，报警和处置时延长，不能完全达到高速铁路预警的最终目的。为实现预警功能，中国高速铁路在建设初期曾考虑引进消化其他国家和地区的高铁地震预警系统，但由于中国地震断裂带分布范围大，高铁线路己经成网，高速铁路装备技术与日木、法国等国家的接触网过 分和技术、列车运行控制系统、轨道电路制式等不同，因此没有现成技术能满足高速铁路地震预警的需求，研发满足中国高速铁路实际要求的新一代地震预警系统迫在眉睫。从2013年7月至今，地震预警技术进行了室内试验，在我国高速铁路的福厦线、成灌线、大西线等线路上进行试验与测试，并已进行了多次现场模拟试验和天然地震验证试验、在大西高铁实施了示范线工程。图13屮国高铁地震预警系统及处置流程下载原图图14中国高铁地震预警系统接口框图下载原图高铁地震预警系统试验分为2个阶段:第1阶段伍括室内试验、福厦线和成灌线现场试验，重点针对监测预警系统的各项功能和性能进行优化比选，为后续开展的全系统控车试验奠定棊础;第2阶段安排在大西高铁试验段进行，系统开展高铁地震监测预警系统及车载应急处置实车试验验证，为完善系统及相关技术标准提供支持。4结论我国地震工程界历来十分重视地震强震动监测工作。到A前为止，已经在一些典型建筑物、重要桥梁和大坝上布设了地震反应监测台阵，并取得过一些监测记录,积累了一定的经验，但目前在轨道交通系统的强震动台网建设尚未开展。对于高速行驶的列车而言，哪怕是较小震级的地震，对路基、轨道、桥梁等的冲击都可能会导致列车运行安全重大事故。轨道交通地震监测及预警恰恰是能够为地铁系统为地震应急、减轻地震灾害影响提供了棊础资料，针对轨道交通设施布设强震动监测台阵，对地震动的特性(强度、频谱、持续时间)、影响范围及地铁工程结构的地震反应进行监测，是采取地震应急措施、组织应急预案的实施等地震应急工作的有力保障。鉴于地震对轨道交通的危害性等经验教训，在轨道交通设施建设地震监测及预警系统越来越具有紧迫性和必要性。参考文献[1]孙利，钟红，林皋.高速铁路地震预警系统现状综述[J].世界地震工程，2011,27(3):89-96.[2]王子捃，赵伯明.高速铁路地震预警P波与S波复合自动快速识别的理论方法 与应用[J].中国铁道科学,2016,37(4):121-127.[1]陈会忠，侯燕燕，何加勇，等.日本地震预警系统日趋完善[J].国际地震动态，2011，(4):10-15.[2]孙利.高速铁路地震预警系统阈值探索[D].大连理工大学，2011.[3]王暾，龚宇，顾建平，等.建立地震预警、地震报警和烈度速报综合系统的思考[J].国际地震动态，2011,(9):24-29.[4]刘平，邱志刚，罗奇峰.最快的反应一一日本地震预警系统介绍[J].生命与灾害，2011，(6):20-21.