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在各種自然災害中，地震是一種小概率災害事件，但是其危害性卻十分巨大。中國位于世界兩大地震帶(歐亞地震帶與環(huán)太平洋地震帶)之間，受太平洋板塊、印度板塊和菲律賓海板塊的擠壓，地震斷裂帶十分發(fā)育，地震活動頻度高、強度大、震源淺、分布廣，是蒙受地震災害最為深重的國家之一。對鐵路運營而言，在過去列車低速運行的條件下，地震的危害性還不是特別突出。但當列車運行速度超過200km/h以后，哪怕是較小震級的地震對于路基、橋梁、軌道的沖擊都可能會造成列車的脫軌、傾覆等危害旅客生命、健康、財產(chǎn)的重大安全事故。此外，由于列車開行密度很高，地震災害還極有可能造成因后續(xù)列車進入事故區(qū)段而導致次生災害發(fā)生的危險。因此，深入研究與優(yōu)化符合我國高速鐵路運營需求的地震監(jiān)測系統(tǒng)是十分必要的。同時，開展關(guān)于地震報警模式及聯(lián)動控制方面的研究與分析，對提高高速鐵路的防震減災能力，保證旅客生命健康和財產(chǎn)安全，也具有極其重要的社會和經(jīng)濟意義。

1地震監(jiān)測系統(tǒng)簡介

防災安全監(jiān)控系統(tǒng)是保證高速鐵路列車安全、高速運行的重要基礎(chǔ)裝備之一，如圖1所示。列車調(diào)度員根據(jù)防災安全監(jiān)控系統(tǒng)對風雨雪天氣、地震災害、異物侵限災害等安全環(huán)境的實時監(jiān)測報警、預警信息，以及鐵道部、鐵路局的相關(guān)規(guī)章制度，指揮列車安全運行;維護部門按照防災安全監(jiān)控系統(tǒng)提供的相關(guān)災害信息，開展基礎(chǔ)設(shè)施的巡檢、搶險及維修養(yǎng)護工作。其中，地震監(jiān)測系統(tǒng)是防災安全監(jiān)控系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，通過現(xiàn)場級的采集設(shè)備(地震加速度計及強震動記錄儀)實現(xiàn)對地震的實時監(jiān)測和記錄，同時將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設(shè)備進行綜合分析及邏輯判斷，生成預警或報警信息，并聯(lián)動控制牽引變電系統(tǒng)、信號系統(tǒng)完成控車及控電的動作。2地震監(jiān)測系統(tǒng)報警模式分析

2.1國外高速鐵路的地震報警模式

2.1.1日本新干線日本新干線地震監(jiān)測系統(tǒng)分為以下三個階段。第一階段，地震報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)于1964年新干線開通時同步建設(shè)，在全線的25個變電所內(nèi)設(shè)置機械式地震儀，平均距離約為20km。系統(tǒng)只提供單監(jiān)測點的地震S波監(jiān)測，只有報警功能，沒有預警功能。存在的問題:①不必要的報警動作過多(即多余反應(yīng));②從發(fā)出報警到發(fā)生最大地震動的時間間隔太近(即報警太遲)。第二階段，早期地震警報系統(tǒng)(UrgentEarth-quakeDetectionandAlarmSystem，UrEDAS)。是一個既利用電磁波和地震波速度差，也利用地震P波和S波走時差進行地震預警的系統(tǒng)。使用一個監(jiān)測點3個方向的地震動分量進行地震分析，結(jié)構(gòu)簡單，并提供單監(jiān)測點P波預警與S波監(jiān)測報警結(jié)合的報警判定模式。盡管P波的推斷精度不高，但在S波到達之后，可以推斷出較準確的震源距離。該系統(tǒng)在檢測到地震P波后的3s內(nèi)可估算出震中方位、震級、震中距和震源深度等地震參數(shù)并發(fā)出第一次警報，在S波到達后計算出更精確的地震參數(shù)之后再發(fā)出第二次警報，由中心臺接收各臺的警報并進行綜合處理。即使在主震動到來的同時，UREDAS遭到了破壞，但警報已經(jīng)發(fā)出，震源信息已傳送到必要的地方。因此，UREDAS具有遭到破壞性地震動的襲擊后仍能保持其主要功能的特點。第三階段，快速地震報警系統(tǒng)(EarthquakeQuickAlarmSystem，EQAS)如圖2所示。該系統(tǒng)對于地震災害判定不局限于單監(jiān)測點，可分為多級(多次多點)進行P波預警與S波監(jiān)測報警判定。地震發(fā)生時，根據(jù)全國地震網(wǎng)監(jiān)測到的實時地震信息，推算出震源、震級等，再根據(jù)推算結(jié)果由快速地震報警系統(tǒng)對運行中的列車通過多種方式進行控制，保證行車安全。

2.1.2法國地中海線目前法國地中海線地震報警模式為:如果相鄰的3個監(jiān)測站每隔5s就發(fā)出一致的報警信息，則表明發(fā)出警報;一個監(jiān)測站如果失去信號，則可以看作其與相鄰監(jiān)測站的監(jiān)測數(shù)據(jù)相當;如果超過了某一個指定的閾值，且警報是從3個監(jiān)測點同時發(fā)出的，則確認是地震報警信息，即系統(tǒng)利用相鄰的3個監(jiān)測站監(jiān)測地震報警信息;若某一監(jiān)測站單獨發(fā)出報警，系統(tǒng)處理為非地震警報信息，以防止誤報。同時系統(tǒng)還連接到國家地震驗證中心，地震發(fā)生后的強度級別確認及災后救援工作均由國家地震驗證中心與鐵路部門共同進行。顯然法國報警模式實時性能較差，如圖3所示。

2.2國內(nèi)高速鐵路的地震報警模式方式一，全線任意2個地震監(jiān)測點檢測到的地震動加速度值均超過預設(shè)的報警門限值時，經(jīng)邏輯判斷后產(chǎn)生強震報警并進行聯(lián)動控制，京津城際鐵路采用此種方式。聯(lián)動控制范圍為全線的信號列控系統(tǒng)、牽引變電系統(tǒng)。方式二，全線任意相鄰的3個地震監(jiān)測點中有2個檢測到地震動加速度值均超過預設(shè)的報警門限值時，經(jīng)邏輯判斷后產(chǎn)生強震報警并進行聯(lián)動控制，京滬高速鐵路采用此種方式。目前，國內(nèi)高速鐵路地震監(jiān)測系統(tǒng)只具有地震報警功能，未實現(xiàn)地震預警功能。

2.3地震報警模式分析借鑒國外高速鐵路與國內(nèi)已建高速鐵路地震監(jiān)測系統(tǒng)報警模式，需解決的關(guān)鍵問題是多余報警(誤報)及延遲報警。因此，我國高速鐵路地震監(jiān)測系統(tǒng)報警模式應(yīng)選擇的技術(shù)路線為:系統(tǒng)具備單監(jiān)測點預警與報警，多監(jiān)測點預警與報警的分析、處理及判定功能。在單監(jiān)測點報警與預警判定模式中，監(jiān)控單元應(yīng)具備分析、處理現(xiàn)場采集設(shè)備上傳的地震動加速度數(shù)據(jù)并直接進行P波預警與S波報警的判定，觸發(fā)與信號系統(tǒng)、牽引變電系統(tǒng)的接口，分析出地震報警和預警應(yīng)聯(lián)動的控制范圍的功能，并能將報警、預警、聯(lián)動控制范圍等信息上傳至監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設(shè)備。監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設(shè)備將收到的聯(lián)動控制命令下發(fā)至其他相關(guān)監(jiān)控單元，觸發(fā)與其相關(guān)的信號系統(tǒng)與牽引變電系統(tǒng)的接口。單點地震監(jiān)測報警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及判定邏輯簡單，報警與預警模式減少了地震信息在多個層級之間的傳輸判斷再傳輸?shù)臅r間，能夠快速地進行地震預警與預報警判斷，并在第一時間觸發(fā)與本監(jiān)測點直接相連的信號系統(tǒng)和牽引變電系統(tǒng)的接口，減少了地震報警與預警的響應(yīng)時間。結(jié)合儀器安裝墩采用的隔振工程措施以及采取軟件濾波等手段，漏報率較低，實時性好。其缺點是沒有與其他的地震監(jiān)測點進行比對與分析，單點預警的準確度不如多點準確度高，可能會存在誤報率較高的情況。為了提高預警與報警準確度，保證正常情況下的行車效率，系統(tǒng)也應(yīng)具備多監(jiān)測點預警與報警判定功能，即地震波預警及報警信息由上層的監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設(shè)備進行分析判定，當2個或多個地震監(jiān)測點同時檢測到地震動P波或S波信息時，由監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設(shè)備實現(xiàn)最終的地震判定，并分析出地震所影響的聯(lián)動控制范圍，同時將信號系統(tǒng)、牽引變電系統(tǒng)的聯(lián)動控制命令下發(fā)至相應(yīng)的監(jiān)控單元，由監(jiān)控單元觸發(fā)信號系統(tǒng)和牽引變電系統(tǒng)的接口實現(xiàn)控車與控電的操作。

3地震聯(lián)動控制分析

3.1國外高速鐵路地震聯(lián)動控制情況目前日本新干線采用的方案是防災系統(tǒng)，只聯(lián)動牽引供電系統(tǒng)，但基于日本鐵路供電制式和信號制式，停電同時相當于發(fā)出信號系統(tǒng)停車指令。而法國高鐵采用的方案為當防災系統(tǒng)監(jiān)測到地震時，僅聯(lián)動信號系統(tǒng)停車，接觸網(wǎng)不斷電，即空電復合制動模式。

3.2我國高速鐵路地震聯(lián)動控制情況分析我國高鐵地震聯(lián)動控制有2種方案。方案一，先控車，后控電。在這種情況下，應(yīng)采用空電復合緊急制動模式(電制動與空氣制動結(jié)合的復合制動方式)。在接觸網(wǎng)帶電情況下采用空電復合緊急制動模式，使列車在最短的時間內(nèi)以最短的制動距離進行最安全地制動。隨后，為避免地震引發(fā)的次生災害發(fā)生(如牽引變電所失火等)，延時一定時間后(不小于空電復合制動轉(zhuǎn)換至純空氣制動的時間，保證列車帶電制動時間)，通過地震監(jiān)控系統(tǒng)接口繼電器輸出干接點信號，自動聯(lián)動控制牽引變電系統(tǒng)斷電。方案二，同時控車與控電。在這種情況下，應(yīng)采用純空氣緊急制動，即地震發(fā)生時同時聯(lián)動信號系統(tǒng)、牽引變電系統(tǒng)的接口，使動車組在斷電情況下實現(xiàn)緊急制動。鐵科技〔2009〕212號，關(guān)于印發(fā)《鐵路客運專線技術(shù)管理辦法(試行)(300～350km/h部分)》文第178條，對列車緊急制動距離的規(guī)定:制動初速度為350km/h時，列車緊急制動距離限值為6500m;制動初速度為300km/h時，緊急制動距離限值為3800m。鐵科技〔2009〕116號，關(guān)于印發(fā)《鐵路客運專線技術(shù)管理辦法(試行)(200～250km/h部分)》文第104條，對列車緊急制動距離的規(guī)定:制動初速度為200km/h時，列車緊急制動距離限值為2000m;制動初速度為250km/h時，緊急制動距離限值為3200m。根據(jù)《京津城際鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試動車組動力學、牽引制動試驗數(shù)據(jù)》，對CRH3型動車組進行了初速度為330，300，250，200，160km/h的空電復合緊急制動及純空氣緊急制動試驗，試驗結(jié)果表明空電復合緊急制動比純空氣緊急制動所需的制動距離稍短，列車能在更短的時間內(nèi)停下，并且因為經(jīng)過了一段切電延時，這種模式還可以在一定程度上減少對牽引變電系統(tǒng)接口的誤操作，降低系統(tǒng)誤報對牽引變電系統(tǒng)的影響。由于空電復合緊急制動模式優(yōu)先采用了零磨耗的電制動方式，對列車制動裝置的磨耗也將大大減少。但是，空電復合模式的邏輯判定較為復雜，不同類型、不同速度的列車其制動距離與切電延時各不相同，這樣會在一定程度上加大軟件設(shè)計的復雜性，降低系統(tǒng)的可靠性。若切電延時較長，主震波達到鐵路沿線時可能會對鐵路基礎(chǔ)設(shè)施及通信網(wǎng)絡(luò)造成破壞性的損害，這時沿線的通信網(wǎng)絡(luò)已然癱瘓，現(xiàn)場采集設(shè)備、監(jiān)控單元、監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設(shè)備之間不再有信息傳遞，接觸網(wǎng)將一直帶電運行，那么由此引發(fā)的次生災害(如牽引變電所失火等)可能也將難以避免。方案二與方案一相比，從試驗結(jié)果上看雖然增加了列車的制動距離與制動時間(仍然滿足技規(guī)中的相關(guān)規(guī)定)，但是它同時觸發(fā)了信號系統(tǒng)和牽引變電系統(tǒng)的接口，去掉了對切電延時的判定，簡化了系統(tǒng)的邏輯判斷和聯(lián)動控制流程，降低了牽引變電所失火等次生災害對鐵路系統(tǒng)的影響，工程可實施性更強。因此，我國高速鐵路地震聯(lián)動控制模式宜采用同時控車與控電的方式。

4結(jié)論

通過對國外高速鐵路的深入分析，并結(jié)合國內(nèi)高速鐵路的情況，提出了單監(jiān)測點預警和報警同多監(jiān)測點預警和報警相結(jié)合的地震報警模式;提出了同時控車與控電的地震聯(lián)動控制模式;并對這些方面進一步優(yōu)化，完善了高速鐵路地震監(jiān)測系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)方案，也為高速鐵路的快速、穩(wěn)定、安全的發(fā)展提供了一定的技術(shù)支撐。