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高速铁路地震预警及快速反应系统研究


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E p  xt o

蕊 

高速铁路地震预警及快速反应系统研究  
◎ 王^  

众所 周知 ,任何 灾害 的发 生都可  能引发重 大事故 .轻者脱轨 、停运 .重  者车毁人 亡 、线 路桥梁遭 到破 坏性毁  损。 高速铁 路发达 的日本 、 法国、 德国 ,   以及依 靠技术 引进 的西班 牙 、韩 国和  我 国台湾 高速铁 路 .均 采 用先进 的灾  害防护技术加强对灾害的有效 防护 。   在 自然灾害中 ,地震的危害最大 .   除了直接 破坏铁 路基础设 施外 .还 会 i   直接导致列车脱轨 倾覆 等灾害 . 为避  免这些灾 害的发 生 ,要尽 可能 使高速  列 车在地 震发生前 或发生 时减低 运行  速 度或停 运。但地 震预报 这个世 界性  的科学难 题在短 期内很难 得到 突破性  的发展  为此许 多国家和 地 区进而投  资发展地 震预警系统。   地震 预警 的基 本思想 是利用 电磁 
波 的传播速度 ( 3 万公里 / ) 约 O 秒 远大 

于地震波速 ( 1 公里 /秒) 地震P   约 0    i
波传播快于地震主运动S 与面波 的特 I 波  

点.在地震波或地震主运动尚未到达 l  
给定点时 . 及时发出警报 ;地震应急控 

制 系统 则是在 监测 到地震信 号后快 速  确定地震三要素和进行灾害快速评估 .   并综 合决策后 启动应 急控 制装置 。例  如墨西哥的墨西哥市、 中国的台北市 、   日本 的新干线 等都相继 建 立了地震 预 

I  
世再轨道 交通 2 0 e 06  

 

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鉴 于 地 震 破 坏 通 常 出 现 在 强 地 震 

以往 的经验设置 防灾系统 .然后通过 

原子节点 (tm) ao 和数据域 (aail) dtf d 组  e

的震中附近地 区 .如 果我 们能快速地 

运营实践再对其进行调整 。  

成 。原 子节点可 对应 的物 理实体 为计  算机、智能设备或其他硬件 。 数据域是 
A D S中信息传播 的空 间 .    从物理概念 

估计地震的震级 、 震中、 深度 . 并利用   地 震参数与地 震灾害 问的统计 关系确 
定出需要预警的空间范 围及预警级别 .  
那么这个 警报 不仅十分必 要而且极具 

地震 预警及 快速 反应 系统  设 计 
地 震报警信息控 制高 速列车减速  的实 时性和实效性要 求相 当高 .对列 
车 减 低 损 失 至 关 重 要 .监 测 信 息 要 直 

上讲  它相 当于 网络或存储器 。实现这 


系统模 型 的关键 概念是数据 域和广 

减灾意义 。 日本铁道技术 研究所研制 
的 紧急 地震检测和预 警系统 u DAS   r E  
( retE r q a e D tci   n   l m Ug n at uk  ee t n a d A a     h o r

播 的通 信方式 。系统 中每 个单元都主  动地向数据广播其 内部处理信息  同时 
根据各 自内置 的内容码表从数 据域 中  
选 取 所 需 的 信息 。  

接控制列 车 .否则就 失去了监测报 警 
的意义 。日本新干线和 法国高速铁路 

S s m) yt e 就是一个利用地震 P 波信息快 

速估计地 震参数 的基础上结合 已有震  害统计结果而有 针对性发布地 震预警 
信号的智能 系统 。考虑到 多台站系统  的 复 杂性 和 网 络 系 统 的脆 弱 性 .  
UE A r S采用单台信号报 警。通过 实时  D 监 测 单 个 观 测 点 处 的 地 面 运 动  UE A 在检测到地震P rD S 波后的3 内估  秒

对地震监测 .当达 到报 警控车条件时 .   立即对列车 限速 , 不需要人 工确认 。 考  虑到地 震监 测的专业属 性 ,铁路需 要 
自 己设 置 地 震 预 警 系 统 ,地 震 预 警 系 

构成 AD 系统 的首要 条件是子系  S

统的存在 性。整个 A S系统是 不能事  D
先 定 义 的 .只 能 笼 统 地 定 义 为 若 干 子 

系统的集成 。A S系统最 关键 的特点  D 就是子 系统 的 自我 控制和 自我协 调的 
能 力 。正 是 子 系 统 的 这 两 个 特 点 .保 

统 应与地 震部 门合建和信 息共享 。地 
震预警 系统 由3 部分组成:拾震及数据 

处理设备 信息通信 接 1及传输:综合  3 调 度 中心 。虽然地震预 警系统 因其专 
业性在铁路 整体 安全监测 系统中相对  独 立 ,但其 灾后的快速反 应仍然需要  其 它相 关安全监 控子系统 的配合  为 

证 了整个 系统 的在 线扩展 、在线维 护 

算出震中方位 、 震级 、 震中距 和震源深  度等并发 出第一次警报 ; 在S波到达后 
再 发 出第 二 次 警 报 。 用 多 台时 . 中 采 由  

和容错 。因此 . 根据 A S 路设计 的 D思  
自动化 系统 体现各 子系统之 间是相互 

平等的 ,不存在依 附关 系 .可 以自主  运作 .各 子系统也 不断 向外 界 以广播 
方式发送信 息 .同时又根据 各 自需 求 

心 台接收各 台发 布的警报进行 综合处  理 在第一台检测到 P 后 2 波 秒钟 内自   动发出警报 。   法 国地 中海 线的防灾安全 监控系  统由许 多独立的系统组成 . 地震检测系  统是其 中的子系统 . 系统之间并没有进  行综合 。处理 方案根据现场 采集的信  息 和规定 的限速 标准进行 比较  限速 

调度 中心组 织救灾 、列 车运行管制及  恢 复运营提供依据 。  
传统 的集中式 的体 系结构已不能  满足系统动 态变化和扩展 的要求 。而 

接收来 自外 界 的信 息 .以便为 自己服 
务。C S 式 中服 务器大量 的负担被  / 模 有限地分散 了.而且加快 了子系统 间 

客户 /服务器结 构又存在着系统 负荷  过 于集 中在服 务器方等 问题。传统通  信模式 ( 轮询型和请求 /应答型 ) 对应  于其传统 的体 系结构 ,同样也有一 些 
技术上 的问题需要解决 。所 以无 法满  足分布式 实时测控系统 的需求 .需要 

信息 的交换 速度 ;其次 .AD S的核心 
协 议 A P 建立在 T P P D 协议  D是 C /I的U P

之 上 的 一个 应 用 层 协 议  只 要 支持  T /1 议 的环境 都可 以支持 AD   CP P协 S
技术 。  

标准的制定综 合考虑运营 商的需要及 
灾害的危害程 度。法 国乃 至欧洲 的安  全监控系统 的设计理念与 日本有很大  的差别 。它首先对每一种 灾害对行车  造 成的危害尽兴 风险评估 ,根据危 害  程度及风险 系数划分为 “ 以接 受“ 可 和  “ 不能 接受“2个层次 。对于 “ 以接  可 受” 的灾害忽略不计;对于 “ 不能接受  的灾害进行 分析 ,考虑 在具体条件 下  如何进行风 险防范 。而 日本则先 根据 

基 于AD 技 术的 网络 测控系统可  S
以采用 对等式 的体 系结构 . 以避 免c   /

有新 的体 系结构和相应 的通信模型 加  以改进。  
自律分布系统 ( u nmos D - A t o u- e   o
c n  l e -S se e t   d y tm r i a z


s模 式 中信息集 中在服 务器 处理 的弊  端 ;其 次 .可 以采用实 时发布 /定购  (u l h sbc ie p bi / u s b )的通信模型 .信  s r 息生产 者即 时发 布信息 ,而不需 要指  出具体 的接 受者 ,有需 要这种信 息的  节点可 以有选择 性地 接受数据 .保证  A S .在降低系  D)

统复杂程 度 、实现 系统的扩展方 面有 


个很 大的进步 。 自律分布 的思 想是 
向生物学习而提 出的  最基本 的A S   D 由

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E  《探 i 研  魏   讨/   / 究 蜜  

了系统 的实 时性 。对于 系统 的组建 ,  

事故 监测 L A I I R不断地从SS F  P I E Y

Resear ch    gh- on Hi speed  

应采用由子系统逐步构成整个系统的 l 中实时获取 列车实际运 行情况  如列   
设计 方法 。  
车的定位 、列车 的到发时刻 及列车 的 

R i a l y E rh u k   a n   wa   a t q a e W r -

I g a d Rap d Re po e n  n   i   s ns  
S se y t ms  
W蕾 口 h   n Ze

行驶速度 等 .时刻监 测着各 辆列车是 

智能速 度控 制的实 时运行 
调 整 
对于 高速铁路而言 . 故障一安全是 
不够的。 障一安全从本质上讲是 一种  故

否按照列 车运行 图行驶。 当模拟器 在 
SS F 中加入一个 随机事故 。 IA I IY E L R监  P

I i  l k o   h t h   c   t s we I n wn t a   e o -     t c r n e o   n   ia t r o l r · u r c   fa y ds s e   ud t g   e c i

测到列车 的实际运 行与运行 计划 间存 
在的 差异 大干某一 阀值时 .会将 有关 

g r   jr c i n。h g t f e  mao  cd t tel h    a a e i o
d r i n , t p i , h  e peg t e al me t so pn t ep o l e - g  

被动的技 术措施。由于外界 因素 如灾  害 、人 身伤亡事故等 的影 响导致服务 
中断是不可避免的 ,但不是 无限期 的。  

事故 的所 有信息 以及 系统 的状态情况  传输给行车调 整部分 。  
行 车调 整 :这一阶段 会对 网络 中 

t g kl d i aca h r g  ie   i   ie  n   rs .bi e I s n l   d n
we e d v s a i g d ma e r   e a t tn   a g .Hi h  g- s e d r i y d v lp d i  a a , p e   l   e eo e   J p n a wa n  

F n e Gema y Sp i n  eyo   a r c , r n , ana dr l n   tc n lg   p r 。 uhK raa d e h oo yl ot So t  oe  n   e r s
Ch n ’ l i n hg - p e  a l y ias awa   i h s e d r i   wa  
wi u e a v n e   c n lg    f l s   d a c d t h oo y t e - I   e o   f c i   ia t r r t c in  e t e d s se   o e t . v p o

非正常情况下的快速恢复是一个关键 。  
为防止 列车故障或事 故时 引发混 
乱. 尽量减小列车延误 . 需要灵活快捷 

部分重要点 ( 包括车站  线路分 叉点 、   转 向点等 ) 出相应 的行车调 整。 做 调整  方 案可以是 :减少列车停 站时 间和次  数 、增加一次停 车或改 变经过线路 重  要点 的时刻等 。并将相 关信息 传输 到 
速度优化 控制部分 。  

的列车群 自动控制系统 。在正 常情况 
下, 列车群 自动控制依赖 于运 行图: 在 

H g -p e   i a  s g s l- i hs e d r l yu i  es  a w n

mi p rmee al  mlgmo e, c a   a t r r wa n   d l e y   we mu tfs  n u erpdIe t -   s  rte s r a i  ni   i d l f
c t n o  f r t n b s d o   es  a i   l o ma l   a e   ns l- o f n o mi s o kt r eee n ns An   te   c h c   e   Ire t. d oh r   h
r lt d s ft   o to  y t m ne   e a e   a e y c n r l s e it - s g a int   e it g ae  o to e - rt   t   e r t dc nr l n  o oh n c

非正 常情 况下, 要实现列 车的协调 , 如  安排列车 的避让 或折返 、避免列 车在  站问停车等 。传统 的列 车群控 制大多  依 赖于调度 员的指挥 ,难于 实现快 速  的事故恢 复。在 2 世纪初期法国铁路  1
部 门提 出了智能速度 控制系统 的理 论  框架 ,并开 始引入该技 术手段来 解决 

速度优化 控制 :速 度优化 控制是  LP R的核心部分。 I I A 它通过各种算法给  列车 找出最优 化的运行速 度 。优化后 
的速度方案 由SS F 执行 。 I E Y   高速铁路 采用地震参数预警模式 ,   必须 首先解决基 于地 震动 信息快速 确 

t     e r pd a s s me to h   erOr h  a i  s e s n   t e f t f
d c in ma igc rf l   k   me - e i o - kn  a ul t e e r s e ya   g n yc n r l a u e . a e   n e c  o t   o me s r s B s d o   t e r a-i   p rt n I o to o  h  e l me o e a l a  n r l f t o c  

ws o  p e d s e t i da: i m se daj t na d u m  me     t
u sr a p it    e a cd n .rf p t m  o ns i t   c ie tt - e nh a 

这些实际 问题 。 目前该 系统还 处于模 
拟仿 真研究阶段 。   智能 速度 控制 系统 的核 心 在于 :   在事故发 生点的上游命 令上游 行驶 列  车减速 .使这些列车 能够全速通过 事 

定地 震三要素 的问题 。与其他相 关安 
全监 控系统集成 有助于综 合调度 中心 

f dut n. o t lri s e d ia jsme tc nr  an p e  c ot  
f rt e a c d n   a s d b  h   l o     c ie t u e   y t e f - h c o  I w- p t  e c  r i d ly , n   o u  o rdu e ta n e a s a d  

进行 震害的快速 评估决策 .慎 重采取  应急 控制措施 。基于 智能速度 控制的  实 时运 行调 整的 目的在于 :在 事故发 
生点 的上游 , 进行行车调 整 控制列车 

t   c i e t   tf l s e d t a f   o a c d n s a   u I p e   r fi   c
t   u h p l t .a o d s o h o g   c n s v i  n wb l r aI   e fc 。 r h   n i   i ewo kt f f t o  ee ter l t r  - e t ra   n a r   f   r t . r nl , s o s e d i e r i Cu r t wi m  p e   c a c e y d

故 点。使事故 发生所 引起 的后续 系列 
车辆 的时间延误得以减少 。   法国 国家铁 路公司开 发 了两个 仿  真软件: 铁路系统模拟软件 (IY E 和  SS F )

速度  使事故发 生所 引起 的后续列 车 
延误得 以减 少  并能够全 速行驶通 过 

c nrl yt msaesi a  e Ii l o t   se   r tl th   t   os l t ni   a

事故 点 .避免造 成雪球效 应或整个 铁 
路 网行车 的无规律 。 当前 智能速 度控  制系统 还处在初级 研究水 平 .如何针 

(I R) SS F L A I L A I I E和 I R软件之 问能  P   Y P
相互传输各 自所需 的信息。SS F 在拟  I E Y 定的列车运行 图基础上对各列车的行驶  仿真 L A I I R包含 3 P 个主要阶段 :事故  监测、行车调整与速度优 化。智能速度  控制系统 的仿真原理 图如图 4所示。  

对 自然灾害特 别是震害所 引起 的列 车 
群体延误 尚需 要作进一步研究 。   ( 作者 :西南交通大学 交通运输 
学院 )  


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