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高速铁路地震监测技术研究与紧急处置系统的构建

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高速铁路 地震 监测 技术研究 紧急 处置 系统 构建
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第 152 期1文章编号 : 1005 2009 ) 11 2009 刘承亮, 助理研究员 ; 史 宏, 副研究员。第 18 卷第 11 算 机 应 用史 宏, 王 彤(中国铁道科学研究院 电子计算技术研究所, 北京 100081 )摘 要 : 主要介绍我国高速铁路沿线地震危害现状, 阐述高速铁路地震监测原理、 监测点设置原则以及地震灾害紧急处置机制。 提出中国高速铁路地震监测与紧急处置系统的构建方案, 并给出分阶段建设的实施建议。关键词 : 高速铁路 ; 地震监测 ; 紧急处置 ; 方案中图分类号 : 献标识码 : on 00081, It of of of of it of 但危害性很严重的自然灾害。 我国位于环太平洋地震带与欧亚地震带的交汇部位, 是地震多发国家, 抗震形式不容乐观。对铁路运输工作而言, 在过去列车低速运行的条件下, 抗震工作主要关注基础设施, 如桥梁、隧道、 路基等的抗震能力。 但当列车运行速度超过200 km/h 以后, 哪怕是较小震级 (里氏 4 级左右)的地震, 即使不会对线路结构造成损害也极有可能会导致列车在高速运行中脱轨, 所造成的危害是灾难性的。 此外, 由于列车开行密度很高 (客运专线铁路设计最小行车间隔 3 , 还极有可能造成后续列车进入事故区段而导致次生灾害的发生。 因此, 开展铁路地震监测及紧急处置系统的研究对提高铁路防灾减灾能力, 保证旅客生命财产安全具有重要的社会和经济意义。1 地震监测技术通常, 监测地震需要借助强震仪等监测设备,对地震动信息进行连续记录和判读, 在真实地震波到来时, 进行震中、 震级、 影响范围等地震要素的计算。 地震波是由震源发出的在地球介质中传播的弹性波, 按传播方式主要分为纵波、 横波和二者叠加而成的面波。 在地震发生后, 最先到达的是纵波, 其次是横波, 故在地震监测领域一般通过纵波和横波进行地震预警。纵波 ( P 波) 为压缩波, 其传播方向与介质振动方向相同, 通常令地面发生上下振动, 破坏性较弱, 在地壳中传播速度约为 7km/s , 由于 P 波最先到达, 且可以反映地震相关,通常可以用来进行预警 ;横波 ( S 波) 为剪切波, 其传播方向与介质振动方向垂直, 通常令地面发生水平振动, 破坏性较强, 在地壳中传播速度约为 4km/s , 由于 S 波到达较晚, 且破坏性较强, 通常用来进行报警。通过地震波进行地震预警或报警需要以下 3个步骤 :( 1 ) P 波和 S 波的识别与应用 ;( 2 ) 根据 P 波或 S 波进行震级推算 ;( 3 ) 根据 P 波或 S 波进行震中距、 第 1 52 期 8 卷第 11 期铁路信息系统 铁 路 计 算 机 应 用响范围推算。震震级的确定地震震级 M 可以根据 P 波的卓越周期 T 进行推算。 以前, 对于 6 级以上的地震考虑到其断层的破裂过程 (断层从破裂点开始至完全裂开所需的时间) 确定其卓越周期需要 3 s ; 现在的技术可以实现在断层完全破裂之前提前稳定地确定卓越周期, 7 级以上的地震 1 s 左右即可计算出来。 计算过程还可以通过不断更新的数据进行结果的校正。源方向的确定工程用地震监测所采用的强震仪核心部件为3 轴力平衡式加速度计 ( , 可以监测 X 、 Y 和 Z 共 3 个方向(通常设置为东西 南北 垂直 Z ) 的地震动加速度分量, 通过对 3 个方向的振动进行矢量和运算, 可以实时确定地震波传来的方向, 并可实时追踪断层的破裂发展状况。 此外, 根据地震波进入地表的入射角也可以统计性地确定震源深度。源距离的确定在推导震级时, 需要根据震中距离 (断层上破裂开始点至监测点) 或者 P 波振幅来确定。 反之,根据震级 M 和 P 波的振幅, 可以推导震源距离, 并参考入射角, 推出震中距离和深度。震影响范围的确定利用 法进行推定地震报警影响范围。 M 收集统计地震被灾地点和震源附近没有发生灾害地点的数据, 标注在( M , Δ) 坐标系上, 发生灾害可能性较大的区域相对于震级 M 的关系。 利用该方法可根据震级的规模 M 判断发生灾害可能性较大的区域范围。2 紧急处置方式高速铁路地震紧急处置是指当监测到地震发生时, 在计算出的震灾影响区段, 通过调度命令限速、 紧急制动等手段降低列车运行速度, 最大限度保障生命财产安全的灾害处理方式。 对于地震灾害, 考虑到其具有较强的破坏性和较大的影响范围, 通常采取紧急制动的方式迫使高速行驶的列车在短时间内减速直至停车。 结合高速铁路发展现状, 可以采取 2 种紧急制动手段 : ( 1 ) 通过牵引供电系统控车 ; ( 2 ) 通过列控系统控车。过牵引供电系统控车牵引供电系统主要由牵引供变电、 接触网、 供电调度和检测等子系统组成, 与牵引供电调度系统 ( 相连接, 接口位于调度所,采用网络直连方式。 当地震监测与紧急处置系统测定地震发生时, 通过数据接口将报警信息传递给供电调度系统, 由供电调度系统指挥相应区间牵引变电所断电, 当车载 测到接触网断电而又无应答器告知分相信息时, 立即发出紧急制动指令, 控制列车停车。过列控系统控车高速铁路信号系统由列车运行自动控制系统、计算机联锁系统、 列控系统和微机监测系统等构成。 目前我国高速铁路广泛使用的为 主要包括轨道电路、 有源 (无源) 应答器、 车站联锁、列控中心和无线闭塞中心等设备。当地震监测与紧急处置系统测定地震发生时,直接将信息传送给管辖所在区段的车站联锁和列控中心。 当列控中心采集到地震灾害信息后, 控制其管辖范围内所有轨道区段和所有区间信号机,采用相应的防护措施。置方式比较通过牵引供电和列控系统 2 种控制方式均可在极短时间实现列车紧急停车, 降低因地震灾害对运行列车的影响。 与列控系统相比, 通过牵引供电系统控车具有以下优点 :( 1 ) 反应更为迅速, 变电所收到地震报警信息后, 直接动作, 停止区间供电 ;( 2 ) 牵引变电所断电后, 可以有效避免接触网因地震而引发的次生灾害。3 震后运营管理规则震后运营管理规则主要考虑通报规则、 相关设备处理、 灾难处理、 现场救援、 现场修复、 现场勘查以及恢复行车 7 类规则。以现场勘查规则为例 : 当现场故障排除或者所有线路设备修缮完毕之后, 有关部门应组织巡视调试, 工务及供电人员添乘巡路。 在现场勘查过程中发现线路设备不符合要求时报告相关工务、电力和通信部门, 相关部门要及时整修。 震后现场勘查流程如图 1 。第 152 期3高速铁路地震监测技术研究与紧急处置系统的构建 铁路信息系统第 18 卷第 11 期图 1 震后现场勘查流程图4 测点设置原则依据 中国地震动参数区划图》 标定、 现场勘测结果和历史地震数据, 在地震动峰值加速度大于该地区设定值的线路区段设置地震监测点。测点密度理论上为了防御直下型地震, 监测点的布点 越密越好。 考虑地震波传播速度 ( P 波约 7 km/s , km/s ) 和限定预警判断时间 ( 2 s ~ 5 s ),以 P 波 3 s ~ 5 s 的传播距离为布点间距比较合理。建议针对不同区域根据地震动加速度分区采用不同的布点间距。 必要时可在线路外围设置外围监测点 ; 在可行的前提下也可考虑利用国家地震台网监测点作为外围监测点。统层次结构地震监测及紧急处置系统由铁道部地震监测管理系统和客运专线地震监测及紧急处置系统 2级系统构成, 并与调度指挥牵引供电、 综合维修、防灾安全监控、 应急救援、 旅客服务和国家强震网监测系统进行信息交换和共享。 系统结构见图 2 。统逻辑结构从逻辑功能上, 地震监测及紧急处置系统分为监测设备层、 传输层、 业务逻辑层和应用层 4 个层次。 其中, 传输层提供系统内部和外部相关接口封闭传输的统一平台 ; 业务逻辑层提供支持上层应用的基本框架、 基础类库、 通用模板等 ; 应用层提供面向不同用户的各类应用功能。 系统逻辑结构如图 3 。图 2 统业务流程地震监测及紧急处置系统对铁路沿线地震活动进行实时连续监测, 当地震发生时, 系统检测到的地震动强度达到地震报警阈值时向运营调度发出警报信号, 并紧急断电强制停车。 同时, 继续监测后续的地震动加速度, 以向运营调度提供停车后恢复运营的列车运行管制依据, 从而减轻因地震引发的灾害损失并防止因地震引发的次生灾害损失。统功能铁道部级 : 铁道部地震监测管理系统提供全路地震监测统一平台, 主要功能包 括 : 全路地震监测网布局、 监测设备、 运用情况和应急预案管理等, 并提供相关基础数据和监测数据等共享信息,实施对客运专线地震监测及紧急处置系统管理,掌握地震监测和设备应用状况, 通过对全路地震监测数据分析, 为铁路地震监测系统建设提供决策支持服务。线路级 : 客运专线地震监测及紧急处置系统提供沿线地震监测、 报警和预警功能, 包括 : 实时监控报警、 综合查询、 统计分析、 设备管理、 紧急处置和系统管理与维护等 6 个子系统。图 3 第 1 52 期 1005 2009 ) 11 2009 贾国伟, 在读硕士研究生 ; 邓隆炳, 在读硕士研究生。第 18 卷第 11 算 机 应 用术的车站危险品货物管理信息系统的设计贾国伟, 邓隆炳(西南交通大学 交通运输学院, 成都 610031 )摘 要 : 利用 术设计车站危险品货物管理信息系统, 该系统能提高危险品管理的安全性和作业人员的工作效率。关键词 : 危险品货物 ; 管理信息系统 ; 设计中图分类号 : 献标识码 : 10031, It to of 危险化学品的新品种和数量日益增多。 因此, 加强危险品货物运输组织, 确保货物运输安全就成为铁路运输的一项重要任务。 近年来, 铁路运输危险品货物导致的事故时有发生。 本文针对以上问题提出基于 术的车站危险品货物管理信息系统。1 系统构成车站的管理信息系统利用 术, 即无线射频标识技术, 主要包含 读器和 子标签, 利用电子标签安装到危险品货物外包装上, 利用 读器通过无线与电子标签进行无线通讯, 实现标签识别码和内存数据的读出或写入操作, 实现对货物信息的管理。 数据进入服务器进行数据处理, 车站工作人员可以对货物的数据5 结束语考虑到我国客运专线建设速度快、 范围广, 在短时间内完成 P 波预警监测点的建设, 需要完成沿线地质条件测定、 地震动参数确定等大量前期工作, 存在着实际困难, 不利于后期工作的开展。基于上述分析, 建议采取分 3 步实施的策略 :( 1 ) 建立起客运专线沿线 S 波监测体系, 由单台强震仪根据 S 波进行地震要素计算, 可根据计算结果对所在牵引供电区间做出列车控制动作 ; 还可将地震影响范围等结果反馈监控中心, 为相邻区间提供预警时间 ;( 2 ) 在一期网络和设备的基础上, 在完成一定历史数据积累的条件下, 进行系统升级, 实现 P 波预警 +S 波报警的监测体系, 采用多点联控预警 ;( 3 ) 在前两期地震监测及紧急处置系统建设的基础上, 进一步加密设置监测点, 完善和优化铁路地震监测网布局, 通过多个监测点间监测数据交互, 经多次计算完成地震报警和预警, 提高报警的准确性。参考文献 :[1] 国家地震局 . 中国地震动参数区划图 (M] 中国标准出版社, 2001.[2 ] 京沪高速铁路安全监控系统总体方案研究课题组 . 京沪高速铁路安全监控系统总体方案研究报告 [R]. 1998.
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