高速铁路地震预警方法、地震监测台站及铁路局中心系统

摘要

本发明实施例公开了一种高速铁路地震预警方法、地震监测台站及铁路局中心系统，所述方法通过各地震监测台站采集多个测震分向的地震波形信息，对地震波形信息进行相似性校核，若校核结果大于误报阈值，则绘制地震波形信息的相关性变化曲线，并根据相关性变化曲线确定地震P波初至时刻；以及各地震监测台站根据多个测震分向的地震波形信息生成P波预警信息，并将P波预警信息发送至铁路局中心系统，使得铁路局中心系统根据P波预警信息判断是否发出报警及处置信息。本发明将铁路沿线的地震监测台站和地方台站的预警信息充分融合，有效提高高速铁路沿线台站P波预警的准确性和时效性，减轻地震灾害对高速铁路的不利影响，进而保证了列车运行的安全。

说明书

技术领域

本发明涉及高速铁路防灾技术领域，具体涉及一种高速铁路地震预警方法、地震监测台站及铁路局中心系统。

背景技术

我国幅员辽阔、分布多条地震断裂带是世界上地震灾情最严重的国家之一。目前高速铁路遍布全国各省会直辖市，在地震发生时，破坏性地震波来临前十几秒甚至几秒发出地震警报信息并成功将高速列车限速或停车，对防止或减轻地震灾害、保障铁路运输安全具有重大的经济意义和社会意义。而地震预警技术本身作为一个世界难题，与高铁技术相融合，对地震报警的准确性和时效性提出了更高的要求。

地震报警主要通过监测S波，当地震动参数达到一定阈值后随即发出警报；而地震预警则是利用P波和S波的速度差，在地震发生后且破坏性地震波尚未来袭的数秒至数十秒之前发出预警。我国高速铁路的地震预警系统通常布设于铁路沿线的牵引变电所、分区所、AT所内，台站间距约25km。由于高速铁路自身的地震监测台站基本呈现线性分布、台站数量相对较少，在震中定位理论上就存在偏差，考虑到高速铁路地震预警的目的在于地震发生时成功的使列车停车，必然有地震预警时效性的严格要求，而P波预警准确性和时效性两者之间本身就存在着矛盾。

因此如何同时保证高速铁路地震预警的准确性和时效性就成为亟待解决的技术难题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种高速铁路地震预警方法、地震监测台站及铁路局中心系统，将铁路沿线的地震监测台站和地方台站的预警信息充分融合，有效提高高速铁路沿线台站P波预警的准确性和时效性，减轻地震灾害对高速铁路的不利影响，进而保证了列车运行的安全。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

一方面，本发明提供了一种高速铁路地震预警方法，所述方法包括：

各地震监测台站采集多个测震分向的地震波形信息；其中，各所述地震监测台站预设在高速铁路沿线上；

对采集到的多个测震分向的地震波形信息进行相似性校核；

若所述相似性校核的结果大于误报阈值，则绘制多个测震分向的地震波形信息的相关性变化曲线，并根据所述相关性变化曲线确定地震P波初至时刻；

以及，各地震监测台根据多个测震分向的地震波形信息生成现地P波预警信息，并将所述现地P波预警信息发送至铁路局中心系统，使得所述铁路局中心系统根据所述现地P波预警信息判断是否发出报警及处置信息。

进一步的，所述各地震监测台站采集多个测震分向的地震波形信息，包括：

预设在所述地震监测台站中的不同位置的两个地震计分别在接收到地震信号时采集其对应测震分向的地震波形信息。

进一步的，所述方法还包括：

若在接收到地震信号前检测到地震监测台站中的某一地震计发生故障，则未发生故障的另一地震计在接收到地震信号时采集地震波形信息，并根据该地震波形信息生成现地P波预警信息，以及将所述现地P波预警信息发送至铁路局中心系统。

进一步的，所述根据所述相关性变化曲线确定地震P波初至时刻，包括：

在所述相关性变化曲线上查找是否有向上阶跃的突变点；

若有，则该突变点所对应的时间点即为地震P波初至时刻；

否则，所述地震监测台站判定无地震事件发生。

一方面，本发明还提供了一种高速铁路地震预警方法，所述方法包括：

接收预设在高速铁路沿线的各地震监测台站发送的现地P波预警信息及地方台网发送的标准P波预警信息；

根据所述现地P波预警信息及标准P波预警信息，确定所述高速铁路沿线的地震参数；

根据所述地震参数判断是否发出报警及处置信息。

进一步的，所述接收预设在高速铁路沿线的地震监测台站发送的现地P波预警信息及地方台网发送的标准P波预警信息，包括：

接收预设在高速铁路沿线的地震监测台站发送的现地P波预警信息；

根据所述现地P波预警信息向地方台站发送标准P波预警信息请求；

以及，接收地方台网根据所述标准P波预警信息请求发送的标准P波预警信息。

进一步的，所述根据所述现地P波预警信息及标准P波预警信息，确定所述高速铁路沿线的地震参数，包括：

对所述现地P波预警信息及标准P波预警信息进行数据交叉处理，得到校验后的震中位置信息、预计发震时刻及震级范围；

其中，经数据交叉处理得到校验后的震中位置信息包括：以根据标准P波预警信息得到的标准震中点为圆心，锁定定位范围；将所述定位范围划分为等间距的网格点；根据搜索算法在所述网格点中确定校验后的震中点，且所述震中点产生的P波到达时间与P波到达时间之间的差值最小。

进一步的，所述根据所述地震参数判断是否发出报警信息，包括：

根据所述地震参数确定预计发生地震的震级、震中经纬度、地震峰值加速度；

判断当前的所述地震的峰值加速度是否超过报警阈值；

若所述地震的峰值加速度超过报警阈值，则向控制台发送对应的报警信息；

否则，则存储当前的地震震级、震中经纬度、峰值加速度及时间信息。

一方面，本发明还提供了一种地震监测台站，包括：

地震波形信息采集单元，用于采集多个测震分向的地震波形信息；其中，各所述地震监测台站预设在高速铁路沿线上；

相似性校核单元，用于对采集到的多个测震分向的地震波形信息进行相似性校核；

地震P波初至时刻确定单元，用于在所述相似性校核的结果大于误报阈值时，绘制多个测震分向的地震波形信息的相关性变化曲线，并根据所述相关性变化曲线确定地震P波初至时刻；

现地P波预警信息生成及发送单元，用于根据多个测震分向的地震波形信息生成现地P波预警信息，并将所述现地P波预警信息发送至铁路局中心系统。

另一方面，本发明还提供了一种铁路局中心系统，包括：

P波预警信息接收单元，用于接收预设在高速铁路沿线的各地震监测台站发送的现地P波预警信息及地方台网发送的标准P波预警信息；

地震参数确定单元，用于根据所述现地P波预警信息及标准P波预警信息，确定所述高速铁路沿线的地震参数；

地震参数判断单元，用于根据所述地震参数判断是否发出报警及处置信息。

由上述技术方案可知，本发明所述的一种高速铁路地震预警方法、地震监测台站及铁路局中心系统，通过各地震监测台站采集多个测震分向的地震波形信息，对采集到的多个测震分向的地震波形信息进行相似性校核，若相似性校核的结果大于误报阈值，则绘制多个测震分向的地震波形信息的相关性变化曲线，并根据相关性变化曲线确定地震P波初至时刻；以及各地震监测台根据多个测震分向的地震波形信息生成现地P波预警信息，并将现地P波预警信息发送至铁路局中心系统，使得铁路局中心系统根据现地P波预警信息判断是否发出报警及处置信息。本发明将铁路沿线的地震监测台站和地方台站的预警信息充分融合，有效提高高速铁路沿线台站P波预警的准确性和时效性，减轻地震灾害对高速铁路的不利影响，进而保证了列车运行的安全。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一中的一种高速铁路地震预警方法的一种具体实施例的流程示意图；

图2是本发明实施例一中步骤300的一种具体实施例的流程示意图；

图3是本发明实施例二中的一种高速铁路地震预警方法的另一种具体实施例的流程示意图；

图4是本发明实施例二中步骤600的一种具体实施例的流程示意图；

图5是本发明实施例二中步骤700的传感器记录到的震动波形示意图；

图6是本发明实施例二中步骤800的一种具体实施例的流程示意图；

图7是本发明的一种高速铁路地震预警方法的具体应用例中的地震监测台站、铁路局中心系统及地方台站的连接关系示意图；

图8是本发明实施例三中的一种地震监测台站的一种具体实施例的结构示意图；

图9是本发明实施例四中的一种铁路局中心系统的一种具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例一提供了一种高速铁路地震预警方法的一种具体实施方式。参见图1，该地震预警方法具体包括如下步骤：

步骤100：各地震监测台站采集多个测震分向的地震波形信息。

在本步骤中，各所述地震监测台站预设在高速铁路沿线上，且通常布设在牵引变电所、分区所及AT所内，用于监测地震动并进行地震单台报警及处置。

步骤200：对采集到的多个测震分向的地震波形信息进行相似性校核，若所述相似性校核的结果大于误报阈值，则进入步骤300；否则，进入步骤500。

在本步骤中，地震监测台站对采集到的多个测震分向的地震波形信息进行相似性校核，基于地震P波到达各地震监测台站之间存在时间差的原理，利用高速铁路沿线三个及以上地震监测台站发出的单台P波预警信息(包含本台站的P波达到时刻)生成多台P波预警信息。

步骤300：绘制多个测震分向的地震波形信息的相关性变化曲线，并根据所述相关性变化曲线确定地震P波初至时刻。

在本步骤中，每个地震监测台站通过双地震计采集的地震波形数据并建立两组波形数据之间的相关性变化曲线，利用相关性变化曲线中出现的突变点，确定地震P波初至时刻。

步骤400：各地震监测台根据多个测震分向的地震波形信息生成现地P波预警信息，并将所述现地P波预警信息发送至铁路局中心系统。

在本步骤中，各地震监测台根据多个测震分向的地震波形信息生成现地P波预警信息，并将所述现地P波预警信息发送至铁路局中心系统；铁路局中心系统接收多个现地P波预警信息，使得所述铁路局中心系统根据所述现地P波预警信息判断是否发出报警及处置信息。

步骤500：地震监测台站判定无地震事件发生。

从上述描述可知，本发明的实施例通过地震监测台站及对多个测震分向的地震波形信息的设置，实现了对高速铁路沿线的地震信号的及时获取，以及通过个测震分向的地震波形信息的获取保证了地震信号的准确性，避免了地震事件的误报，并保证了列车及人员的及时撤离。

在一种具体实施方式中，本发明提供了上述地震预警方法中的步骤100的一种具体实施方式，该步骤100具体包括如下内容：

预设在所述地震监测台站中的不同位置的两个地震计分别在接收到地震信号时采集其对应测震分向的地震波形信息。

在上述内容中，以震监测台站中设有两个地震计为举例，但在实际应用中的具体需求，地震计根据实际情况也可以设置为三个及以上。

在一种具体实施方式中，本发明提供了上述地震预警方法中的地震计发生故障时的一种具体实施方式，具体包括如下内容：

若在接收到地震信号前检测到地震监测台站中的某一地震计发生故障，则未发生故障的另一地震计在接受到地震信号时采集地震波形信息，并根据该地震波形信息生成现地P波预警信息，以及将所述现地P波预警信息发送至铁路局中心系统。其中的未发生故障的另一地震计在接受到地震信号时采集地震波形信息后，也可以根据长短时平均比方法来确定当前的地震事件是否为误报时间。

从上述描述可知，本发明的实施例给出了地震计发生故障时的一种处理方式，保证了即使地震计中的一个发生故障，地震监测台站仍能够正常工作，保证了整个地震预警方法的可靠性。

在一种具体实施方式中，本发明提供了上述地震预警方法中的步骤300的一种具体实施方式。参见图2，该步骤300具体包括如下内容：

步骤301：绘制多个测震分向的地震波形信息的相关性变化曲线。

步骤302：在所述相关性变化曲线上查找是否有向上阶跃的突变点；若有，则进入步骤303；否则进入步骤304。

步骤303：确定该突变点所对应的时间点即为地震P波初至时刻。

步骤304：所述震监测台站判定无地震事件发生。

从上述描述可知，本发明的实施例给出了根据所述相关性变化曲线确定地震P波初至时刻的一种快速且准确的具体实现方法，提高了对地震事件的判断效率。

本发明实施例二提供了一种高速铁路地震预警方法的另一种具体实施方式。参见图3，该地震预警方法具体包括如下步骤：

步骤600：接收预设在高速铁路沿线的各地震监测台站发送的现地P波预警信息及地方台网发送的标准P波预警信息。

在本步骤中，铁路局中心系统接收各地震监测台站发送的现地P波预警信息，并在接收到现地P波预警信息后向地方台网身前标准P波预警信息，并在地方台网发回标准P波预警信息后读取该标准P波预警信息。

步骤700：根据所述现地P波预警信息及标准P波预警信息，确定所述高速铁路沿线的地震参数。

在本步骤中，铁路局中心系统将高速铁路沿线台站生成的多台P波预警信息与地方台网的地震P波预警信息进行综合处理，重新计算得出地震的发震时刻、震级、震中等三要素。

步骤800：根据所述地震参数判断是否发出报警信息。

在本步骤中，铁路局中心系统根据计算得出的地震三要素判断是否发出报警信息，并在判定需要进行报警后将地震事件告知铁路局中心系统，使得铁路局中心系统依据地震波衰减关系通知高速铁路各处进行相应铁路线路的紧急处置。

从上述描述可知，本发明的实施例中的铁路局中心系统基于地震P波到达高速铁路地震监测系统中的各个台站存在时间差的原理，利用高速铁路沿线三个及以上地震监测台站发出的单台P波预警信息生成的多台现地P波预警信息及地方台站的标准P波预警信息，对地震级别进行判断，以避免因不会引起明显反应的轻级地震而造成的列车停运或人员撤离所带来的非必要的经济损失。

在一种具体实施方式中，本发明提供了上述地震预警方法中的步骤600的一种具体实施方式。参见图4，该步骤600具体包括如下内容：

步骤601：接收预设在高速铁路沿线的地震监测台站发送的现地P波预警信息。

步骤602：根据所述现地P波预警信息向地方台站发送标准P波预警信息请求。

步骤603：接收地方台网根据所述标准P波预警信息请求发送的标准P波预警信息。

从上述描述可知，本发明的实施例中的地方台网包括且不限于国家、省级台网中心，且地方台网的地震信息内容包含且不限于地震预警信息、地震速报信息和烈度速报信息；同时分析地震监测台站及地方台网组合成的网状分布，保证了分析数据的准确性，进而保证了地震预测的准确性。

在一种具体实施方式中，本发明提供了上述地震预警方法中的步骤700的一种具体实施方式，该步骤700具体包括如下内容：

步骤700：对所述现地P波预警信息及标准P波预警信息进行数据交叉处理，得到校验后的震中位置信息、预计发生地震的时间范围及震级范围。

在步骤700中，经数据交叉处理得到校验后的震中位置信息包括：以根据标准P波预警信息得到的标准震中点为圆心，锁定定位范围；将所述定位范围划分为等间距的网格点；根据搜索算法在所述网格点中确定校验后的震中点，且所述震中点产生的P波达到的时间与现地P波达到的时间之间的差值最小；即举例为：当同时获得地震台网和铁路沿线的地震信息后，需要综合2部分的信息，得出更准确的信息。假设地震台网有n个台站的P波达到时刻(分别为A1、A2…An)，得到的定位为Ln，铁路沿线有m个台站的P波达到时刻(分别为B1、B2…Bm)。具体过程如下：

1.以Ln为圆心，周围外扩一定范围，优选为100km。

2.使用较小间隔，优选为1km，对以上范围划分多个网格点。

3.使用搜索算法在以上的网格点中搜索震中位置，使以此位置产生的m+n个P波达到时刻和实测的m+n个P波达到时刻的差最小。此时搜索的震中位置为最新的定位结果。

参见图5，地震P波在约25秒左右达到。绿色曲线为2个传感器的相关性曲线，计算公式如下式：

其中，x1、x2分别为传感器1、2的数据序列，x1、x2分别为x1、x2的均值。

预先设定一个阈值，优选0.6，以相关系数曲线首次超过阈值的时刻作为P波达到时刻。

从上述描述可知，本发明的实施例将高速铁路沿线台站生成的多台P波预警信息与地方台网的地震P波预警信息进行综合处理，重新计算得出地震的发震时刻、震级、震中等三要素；计算得出的地震三要素依据地震波衰减关系进行相应铁路线路的紧急处置，保证了地震预测的准确性。

在一种具体实施方式中，本发明提供了上述地震预警方法中的步骤800的一种具体实施方式。参见图6，该步骤800具体包括如下内容：

步骤801：根据所述地震参数确定预计发生地震的震级、震中经纬度、峰值加速度；

步骤802：判断当前的所述地震的峰值加速度是否超过报警阈值；若所述地震的峰值加速度超过报警阈值，则进入步骤803；否则进入步骤804。

步骤803：向控制台发送对应的报警及处置信息；其中，所述控制台可以为单独设立的控制机构，也可以为设置在铁路局中心系统内部的控制单元。

步骤804：存储当前的地震震级、震中经纬度、峰值加速度及时间信息。

上述描述可知，本发明的实施例避免了因不会引起明显反应的轻级地震而造成的列车停运或人员撤离所带来的非必要的经济损失。

为进一步的说明本方案，本发明提供了一种高速铁路地震预警方法的一种具体应用例。其中的地震监测台站、铁路局中心系统及地方台站的连接关系参见图7，该地震预警方法具体包括如下步骤：

基于地震P波、S波速度不同，地震P波速度约为7～8km/s、S波速度约为4～5km/s，两者的速度差导致地震P波、S波到达地震监测台站存在时间差，利用此时间差实现高速铁路沿线台站的单台P波预警。

每个地震监测台站发出单台P波预警信息前，通过对双地震计采集的地震波形数据进行相似性校核，降低系统误报率，具体包括：单个地震监测台站中的双地震计同时监测到地震波形数据，通过相似性分析认为两个地震计的波形数据相似性较高，此台站则发出单台P波预警信息；单个地震监测台站中的双地震计同时监测到波形数据，通过相似性分析认为两个地震计的波形数据相似性较低，此台站则不发出单台P波预警信息；单个地震监测台站中的某一地震计出现故障，此台站不发出单台P波预警信息。每个地震监测台站通过相关性变化曲线确定地震P波初至时刻，具体包括：每个地震监测台站通过双地震计采集的地震波形数据建立两组波形数据之间的相关性变化曲线；利用上述相关性变化曲线中出现的突变点，确定地震P波初至时刻。

三个及以上地震监测台站的单台P波预警信息通过网络传输至铁路局中心系统的紧急处置服务器，生成多台P波预警信息。

铁路局中心系统在接受沿线地震监测台站地震信息时，同步接收来自地方台网的地震信息。其中地方台网包括且不限于国家、省级台网中心，地方台网的地震信息内容包含且不限于地震预警信息、地震速报信息和烈度速报信息。地方台网提供的台站与铁路沿线台站组合为网状分布，可有效避免由于高速铁路沿线地震监测台站呈线性分布、台站数量相对较少出现的某些地震震中定位偏差过大的实际困难。

铁路局中心系统在综合处理分析高铁沿线地震监测台站和地方台网的地震信息后，计算得出的地震三要素，后续依据地震波衰减关系进行相应铁路线路的紧急处置。

从上述描述可知，本发明的具体应用例充分将地震预警的基础理论研究与高速铁路灾害预警技术融合，基于高速铁路沿线地震监测台站呈线性分布、台站数量相对较少以及P波预警在震中定位理论上就存在偏差的特点，在提高高铁沿线地震监测台站自身快速准确预警的同时，将地方台网的地震信息引入高速铁路地震多台预警的计算分析中，突破了以往P波预警准确性和时效性存在矛盾的技术瓶颈，为高速铁路的地震灾害提前预警提供了一种有效、快捷、准确的方法和手段。

本发明实施例三提供了一种地震监测台站的一种具体实施方式。参见图8，该地震监测台站具体包括如下内容：

地震波形信息采集单元10，用于采集多个测震分向的地震波形信息；其中，各所述地震监测台站预设在高速铁路沿线上。

相似性校核单元20，用于对采集到的多个测震分向的地震波形信息进行相似性校核。

地震P波初至时刻确定单元30，用于在所述相似性校核的结果大于误报阈值时，绘制多个测震分向的地震波形信息的相关性变化曲线，并根据所述相关性变化曲线确定地震P波初至时刻。

现地P波预警信息生成及发送单元40，用于根据多个测震分向的地震波形信息生成现地P波预警信息，并将所述现地P波预警信息发送至铁路局中心系统。

从上述描述可知，本发明的实施例提供了一种能够采集多个测震分向的地震波形信息的地震监测台站，实现了对高速铁路沿线的地震信号的及时获取，以及通过多个测震分向的地震波形信息的获取保证了地震信号的准确性，避免了地震事件的误报，并保证了列车及人员的及时撤离。

本发明实施例四提供了一种铁路局中心系统的一种具体实施方式。参见图9，该铁路局中心系统具体包括如下内容：

P波预警信息接收单元60，用于接收预设在高速铁路沿线的各地震监测台站发送的现地P波预警信息及地方台网发送的标准P波预警信息。

地震参数确定单元70，用于根据所述现地P波预警信息及标准P波预警信息，确定所述高速铁路沿线的地震参数。

地震参数判断单元80，用于根据所述地震参数判断是否发出报警及处置信息。

从上述描述可知，本发明的实施例提供了一种能够根据多个现地P波预警信息判断是否发出报警信息的铁路局中心系统，对地震震级、影响范围进行快速判断，以避免因不会引起明显反应的轻级地震而造成的列车停运或人员撤离所带来的非必要的经济损失。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。