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只为地震来时多几秒处置时间

——地震工作者探索提升高铁地震安全保障能力侧记

中国应急管理报 作者:记者 王晓晔 2019-09-06 10:49:11

高架桥上驶过的高铁列车

陕西西安北站的高铁站台,时速超过250公里的高速列车稳定制动,精准停在预定位置,2分钟内,乘客快速完成上下车,列车短时加速,风驰电掣驶出站台。在这个站场规模达到18台34线、日均客流3万人次,也是我国台线规模最大的高铁站,这样的一幕几分钟就要上演一次。

但很少有人知道,从西安北站出发,沿大西线向北来到山西省忻州市附近,景象却完全不同。这里车很忙,却没有乘客,列车重复地加速、紧急制动、再启动……这是一条完全具备载客能力却不载客的高铁试验段,有关科研人员一遍遍地做着高铁地震预警的各项测试。

高铁地震预警系统紧急处置的控车试验也是在这个试验段上进行的。经过无数地震工作者日复一日的坚守和精益求精的探索,中国高铁地震预警系统从无到有、从老到新,地震工作者与铁路部门一起,用自己的行动擦亮了中国高铁名片,护航中国高铁领跑世界。

初步探索——

坎儿要一个个地过

7月8日,世界银行发布《中国的高速铁路发展》报告,盛赞中国高铁发展经验值得借鉴。中国拥有全球最为庞大和完整的高铁产业供应链,配套产业涵盖设计研发、试验、生产和运营维护各个环节,所生产的高铁动车组和建设的线路基础设施能在沙漠、草地、高原、沼泽、沿海等各种复杂地质环境中、高寒或炎热气候下穿行无阻。

“遇山开路、遇水架桥”的中国高铁,带给中国人民的是便捷的生活,但对于为中国高铁提供地震监测预警服务的地震工作者来讲,不但要在上万公里长的高铁线路周边建设为数众多的地震监测台站,还要让设备经受住严寒、高温的挑战。

地震发生概率较低,但一旦发生,对铁路行车安全的危害极大。地震作用下,轮轨之间相互作用明显异于正常行车状态,且受列车速度影响显著。当列车运行速度超过200公里/每小时以后,即使是中强地震也可能造成列车出轨甚至翻车。1900年到2018年,我国大陆平均每年发生5级以上地震18次,每3年发生2次7级以上地震。而四通八达的高速铁路网络很多时候不得不穿越地震危险区。据2015年数据显示,我国有8700公里规划线路处于地震烈度为7度的高地震危险区。

形势严峻,前车之鉴更触目惊心。2004年10月24日发生的日本新泻6.8级地震中,一列由10节车厢组成的列车有7节车厢脱轨。2010年3月5日发生的中国台湾高雄6.7级地震导致一列高铁1节车厢出轨。

高铁作为“一带一路”倡议中我国走向世界的重要名片和对外合作、共享发展的代名词,高铁地震预警系统的建设更是国家软实力的具体体现。2008年,武汉地震科学仪器研究院院长陈志高领衔的团队突破了我国核电站全部运用法国和美国的地震监测系统的束缚,受到铁路部门的关注。铁路部门与湖北省地震局共同研究,为铁路建设提供地震监测预警服务。

“我们去日本等已经建立了高铁地震预警系统的国家做过很多调研,收集了一手资料。”陈志高介绍,我国高速铁路在建设初期也曾经考虑引进消化其他国家和地区的高铁地震预警系统,但由于我国地震断裂带分布范围大,高铁线路已经成网,高速铁路技术装备与日本、法国等国家的接触网过分相技术、列车运行控制系统、轨道电路制式等存在巨大差异,并不能照搬运用。

研发满足我国高速铁路实际需求的地震预警技术迫在眉睫,可路却要一步步走,坎儿要一个个地过。

铁路沿线的监测台站多为线性布设,相比网状布设台站,预警准确性会降低。陈志高团队经过反复研究、试验,提出利用双台减少冗余的设计方案解决误触发难题,创造性地运用减隔震技术并不断优化算法,使预警准确度大大提高。

准确性问题得到初步解决,样机的研发也亟待技术突破。我国高铁纬度跨度大、海拔高差大,这对样机可靠性提出了更高的要求。“从原理机到样机再到功能机,我们花了1年的时间研发。”陈志高介绍,传统的监测设备是在恒温实验室环境下监测数据的,而用于铁路沿线的设备必须经受零下40摄氏度到60摄氏度的温度考验。

经过3年多的不断试验,2011年,第一代高铁地震监测系统——S波报警系统通过评审,进入实施建设阶段。截至2011年6月,京津城际、京沪、哈大、京石武、津秦、盘营、合蚌等高速铁路都建成了第一代地震监测系统。

深入探索——

为保障生命安全精而又精

“直到今天,世界上拥有高铁的国家屈指可数,在科技竞争中,高铁的每一项性能指标都是关键。”中国地震局工程力学研究所副所长李山有介绍,改革开放至今,我国的高铁地震预警没有被落下,这是值得欣慰的。

2012年底,我国高铁运营里程已达9356公里,居世界第一位。

也就是在同一年,原铁道部与中国地震局签署了《关于共同推进高速铁路地震安全战略合作协议》,希望通过科研攻关,建立具有自主知识产权的高速铁路地震安全技术创新体系,促进防震减灾与经济社会融合发展。

高速铁路地震预警是利用信息传输的电磁波与振动传播的地震波的速度差,地震初期P(纵波)与后继S(横波)的速度差,抢在破坏性地震波到达周边地区高速铁路之前,发布地震警报信息,使运行的高速列车能够尽快采取紧急处置措施,进而达到减轻地震灾害影响的目的。

“第一代的高铁地震监测系统是在S波达到阈值时进行报警,如果我们可以在更早到来的P波来临时就开始预警,那会给紧急处置争取更多的时间。”李山有介绍,战略合作协议签过之后,铁路部门和地震部门成立了技术研发组,充分发挥各自的科技和资源优势,积极开展技术攻关,P波预警技术取得重大进展。

“这份战略合作协议的签署让两部门开始从顶层系统性地规划设计中国高铁地震预警系统。”李山有说,研发组在2012年提出了高速铁路地震监测预警及紧急处置技术方案、制定了高铁地震预警系统技术标准体系等,经过多方不断讨论,确定了三级处置方式。

“当达到三级处置标准的时候,除通过列控系统、车载装置控车外,还会进行接触网断电等处置,这对电力系统是一个考验。铁路、电力和地震部门也是经过多方探讨才决定利用这样的处置方式。”李山有说,各方都有自己的顾虑,但是本着保障人民群众生命财产安全的思想,各方达成了这样的共识。

顶层设计理顺了,具体工作中却不断遇到困难。根据建设用地规定,铁路沿线的地震台站要建在铁路变电所、分区所中。而变电所、分区所的设计施工是有防洪标准的,会使用回填土,使其高于周围环境。这给建设地震监测台站带来了不小的困难。为了避免回填土对地震传感器波形记录的影响,台站观测室要建在原状土上,因此必须在变电所建基坑。

“我们要一直往下挖,直到挖到原状土。”中国地震局工程力学研究所研究员于海英一直在高铁预警项目团队中,经常跑现场,他对高铁预警项目建设过程了如指掌。“南方一些水系发达的地区,台站建设时,最深挖到地下9米才找到原状土。”他解释,也不是挖到原状土就万事大吉了,监测仪器放到基坑底下,由于仪器墩要与地坪有隔离缝隙,机柜等设备必须放在室内且在空调环境下运行,它们之间要用电缆连接,有些基坑无法实现完全密封,“下了雨就容易泡了设备”。2015年8月至9月,大西高铁试验段一直下的大暴雨,让于海英印象深刻。这场雨让阳曲变电所监测仪器淹在了水里,他们不得不赶紧排水,随后便开始探索基坑的防水处理。

“很多变电所离县城很远,首次安装设备时要先用汽车运到老乡家,再人工抬到变电所。测试、安装、调试,我们都要守在变电所里。”于海英说。

“变电所里没有吃饭的地方。为了能尽快完成调试,我在早上吃很多,中午就不吃饭了,这样可以进了变电所中途就不出来了,能节省很多时间,晚上安装调试完了再出去找饭吃。”工力所助理研究员宋晋东说。

这些都还不是最艰难的,最令于海英他们伤脑筋的还是如何提高P波预警的准确度。“P波很弱,监测到一点就要定位地震‘三要素’非常难,就好像盲人摸象。”于海英介绍,铁路部门组织的测试是非常严格的,每一个测试环节(试验、使用、技术)都有单位被淘汰,现在剩下的单位数量已经比最开始的一半还少。

2013年,室内试验通过全国范围内公开征集确定了7家参加单位,试验摸清了国内地震监测预警系统的技术现状,发现并解决了地震监测预警设备抗干扰等方面存在的问题。2013年8月,室内试验结果得到评审,优选出4家单位开展福厦线和成灌线的现场试验。2015年2月,在成灌线4家参试单位中按照综合得分排序,择优选出3家进入大西高铁地震预警系统试验。

“试验非常严格,出现漏报就要出局。”于海英说,压力很大,难点集中在震级的确定上,小震容易报大,大震容易报小。最让他们安心的是铁路部门提出的“允许一定程度的误报,但绝不能漏报”。

“这十几个字像是定心丸,体现的是对人民群众生命安全的高度重视。”于海英说,误报可能造成错误停车,经济上会有损失,但如果漏报就可能因地震造成翻车,人民的生命安全就无法保证了。

“我们对待测试是非常认真的,测试的时候几乎是24小时不睡觉,测试中一般会发出模拟地震信号、天然地震信号100多条,还掺杂着需要剔除的强夯干扰、过车干扰等信号,每条信号1分钟到2分钟,信号之间有间隔,我们就要一直盯着。”

2017年夏,宋晋东接到电话,说是现场运行的设备出现了误报。这意味着可能算法有问题,他和团队赶紧寻找漏洞。通过一个星期的“会诊”,终于找到了问题。“那段时间,每天都要忙到深夜,每天都是头脑风暴。”

功夫不负有心人,2016年4月8日,于海英在高速列车上体验了控车试验,车头部分的地震装置收到地震紧急处置信息后,高速列车按照紧急处置流程,自动完成了减速、停车等一系列动作。“这是让人安心的停车。”于海英说。

2018年8月,3家单位先后拿到了技术评审资质,P波预警系统进一步在中国高铁建设上有序推进。

深化合作——

再多争取几秒处置时间

宋晋东的电脑里有一份他前不久制作的英文版讲稿,介绍的是中国高铁地震预警技术。6月22日, 他们与意大利那不勒斯费德里克二世大学物理系地震实验室进行了学术交流,对方表现出对中国高铁地震预警技术的兴趣。意大利学者并不是唯一对中国高铁地震预警系统感兴趣的。宋晋东说,他们还受邀去美国进行学术交流,也是讲这个内容。

随着“一带一路”倡议的提出,及亚投行的成立,中国高铁也以前所未有的速度和广度出海。2016年被媒体称为“高铁走出去”的元年,中国高铁的版图扩大到了亚、欧、非、美等五大洲10个国家。宋晋东说,对中国高铁地震预警技术感兴趣的国家越来越多。

中国对高铁地震预警技术的探索一刻也没有停止。2018年10月23日,中国地震局与中国铁路总公司签署了《关于共同推进高速铁路地震预警战略合作协议》。双方将推进高铁地震预警系统与中国地震台网信息系统互联互通,进一步深化高铁预警技术的研究和应用,并计划于2021年,为高铁正式提供地震烈度速报与预警信息服务。这将进一步提高我国高铁抵御地震灾害的能力。

“用原来铁路沿线的台站进行预警会有一个问题,如果地震发生地在铁路沿线,预测速度会很快,但如果很远,那就相对慢。我们现在进行的台网中心数据接入高铁地震预警系统,可以进一步提高高铁地震预警能力。”中国地震台网中心副主任刘杰介绍,目前双方已经进行了3个月的信息试传输,进展顺利。“传输数据在技术上没有难点,难点在于标准的制定。就像两个人对话,不能都说方言,要有一个标准,都要说普通话。”刘杰介绍,双方已经理顺了标准,明确了各自的需求后,都进行了数据服务升级。

据中国铁路科学院首席研究员张格明介绍,铁路部门正在建设国家地震台网数据交换平台。该平台的建成,一方面可使高铁地震预警系统快速接收中国地震台网信息系统的数据,缩短预警信息产出时间,增强高铁地震预警的实时性和准确性,提升高铁地震预警系统能力;另一方面,高铁地震预警系统也可通过平台向中国地震台网信息系统传输高铁地震数据,扩充国家台网数据源,提高国家台网服务能力。

“国家地震烈度速报与预警系统将与包括高铁预警系统在内的行业、地方和社会预警系统形成资源融合互补,最大化提升我国地震预警能力。”中国地震局监测预报司预警处处长彭汉书介绍,按照计划,到2020年12月国家地震烈度速报与预警系统将向高铁地震预警系统提供试运行信息。“目前各项工作在持续、有序推进,地震工作者将不忘初心,不断提升服务重大工程建设的地震安全保障能力。”

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