高速铁路地震监测预警信号接口单元的研发

郭奇园

(中国铁道科学研究院 通信信号研究所，北京　100081)

在高速铁路较为发达的日本、法国以及中国的台湾省，均建立了相应的高速铁路地震监测系统。当地震发生时，地震监测系统利用破坏性地震波来袭前的数秒至数十秒时间发出报警信号，触发高速铁路的信号系统或牵引变电系统动作，使高速列车尽快减速或停车，以防止或减轻地震灾害对高速铁路运输安全带来的危害，避免重大的人员伤亡和经济损失[1]。目前，国外高速铁路地震紧急处置的模式主要有 2种：一种是以法国地中海线为代表的列控系统控制模式，即接到报警时，由列控系统发出控制列车运行的信号，自动控制列车停止运行；另一种是以日本新干线为代表的牵引变电系统控制模式，即接到报警时，牵引变电所停止向列车供电，列车因失去动力而自动减速直至停止运行[2-3]。借鉴国外的高速铁路地震紧急处置技术，结合我国高速铁路的技术特点和实际需求，目前我国高速铁路地震监测系统采用的紧急处置方式是信号系统控制列车实施紧急制动和牵引供电系统停止向接触网供电这2种控车方式并举的模式[3-6]。为了实现在地震发生时正确、及时地向地震影响区域的高速铁路信号系统输出地震紧急处置信号，实现信号系统对地震紧急处置信息的快速响应，确保高速列车的行车安全和避免或减轻地震次生灾害，针对我国高速铁路地震监测系统的地震监测预警信号接口单元开展了研究。

1　构成及主要功能

1.1　构成

高速铁路地震监测预警信号接口单元由工控机、网络通信设备、接口驱动单元、电源和防雷设备等组成，并且在高速铁路地震监测预警信号接口单元中设置2个继电器(简称接口单元侧地震报警继电器)，在信号系统中也对应设置2个继电器(简称信号系统侧地震报警接口继电器)，通过控制接口单元侧地震报警继电器的状态，实现向列控系统传送地震报警信息，从而触发信号系统侧地震报警接口继电器动作。接口单元侧地震报警继电器和信号系统侧地震报警接口继电器均采用独立电源、双断驱动的AX安全型继电器。高速铁路地震监测预警信号接口单元与铁路局中心系统、地震监测台站间采用铁路专用通信网络连接，并且为双网冗余设计，如图1所示。

1.2　主要功能

高速铁路地震监测预警信号接口单元的主要功能包括接收来自于高速铁路沿线相邻地震监测台站的地震P波预警信息、地震阈值报警信息和铁路局中心系统发布的紧急处置指令，以及进行设备状态自检和故障隔离等，功能具体如下。

图1　地震监测预警信号接口单元联网示意图

(1)接收相邻地震监测台站发送的地震P波预警信息和地震阈值报警信息，并判断警报级别，当警报级别为2级或3级时，触发信号系统侧地震报警接口继电器动作。

(2)接收铁路局中心系统发送的紧急处置指令，并判断处置级别，当处置级别为2级或3级时，触发信号系统侧地震报警接口继电器动作。

(3)接收铁路局中心系统发送的地震误报解除和恢复行车指令，并向信号系统侧地震报警接口继电器输出恢复正常行车状态的信号。

(4)系统具备自检功能，实时监测系统运行状态，发现工作异常时立即向铁路局中心系统报告。

(5)当高速铁路地震监测预警信号接口单元自检出故障或需要维护时，可通过人工隔离开关实现故障隔离，并及时向铁路局中心系统传输隔离状态的信息。

2　设　计

2.1　模块设计

在设计高速铁路地震监测预警信号接口单元时除了考虑需要实现的功能外，还要考虑可靠性和安全性[6]。可靠性是指设备在规定的条件下和时间内完成规定功能的能力，可靠性越高，设备的无故障运行时间就越长。安全性是指在设备发生故障或判断信息异常时能够保障人员和设备的安全。综合安全性和可靠性的要求，高速铁路地震监测预警信号接口单元的模块设计采用了双路并行加冗余的结构，其主要模块包括冗余网络接口模块、处理模块、输入输出接口模块、控制模块、电源模块以及继电器和防雷单元。高速铁路地震监测预警信号接口单元的内部结构如图2所示。

图2　高速铁路地震监测预警信号接口单元内部结构

图2中所有对称的模块设计均完全相同。2个网络接口模块分别接入铁路传输网之地震系统专网1(LAN1)和专网2(LAN2)，由于凡是连接到LAN1或者LAN2后端的设备均可以接收到数据，因此处理模块C和D可分别通过LAN1和LAN2与铁路局中心系统或相邻地震监测台站进行通讯，从而实现网络的冗余功能。2个处理模块对分别接收到的数据进行解析后生成控制信号，然后2路控制信号经对应的输入输出接口模块至控制模块进行逻辑处理，即2路控制信号只要其中1路输出有效，输出的控制信号就有效。

1)处理模块

处理模块为双机同时运行，并通过以太网互相检测对端机的工作状态是否运行正常。处理模块接收到相邻地震监测台站发送的警报信息和铁路局中心系统发布的紧急处置指令后，对其进行解析，然后回复相应的回执信息和设备状态信息，并显示主机的电源状态、网络状态、地震报警状态以及是否处于隔离状态等；处理模块的功能框图如图3所示。

图3　处理模块的功能框图

2) 控制模块

控制模块由电源电路、接口电路、控制电路、接口单元侧地震报警继电器控制的信号输出电路、继电器信号回采电路以及接口电路指示灯和隔离开关等组成；其功能如图4所示。其中，控制电路仲裁2个处理模块的输出信号，并结合隔离开关信号，将有效数据传给接口单元侧地震报警继电器控制的信号输出电路；报警输出需要仲裁的逻辑输入信息有：处理模块A输出的控制信号、处理模块B输出的控制信号和隔离开关的状态。由于设定了隔离开关的信号优先级为最高，因此当隔离开关打开时，即使处理模块发出了地震报警信号，也不会向接口单元侧地震报警继电器输出报警控制信号。在隔离开关闭合时，处理模块A和B同时工作，当这2个处理模块的任意一个给出有效的地震报警信号后，则立即向接口单元侧地震报警继电器发出报警控制命令，当2个处理模块均给出无效信号时，则向铁路局中心系统发出系统故障报警信息，且使接口单元侧地震报警继电器处于安全状态。

图4　控制模块的功能框图

高速铁路地震监测预警信号接口单元通过继电器回采电路采集接口单元侧地震报警继电器前接点和后接点的工作状态，并将其发送给处理模块以判断接口单元侧地震报警继电器是否按要求工作。

3)电源模块

采用24 V电源模块给设置在每个车站信号机械室内的2个信号系统侧地震报警接口继电器供电。因为地震监测预警信号接口单元所在机房与信号系统侧地震报警接口继电器所在的车站信号机械室之间的距离不固定，所以线路的电阻也不固定。为了保证信号系统侧地震报警接口继电器的电压为24 V，电源模块具有动态调整电压的功能。电源模块采用双电源冗余设计，即由电源模块A、电源模块B和冗余电源模块C三部分组成，其功能如图5所示。电源模块A和B为直流不间断电源(UPS)，可在电源出现故障的情况下继续为负载供电，且供电时间不少于7×24 h。冗余电源模块由2个电源并联而成，采用ACB(自动电流平衡)技术以确保均衡供电，并且当一路失电时不会导致系统断电，从而提高系统的可靠性。另外，冗余电源模块还可以监测电源的冗余状态、输出电压，以及电源输出接线、解耦合输出的负载电流。

图5　电源模块的功能框图

2.2　软件设计

高速铁路地震监测预警信号接口单元的工作软件采用分层方式设计，如图6所示，可分为系统软件层、系统通信层、接口层、数据层、逻辑处理层和展现层。

(1) 系统软件层主要包括操作系统、时钟同步软件和通信中间件。操作系统集成了设备驱动程序和中断处理软件等，负责控制和管理全机的资源，包括CPU、内存、中断源、接口和任务管理等，并提供软件开发及系统维护的平台。时钟同步软件采用NTP (网络时间协议)，从而实现了高速铁路地震监测预警信号接口单元与路局中心系统的时钟同步。

(2) 在系统通信层，信号接口单元采用双机同工的方式，每台主机均拥有双网卡，将其中一块网卡设置成外部的IP地址，通过该地址实现2台主机与铁路局中心系统和地震监测台站间的通信；将另外一块网卡设置成内部的IP地址，通过该地址实现2台主机间的数据通讯，以提高系统的可靠性。

(3) 接口层包括相邻地震监测台站接口、信号系统接口以及铁路局中心系统接口等。

(4) 数据层包括铁路局中心系统发布的地震紧急处置指令数据、地震警报数据、设备状态数据、系统运行基础数据和系统管理数据。

(5) 逻辑处理层主要包括地震警报信息接收处理软件、系统震后恢复与系统自检软件、系统故障诊断软件、系统日志维护软件等。其中，地震警报信息接收处理软件的功能主要包括接收来自铁路局中心系统的地震紧急处置指令、来自相邻地震监测台站的地震报警信息、生成的接口单元侧地震报警继电器控制指令，同时将已收到紧急处置指令的回执发送给铁路局中心系统；在震后恢复阶段，输出控制信号以使信号系统侧地震报警接口继电器的状态恢复为正常状态。系统故障诊断软件主要负责诊断系统的网络通信故障、接口单元侧地震报警继电器故障、电源故障等，并将故障信息实时发送给铁路局中心系统。系统日志维护软件主要负责高速铁路地震监测预警信号接口单元工作过程日志的生成与维护。

图6　地震监测预警信号接口单元软件的架构图

(6) 展现层主要以表格和图形的方式通过客户端软件提供报警、设备状态、网络通信状态以及为信号系统侧地震报警接口继电器供电的电源状态等信息。

2.3　接口设计

高速铁路地震监测预警信号接口单元与铁路局中心系统、相邻监测台站、信号系统的接口设计如下。

(1)在高速铁路地震监测预警信号接口单元与相邻地震监测台站的监控单元之间建立SOCKET(套接字)连接。相邻地震监测台站的监控单元将P波预警数据、阈值报警数据封装成数据包，并实时发送给高速铁路地震监测预警信号接口单元；高速铁路地震监测预警信号接口单元接收到数据包后对其进行解析并据此做相应的动作。

(2)在高速铁路地震监测预警信号接口单元与铁路局中心系统的接口服务器之间建立MQ(消息队列)连接。铁路局中心系统将紧急处置命令等信息封装成数据包并采用实时方式发送至高速铁路地震监测预警信号接口单元，信号接口单元接收到数据包后对其进行解析并做相应的处置。

(3)高速铁路地震监测预警信号接口单元与信号系统之间以信号分线盘为分界，通过继电方式实现物理接口[7]，如图7所示。高速铁路地震监测预警信号接口单元通过控制接口单元侧地震报警继电器(DZYJ1和DZYJ2)的接点状态，向信号系统传送地震报警信息，而列控中心则根据采集到的信号系统侧地震报警接口继电器(DZJ1和DZJ2)的接点状态进行相应处置，对运行列车进行防护。

图7高速铁路地震监测预警信号接口单元与信号系统的接口示意图

3　关键技术

3.1　冗余技术

为提高地震监测预警信号接口单元的可用性，尽量避免误报和系统级的单点故障，对其所有硬件的设置均采用交叉冗余，即可概括为双网通信、双机并行运行、2个不间断电源为信号接口单元供电、二乘二的24 V独立电源为信号系统侧地震报警接口继电器供电、2个独立的控制模块进行信号输出及回采。

3.2　故障自检及隔离技术

通过对硬件状态的回采及与软件的逻辑判断相结合的方式，实现故障自检。比如，通过回采电源的电压，可判断电源是否有故障；通过回采继电器的状态并与输出的指令进行比较，可判断继电器是否有故障；通过双机互相监测“心跳”信息及网络状况，可判断2台主机是否宕机及软件是否正常运行；等等。当高速铁路地震监测预警信号接口单元的某个硬件出现故障后，立刻自动将相关硬件的状态信息发送至铁路局中心系统，铁路局中心系统根据其故障的原因远程发送指令，停止或继续允许地震监测预警信号接口单元参与有效控制。当需要对地震监测预警信号接口单元进行维修时，先由人工启动隔离开关，使地震监测预警信号接口单元处于隔离状态，以避免信号系统侧地震报警接口继电器因误动作而导致意外事故，提高系统的可靠性和可维护性。

3.3　双重过电保护技术

地震监测预警信号接口单元通过电缆与信号系统侧地震报警接口继电器连接。为避免信号系统侧地震报警接口继电器短路时损坏地震监测预警信号接口单元的电源和相关器件，在地震监测预警信号接口单元中设置了恒流二极管和短路保护器的双重过电保护。恒流二极管用于在瞬时短路甚至是较长时间短路时保证供电回路中的电流不会对地震监测预警信号接口单元造成损坏，而短路保护器则可在恒流二极管被击穿后切断回路，保证设备的安全。若仅使用短路保护器，瞬时短路就可造成其跳闸，并需要人工到现场才可恢复。双重过电保护技术在保证设备安全的前提下尽量提高了其可用性，减少了人工干预。

4　现场试验

为了检验笔者研发的地震监测预警信号接口单元，在大同至西安的客运专线(以下简称大西线)对其进行了现场试验。现场试验的主要内容包括：基本功能验证、性能测试、故障模拟试验、辅助功能验证等。其中的性能测试又包括地震监测预警信号接口单元控制接口单元侧地震报警继电器的时延和控制信号系统侧地震报警接口继电器的成功率。

表1　地震监测预警信号接口单元的性能测试结果　s

注：地震监测预警信号接口单元与铁路局中心系统的时钟同步，时间误差≤10 ms。

试验结果表明，试验期间地震监测预警信号接口单元运行稳定，各项功能完全达到要求。对试验中得到的40组性能测试数据进行统计和分析，结果见表1。由表1可知，地震监测预警信号接口单元的性能指标均符合《高速铁路地震监测预警暂行技术要求》[8]，而且地震监测预警信号接口单元的处理延时完全满足≤150 ms的技术要求，控制信号系统侧地震报警接口继电器的成功率为100%。

5　结束语

地震监测预警信号接口单元作为高速铁路地震监测预警系统的关键组件，对于实现高速铁路地震监测预警系统向地震影响区域内的列控中心及时发布地震预警信息，进而对运行中列车采取有效的紧急处置措施，保证列车运行安全，提高高速铁路防灾减灾能力，具有重要作用。采用冗余、故障自检及隔离、双重过电保护等关键技术研发的地震监测预警信号接口单元通过了大西线现场试验的考核，各项功能及性能符合规定的技术条件要求。

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