华电LEC-3201在高铁地震监控和预警系统的应用

一、概述
高铁地震监控和预警系统主要用于实现高速铁路地震监控和预警两大功能。现阶段我国高速铁路主要以地震监测报警功能为主,即当地震发生且S波峰值超过阈值时系统发出停电、控车命令。
 
二、系统组成
高铁地震监控与预警系统由地震监测网络、现场控制系统和地震安全监控与预警平台三大部分组成。系统功能除了具有监测系统状态动态显示、波形实时显示、波形处理分析、地震报警控制等现有的功能以外,还能实现P波预警、预警信息发布、烈度速报等功能。


1、地震监测网络
主要是指布设在高铁沿线的线性强震动态监测网络以及铁路周边地震监测网(国家地震台网)。
2、现场控制系统
现场控制系统主要由终端、服务器和节点三大部分组成,具有多通道数据采集、地震波形识别、波形实时传输、节点阈值预警、报警逻辑判断、地震事件记录与存储等功能。
其系统架构如下图所示:

 华电LEC-3201在高铁地震监控和预警系统的应用

 
 
 
(1)终端
终端主要用于查看节点信息状态,并提供报警界面。
(2)服务器
服务器主要用于地震报警的3取2逻辑判断,并存储地震事件和日志文件。
(3)节点
网络监测节点设备包括两个加速度计、两个现场控制单元和一套监控单元三大部分。
现场数据采集和控制单元采用立华公司的LEC-3201平台。
3、地震监控和预警平台
地震监控与预警平台是对现有高速铁路地震监控系统的扩充,是指当整个预警网络建设和成熟以后,利用顶层控制加底层控制的逻辑结构来实现更为复杂的地震监控和预警功能。
 
三、系统工作原理
地震波分为P波和S波。P波传播速度快(7-8KM/S),破坏力小;S波传播速度相对较慢(4-6KM/S),破坏力大。P波具备一定的识别特征,可通过一定的识别算法获取S波的震级及到达当前点的烈度。
地震识别分为P波识别和S波识别。由于地震波形的P波有较好的识别特征,因此P波识别作为地震识别的主要条件,此识别条件可以排除大部分干扰波形。为了减小漏报的可能性,现阶段P波的识别算法设置的条件稍低,通过1000多条实际地震测试数据,数据库内所有的地震数据均能触发。
1、地震监测报警功能
地震监测报警主要利用两个距离相隔40米以上加速度计实时检测地面震动信号,通过检测地震S波的峰值信息来决定是否进行列控命令。当S波到达并且加速度阈值超过设定阈值时,通过继电器的输出自动进行设备控制,如列车停车、核电站控堆、大型设备断电等,有效的减少人为操作的不可靠性和时延,降低生命和财产损失。
地震S波的可识别特征相对较弱,为了降低系统的误报和漏报率,利用相隔一定距离的两个加速度计来进行地震识别。对于同一个地震来说,两个加速度计的记录数据的频率和幅值具有很高的相似性,通过波形相似性的数据处理方法来实现地震S波特征的识别。 
2、地震预警功能
地震预警功能可以分为两大类。一是利用单点的P波信息来提前数秒到数十秒的提前预警能力,二是利用地震预警网络来实现数十秒到数分钟的提前预警能力。
利用加速度计实时监测当地的地震动态数据。当有地震发生时,通过识别算法实时分析当前采集到的数据,当有P波触发时预估当前点的S波达到的烈度信息,当烈度大小超过预设阈值时产生P波报警,并利用继电器进行控制输出,有效的降低有破坏性的S波到达时产生的破坏。
 
四、LEC-3201应用介绍
华电LEC-3201 设备用于地震预警现场控制单元平台,两个地震预警现场控制单元互为备份,为“或”的关系,任一发出报警信息均为有效信息。
设备实物图如下所示。
 

华电LEC-3201在高铁地震监控和预警系统的应用




华电 LEC-3201 采用Intel Atom 低功耗嵌入式处理器设计,整机通过EMC电力四级,无风扇设计。设备提供 6 路千兆以太网接口,用于连接服务器和终端设备通信,提供 10 路隔离的 RS-232/422/485串口,用于采集现场地震波信号和其他设备状态。LEC-3201设备可以根据现场不同应用的需求提供不同网口或者串口的设备,千兆网口最多支持到10路,串口支持到18路。同时设备提供多路 DI 和继电器输出DO 节点,用于现场开关量状态采集和高铁列控系统控制。为了现场调试和查看方便,设备提供前面板液晶显示和操作,方便客户对设备状态的实时监控。
 
五、小结
目前,华电提供的设备已经成功应用于高铁地震监控和预警系统,并通过铁道部的动静态验收,取得大西铁路上线试验资格。
大西铁路客运专线原平西至太原南作为“中国标准高速动车组及高铁关键装备研发综合试验工程项目”的试验段,是中国目前唯一的高铁综合试验平台。