張艷春

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司 北京 102600）

1 概述

地震預警監(jiān)測系統(tǒng)是鐵路災害監(jiān)測系統(tǒng)[1]（也稱自然災害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)）的一個重要組成部分，這對可能危及行車的地震災害提供了一種有效的減災手段，它能夠根據(jù)地震臺站和測定的地震動參數(shù)快速估算地震影響范圍，并確定警報等級[2]，在破壞性地震波到達前，向受地震影響范圍內(nèi)的鐵路發(fā)布地震緊急處置信息，聯(lián)動觸發(fā)相關(guān)系統(tǒng)對列車采取有效的緊急處置措施，從而為安全行車提供保障、最大程度地降低風險。目前地震預警監(jiān)測系統(tǒng)已納入了現(xiàn)行鐵路建設(shè)標準[3]，成為了高速鐵路建設(shè)的一項必備基礎(chǔ)設(shè)施。各條鐵路線地震預警監(jiān)測系統(tǒng)中心設(shè)備集中設(shè)置于路局，其中前端預警服務器按鐵路線設(shè)置，各條鐵路獨立設(shè)置；地震預警監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)動觸發(fā)信號列控系統(tǒng)停車、牽引供電系統(tǒng)停電是其降低損失的重要機制，目前地震監(jiān)測系統(tǒng)多由地震現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備分段與信號列控中心和牽引供電系統(tǒng)相連，導致地震預警監(jiān)測系統(tǒng)與信號系統(tǒng)、牽引供電系統(tǒng)間設(shè)置大量信號電纜，建設(shè)及維護成本高。研究采用虛擬化云平臺[4]技術(shù)的鐵路地震預警監(jiān)測路局中心，以及通過地震預警監(jiān)測中心和信號RBC中心、牽引供電系統(tǒng)中心觸發(fā)緊急處置的策略為實現(xiàn)資源共享、節(jié)約投資乃至便于將來各條鐵路線地震預警災害監(jiān)測系統(tǒng)平滑接入有著十分重要的意義。

2 鐵路地震預警監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)狀

2.1 路局中心預警服務器按線建設(shè)、資源共享率低

目前，地震預警監(jiān)測系統(tǒng)按照鐵路局中心、現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備[5]兩級設(shè)置，相對前些年采用的線路中心建設(shè)模式取得了較大的進步，在一定程度上起到了資源共享的作用，但路局中心預警服務器仍然按線建設(shè)，不論線路長短、接入中心的地震監(jiān)測現(xiàn)場設(shè)備多少，以鐵路線為單位，冗余配置，同時配套的通信網(wǎng)絡(luò)、電源、機房等設(shè)備需匹配設(shè)置。這樣就存在資源利用率低的問題，隨著高速鐵路線的不斷增多，資源浪費現(xiàn)象愈加突出。

2.2 聯(lián)動觸發(fā)接口分散、投資高、維護量大

目前，鐵路地震預警監(jiān)測系統(tǒng)與信號系統(tǒng)、牽引變電系統(tǒng)的接口均在地震預警監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場側(cè)，也就是說不同系統(tǒng)之間存在多個接口，每個系統(tǒng)接口之間均需布放信號電纜，短則幾公里，長則十幾乃至二十公里，隨著高速鐵路地震預警監(jiān)測系統(tǒng)的線路逐步增多，地震監(jiān)測現(xiàn)場設(shè)備與信號、牽引變電系統(tǒng)的接口數(shù)量會呈幾何層級遞增，敷設(shè)信號電纜線路同比增長，互聯(lián)互通愈加復雜，投資高、維護量大。

3 鐵路地震預警監(jiān)測系統(tǒng)需求分析

3.1 系統(tǒng)需求

（1）便于制定各鐵路局統(tǒng)一的監(jiān)測業(yè)務終端、監(jiān)測維護終端等界面的相關(guān)技術(shù)標準。

（2）便于統(tǒng)一地震預警監(jiān)測系統(tǒng)的軟、硬件標準，建立兼容性好、可靠性高、可維護性和可擴展性強的地震預警監(jiān)測系統(tǒng)鐵路局中心系統(tǒng)。

（3）便于各條鐵路線地震預警監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備平滑接入，整合資源，提高設(shè)備利用率。

3.2 業(yè)務需求

（1）實現(xiàn)地震預警監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備采集、發(fā)送災害監(jiān)測系統(tǒng)信息[6]的功能。

（2）實現(xiàn)通過閾值分析處理并生成監(jiān)測、報警、預警信息，將信息傳送至相關(guān)監(jiān)測終端的功能。

（3）實現(xiàn)向監(jiān)控單元、災害監(jiān)測系統(tǒng)下發(fā)控制命令的功能。

（4）實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、查詢、統(tǒng)計等功能。

（5）實現(xiàn)聯(lián)動觸發(fā)信號系統(tǒng)停車、牽引供電系統(tǒng)停電的功能。

3.3 接口需求

（1）與信號系統(tǒng)接口，緊急情況下實現(xiàn)聯(lián)動觸發(fā)信號系統(tǒng)停車。

（2）與牽引供電系統(tǒng)接口，緊急情況下實現(xiàn)聯(lián)動觸發(fā)牽引供電系統(tǒng)停電。

（3）實現(xiàn)與現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備接口功能，能夠接收現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息，下達控制、試驗、配置等指令。

（4）具備接引鐵路局二級時間母鐘同步信號功能；具備與GSM-R[7]移動通信系統(tǒng)接口功能。

（5）具備與相鄰地震預警監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)接口功能。

（6）具備與國家地震臺網(wǎng)接口功能。

3.4 安全需求

（1）針對人為因素可能導致的地震預警監(jiān)測系統(tǒng)路局中心中斷的風險，建立完善的備份機制，在對平臺進行數(shù)據(jù)調(diào)整時，保證功能出現(xiàn)異常時快速恢復。

（2）針對病毒、惡意攻擊等安全威脅，建立有效的防病毒機制，并采取網(wǎng)絡(luò)邊界安全防護措施，防止病毒入侵、抵制惡意攻擊行為。

（3）針對自然環(huán)境威脅引起的安全風險，根據(jù)相關(guān)標準設(shè)置防雷、防火、防電磁泄露等措施，并在各機房設(shè)置電源及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，為系統(tǒng)的安全運行提供穩(wěn)定、良好的工作環(huán)境。

3.5 維護需求

采用虛擬化技術(shù)有利于減少設(shè)備數(shù)量和信號電纜，便于統(tǒng)一維護和管理[8]，降低整體運營維護成本。

4 基于虛擬化云技術(shù)的路局中心系統(tǒng)建設(shè)方案研究

4.1 系統(tǒng)功能

鐵路局中心系統(tǒng)是地震預警監(jiān)測系統(tǒng)的控制中心，應具備以下功能:

（1）負責收集管轄范圍內(nèi)地震動監(jiān)測、P波預警、閾值報警等信息，并對其分析與處理。

（2）具備多臺P波預警、計算緊急處置級別和影響范圍、發(fā)布緊急處置信息，解除誤報和警報、下達震后恢復信息。

（3）實現(xiàn)與地震臺網(wǎng)、相鄰鐵路局之間進行信息交互。

（4）具備與GSM-R通信系統(tǒng)互聯(lián)功能。

（5）負責動態(tài)監(jiān)測管轄范圍的列車，并向相關(guān)系統(tǒng)發(fā)送地震緊急處置信息，實現(xiàn)保障列車的安全穩(wěn)定運行。

4.2 系統(tǒng)構(gòu)成

地震預警監(jiān)測系統(tǒng)鐵路局中心系統(tǒng)集中設(shè)置于各鐵路局所在地，主要包括各類服務器、系統(tǒng)存儲設(shè)備[9]、監(jiān)測業(yè)務終端、監(jiān)測維護終端、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、安全設(shè)備以及時間同步等，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 地震預警監(jiān)測路局中心系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意

4.3 硬件組成

（1）服務器

為體現(xiàn)虛擬化云平臺在路局中心建設(shè)中的優(yōu)勢，服務器配置暫按滿足30條鐵路線路接入路局中心系統(tǒng)的需求考慮。傳統(tǒng)方案配置如下:數(shù)據(jù)庫、前端接口、地理信息、緊急處置、鄰局接口、維護管理、臺網(wǎng)接口、短信、防病毒、通信應用、GPRS通信、地震GPRS接口、時間同步等服務器采用冗余配置的方式；前端預警服務器按線設(shè)置，雙機配置，需配置30臺；共需配置服務器86套。

采用虛擬化云平臺技術(shù)，綜合考慮系統(tǒng)性能、可靠性、機房空間利用率、簡化管理集中運維等因素，采用如下原則進行配置:對數(shù)據(jù)庫服務器和維護管理服務不考慮進云化，采用4臺物理服務器進行承載4套虛擬機；其余各類服務器進行云化，因此地震預警監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)需部署82套虛擬機，根據(jù)虛擬機容量[10]規(guī)劃典型模型算法，可以推算搭建地震監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)云平臺分區(qū)采用2CPU6核物理服務器12套，云平臺需配置管理節(jié)點服務器數(shù)3套。即數(shù)據(jù)庫服務器2套，維護管理服務器2套，云化服務器12套，管理節(jié)點服務器3套，共計17套。17套物理服務器均采用高性能刀片服務器搭建，同時基于可靠性和安全性的考慮，至少部署為8個機框；為避免單系統(tǒng)故障隱患，每個刀片機箱采用全冗余基礎(chǔ)架構(gòu)，包括電源、風扇、管理模塊和交換模塊等等，配置服務器機柜2架。

綜上，采用虛擬化云平臺技術(shù)，服務器數(shù)量減少69套，經(jīng)濟效益明顯，大大提高了資源利用率，有利于實現(xiàn)資源共享、節(jié)省建設(shè)投資、節(jié)約維護成本。

（2）監(jiān)測業(yè)務終端

在鐵路局調(diào)度所設(shè)置監(jiān)測業(yè)務終端，以提供警報信息、緊急處置等可視化界面。

（3）監(jiān)測維護終端

根據(jù)運營維護需求在相關(guān)維護管理單位設(shè)置監(jiān)測維護終端，以提供地震警報信息、設(shè)備狀態(tài)、緊急處置等可視化和運行維護操作界面。

（4）網(wǎng)絡(luò)及安全

①為滿足信息的快速、安全交互，鐵路局中心系統(tǒng)機房局域網(wǎng)建議采用千兆網(wǎng)絡(luò)[11]搭建。

②監(jiān)測業(yè)務終端、監(jiān)測維護終端連接維護管理服務器的傳輸帶寬建議不低于10 Mbit/s。

③鐵路局中心系統(tǒng)與國家地震臺網(wǎng)之間傳輸帶寬建議不低于10 Mbit/s，采用雙鏈路冗余配置。

④相鄰鐵路局之間傳輸帶寬建議不低于10 Mbit/s，采用雙鏈路冗余配置。

（5）時間同步設(shè)備

采用NTP服務器[12]，建議冗余配置，同步于鐵路局的二級母鐘。

5 地震預警監(jiān)測系統(tǒng)中心與信號RBC中心、牽引供電系統(tǒng)中心聯(lián)動觸發(fā)策略研究

5.1 功能需求

（1）與信號列控系統(tǒng)接口功能

地震現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備接收到Ⅱ級、Ⅲ級警報[13]信息或接收到鐵路局中心系統(tǒng)發(fā)布的Ⅱ級、Ⅲ級處置信息時，觸發(fā)列控系統(tǒng)接口繼電器動作；現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備接收到鐵路局中心系統(tǒng)發(fā)布的誤報解除、警報解除和震后系統(tǒng)恢復信息時，恢復與信號列控系統(tǒng)接口繼電器狀態(tài)。

（2）與牽引變電供電系統(tǒng)接口功能

地震現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測到地震動峰值（閾值報警）達到Ⅲ級警報閾值或接收到鐵路局中心系統(tǒng)發(fā)布的Ⅲ級處置信息時，觸發(fā)牽引供電系統(tǒng)動作；現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備接收到鐵路局中心系統(tǒng)發(fā)布的誤報解除、警報解除和震后系統(tǒng)恢復信息時，恢復與牽引供電系統(tǒng)接口狀態(tài)。

圖2 地震預警監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場側(cè)聯(lián)動觸發(fā)結(jié)構(gòu)

5.2 聯(lián)動觸發(fā)策略優(yōu)化原理

（1）地震預警系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備設(shè)置簡況

地震計設(shè)置滿足《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306）中的相關(guān)規(guī)定，一般設(shè)在地震動峰值加速度0.1 g及以上范圍的鐵路區(qū)段，間隔約25 km，并優(yōu)先設(shè)置于牽引變電所、分區(qū)所、AT所內(nèi)，困難的情況下設(shè)置在電力配電所、中繼站、基站等處。

（2）現(xiàn)場側(cè)聯(lián)動觸發(fā)方案

當前，地震預警監(jiān)測系統(tǒng)與列控系統(tǒng)和牽引供電系統(tǒng)間普遍采用地震現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備分段與列控中心、牽引供電系統(tǒng)接口的方案，造成了接口數(shù)量多、現(xiàn)場大量布放信號電纜的局面。如圖2所示。

（3）系統(tǒng)中心側(cè)聯(lián)動觸發(fā)方案

由于地震預警監(jiān)測系統(tǒng)采用鐵路中心級和現(xiàn)場設(shè)備兩級架構(gòu)，而對于列控系統(tǒng)和牽引供電系統(tǒng)也同樣存在中心級和現(xiàn)場級（車站級），因此與列控系統(tǒng)、牽引變電系統(tǒng)接口也可以采用地震預警監(jiān)測中心與信號RBC中心、牽引供電系統(tǒng)中心的接口方式。緊急情況下，地震預警監(jiān)測系統(tǒng)向RBC中心發(fā)布預警信息，沿線列控中心通過RBC統(tǒng)一采取相應的緊急處置措施；同樣，沿線的牽引供電系統(tǒng)通過路局中心系統(tǒng)直接與沿線系統(tǒng)進行內(nèi)部信息交互，實現(xiàn)緊急情況下的斷電功能。如圖3所示。

采用此種方式一條鐵路線地震預警監(jiān)測系統(tǒng)與信號列控系統(tǒng)、牽引供電系統(tǒng)僅需1～2個接口，大大簡化了不同系統(tǒng)間的接口數(shù)量以及附屬線纜工程等，可以有效地提高系統(tǒng)可靠性、節(jié)約了成本。

圖3 地震預警監(jiān)測系統(tǒng)中心側(cè)聯(lián)動觸發(fā)結(jié)構(gòu)

6 結(jié)束語

采用基于虛擬化云技術(shù)的地震預警監(jiān)測系統(tǒng)鐵路局中心方案能夠大大改變服務器重復建設(shè)、設(shè)備利用率低的現(xiàn)狀，有利于資源共享、節(jié)約投資；采用中心側(cè)聯(lián)動觸發(fā)的方案能夠從源頭上解決系統(tǒng)間接口數(shù)量多的問題，不僅可以減少設(shè)備配置和線纜布放，降低建設(shè)、運營成本，而且可以大大提高系統(tǒng)可靠性，這對提高地震預警監(jiān)測系統(tǒng)在高速鐵路運行可靠性方面具有重要意義。