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重大工程地震监控预警系统的研制与应用——武汉地震科学仪器研究院有限公司成果

2014-10-24

武汉地震科学仪器研究院有限公司是在武汉东湖高新注册的高新技术企业单位,具有独立的法人资格,是集科研、开发、生产为一体的高新技术科技实体。其自主研制生产的地震和前兆仪器,达到国内外同类仪器的先进水平。曾获得国家科技进步一等奖1项、二等奖2项、三等奖2项,省部级奖37项。武汉地震科学仪器研究院有限公司下设多个专用实验室和实验基地,在研制开发地震专用观测仪器和设备的基础上,近年来承接了多个国民经济建设中大型工程的地震监测相关仪器和设备的研制生产任务,其中,与中国地震局地震研究所合作研发的核电地震仪表系统和高速铁路地震监测系统,在国内核电站及高速铁路等重要工程的应用中发挥了重要作用,取得了显著的社会效益和经济效益。

一、核电地震仪表系统

地震仪表系统是核电站的重要安全监测设备,该系统采用地震预警技术,可实时监测核电厂内地震加速度信息,在发生地震时作为核电厂操作人员的决策依据。该系统用于对核电站地震动的实时监测,当地震动强度超过系统设定阈值时,地震仪表系统立即发出报警,核电站工作人员将采取应急措施,既要避免核电厂无根据的停堆损失,也要避免核电站在不安全的情况下继续运行

根据国家对核电厂的相关规范要求,核电厂必须设置地震监测仪表,实时监测随时可能发生的波及核电厂区的地震活动。武汉地震科学仪器研究院有限公司生产安装的地震仪表系统在国内核电站有着广泛应用,为核电厂的防震减灾事业作出了重大贡献。

  1.系统功能

地震仪表系统设备的基本功能包括:核电厂地震响应数据数字化采集和地震事件的存储;地震事件超过预设值时向核电厂控制室报警;地震事件发生后地震响应数据现场分析。

系统配有6~10台三轴加速度传感器,当传感器检测到的加速度值达到预设门限值时,提供逻辑信号触发地震报警,系统在地震加速度值超出预设值期间持续存储地震时程数据。地震仪表系统存储的地震时程数据包括:地震事件前数据(130秒可调,通常为10秒)、地震事件数据、地震事件后数据(590秒可调,通常为30秒)。数字记录提供远大于25分钟的持续记录数据能力。

系统的设计可保证在核电厂所有运行模式下运行。核电厂地震时程数据记录完成后,可启动系统数据分析功能,进行反应谱时程数据分析等分析功能,分析结果通过监测器显示、硬拷贝输出以及打印机打印输出。此外,核电地震仪表系统还具有故障自诊断功能,可探测到系统潜在故障并发出报警。

2系统组成

KIS地震仪表系统包括硬件和软件两大部分,主要由加速度传感器、数字采集和处理设备、输出设备等以及相应的工作软件和地震分析软件组成。系统构成方式如下:各三轴向加速度传感器安放在测点位置;各传感器连接到地震监测柜内;地震监测柜包含系统报警箱、强震时程响应分析仪(嵌入式计算机)和系统电源箱。强震时程响应分析仪通汇集全部强震记录的地震时程数据,并进行相应的分析、处理和输出,并对整个系统进行管理。

系统的工作软件主要包括数字记录软件(包括采集、存储、定时、触发、报警、标定、检查、互联等功能),地震分析、处理,谱分析,系统管理等。地震分析处理软件包WDY-KIS-1.1软件,可实时与人机交互分析处理软件,由若干功能模块加上一个专用数据采集记录模块GeoDAS组成。

核电地震仪表系统与一般的地震预警技术系统一样,主要包括地震检测、通讯、控制与处置、警报发布等组成部分。地震仪表系统可以实时监测随时可能发生的地震动及核电厂区的地震活动。当地震事件发生时,系统监测并记录下地震发生前30秒(可调)开始到地震结束后30秒(可调)的完整事件,同时快速产出的综合信息及时给核电厂的决策者,为其做出是否需要进行控制或者继续运行的决定提供参考依据,这样既可避免不必要的停堆,也可防止核电厂在不安全的状态下继续运行。

我国核电发展的前期地震仪表系统主要由国外厂家所垄断,自从2007年武汉地震科学仪器研究院有限公司研发生产成功核电地震仪表系统之后,逐步打破国外垄断,全面替代了国外同类产品,实现了核电地震仪表系统的全面国产化,并在国内中核、中广核的近二十家核电厂成功应用了该系统。近年来,尤其是福岛核电地震事故之后,应国家核安全局以及核电业主的要求,在保证基本功能的同时,武汉地震科学仪器研究院有限公司还对我们自己生产的以及早期国外的地震仪表系统进行了改造升级。对地震仪表系统的基本功能、触发方式、报警级别以及稳定性、可靠性等方面进行了积极的探索。

经过不断地改进和完善,用于第三代核电厂的地震仪表系统已经研发成功,该系统在稳定性及抗震能力等方面均有较大提升。石岛湾核电站示范工程作为全球首座将四代核电技术成功商业化的示范项目,选用了武汉地震科学仪器研究院有限公司新一代的地震仪表系统,目前该系统正在生产中,将于20154月交付使用。

二、高速铁路地震监测系统

地震是一种发生概率较小但危害性很严重的自然灾害。我国位于环太平洋地震带与欧亚地震带的交汇部位,是地震多发国家,抗震形势不容乐观。对铁路运输工作而言,在过去列车低速运行的条件下,抗震工作主要关注基础设施,如桥梁、隧道、路基等的抗震能力。但当列车运行速度超过200km/h后,哪怕是较小的震级(里氏4级左右)的地震,即使不会对线路结构造成损害,也极可能会导致列车在高速运行中脱轨,所造成的危害是灾难性的。此外,由于列车开行密度很高(客运专线铁路设计最小行车间隔3min),还极有可能造成后续列车进入事故区段而导致次生灾害的发生。目前,我国铁路客运进入高铁时代,列车运行时速大多超过200km/h,且列车运行密度高,因此,开展铁路地震监测及紧急处置系统的研究对提高铁路防灾减灾能力,保证旅客生命财产安全性具有重要意义。

1.系统功能

武汉地震科学仪器研究院生产的REMOS 高速铁路地震监控和预警系统可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。该系统已经具备地震预警功能的扩展,对于每个监测点均实现了单点P波预警的能力,未来通过纳入国家台网的数据可实现网络地震预警,其功能框图如图所示。

2系统组成

REMOS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。

1)地震监测网络

主要是指布设在高铁沿线的线性强震动监测网络以及铁路周边地震监测网(国家地震台网)。现阶段高速铁路主要采用沿线的监测台站实现地震报警功能。其布点为线性,有较大局限性,仅能实现强震报警和单点P波预警功能。未来必将纳入国家地震监测台站,实现区域面积的地震预警网络,能够在预警能力上大大提升。

2)现场控制系统

现场控制系统主要由终端、服务器、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。

终端主要用于查看节点信息状态,并提供报警界面;服务器主要用于地震报警的三取二逻辑判断,并存储地震事件和日志文件;单个网络监测节点设备主要包括2个加速度计、2个数据采集处理单元、1套监控单元三大部分。2个加速度计为“与”的关系,同时接入数据采集处理单元(该系统采用REMOS地震预警现场控制单元);2REMOS地震预警现场控制单元互为备份,为“或”的关系,任一REMOS发出报警信息均有效;监控单元主要采集REMOS的继电器接点信息,并传至服务器进行三取二逻辑判断,当有报警发出时同时控制列控。加速度计安装于基岩或老土层,能真实有效地记录地震动数据,通常两个加速度计相隔40米以上。对于同一个地震来说两个加速度计具备很高的波形相似性,对于干扰来说,40米的距离能有效地降低设备误触发可能性。

设备具备三个报警继电器输出(可实现P波报警及两级S波报警功能),可直接接入控制系统,实现自动化控制。具备一个故障继电器输出,可进行故障自检上报。系统采用BS架构,具有良好的人机交互界面,操作简单,且具备远程维护和重启功能。

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。其功能更加先进,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。

自研发推出高速铁路地震监控和预警系统以来,武汉地震科学仪器研究院有限公司不断对该系统进行改进和完善,目前第二代REMOS高速铁路地震预警与监控系统和第一代系统相比有了质的提升。

在数据处理时间方面,第一代系统由于记录器(仅用到记录器的采集及传输功能)自身的限制(数据按1秒打包且不提供底层开发),其S波报警的时间>1s(从传感器检测到峰值过阈值至FCU产生继电器动作时间)。第二代REMOS系统按50ms的时间间隔进行数据处理,时效性大大提高。

第二代REMOS高速铁路地震预警与监控系统拥有灵活的系统架构,采用vxworks实时操作系统,能够很好地响应高速铁路地震预警的实时性要求;采用BS+CS+FTP架构,能够很好地满足用户和二次开发的需求。报警继电器采用常开接点(驱动有效),脉冲方式驱动,电磁干扰及短时抖动均不能触发继电器动作,且与故障继电器关联,产生故障时报警继电器输出无效。为了方便设备维护,系统提供远程硬复位功能,可以实现终端对节点的远程断电硬复位,且自带看门狗功能,可以实现多种情况下的系统自动软复位。由于高铁沿线设备较多且分散,系统提供了极为方便的远程批量维护及升级功能,可实现远程批量自动标定功能、远程批量状态查看及参数设置、远程批量程序升级。

第一代高速铁路地震预警系统主要应用于京津、京沪、向莆线高速铁路。目前,第二代REMOS高速铁路地震预警系统已在大西、甘青、青荣、闽赣、集包线高速铁路等得到广泛的应用。