ACTA Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis
PKU ROSE Array: A Road Seismological Array Deployed by Peking University
WEN Jingchong1,2, BAO Tiezhao1,2, FENG Yongge1, NING Jieyuan1,2,†
1. School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871; 2. The Joint Research Group of High-speed Rail Seismology, Beijing 100029; † Corresponding author, E-mail: njy@pku.edu.cn
Abstract From April to May 2018, two phases of road seismological intensive array observation (PKU ROSE Array, Peking University-deployed Roed Seismological Array) are implemented in Rongcheng County of Hebei Province. The observation instruments include 200 short-period seismographs and 22 very broad-band seismographs. The observation array spans high-speed and ordinary railway, high-speed and ordinary road. Clock calibration was carried out by consistency test and teleseismic waveform, and nearly 500 thousand high-speed-rail seismic records were obtained. These seismic records can be used to study the sources and wave field characteristics of high-speed rail or other roads, carry out 4D imaging of shallow and deep underground structures, serving road safety, earthquake prediction, environmental monitoring, resource and energy exploration, underground space development and utilization, and smart city construction. Key words road seismology; seismic observation array; seismic source; smart city
铁路运输是目前主流的长距离运输方式。我国铁路年客运量在2017年达到30.8亿人次, 其中高铁动车组承运的客流占 56.4%, 并且还在快速增长。高铁安全运行检测具有重大意义。我国大多数高速列车运行速度为300 km/h, 运行在京沪高铁上的复兴号标准动车组已重新提速至350 km/h。高铁列车的振动传感器可用于列车运行状态分析及高铁机械故障诊断[1–4],但仍然做不到无死角监测。
出于高铁运行安全的考虑, 大多数高铁线路都架设在高架桥上, 高铁列车的振动的方法会引起桥体及其下路基的振动, 利用检波器测定其振动的方法已用于桥体探伤或检测路基变化的研究[5–6], 但仍需继续探索更先进方法和技术。
除高铁运行安全外, 铁路部门还投入很大精力研究噪声控制, 并取得若干进展[7]。对高铁振动信号及其噪声的利用, 既可以解决天然地震震源分布不均匀的问题, 也能降低高铁振动信号对其它信号的干扰, 从而在地震预测、环境监测、资源、能源探测、地下空间开发利用以及智慧城市建设服务等领域发挥重要作用。徐善辉等[8]对京津城际铁路进
行高铁激发地震波场观测, 发现能够在几千米之外检测到波场。Chen等[9]对列车所引起振动的研究结果也预示, 向下传播的地震波可能会提供地壳结构的信息。
为了进一步了解高铁地震波场的特征, 探究其在路桥检测、浅部勘探和深部探测中的应用, 本研究组在河北省容城县附近的京广高铁沿线进行前后两期共一个月的高铁地震观测, 获得近50万条高铁地震记录。观测台阵的设计兼顾对附近高速公路、普通铁路和普通公路的观测, 因此称为 PKU ROSE台阵 (Peking University-deployed Road Seismological Array)。我们还利用观测时间内记录到的远震波形, 进行台阵时钟校正等工作。
1 台阵概况
京广高铁是中国最早开始建设的高铁线路。目前, 运行在京广高铁北京至保定区间段的列车每天有一百多对, 因此可以在短时间内获得大量高铁事件波形。大部分高铁经过观测区域时以300 km/h左右速度匀速行驶。该区域的南面还有津保客运专线通过, 通过该铁路的动车组时速为160~240 km/h,每天约40列动车通过。
本研究的观测共分为两期。PKU ROSE第一期观测台阵为面状, 主要针对高铁地震进行观测。大部分台站避开村庄和主要道路, 沿乡间小路布设,以保证高铁地震记录有较高的信噪比。共涉及 184个短周期仪器台站和22个甚宽频带仪器台站, 平均台站间距约为300 m。一期台站覆盖约10 km×10 km的区域, 主要位于京广高铁的东侧, 津保客运专线北侧, 最远的台站距离高铁线路超过9 km。第一期观测台站布台时间为2018 年4月22— 24日, 撤台时间为2018年5月5日。
PKU ROSE第二期观测由8条与高铁垂直的测线组成, 涉及 205个短周期台站, 其中最长的测线长约13 km, 平均台间距为500 m。测线从京广高铁向西侧延伸, 除进行高铁观测外, 还兼顾西侧的京港澳高速、107国道和京广普通铁路的汽车或普通列车引起的振动观测。二期的布台时间为5月9— 10日, 撤台时间为5月25—26日。两期台站与京广高铁等主要高铁线路、国道和高速公路的相对位置如图1所示。图2为两期短周期仪器的工作时间。
2 仪器及其一致性检验
本次高铁地震观测使用仪器共4 种, 包括3 种短周期加速度计和1种甚宽频带速度计。第一种短周期加速度计是重庆仪器厂生产的EPS便携式数字地震仪, 检波器频带范围为0.2~200 Hz, 实际观测的采样率为200 Hz, 采用内部电源供电。第2种短周期仪器是北京赛思奇胜科贸有限公司提供的QS
5B便携式数字地震仪, 其参数与EPS地震仪类似。第3种加速度计是重庆仪器厂的DZS-1型深层数字地震仪, 但由于仪器老旧, 只得到极少量的数据,因此未纳入台站数量和数据量的统计。22个甚宽频带地震仪为瑞士 Streckeisen 制造的 STS-2.5 甚宽频带地震计, 该仪器在8.33 mhz (120 s)到 50 Hz频率范围内速度响应平坦。
我们对两种短周期仪器进行一致性测试, 测试地点在北京大学校园内一处空旷的场地, 200多台短周期仪器在同一场地条件下接受测试。测试过程中, 开机记录数据的时长约为30分钟。测试期间采用人工方式模拟不同的波场, 以测试其三分量记录、时间和方位角的一致性。结果表明, 同一类型仪器地震记录的振幅基本上一致, GPS对时亦有较高的准确性。部分台站的波形记录如图3所示。
3 天然地震记录及台阵钟差
在地震观测中, 若定位授时不准确则会影响数据的有效性。本研究使用的EPS地震仪采用内置GPS定位授时, QS-5B仪器使用外接GPS天线。大部分仪器在布台过程均确保钟差小于1 ms(对部分有异常的台站, 我们均做详细记录) 。
对观测记录进行分析, 发现极个别的台站有较明显的授时误差, 最大可达2 s左右。我们采用天然地震记录(特别是远震记录)对台站进行对时准确度评价。一期台阵中部分仪器记录的发生在国际标准时间2018年5月4日22时32分的夏威夷Mw 6.9级地震波形如图4所示。互相关结果表明, 不同台站对该远震的记录较为一致。进一步对实际数据进行分析, 发现部分GPS天线被破坏或者电池电量不足的台站出现较明显的授时不准问题。
两种短周期仪器均有钟差校正机制, 即每隔一
段时间记录仪器时钟与GPS时间的差异。读取部分仪器的钟差文件, 进行时间校正。校正后, 我们发现各台站对上述 Mw 6.9级地震的波形记录一致性降低, 即使考虑地震波传播方向, 也无法解释不一致的情况。我们认为这是仪器内部软件问题引起的, 同时建议不使用仪器自带的钟差进行校准。使用过程中大多数台站的时间是可靠的, 部分台站存在三分量间不同步的情况。
我们还对比了不同定位工具的结果, 发现目前智能手机的定位精度越来越高[10], 在室外条件下,水平误差在3 m 左右, 能够满足定位精度要求。所以, 在布台和撤台过程中, 主要采用手机智能软件进行 GPS 定位。
4 高铁事件的截取与叠加
高铁车型的一致性以及运行速度的稳定性使得不同的高铁地震事件之间具有较高的相似性。基于这样的特点, 我们使用类似于勘探地震学中多炮叠加的方法, 对不同列车激发的振动进行叠加, 进一步提高记录的信噪比。对地震信号进行叠加之前, 必须进行时间对齐。在地震勘探中, 由于每一炮的时间是确定的,所以可以直接对齐叠加, 但在高铁地震研究中会遇到一些困难。
与天然地震以及地震勘探不同, 高铁地震中的震源在时间上是持续的, 不存在“发震时刻”的概念。特别是距离铁路线较远的台站, 所记录的高铁信号振幅变化较平缓, 无法准确地定义“震相”和“到时”。高铁桥梁附近的台站, 由于距离近、衰减小, 所以在高铁经过时, 振幅会明显变大。我们利用这一特征进行高铁事件的判别。位于高铁桥墩附近距离不超过10 m的一个台站记录的一天的高铁地震事件以及单一高铁事件南北分量记录如图 5所示。高铁事件的信噪比非常高, 铁路正下方台站的信噪比超过300, 距离铁路线1 km处的信噪比也能达到10左右。由于很少有其他车辆进入高铁桥梁下方, 所以记录中也极少出现其他明显的强噪声。
单一高铁事件记录中, 在高铁经过这些台站时,呈现振幅大且比较稳定的特征。利用这一特点, 我们将高铁经过时的波形振幅突然增大定义为“震
[11]相”, 并采用传统的长短窗方法 进行该“震相”的拾取。同时, 利用高铁沿线附近两个台站拾取的同一列高铁的到时判定高铁的行驶方向, 并计算其平均行驶速度。在这一过程中, 通过限制一定时段内高铁事件的数目来排除因两列高铁交汇造成的干扰。通过测定高铁记录中主要能量的持续时间, 并结合测量的高铁行驶速度, 能够大致判定某一列高铁的车厢数。利用上述方法, 对一天的高铁记录进行分析, 得到的高铁行驶方向及速度的分布如图6所示。
利用得到的每一列高铁的“到时”, 我们对同一条近似垂直于高铁线路测线的地震记录, 通过该测线上最接近高铁的台站的高铁到时进行对齐叠加,叠加的时窗长度是高铁到时前后约40 s, 共80 s, 并要求到时前后 100 s没有其他事件。我们对连续 5天的记录进行处理, 并将高铁从南向北行驶、16节车厢、速度为82±2 m/s 的 202个高铁事件的南北分量直接叠加, 经过2~5 Hz带通滤波后的结果如图7所示。结果表明, 高铁信号在垂直于高铁线路的水平方向上, 其低频(约3 Hz)成分能够传播至少3 km。
5 高铁地震信号频谱特性与倒谱分析
关于高铁或者普通铁路列车行驶激发的地震信号, 有学者做过数值模拟计算, 在高铁或普通铁路轨道近距离范围内进行小规模的地震观测, 并对所
[12–15]得数据进行时域及频域分析 。郑亚玮等[16]对京津城际铁路进行信号采集, 发现高铁信号呈现频域的窄带分立谱特征, 与其相对应, 在时域表现出
[17]明显的周期性。王晓凯等 利用挤压时频分析方法, 对中国南方某高铁沿线采集到的数据进行时频分析, 也得到窄带分立频谱。
高铁动车组由多节车厢组成, 每一节车厢经过时激发的波场具有相似性, 因此将高铁信号可以视为不同车厢单独经过时产生的信号经过时间延迟后的叠加。针对具有这一性质的地震信号可以用倒谱方法[18]对其频谱进行研究, 计算时间延迟, 并从中得到高铁列车结构信息。
记原始单独信号s(t)的频谱为 S(f), 则具有一次自相似延时叠加的信号
x ( t ) s ( t ) s ( t 0) (1)的频谱 X(f)满足
倒谱的变量是具有时间量纲的倒频率, 在时间延迟 处有明显的峰值。0 对靠近铁路线的台站记录的高铁信号进行频谱计算, 并对频谱做倒谱分析, 得到的不同类型动车组的信号、频谱和倒谱如图8所示, 分别与高铁动车组8节车厢列车、16节车厢列车和两个8节车厢列车重联这3种动车组编组方式相对应。其中, 一列8节车厢的列车通过的时间约为2.5 s, 16节车厢的列车通过的时间约为5 s。观察这两个时间处倒谱的峰, 结合原始记录中主要能量的持续时间, 能够判断列车车厢数和编组方式。
从图8第1行可以看出, 倒谱在2.5 s左右有明显的峰, 而在5 s处没有, 故推断为8节车厢。图8第2行5 s处的峰较大, 2.5 s处的峰很小, 故对应16节车厢的列车。图8第3行 2.5 s处的峰很明显, 在5 s处的峰也较大, 故推断对应两列8节车厢的列车重联编组。不同编组方式的动车组频谱都具有窄带分立谱特征, 与文献[16]的结果一致。从图 8 还可以发现, 这些窄带分立谱是等间距的, 间隔与最低的窄带峰值一致, 为 3.3 Hz, 与大约25 m长的车厢以 82.5 m/s的速度经过的频率相对应。其他分立谱则是多节车厢重复的结果, 每个峰值的高低主要受车轮分布以及列车原始振动频谱的调制。
6 数据说明
本研究观测台阵使用的两种短周期仪器的原始
数据都是 Miniseed 格式, 我们将其转为方便读取的SAC格式, 并以“子台阵名.台站名.00.分量名.日期. SAC”命名。每个台每天产生一个SAC文件, 采样频率为200 Hz的单台单日单分量数据量约65 MB。第一期观测共184个短周期仪器, 每个仪器工作12~14 天, 总数据量为444 GB; 一期中的22个甚宽频带台站观测时间约为3天, 数据约9 GB。第二期观测总共205个短周期仪器, 每个仪器工作14~18天, 总数据量为 528 GB。
7 结论
为了进一步了解高铁地震信号及波场特征, 探究其在路桥检测、浅层勘探和深层探测中的应用,我们在河北省容城县附近的京广高铁沿线进行前后两期共一个多月的高铁地震观测, 观测台阵由200多个短周期仪器和22个甚宽频带仪器组成。我们截取高铁事件并进行叠加后, 发现波场在垂直于铁路的水平方向上至少能传播3 km。对单一事件的频谱分析得到与前人结果一致的窄带等间距分立谱, 对频谱做倒谱分析可以初步反映列车结构信息。为了保证数据的有效性, 我们对仪器记录的钟差进行分析, 并与天然地震波形进行比对, 发现大多数台站授时一致, 极少数出现问题的台站在使用时需要剔除, 钟差数据可能因软件问题而不太可靠。此外, 为了方便更定量和更准确地使用这一台阵的数据, 我们对所有短周期仪器进行了一致性测试, 得到的波形结果可以作为仪器响应的简单参考。
致谢 感谢南方科技大学、河北省地震局、云南省地震局、长安大学和北京赛思奇胜科贸有限公司为本次观测提供仪器以及技术指导。