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日本新干線是這樣防地震的——早期地震監測系統原理

2014年03月12日00:50    

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東日本大地震發生時,東北新干線(圖1)有27列列車正在運行。這些列車在震動實際開始前就作了緊急剎車而減速停止,乘客無一人受傷。雖然仙台站內的一輛試運行列車有一節車廂脫軌,但當時速度已經降到14km/h,未釀成重大事故。

圖1:東日本大地震后,部分區間恢復通車時的東北新干線  2011年4月1日拍攝

發生地震時,在劇烈的搖晃到來之前就對新干線做緊急制動的,是早期地震監測系統(圖2)。該系統在檢測到地震初期的微震后,會停止向輸電線路供電,從而使列車停車。JR東日本從檢測到初期微震到判斷是否應該剎車的時間為2秒。現在正在進行使這一時間縮短到0.5秒的研究。

圖2:新干線早期地震監測系統的地震儀

加固高架橋、建成脫軌時列車不會過多偏離軌道的保障措施等應對地震的措施正在穩步進展。有人說,新干線迄今未發生過乘客死亡事故,未必全是因為技術實力,而是有很多幸運的成分在內。但是,在發生危險時讓新干線哪怕是再早一點點停下來的努力,確實使得防止事故的中幸運因素在減少。

檢測到搖晃就斷電

在東海道新干線開始運營的第二年(1965年),最先採用的地震監測系統,是當變電站內的地震儀檢測到一定等級以上的地震時,就停止向輸電線供電的系統。這是一種採用倒立擺的簡單機構,發生一定強度以上的搖晃后會傾倒而且不會恢復原狀。

1992年開始採用“UrEDAS”系統,該系統能檢測到初期微震並判斷震源位置和規模,並及時發出警報。UrEDAS雖然難以在發生劇烈搖晃前讓列車完全停止,但有望讓列車大幅減速,降低受害程度。當時設想的主要是日本以東的太平洋海域發生的地震,也就是日本東海地震。

JR東日本在1997年引進了預測地震儀附近的搖晃走勢並發出警報的“緊湊型UrEDAS”。在2004年發生的新潟縣中越地震中,上越新干線的“朱?325號”脫軌后又行駛了約1.5km,10節車廂中有8節脫軌,停車時軌道嚴重受損,是一次重大事故,但所幸無人員死亡。通過採用緊湊型UrEDAS,包括朱?325號在內的附近的列車都實施了自動制動,這是能夠將受害程度降到最低的原因之一。

  通過地震儀網絡預先通知地震波

眾所周知,地震波分為P波(初期微震)和S波(主震)兩種。P波沿著波的前進方向振動,前進速度非常快。S波垂直於波的前進方向,沿橫向和上下方向振動,前進速度次於P波。劇烈的晃動由S波造成,因此,如果能根據P波判斷出S波的大小,就可以在S波到來前採取措施。

JR東日本在上越新干線發生脫軌事故以前,軌道沿線各變電站內設置的地震儀一直是單獨運行的。但發生朱?325號事故后,JR東日本2005年前后在增設地震儀的同時,還建立了使地震儀之間進行網絡通信的機制,讓最先檢測到P波的地震儀向其他變電站發出警報,接收到警報的變電站在P波到來之間就能停止供電。

除變電站外,JR東日本還在遠離軌道的海岸地區設置了地震儀(1982年東北新干線開始運營時)。對於震源在海底的地震,在軌道開始搖晃前就可以停止供電。這種機制在2011年3月11日的東日本大地震中發揮了作用。最先檢測到地震的並不是軌道沿線的變電站中的地震儀,而是設置在牡鹿半島金華山的地震儀。

東日本大地震發生后,日本防災科學技術研究所從2011年度開始建立“日本海溝海底地震海嘯觀測網”,將在東日本地區的太平洋海岸和日本海溝之間的海底設置150個地震儀(圖3)。預定從2015年度開始全面投入使用,該觀測網的信息可用於新干線的早期地震監測系統。發生像東日本大地震那樣的地震時,有望比現在提前約30秒檢測到地震,也就是說,能提前30秒實施制動。

圖3:日本海溝海底地震海嘯觀測網的設置計劃

摘自日本防災科學技術研究所的新聞發布資料

JR東海在2005年引進新系統“TERRA-S”時,除軌道沿線外,還在稍稍遠離軌道的地方設置了地震儀(遠方地震儀),而且實現了與日本氣象廳地震預警的聯動。目前,JR東海、JR東日本、JR西日本和JR九州四家公司都在利用遠方地震儀。

 

(責編:值班編輯、庄紅韜)

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