康 濤

(中國地震局工程力學研究所 中國地震局地震工程與工程振動重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引言

美國科學家Cooper在1868年首次提出地震預警的概念，隨著全球城市化速度的加快，地震災害造成的損失日益嚴重，各國紛紛開始建設自己國家的地震預警系統(tǒng)(Earthquake Early Warning System，EEWS)。目前已經建成地震預警系統(tǒng)并正在運行的國家和地區(qū)包括墨西哥、土耳其、日本、韓國、羅馬尼亞和中國臺灣。地震預警系統(tǒng)可在破壞性地震波到達前對核電站等大型工程進行自動關閉，減小人員傷亡和財產損失。高密度的臺網對快速估計震源參數(shù)(震中、震級和發(fā)震時刻)、生成強地面運動圖、地震預警、震后災害評估以及應急地震救援至關重要，但傳統(tǒng)地震臺站的成本和維護費用高昂，增加臺網密度將投入大量的資金。如今，基于低成本的MEMS傳感器設備在我們的生活中已經非常普遍，其體積小、能耗低，靈敏度高、價格低廉且其性能與傳統(tǒng)力反饋傳感器相當。大量的應用實例顯示，利用高密度的MEMS傳感器可以在震后最短幾秒內提供強地面運動圖，在提供關鍵性地震信息、減小預警盲區(qū)、縮短預警時間等地震預警研究中具有很大的應用前景。

1 MEMS傳感器的發(fā)展

1962年，世界上設計出了第一個MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)傳感器，但由于當時生產技術和制造水平的限制，MEMS的性能無法滿足在地震研究中的應用。隨著科技的發(fā)展，MEMS的性能得到了巨大的提高，其具有體積小(約為指甲蓋的幾分之一)、重量輕、能耗低、靈敏度高等優(yōu)點，關于在地震應用中使用MEMS加速度計的研究也越來越多[1]。目前已有的MEMS主要分為加速度計(壓阻式微加速度計、電容式微加速度計、壓電式微加速度計)、壓力傳感器、陀螺儀。MEMS加速度計是一種使用微電子機械技術制造的一種慣性傳感器，能夠測量物體在加速過程中所受力的大小，這種低成本、低分辨率、高噪聲設備，能夠有效記錄高頻近場不飽和地面運動，由于其價格較低，在構建一個密集臺網時可以大大節(jié)約成本，這為地震臺站數(shù)量有限或沒有地震網絡的國家提供了一個建立地震預警系統(tǒng)的可能，在地震預警中可以發(fā)揮很大的作用。

2005年，Evans等人提出了基于MEMS傳感器的地震臺網概念，該系統(tǒng)的響應時間和臺網密集程度都大大超過現(xiàn)有地震臺網，此后傳感器得到大力發(fā)展，靈敏度得到很大提高，價格也更加便宜。2015年，IBM推出了內置MEMS的ThinkPad筆記本電腦，當監(jiān)測到電腦振動數(shù)據(jù)異常時系統(tǒng)會自動關閉硬盤。在相關的文獻中描述了QCN和CSN兩個項目的工作模式和原理，它們都是利用計算機內置或外接的傳感器來對震動數(shù)據(jù)進行記錄，通過分布式系統(tǒng)檢測地震事件，利用云系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理和傳輸。CSN,QCN和MyShake都是基于‘眾包’而實現(xiàn)的項目，進一步體現(xiàn)了分布式系統(tǒng)的含義，通過志愿者參與的方式來建立網絡，網絡中的傳感器安裝在志愿者的家中、辦公室等一些公共設施中。相比較于傳統(tǒng)的地震網絡來說，MEMS最大的優(yōu)勢在于成本很低，構建一個QCN網絡，其成本為同規(guī)模傳統(tǒng)網絡的1%左右。本文所提及的四種地震預警項目都是基于MEMS加速度計，傳感器性能存在一定的差異。

2 MEMS在地震研究中的現(xiàn)狀

隨著近年來科技生產水平的發(fā)展，MEMS設備在我們的生活中隨處可見，科研人員提出了使用低成本MEMS設備來快速獲取地面震動信息的新方法，這對于地震研究和災后緊急救援都具有非常重要的意義。MEMS密集網絡實現(xiàn)了系統(tǒng)的分布式計算，在數(shù)據(jù)的實時傳輸和處理上更加快捷。

2.1 CSN項目

洛杉磯位于圣安德烈亞斯斷層和其他斷層附近，美國地質調查局指出，當該地區(qū)發(fā)生7.8級或更大地震時，將造成巨大的人員傷亡和財產損失。CSN項目最初依靠SCSN(Southern California Seismic Network)而建立在洛杉磯，由Caltec(加州理工學院)和USGS(美國地質調查局)共同運營，自2011年4月開始招募了大量的志愿者參與到該項目中，2015年的統(tǒng)計結果顯示該區(qū)域CSN傳感器已經達到500個，傳感器分布在包括政府大樓、學校和醫(yī)院等公共設施。該項目的主要產出是一個地面峰值加速度圖，其對地震的破裂過程及建筑物的健康監(jiān)測均有非常大的作用，項目建立的最初目的是向ShakeMap和ShakeCast提供地震破壞情況，以便地震發(fā)生后立刻指導救援工作。對CSN項目一個更加深刻的說法是：“1000 Volunteers+1000 In-home sensors=1000 Block-by-block ShakeMaps”,這表示CSN可以將一個地區(qū)分為若干部分，利用每塊區(qū)域的震動數(shù)據(jù)來生成若干地面震動圖，最后構成了整個事件的地面峰值加速度圖。這個大規(guī)模的傳感器網絡由一個基于云的處理系統(tǒng)控制，當網絡負載增加時，系統(tǒng)能夠在地震過程中動態(tài)地提高網絡處理能力。CSN使用的Phidget1041傳感器一個靈敏度大約為1Hz-70mgal的三分向MEMS，可記錄±2g的加速度，采樣率50采樣/s，市場價值約為100美元，在洛杉磯盆地能檢測到區(qū)域內三級以上的地震。CSN還能利用手機內置加速度計配合一個手機應用程序來記錄地震數(shù)據(jù)，手機加速度計的靈敏度大約為電腦的1/4。當傳感器足夠密集時，雖然無法對區(qū)域型或地方性小震進行精確的定位和震級估算，但也能生成地面震動圖并提供合理的波形和判斷。

2.2 QCN項目

QCN項目成立于2007年，至2014年已有超過2 000名志愿者加入該項目，主要分布在美國加州、墨西哥等。目前使用最多的是(Joy-Warrior和O-NAVI)12位～16位傳感器，能夠檢測到0.1 Hz～20 Hz范圍內的地震波，有效記錄范圍為±2g，靈敏度為4×10-2g & 2.4×10-8g，大約需要30美元～150美元，由使用者將MEMS連接到計算機并提供網絡連接和維護等工作，因而大大的減少了系統(tǒng)成本。QCN儀器主要安裝在志愿者的家中、學校、辦公室和其他高度嘈雜的環(huán)境中，通過BOINC(Berkeley Open Infrastructure for Network Computing)對傳感器進行監(jiān)控和記錄數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絈CN服務器。

QCN支持兩種內置MEMS傳感器的筆記本電腦：蘋果和ThinkPad，實際結果顯示外接的MEMS記錄到的數(shù)據(jù)質量更好。由于環(huán)境因素的影響，記錄到的數(shù)據(jù)存在很大的噪聲，一個行之有效的方法是將加速度數(shù)據(jù)進行平均，得到總體趨勢并用于QCN數(shù)據(jù)的噪聲修正。雖然QCN傳感器的靈敏度低于傳統(tǒng)的傳感器，但是對于人口密度很大的城市地區(qū)，龐大的傳感器數(shù)量可以彌補靈敏度問題，實踐結果表明QCN能夠檢測大于5級的地震。為了盡量避免環(huán)境的影響，電腦只在處于非活動狀態(tài)時才開始記錄數(shù)據(jù)。

2.3 P-alert項目

中國臺灣省位于全球地震最活躍的區(qū)域之一,由于菲律賓板塊以每年大約7 cm的速度靠近歐亞板塊，使得中國臺灣地震頻發(fā)。而花蓮縣位于中國臺灣省東部板塊交界處，屬于地震多發(fā)區(qū)。1986年11月15日花蓮發(fā)生7.8級地震導致震中120 km以外的臺北地區(qū)受到了嚴重破壞。自此，中國臺灣中央氣象局(CWB)開始研發(fā)和建設地震預警系統(tǒng)，并成為預警實踐領先的幾個地方之一。2010年，中國臺灣大學(NTU)地震預警研究小組和三聯(lián)科技公司開始共同研發(fā)一款基于MEMS的Palert傳感器，利用P波進行現(xiàn)地地震預警服務，該儀器的測量頻帶為0 Hz～20 Hz，主要參數(shù)見表1。Palert通常安裝在可提供電力和網絡的小學，在運行和網絡連接成本上由安裝者承擔，所以使用Palert組建一個密集的地震預警網絡完全是可行的。整個Palert由負責信號采集處理的局部場地系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分組分析的中央系統(tǒng)組成。隨著Palert一起安裝的還有一個iTouch設備，該設備具有備份電源、顯示振動強度并發(fā)出警告的功能，發(fā)生電力故障時，能夠保證設備穩(wěn)定工作4 h。2012年6月，由15個Palert傳感器組成的 EEW測試系統(tǒng)正式在花蓮縣進行安裝測試，測試結果表明Palert在現(xiàn)地地震預警和區(qū)域地震預警中表現(xiàn)出了良好的性能。如圖1所示，截至2018年PSN已在中國臺灣布設了約600個臺站，2016年1月～2018年4月QCN共檢測到地震事件178次。

表1 Palert加速度計技術指標

感知器16位、100 Hz三方向感知器測量范圍±2g(橫向),±1g/-3g(縱向)地震判斷P波峰值位移(Pd),峰值加速度(PGA)、短長周期均值(Sta/Lta)、位移(Disp)D/O數(shù)量2組,可外接模組擴充顯示器7段LED顯示,可呈現(xiàn)日期、時間、觸發(fā)模式、即時震度等信息操作溫度-10 ℃～60 ℃電池與耗電量10 V～30 VDC,功耗3.5 W @12 V外觀尺寸125×105×30 mm3,450 g(不含電源和網線)噪聲等級最大1 gal

多臺Palert設備可用做區(qū)域地震預警，設備通過網絡時間協(xié)議(NTP)進行時間校正。使用TCP/IP協(xié)議將臺站檢測到的結果發(fā)送到兩個網絡中心進行處理和存儲，分別位于中國臺灣大學和中國臺灣中央研究院網格計算中心(ASGC)。觸發(fā)算法主要對加速度，位移，長短時窗平均比(sta/lta)進行監(jiān)測。當?shù)卣餚波觸發(fā)設備中的檢測算法，先將前幾秒的加速度信號積分得到速度和位移信號，其次對位移進行2階0.075 Hz的Butterworth高通濾波去除低頻漂移，然后通過微分來獲得速度信號，計算得到平均周期τc和峰值位移pd。利用互聯(lián)網向中心臺站實時發(fā)送信息，包括1 s的三分量加速度和垂直位移濾波后的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的觸發(fā)方式為六臺觸發(fā)，當pd超過0.35 cm或PGA超過80 gal時，警報系統(tǒng)開始工作并發(fā)出警報[3]。Palert傳感器除了其低成本的優(yōu)勢，還能穩(wěn)定的移植到已有的地震網絡以增加其密度。

2.4 MyShake項目

據(jù)統(tǒng)計，2014年全世界大約有26億部智能手機，預計2020年將達到60億部，基于智能手機的通信聯(lián)網功能和內置MEMS多樣化的特點，科研人員提出了一種新型地震預警系統(tǒng)——MyShake，其最初建立在加州大學(UC)伯克利分校，采用P波觸發(fā)警報。2016年2月MyShake在Google公開發(fā)布下載，截至2016年8月MyShake已經記錄到237次地震事件，包括發(fā)生在智利、阿根廷、墨西哥、新西蘭、中國臺灣和日本等地區(qū)的地震，這是全球第一個利用個人智能手機提供加速度波形的地震臺網。它的優(yōu)勢在于所有硬件都封裝在手機中，缺點在于手機的位置是不斷變化的。用戶可以免費下載MyShake軟件且易于安裝，軟件的低能耗意味著手機只需要進行日常充電卻不會對人們造成困擾，而增加了地震災害信息傳遞和地震警報功能的MyShake更增強了其推廣性和使用性。

通過將手機放在地下室記錄數(shù)據(jù)，確定了手機加速度計的背景噪聲，它包括手機的內部噪聲和環(huán)境噪聲，當?shù)孛嬲穹^噪聲級別，就可以估算地震大小。研究報告指出個人智能手機MEMS記錄的地震數(shù)據(jù)可用于地震研究，地震災害信息評估、地震預警以及地震破裂過程的反演。MyShake對發(fā)生在10 km以內、頻率范圍為1 Hz～10 Hz的2.5級或更大地震都很靈敏，并具有從日常震動中識別出地震的能力。

MyShake項目說明了基于智能手機地震網絡的可行性，該項目在破壞性地震發(fā)生時提供地震動記錄，但關鍵在于系統(tǒng)被設計并測試在私人智能手機上，而全球有數(shù)十億臺手機，為了充分利用“眾包”的潛力，研究人員必須根據(jù)普遍使用的手機傳感器進行軟件開發(fā)，而不是特定的手機，該軟件需要做到對用戶影響最小，并為參與者提供真正的利益。

3 結語

MEMS加速度計以其成本低、易擴展且無需考慮設備維護的特點，被逐漸應用于地震預警系統(tǒng)中，用于低投入建立地震預警系統(tǒng)或用于現(xiàn)存的地震預警臺網加密工作。目前為止，智利、墨西哥、新西蘭均建立了比較完善的開放式地震預警網絡，公眾可以免費申請加入，這種方式已經成為地震預警系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。隨著現(xiàn)代技術的發(fā)展，內置了高性能的MEMS設備肯定會呈現(xiàn)爆發(fā)式的增長，當前的問題在于如何開發(fā)一個高效的應用程序，能夠有效的處理傳感器記錄到的地震數(shù)據(jù)，并且，如何說服用戶能夠在私人手機或電腦上運行這一款程序而不對人們造成額外的負擔，這需要讓人們看見實實在在的益處。當前的研究重點主要集中在外接MEMS，但是外接MEMS會給人們帶來很大的不便且不具有很強的說服性，大多數(shù)的人們難以接受，所以還需要加強與用戶的互動性。文中所述四個項目均經過多次離線測試，證明MEMS加速度計能為地震預警系統(tǒng)提供參考和輔助。相信隨著傳感器的不斷研究以及實際應用的不斷加深，低成本傳感器的加入，一定可以為地震預警領域帶來新的、實用性的變革。