破壞性近震快速反應觸發(fā)系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種地震監(jiān)測與反饋系統(tǒng)和方法，尤其是一種破壞性近震快速反應觸發(fā)系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)包括傳感模塊、地震波形識別及預警模塊、預警信息終端，傳感模塊布設在被保護區(qū)域的周圍的多個傳感器組，每個傳感器組中包括多個單點傳感器，地震波形識別及預警模塊包括與傳感器組連接的信號放大單元，信號放大單元連接強度及相位識別單元，強度及相位識別單元連接電壓比較單元和中央處理單元，中央處理單元連接烈度等級估算單元和預警信號發(fā)送單元，該方法包括地震波傳感、波形識別及報警等步驟。本發(fā)明實現(xiàn)了對20Km—100Km近震的有效快速預警，可提前4秒—15秒發(fā)出預警，可以實現(xiàn)地震橫波將要到達的時刻、震源方位、烈度等級的測算和顯示。
【專利說明】破壞性近震快速反應觸發(fā)系統(tǒng)和方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種地震監(jiān)測與反饋系統(tǒng)和方法，尤其是一種破壞性近震快速反應觸發(fā)系統(tǒng)和方法。

【背景技術】
[0002]地震是對人們生命財產(chǎn)安全帶來巨大破壞力的自然災害之一，近些年，全球均處于地震的高發(fā)期，地震監(jiān)測和預警成為了減輕地震災害，保護人類生命財產(chǎn)安全的重要方法和手段之一，其中，利用地震波傳播速度遠遠低于電信號傳播速度的原理，對于離被保護城鎮(zhèn)有一定距離(一般10Km左右)的強地震發(fā)生后進行異地預警，在地震波到達前十幾秒發(fā)出預警的方法，是目前地震預警系統(tǒng)普遍采用的方法。由于受傳感器及其布局的限制以及現(xiàn)有地震定位系統(tǒng)處理事件需一定時長的缺陷，因此，這種系統(tǒng)對離保護區(qū)較近(特別是40Km以內(nèi))的破壞性地震預警作用幾乎為零，也即破壞性近震成為這種預警系統(tǒng)的盲區(qū)，地震來臨時，往往無法及時進行預警，無法為逃生和減輕次生災害贏得一定的時間。
[0003]


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供一種有效提高破壞性近震的反應速度，破壞性近震快速反應觸發(fā)系統(tǒng)和方法。
[0005]
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案:
本發(fā)明的破壞性近震快速反應觸發(fā)系統(tǒng)包括傳感模塊、地震波形識別及預警模塊、預警信息終端，所述的傳感模塊包括布設在被保護區(qū)域的周圍的多個傳感器組，所述的每個傳感器組中包括多個單點傳感器，所述的地震波形識別及預警模塊包括與傳感器組連接的信號放大單元，所述的信號放大單元連接強度及相位識別單元，強度及相位識別單元連接電壓比較單元和中央處理單元，中央處理單元連接烈度等級估算單元和預警信號發(fā)送單元；所述的預警信息終端包括與預警信號發(fā)送單元連接的預警信息終端PC和與預警信息終端PC連接的報警裝置。
[0006]優(yōu)選地，所述的信號放大單元包括與一組傳感器組中的每個單電傳感器分別連接的信號放大器。
[0007]優(yōu)選地，所述的中央處理單元連接有設定比較值并進行電壓比較的電壓比較單
J Li ο
[0008]優(yōu)選地，所述的烈度等級估算單元包括用于記錄地震縱波波形的A/D單元。
[0009]優(yōu)選地，所述的多個傳感器組均勻分布在被保護區(qū)域周圍，每個傳感器組距離被保護區(qū)域邊界20KM。
[0010]優(yōu)選地，所述的單點傳感器按大于或等于50米的間距一字排列于基巖上。
[0011]本發(fā)明的破壞性近震快速反應觸發(fā)方法包括如下步驟: Step 1、多點檢測地震縱波；
Step 2、檢測地震縱波信號進行強度和相位處理，識別干擾信號；
Step 3、發(fā)現(xiàn)非干擾信號立即觸發(fā)報警信號，并記錄波形估算烈度等級；
Step 4、根據(jù)接收的觸發(fā)信號進行地震預警與預測。
[0012]優(yōu)選地,所述的Step I進一步包括:
Step 11、在被保護區(qū)域周圍均勻分布多個傳感器組，每個傳感器組距離被保護區(qū)域邊界 20KM ；
Step 12、每個傳感器組設置多個單點傳感器；
Step 13、單電傳感器以大于或等于50米的間距一字排列于基巖上。
[0013]優(yōu)選地,所述的Step 2進一步包括:
Step 21、多點檢測地震縱波時差大于0.5ms，識別為干擾信號，不進行操作；多點檢測地震縱波時差小于0.5ms,識別為非干擾信號,進入步驟S3。
[0014]優(yōu)選地,所述的步驟Step 4包括:
Step 41、報警觸發(fā)；
Step 42、震源信息測算及顯示；
Step 43、保護裝置的自動啟動。
[0015]由于采用了上述方案，本發(fā)明的破壞性近震快速反應觸發(fā)系統(tǒng)采用新的震動傳感器組及其布設的方法，并運用新研制出的地震波形硬件識別觸發(fā)系統(tǒng)，很好地解決了對破壞性近震快速預警觸發(fā)的難題，實現(xiàn)了對20Km — 10Km近震的有效快速預警，可提前4秒一15秒發(fā)出預警，可以實現(xiàn)地震橫波將要到達的時刻、震源方位、烈度等級的測算和顯示。
[0016]

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明第一實施例的總體模塊結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明第一實施例的地震波形識別及預警模塊結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明第一實施例的預警信息終端模塊結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是本發(fā)明第一實施例的單點傳感器布設結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5是本發(fā)明第一實施例的傳感器組布設結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6是本發(fā)明第一實施例的干擾波識別示意圖；
圖7是本發(fā)明第一實施例縱波與傳感器位置關系圖；
圖8是本發(fā)明第一實施例橫波與傳感器位置關系圖；
圖9是本發(fā)明第二實施例步驟流程圖。
[0018]圖中，傳感模塊1、地震波形識別及預警模塊2、預警信息終端3、傳感器組SQ1-SQ8 ;單點傳感器S1、S2、S3 ;信號放大單元21、強度及相位識別單元22、中央處理單元23、烈度等級估算單元24、預警信號發(fā)送單元25、預警信息終端PC31、報警裝置32、信號放大器211、電壓比較單元26、A/D單元27、服務器33、報警信號驅(qū)動控制單元34。
[0019]

【具體實施方式】
[0020]如圖1-圖3所示，本發(fā)明的第一實施例提供了一種破壞性近震快速反應觸發(fā)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括傳感模塊1、地震波形識別及預警模塊2、預警信息終端3，所述的傳感模塊I包括布設在被保護區(qū)域的周圍的多個傳感器組SQ1-SQ8，所述的每個傳感器組中包括多個單點傳感器S1-S3，所述的地震波形識別及預警模塊2包括與傳感器組連接的信號放大單元21，所述的信號放大單元21連接強度及相位識別單元22，強度及相位識別單元22連接中央處理單元23，中央處理單元23連接烈度等級估算單元24和預警信號發(fā)送單元25 ;所述的預警信息終端3包括與預警信號發(fā)送單元25連接的預警信息終端PC31和與預警信息終端PC連接的報警裝置32。
[0021]其中，所述的信號放大單元21包括與一組傳感器組中的每個單點傳感器11分別連接的信號放大器211 ;所述的中央處理單元23連接有設定比較值并進行電壓比較的電壓比較單元26 ;所述的烈度等級估算單元24包括用于記錄地震縱波波形的A/D單元27。
[0022]預警信息終端3中，所述的預警信息終端PC31連接有與外網(wǎng)和局域網(wǎng)連接的服務器33，預警信息終端PC31通過一報警信號驅(qū)動控制單元34連接報警裝置32。
[0023]在安裝傳感器組時，如圖4和圖5所示，所述的多個傳感器組均勻分布在被保護區(qū)域周圍，每個傳感器組距離被保護區(qū)域邊界20KM ;所述的單點傳感器按大于或等于50米的間距一字排列于基巖上。
[0024]以下對上述各部分工作原理進行具體描述:
本實施例采用主要檢測地震縱波的三個同相壓電式檢波器組成單點傳感器組，以提高震波初動檢測精度和消除非地震波引起的干擾。
[0025]單點傳感器由高靈敏壓電陶瓷片及豎直向彈簧重錘組成的單個縱波檢波器，其可靈敏地檢測到較高頻(近震)的地震縱波，同時通過檢測頻帶的設置可提高對周邊干擾的抑制能力；
傳感器組:將上述三個檢波器按50米的間隔一字排列布設在基巖上，以組成單點的檢測傳感器組SQ1-SQ8。如圖6所不,設干擾震源位于一字排開的傳感器S1、S2、S3的中分線上與傳感器S2距離300處的位置，此時，干擾震源距離與傳感器S1、S2距離約304，計算可得震動縱波到達傳感器S1、S3和到達傳感器S2的到時差為0.67ms，通過到時差的時間長短的測算可以有效地識別出近距離(300米內(nèi))的震動干擾，即三個檢波器所檢測到干擾源震動信號初動有明顯的時差(>0.5ms)即識別為干擾，硬件電路對此很容易進行識別。由于地震一般都發(fā)生在地下幾公里至幾十公里的地方，因此，其震波到達各檢波器的時差要遠小于0.5ms,不會錯誤判別為干擾。
[0026]傳感器組布設時，如圖7-圖8并結(jié)合圖5所示，本實施例中，將八組傳感器組分別布設在被保護區(qū)域的周圍，每個傳感器組距離被保護區(qū)域邊界大約20Km，為了便于計算，盡可能均勻分布，設保護區(qū)域半徑為5Km，震源深度為10Km，傳感器布設半徑為25Km，縱波速度為6Km/s，橫波速度為3.5Km。
則:縱波到達最近傳感器組所需的時間Tp=L/6= +12 /6 ；
橫波到達被保護區(qū)邊界所需的時間Ts=D/3.5= -Jd2 +12 /3.5 ；
地震預警時長Λ T=Ts-Tp (從報警到地震橫波到達被保護區(qū)邊界的時間差)。
[0027]從圖中可以看出當震源位置處在兩個傳感器組中間平分線上時，縱波傳到傳感器組所走的路程L最長，而橫波傳到被保護區(qū)邊界的距離不變，即Λ T最小。因此，該系統(tǒng)對不同距離的破壞性近震至少能預警的時長Λ T為:
20Km:Δ T=4s
30Km:Δ T=6s
40Km:Δ T=7.5s
50Km:Δ T=8.8s
60Km:Δ T=1s
70Km:Δ T=Il.3s
80Km:Δ T=12.5s
90Km:Δ Τ=13.7s
10Km:Δ Τ=14.9s
地震波形識別及預警模塊對傳感器組所接收到的振動信號進行快速的干擾和強度識另O，在符合觸發(fā)報警條件時立即向被保護區(qū)的終端發(fā)出報警信號，整個識別觸發(fā)報警信號過程時間小于0.1秒。其各部分基本原理:
震動干擾和近強震識別:來自三個單點傳感器的電壓信號波形首先經(jīng)過幅度鑒別，如果都超過所設的閾值，還要進行相位比較，當初動到時差大于0.5ms時，判斷為近源干擾所致，與門電路輸出為“0”，CPU不對信號波形進行記錄處理，同時也不發(fā)出觸發(fā)指令。相反如果信號來自500米以遠的破壞性地震縱波，其三道信號初動到時差應小于0.5ms，此時與門輸出為“1”，CPU處理器立刻發(fā)出報警指令，同時進行波形記錄和烈度等級的識別估算，并將其發(fā)送至信息終端。
[0028]烈度等級識別估算:當經(jīng)過上述識別確定為近強震并發(fā)出報警觸發(fā)指令的同時，A/D將該地震縱波的前幾個波形記錄下來，并立即對其幅頻特征進行比對分析，估算出該地震對被保護區(qū)可能產(chǎn)生的烈度等級，其結(jié)果通過網(wǎng)絡數(shù)傳單元實時發(fā)送至信息終端(此過程一般小于0.25s)。
[0029]報警觸發(fā)信號實時傳輸:該功能主要由網(wǎng)絡數(shù)傳單元、VPN路由器和無線數(shù)傳信道完成。當接到CPU處理器發(fā)出的報警觸發(fā)指令時，網(wǎng)絡數(shù)傳單元通過VPN路由器和無線數(shù)傳信道向?qū)崟r連接局域網(wǎng)的信息終端發(fā)送報警指令，待烈度等級估算出來后(比報警指令晚0.2秒左右)，再向信息終端發(fā)送烈度等級。
[0030]報警觸發(fā):當預警信息終端PC機首先檢測到網(wǎng)絡傳來的某號報警單元觸發(fā)報警指令后，立即通過RS232串口觸發(fā)相應的聲、光報警器(帶有地震橫波還有多久到達的信息)。
[0031]震源信息測算及顯示:在觸發(fā)報警的同時，終端PC機對第二個請求觸發(fā)報警單元觸發(fā)指令的到時與第一個到時進行比較，即可得到震源的方位(如圖3所示)。主方位為第一個觸發(fā)的檢波器組方向上，偏向第二觸發(fā)檢波器組的角度與兩組檢波器組觸發(fā)的時差相關(最大不超過22.5° )。震中距可由第一觸發(fā)檢波器組的二次觸發(fā)時間差(即橫波觸發(fā)時刻-縱波觸發(fā)時刻)來確定。對本區(qū)域的破壞(烈度)等級，可由第一個觸發(fā)檢波器組的縱波幅頻特征來估算。當上述震源信息測算出來后即可顯示在相關的顯示屏上。
[0032]保護裝置的自動啟動:某些生命線工程項目，如油、氣管道，核電設施等和高速運行交通工具，如高鐵、高速電梯等必須在破壞性地震到來前關閉和停下來，以免造成嚴重的次生災害。該系統(tǒng)可預先向不同的局域網(wǎng)用戶發(fā)出關閉和制動的指令，也即上述的報警指令，自動啟動不同的保護裝置(非本專利產(chǎn)品設備)，以實現(xiàn)上述各系統(tǒng)的快速安全響應。
[0033]如圖9所示，本發(fā)明的第二實施例提供了一種破壞性近震快速反應觸發(fā)系統(tǒng)和方法，包括如下步驟:
St印1、多點檢測地震縱波；
Step 2、檢測地震縱波信號進行強度和相位處理，識別干擾信號；
Step 3、發(fā)現(xiàn)非干擾信號立即觸發(fā)報警信號，并記錄波形估算烈度等級；
Step 4、根據(jù)接收的觸發(fā)信號進行地震預警與預測。
[0034]具體的，所述的St印I進一步包括:
Step 11、在被保護區(qū)域周圍均勻分布多個傳感器組，每個傳感器組距離被保護區(qū)域邊界 20KM ；
Step 12、每個傳感器組設置多個單點傳感器；
Step 13、單電傳感器以大于或等于50米的間距一字排列于基巖上。
[0035]所述的Step 2進一步包括:
Step 21、多點檢測地震縱波時差大于0.5ms，識別為干擾信號，不進行操作；多點檢測地震縱波時差小于0.5ms,識別為非干擾信號，進入步驟Step 3。
[0036]所述的步驟St印4包括:
Step 41、報警觸發(fā)；
Step 42、震源信息測算及顯示；
Step 43、保護裝置的自動啟動。
[0037]上述各步驟的原理可以參照第一實施例中的工作原理，此處不再重復說明。
[0038]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的【技術領域】，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內(nèi)。
【權利要求】
1.一種破壞性近震快速反應觸發(fā)系統(tǒng)，其特征在于:包括傳感模塊、地震波形識別及預警模塊、預警信息終端，所述的傳感模塊布設在被保護區(qū)域的周圍的多個傳感器組，所述的每個傳感器組中包括多個單點傳感器，所述的地震波形識別及預警模塊包括與傳感器組連接的信號放大單元，所述的信號放大單元連接強度及相位識別單元，強度及相位識別單元連接電壓比較單元和中央處理單元，中央處理單元連接烈度等級估算單元和預警信號發(fā)送單元；所述的預警信息終端包括與預警信號發(fā)送單元連接的預警信息終端PC和與預警信息終端PC連接的報警裝置。
2.如權利要求1所述的破壞性近震快速反應觸發(fā)系統(tǒng)，其特征在于:所述的信號放大單元包括與一組傳感器組中的每個單電傳感器分別連接的信號放大器。
3.如權利要求2所述的破壞性近震快速反應觸發(fā)系統(tǒng)，其特征在于:所述的中央處理單元連接有設定比較值并進行電壓比較的電壓比較單元。
4.如權利要求3所述的破壞性近震快速反應觸發(fā)系統(tǒng)，其特征在于:所述的烈度等級估算單元包括用于記錄地震縱波波形的A/D單元。
5.如權利要求4所述的破壞性近震快速反應觸發(fā)系統(tǒng)，其特征在于:所述的多個傳感器組均勻分布在被保護區(qū)域周圍，每個傳感器組距離被保護區(qū)域邊界20KM。
6.如權利要求5所述的破壞性近震快速反應觸發(fā)系統(tǒng)，其特征在于:所述的單點傳感器按大于或等于50米的間距一字排列于基巖上。
7.—種破壞性近震快速反應觸發(fā)方法，其特征在于，包括如下步驟: Step 1、多點檢測地震縱波； Step 2、檢測地震縱波信號進行強度和相位處理，識別干擾信號； Step 3、發(fā)現(xiàn)非干擾信號立即觸發(fā)報警信號，并記錄波形估算烈度等級； Step 4、根據(jù)接收的觸發(fā)信號進行地震預警與預測。
8.如權利要求7所述的破壞性近震快速反應觸發(fā)方法，其特征在于:所述的StepI進一步包括: Step 11、在被保護區(qū)域周圍均勻分布多個傳感器組，每個傳感器組距離被保護區(qū)域邊界 20KM ； Step 12、每個傳感器組設置多個單點傳感器； Step 13、單電傳感器以大于或等于50米的間距一字排列于基巖上。
9.如權利要求8所述的破壞性近震快速反應觸發(fā)方法，其特征在于:所述的Step2進一步包括: Step 21、多點檢測地震縱波時差大于0.5ms，識別為干擾信號，不進行操作；多點檢測地震縱波時差小于0.5ms,識別為非干擾信號,進入步驟S3。
10.如權利要求9所述的破壞性近震快速反應觸發(fā)方法，其特征在于:所述的步驟Step4包括: Step 41、報警觸發(fā)； Step 42、震源信息測算及顯示； Step 43、保護裝置的自動啟動。
【文檔編號】G08B21/10GK104183092SQ201310196139
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2013年5月24日 優(yōu)先權日:2013年5月24日
【發(fā)明者】柴劍勇, 王雄健 申請人:陽江市地震局