地震预警数据采集论文

摘要：对地震烈度速报与预警台站选址时涉及到的台站布局、台站选址与台址测试要点、台址环境地噪声要求等相关问题进行了讨论，提出了供参考的具体建议，可作为地震烈度速报与预警台站建设规范的补充材料，供大家在开展相关工作时参考。今天小编为大家推荐《地震预警数据采集论文 (精选3篇)》，欢迎大家借鉴与参考，希望对大家有所帮助！

地震预警数据采集论文 篇1：

地震预警国家网络如何织成

地震预警在此次的“4·20”芦山地震中效果引人注目。震中地震预警台站在地震灾害还未形成前，从震中向外发送地震信息，预警系统在主震发生后第5秒发出了地震预警信息，成都市提前28秒、汶川县提前43秒、北川县提前53秒收到地震预警信息。

2013年5月28日，中国第一个具备地震预警和烈度速报能力的工程通过验收，这意味着我国地震预警技术正在迈过从研究到应用的门槛。

然而，地震预警在中国的突破，仍然面临着复杂的困境。因为存有误报、漏报、错报的风险，相应的法律、法规仍然缺位。在这一背景下，中国的地震预警能力究竟已达到何种水平?近年来又是如何提升的?本刊记者与地震局系统相关专家进行了深入探讨。

支持“中国特色”预警方法

芦山地震1分钟后，当时，中国地震台网速报自动测定5. 9级，之后修订为7级，震级偏差较大。

中国地震台网中心主任潘怀文在2013年4月20日中午召开的新闻通报会上表示：如何改进这个系统提高其准确性，还需要进一步的努力。这意味着中国地震预警系统本身还需要大的改善。

值得关注的是，中国目前虽然没有建成覆盖全国的地震预警系统，但预警项目建设事实上早已启动。

从2000年开始，中国地震专家，开始对地震预警系统进行探索性研究。正式启动全面的技术研究和系统建设则是在汶川地震之后。2008年8月，中国地震局向科技部提交国家科技施工计划，“地震预报系统”的建设被列入国家计划序列。2009年12月得到批准，并开始实施。

“当时作为科技部的项目，并不是一个建设项目，只是一个科研项目，最初的目的就是从技术上解决地震预警的系统和软件问题。”中国地震局工程力学研究所副研究员马强向《瞭望东方周刊》记者回忆道。

从2000年开始，国内开始地震预警技术的跟踪研究，已逐步形成了成套的关键技术，比如地震数据的实时处理，包括如何判别是否地震事件，如何进行在预警级别的秒级的定位等等。在实时连续测定震级、数据的可靠性判定上，作了方法的创新，提升了地震预警系统的可靠性。

在这些方法的基础上，福建省地震局研发了专业的地震预测软件，包括地震基本参数的基本测定、烈度速报系统的软件等，同时形成了支撑软件的平台，实时数据流的共享平台、地震预警信息发布的平台，模拟在线预警环境的平台。

“现有的预警方法和系统，我们确实借鉴了美国、日本已有的优点，但是也针对中国地震监测台网的分布实际，进行了中国特色的创新。”马强解释说，中国地震监测数据的处理以秒级来计算的，基于实时的方法，有别于传统的地震学关于地震参数确定的方法。

这些中国特色的创新，主要针对地震预警的关键技术包括系统软件的研发以及地震台网的实验，支持创新的正是中国地震局从2009年开始启动的项目“地震预警与烈度速报系统的研究与示范应用”项目，属于国家科技新计划项目。

据悉，该项目2013年3月进入发改委立项程序，计划投入近20亿元，将利用5年时间，建设覆盖全国的由5000多个台站组成的国家地震烈度速报与预警系统。这20亿元的“预警项目”，可以说是2008年以后地震研究领域最大的一笔投入。

福建、首都圈两地先行试验

随着项目投入力度的升级，地震预警不再停留在单纯的研发层面，而是实地开展地震预警能力提升的实验，实验的地点选在了两个地区：福建和首都圈。

中国地震局地球物理研究所研究员杨大克告诉《瞭望东方周刊》，选择福建地区和首都圈地区，是因为福建地区处于东南沿海的地震带，且当地的地震监测台站比较密集，具备在线试验的硬件条件。首都圈地区硬件条件也相应具备。

2012年9月，福建省依托现有的125个地震监测台站，实现了在线的地震预警系统运行，在技术上依次成功处理了2012年9月福建长乐海域3. 3级的地震、福建仙游2. 5级地震，还包括台湾海域的地震，2012年10月台湾高雄地震、2013年2月台湾花莲4. 8级地震，2013年3月的台湾南投县6. 5级地震。

“试验的系统都进行了地震预警信息产出的处理，虽然没有对外界发布，但技术上已经达到了想要的效果。”马强说，“其实对小级别的地震做预警是没有意义的，现在只是试验和示范阶段，所以小的震级、大的震级都会去处理。震级和烈度必须达到一定程度，才会正式向社会发布。”

那么，眼下中国地震预警究竟可以做到何种程度?马强解释说，在破坏性地震发生后，技术上，中国可以实现地震预警信息的无缝产生。

简单而言，第一步是在地震发生后若干秒内，就能产出地震预警的信息，包括震源的位置、震级大小等;第二步是在1至2分钟内，形成地震基本参数的连续产出，包括比较准确的发生时刻、震源位置、震级大小;5到10分钟内，可以知道哪个地方震动比较大，震动有多大，也就是地震烈度的分布。

从技术上看，地震预警在中国的区域范围内已经成熟。另据悉，从今年开始，会扩大上述试验的范围。

芦山地震预警延时23秒背后

地震预警试验的系统还接入了云南省、四川省地震监测台站的数据，从而组成一个虚拟的地震监测台网。芦山地震发生时，该系统进行了在线的监测数据处理，可惜，时间上延迟了23秒。

为何延时23秒?从表面看，这一次试验系统对雅安地震的预警处理不成功，是因为示范区域并不包括四川地区。

这次处理需要从福建地区接入四川、云南的台网数据，数据从四川的监测台站传输到国家的地震台网中心，再从国家的台网中心分发到福建的地震台网监测中心，而且当时芦山镇周围的监测地震台站分布稀疏，台网不够密集，要等到一到两个台同时触发以后才能给出最后的结果，所以数据传输有较大的延迟。

而且，处于试验阶段的福建省地震台网中心依托的是老式台网设备，新建的台网考虑数据延时要求在1秒之内。马强说，按照这一标准，福建的台站现已经在改造中。

“大部分地震监测台站是属地化管理，台站监测数据从现场传输至省一级的台网中心，省级中心处理的同时也向国家中心转发。从传输的链度上看有些长，环节有些复杂。”杨大克说。

数据传输技术缺陷也是存在的，虽然2008年以来，地震监测数据传输尽量利用当地可能的条件，各种手段都在更新，部分台站建立了地面光纤，有些甚至利用卫星传输数据。然而，眼下为了提高实时性，发挥地震预警的效果，仍要把数据通信的时间压缩、再压缩。

县级行政单位至少要建立一个强震观测台

在地震预警能力的提升中，“地震台网的建设密度”是反复提及的话题，按照业内人士的想法，台网布设越密集，就能越早捕获到地震波，有效预警。

汶川地震之前，中国地震台网的布局是：每万平方公里不到两个台站，两个相邻的台站间距在100公里左右。此后几年，在地震多的沿海地区，因为经济条件好，投入增高，台网建设密度大为改善。

2008年福建省地震监测台站的间距在 50公里左右，2009年“地震预警与烈度速报系统的研究与示范应用”项目支撑下，福建省地震监测台站的台间距缩短为30公里左右。“在这种条件下做地震预警，只能按照秒级去抢速度，才有时效。”杨大克感叹。

杨大克指出，其实，在四川所属的南北地震带，国家已经投入很多力量，虽然比不上东部沿海地区，但是与中部、西部其他地区比，此条带上的台站建设密度已经比较高，达到70至100公里之间。但是，地震预警系统要发挥真正的作用，台站的密度最好能在30公里左右，不能超过50公里。

根据规划，今后将对西部很多地区开始台网的加密建设。全国范围内，五年内县级行政单位至少要建立一个强震观测台。包括华北在内的四个重点地区将会加强台网密度的建设。

在台网的密集建设上，目前，成都高新减灾研究所建设的地震预警系统覆盖面积40万平方公里，超过了日本地震预警系统所覆盖的37. 7万平方公里。

地震局要做的是国家工程，涉及系统的专业数据和具体的标准。专业性的台网，在地震多发区需要有一定的密度，但也不能布设得过于密集，原因就是地震监测台站的造价太高。“除了选址有很高的标准，还有基建项目包括数据采集器、传感器等仪器、仪器室、数据通信线路等，平均下来，一个台站建设成本最低50万。”马强称地震局对成都高新减灾研究所有过关注和支持，该所的台网建设技术简单、造价很低，可以在小的区域内密集分布。

“民间机构对于地震台网的建设也表现出了极大的兴趣，我们的防震减灾法规定，国家的大网建设好了，在一些地震高发地带，鼓励社会资本和力量进入建设，这是有益的补充。”杨大克说。

然而，地震预警不只需要技术层面的突破，还存在很多潜在的制度困境，比如一旦发布预警信息后，如果信息错误怎么办。当前地震局正在着手准备相应的法规草案。

马强告诉本刊记者，地震局系统并不打算对预警问题做更多宣传，他本人接受采访，只想客观反映我国地震预警技术和研究的新发展，希望舆论不会因此产生更多误解。

作者：李静

地震预警数据采集论文 篇2：

地震烈度速报与预警台站选址相关问题探讨

摘要：对地震烈度速报与预警台站选址时涉及到的台站布局、台站选址与台址测试要点、台址环境地噪声要求等相关问题进行了讨论，提出了供参考的具体建议，可作为地震烈度速报与预警台站建设规范的补充材料，供大家在开展相关工作时参考。

关键词：地震烈度速报;地震预警;台站选址

0引言

《地震台站代码》(DB/T 4—2003)中指出，地震台站是开展地震观测的基础机构，其建设涉及到台站空间位置的选址、台址噪声的测试、台站的土建等多方面内容。台站建设优劣在很大程度上决定了其观测资料的质量、台网功能和性能的实现、台站运维成本的高低等，可以说，台站建设虽工程量小，却是一项涉及内容多、技术要求高的综合工程，且台站建设完成后，考虑投资因素，一般情况下不便再迁址重建，因此，对台站建设要给予足够的重视，需精心设计、优质施工。

目前，我国已建成不同形式的多个地震烈度速报和预警系统，如福建省地震局在2011年建成了由125个台站组成的福建地震烈度速报与预警示范系统;中国地震局地球物理研究所和河北省地震局在2013年建成了由150个台站组成的唐山地震烈度速报和预警试验系统;甘肃省地震局在2015年建成了由80个台站组成的兰州地震预警示范系统;中国地震局地球物理研究所在2015年建成了由104个台站组成的首都圈地震预警示范系统等。在2016年底，还将建成由220个台站构成的京津冀地震预警协同网、由300个台站构成的福建地震预警实验网、由270个台站构成的川滇地震预警验证网①。此外，即将实施的国家地震烈度速报与预警工程项目将建设地震烈度速报与预警台站15 000多个，将实现在地震发生后，首台触发3 s内原地报警，4～6 s生成地震预警第一报信息，震后3 min内生成实测地震烈度速报信息，10 min内生成地震烈度分布图②。在如此短时间内要产出地震预警和烈度信息，对台站位置分布、台站建设等提出了更高的要求。同时，随着社会经济的发展，环境地噪声干扰不断增大，也对台站位置选择构成了不同程度的约束。如何进行地震烈度速报和预警台站的选台和建台成为一个亟需认真研究的问题。笔者作为第一起草人曾编制过《地震台站建设规范地震烈度速报与预警台站》(DB/T 60—2015)，但由于规范对内容描述有严谨的要求，某些内容在实际工作中需要，但未在规范文本中反映。本文探讨的内容可作为规范的补充材料，供大家在进行地震烈度速报与预警台站设计或建设时参考借鉴。

在本文中，地震烈度速报和预警台站可以是基准站、基本站和一般站。地震预警盲区指的是不能在破坏性地震动到达前提供地震预警信息的地区，一般是以震中为圆心的圆形区域。预警目标区指需要提供地震预警服务的目标或区域范围，一般是居民区、生命线工程、重要工业设施等。地震预警时间指破坏性地震动到达时刻和接收到地震预警信息时刻的时间差。

1台站布局与地震预警

在地震预警系统的设计中，台站整体布局及其具体位置确定对预警效果影响显著，需要在系统建设之前对其影响做出评估或分析。

11单台预(报)警地震预警盲区估算

地震台网实际地震预警盲区范围的精确计算需要对地下速度结构有详细的了解，但对于预警台站位置的初步选择，可以在符合目标或任务要求的前提下，进行条件假设和近似估算以作为台站位置确定的参考依据。

对单个台站，可利用其P波n秒数据计算地震基本参数，对本地或异地S波造成破坏提供预(报)警信息。在地震波速是一维分层均匀近似情况下，有如下关系：

式中，Δ1为检测到P波台站的震中距，单位为km;Δ2为接收预警信息处的震中距，单位为km;h为震源深度，单位为km;VP为P波速度，单位为km/s;VS为S波速度，单位为km/s;t0为系统用时，单位为s，包括数据打包封装、信号传输、计算地震参数的波形长度(n秒)、地震参数计算和判定、预警信息发布与接收等所用的时间;t为可提供的预警时间，单位为s。

(1)单台预(报)警最小地震预警盲区估算。可理想地假设震源距最近的台站在震中位置，即取Δ1=0、Δ2=Δ，则由式(1)得到：

(2)若仅考虑100 km震中距范围，则P波和S波主要是Pg和Sg波，且考慮浅源地震、近台记录，取地壳上层厚度为22 km，且在地壳上层

，系统用时取t0=40 s。

若分别取预警时间t等于00 s和30 s，则由式(2)可得到不同深度地震的单台预(报)警最小盲区距离，如表1和图1所示。由表1可见，在上述条件下，若预警时间为00 s，震源深度在100～150 km时，预警盲区最大，为168 km;若预警时间30 s，震源深度220 km时，预警盲区最大，为297 km。地震研究40卷第1期何少林：地震烈度速报与预警台站选址相关问题探讨

(2)单台预(报)警地震预警盲区估算。假设震源深度10 km，取预警时间t=0 s，则不同震中距台站的预警盲区距离估计如表2和图2所示。

2单台预(报)警最大预警时间估算

对单个台站，利用其P波n秒数据计算地震基本参数，对本地或异地S波破坏提供预警信息，在地震波速是一维分层均匀近似情况下，假设震源距最近的台站在震中位置，由式(2)式得出：

若仅考虑100 km范围，则P波和S波主要是Pg和Sg波。且考虑浅源地震、近台记录，假设地震震源在上地壳，取VP=VPg=57 km/s、VS=VSg=34 km/s、h=10 km、系统用时取t0=40 s，则由式(3)得到不同震中距时的最大预警时间(假设台站震中距为00 km)，如表3和图3所示。

3多台预警地震预警盲区估算

如采用2个台站预警，理想情况是地震震中在2个台站连线的中间，此时，地震预警盲区最小。取2台站间距为L(km)，则台站间距和预警盲区的关系为(杨陈，2013)若仅考虑100 km震中距范围，则P波和S波主要是Pg和Sg波。且考虑浅源地震，取震源深度h=8 km，且在地壳上层Vp=VPg=57 km/s、VS=VSg=34 km/s，系统用时取t0=40 s，取预警时间为t=0 s，由式(4)可得到2台站间距和预警盲区对应关系。同样，在相同条件下，也可得到3台站预警时，台站间距和预警盲区的对应关系，如表4和图4所示。

从图1～4可看出：

(1)对相同震源深度地震，台站间距减小(台站密度增加)，地震预警盲区减小，但台站间距减小与地震预警盲区减小是非线性关系。(2)随震源深度增加，预警盲区先增加，之后减小。对于浅源地震，当台间距低于某个值时，预警盲区趋于一个常值。对于较深的地震，稀疏的台站分布也可满足预警需求，且震源深度达到一定值时，将不存在地震预警盲区。

(3)需要提供的预警时间越长，预警盲区越大。

(4)减少计算地震参数所需要的台站数，盲区的半径也会减小。当台站间距较大时，减少计算地震参数所需台站数，地震预警盲区的减少较明显;但台站间距较小时，减少计算地震参数所需台站数，地震预警盲区的减少不明显。即对台站密度较小的台网，可减少计算地震参数所需台站数，缩小地震预警盲区。对台站密度较大的台网，可采用较多的台站计算地震参数，以保证结果的可靠性。

2台站布局与烈度速报

对于完全基于仪器观测值进行实测的地震烈度速报，或在实测地震烈度基础上经过插值后进行地震烈度速报的台网，台站的空间分布也很重要，它将影响烈度速报的准确性，因此，需要对台站分布和不同区域烈度衰减关系做分析，以便指导台网台站布局设计。

汪素云等(2000)采用椭圆长短轴联合衰减的模型，给出了中国西部地区的烈度衰减关系，如式(5)、(6)所示，以及中国东部地区的烈度衰减关系，如式(7)、(8)所示。

中国西北地区长轴方向

由式(5)～(8)计算可知，中国地区地震烈度衰减Ⅰ度，短轴半径差最小在6～17 km，长轴半径差最小在14～27 km。

3台网台站布局建议

地震台网的地震烈度速报和预警性能依赖于台站分布。初步总结前面的分析，给出如下台网台站布局建议。

31总则

(1)台站在整体上的布局应满足地震烈度速报和预警服务能力的要求。单个台站位置的确定宜符合《地震台站建设规范 地震烈度速报与预警台站》(DB/T 60—2015)中第4章“台站选址”和第5章“台址测试”的规定。

(2)台站整体布局宜考虑烈度速报和预警目标区内已运行、可共享，且可用于地震烈度速报和预警服务的其他类型台站的分布。

(3)台站间距决定了地震预警盲区的大小。在相同的条件下，台站间距越大，地震预警盲区越大。

(4)台站应包围潜在震源区，台站宜离潜在震源区尽量近。

(5)在无法预测潜在震源区时，台站宜包围烈度速报和预警目标区。

(6)在无法预测潜在震源区和不能确定烈度速报和预警目标区时，台站宜大体均匀分布。

32台站间距

(1)在潜在震源区，台站间距可在8～10 km。

(2)在预警目标区，为提供尽可能多的地震预警时间，台站宜离预警目标区在2 s地震波传播距离外。

(3)当台站大体均匀分布时，对浅源地震，台站平均间距应不大于20 km，宜在8～12 km。具体确定台站间距时，可参照台间距和目标区地震烈度衰减、地震预警盲区的依赖关系。对中源和深源地震，台站间距小于50 km，对缩小预警盲区意义不大。

33计算地震参数前时间的估计

对地震预警服务，当台网的台站布局确定后，可根据计算地震参数需要的台站数估计某个地震从发震到计算地震参数时需要的时间。对一定区域内每个震中进行估计，可得到台网在一定区域内从发震到计算地震参数时需要的时间分布，据此，可为估计台网地震预警能力提供参考数据。

4台站选址和台址测试

41台站选址

台站选址是建设高品质台网的基础，台址的环境条件直接影响台站产出数据的质量和台网效能的实现。台站选址时地理位置要符合整体台网的功能和性能的需求，观测环境条件要满足台站观测环境技术要求，同时还要兼顾通信、供电、避雷、交通、安全、维护条件以及長期观测需要。

台站选址的过程可分为初步勘选(图上作业)、现场踏勘、场地测试、编写勘选报告和台址确定5个阶段，如图5所示。

单个台站的勘选报告中应包括：

(1)主要测试设备(至少包括传感器和数据采集器)的描述(如型号、编号、生成厂家、主要技术参数)、仪器标定原始波形数据、标定波形处理分析(如处理程序来源、处理得到的仪器工作参数、仪器工作是否正常)。

(2)台址环境地噪声测试。包括仪器测试参数设置、测试环境条件、测试原始波形数据。

(3)测试数据的处理。包括测试时间说明、原始数据预处理说明、数据处理公式、处理软件说明、处理结果(如表和图)。

(4)传输信道说明。

(5)结论和说明。包括处理结果、判定依据、判定结论，相关说明。

当所有台址确定后，对地震烈度速报和预警台网，应有台网台站勘选总报告，内容至少包括：

(1)台站信息汇总表。包括经度、纬度、高程、台址地理位置、场地岩性、噪声处理结果、场地噪声类型、通讯方式、供电方式、交通条件、场地权属、用地方式等。

(2)台站位置分布图。

(3)台址噪声分布图。

(4)台站间距的分段统计表和图。

(5)台网能力预估。对照台网建设功能和性能指标进行评估，如台网地震监测能力、台网烈度速报能力、台网预警能力等。

42台址测试

台址选定后要进行台址测试，包括以下要点：

(1)测试仪器采样率宜尽量大，不应低于100点/秒，以采集到高频脉动。

(2)测试仪器在保证不限幅条件下，宜使测试数据值尽量大，以采集到小振幅脉动。

(3)测试前和结束时，应在测试现场对仪器进行标定，以保证测试仪器正常、测试仪器参数设置合理，进而保证测试数据的正确性。

(4)应对测试点进行处理，即清除表面分化层，并做平整处理作为测试面。安放地震计后，应采取减少环境干扰措施，如加儀器罩、周围密封等。

(5)做好测试的详细记录，包括文字和照片资料。

5台址环境地噪声要求探讨

台址环境地噪声是具体地点的地噪声，它是背景地噪声和其他干扰地噪声的总和。台址环境地噪声水平决定了台站能记录到地震的下限，也决定了台网的地震监测能力，是台站选址的最重要约束指标。

(1)《地震台站观测环境技术要求 第1部分：测震》(GB/T 195311—2004)42节中规定：Ⅰ级环境地噪声水平为小于316×10-8 m/s。依据宽频带面波震级MS(BB)(地震震级的规定，GB/T 17740—2016)可知，在震中距1°处，此噪声相当于10级地震的最大幅度。

(2)若有2个台站，震中距分别为Δ1和Δ2，观测的速度最大振幅分别为(Vmax)1和(Vmax)2，对同一个地震，假设①：测定宽频带面波震级MS(BB)，有：

假设②：台站间距减小，使震中距减少1倍，即Δ2=Δ1/2，则由式(10)得到：(Vmax)2=316×(Vmax)1。即：保证监测能力不变的前提下，震中距减小1倍(减小到1/2)，地震最大幅度增加316倍;震中距再减小1倍(减小到1/4)，地震最大幅度增加10(≈316×316)倍。若认为地震最大振幅和初动有相似的衰减特性，则可近似认为，记录同样的地震，当震中距减小1倍(减小到1/2)时，环境地噪声允许增加316倍。当震中距再减小1倍时(减小到1/4)，环境地噪声也允许增加10倍。

(3)估算示例。若有一台站，记录MS(BB)=05地震，其震中距为Δ=2°，则根据式(9)，计算得到：Vmax=315×10-9 m/s。按照上述(2)中的结论简单推测，若震中距减小到69 km，即每次震中距减少一半，减少5次，则此处的Vmax=315×10-9×3165=993×10-7 m/s，若近似认为波形最大振幅是初至波最大振幅的8倍，则MS(BB)=05地震，在震中距69 km处，初至波最大振幅约为993×10-7/8=124×10-7 m/s，更进一步假设认为允许的噪声是信号的1/2，即若在69 km处能记录MS(BB)=05地震，可允许的台址噪声是62×10-8 m/s，即允许台址是Ⅱ级环境地噪声水平。

综上，可得出：

(1)不同类型的台站选址应满足其对环境地噪声的要求。

(2)对相同的监测能力，当台站间距减小(台站密度增加)时，对台址环境地噪声的要求会降低，即允许相对高的环境地噪声水平。

(3)若近似认为地震波形最大振幅是初至波最大振幅的8倍，则对MS(BB)=05地震，在震中距7 km处，初至波最大振幅约为124×10-7 m/s，允许的噪声可是62×10-8 m/s，即允许台址是Ⅱ级环境地噪声水平。

(4)当某些特殊地点必须安装仪器进行地震烈度速报或预警时，可根据该地点地震烈度速报或预警震级的下限，计算该地点需监测的最小地面振动的加速度或速度峰值，台址最大环境地噪声加速度或速度峰值不应大于该地点需检测的最小地面振动的加速度或速度峰值的1/2。

(5)其它目的的台站选址，可根据观测目的进行专门的研究和确定。

6小结

地震烈度速报与预警台网要求在尽可能短的时间内提供信息服务，其台站布局和选址不同于以地震基本参数速报为目的的地震台网，在建设烈度速报与预警台网前，要根据建设目的，对台站布局、选址等有关问题进行全面、详细的设计，并对拟建台网的功能和性能进行评估，以保证所建台网功能实现、性能优异。

参考文献：

杨陈2013中国地震预警系统建设的几个关键问题[J].工程研究-跨学科视野中的工程，5(4)：354-364

汪素云，俞言祥，高阿甲，等2000中国分区地震动衰减关系的确定[J].中国地震，16(2)：99-106

DB/T 4—2003，地震台站代码[S].

DB/T 60—2015，地震台站建设规范 地震烈度速报与预警台站[S].

GB/T 17740—2016，地震震级的规定[S].

GB/T 195311—2004，地震台站观测环境技术要求 第1部分：测震[S].

作者：何少林

地震预警数据采集论文 篇3：

滑坡监测预警系统的研究与实现

摘要：本文分析我国现行滑坡监测预警系统存在的不足，结合实践经验，基于滑坡监测预警技术和岩石破裂理论，提出一款由滑坡探测器、数据采集中转站、监控中心监测系统三部分构成的滑坡智能监测预警系统，该系统具有集成度高，预警信息发布准确、迅速等特点，为滑坡预警监测提供一种新的监测手段。

关键词：滑坡;监测;预警系统;研究

1、前言

滑坡、崩塌、泥石流、地震是我国危害最大的地质灾害。近年来我国大力推动地质灾害的专业监测预警工作，建立了大量地质灾害专业监测示范点，为防灾减灾发挥了引领示范作用。但地质灾害专业监测在实施过程中也存在一些问题，如监测设备不智能、监测方案不科学、预警模型无法满足需求等，使专业监测预警未充分发挥作用。

2、提出问题

通过实践研究，本文从滑坡监测参数、供电问题、监测采集频率、信号传输、滑坡预警模型、设备自检等六方面分析研究我国现行主流滑坡监测预警系统存在的缺陷，并提出改进建议。

2.1 滑坡监测参数

滑坡监测参数通常可划分为五类：物理参数、变形参数、机理参数、诱发参数和间接参数。1.物理参数，实践中将声发射数和射气量变化两个指标作为滑坡预报物理指标。2.变形参数，各种试验证明，位移是一个容易测量和获得的特征变量，它能够反映岩土体的变形破坏特征。3.机理参数，滑坡机理预测参数指的是表示滑坡地质灾害变形作用机理的参数。4.诱发参数，滑坡预报的诱发参数指的是诱发滑坡活动的参数。降雨量、人工幵挖坡脚、地表水和地下水作用是其常用指标。这些参数不是滑坡变形的本质参数，但却是导致滑坡发生的主要诱发因素。在宏观上讲，降雨量也可作为中长期预报的参数。5.间接参数，滑坡间接预报参数是指难以准确量化的滑坡监测指标，通过特殊的理论分析，用定量的指标表示分散且模糊不清的信息。

目前我国滑坡地表监测参数以位移、加速度指标为主，通过监测点布置GNSS接收或位移传感器、加速度传感器实施监测，但无法无法监测深部岩体变形，对于突发滑坡也无法预警。然而确定滑坡监测参数，要考虑滑坡的变形破坏特征与监测技术的可行性，坚持多参数综合分析、整体监测与动态预测的原则。国内学者有采用多种探测器采集监测点多参数的报道，但现场组网、安装、信号传输难度大;因而集成监测传感器、处理器、供电和远程通信于一体化的智能监测设备，大大降低监测设备被篡改和破坏的风险，是未来的研究热点之一。

2.2 供电问题

采用拉线方式给野外滑坡监测设备供电的方式，施工难度大，长距离输电会造成电压不稳定，受限较多;当前许多监测设备已升级采用光伏发电的供电方案，即通过立杆支架连接太阳能板，再配合大容量蓄电池组成供电模块，确保设备长期监测的用电需求，但在实际监测过程中发现，设备零部件多、体积较大，增加了偏远山区运输的难度，也使后期维护工作量大大增加。使监测设备的供电模块轻量化，功耗低，不依靠外部供电就能保证正常工作是未来研究的热点。

2.3 监测频率

目前主流的监测设备为了节省设备功耗，无法实现不间断监測，以GNSS接收机为例，通常是0.5～2小时监测一次，监测频率依靠人工设置，这将造成突发型滑坡和崩塌无法获取有效监测数据，产生漏报预警信息的严重后果。

贵州龙井村滑坡布设的常规 GPS 监测站，在 2019 年 2 月 17 日凌晨滑坡发生前，常规 GPS 获取的累计位移刚开始加速时，滑坡已经发生。同样在 2017年发生在甘肃黑方台的党川4#突发型黄土滑坡也出现了常规 GPS 未获取滑坡加速变形阶段的数据，导致漏报预警信息的问题[1]。由此可见，具备不间断监测或智能调节监测频率的设备是获取隐患点有效监测数据的重要条件，但在变频触发响应时间，监测频率变化幅度等具体技术上还有很大的发展空间。

2.4 数据传输

滑坡监测预警即是针对信息的采集、传输、处理与发布过程，监测数据传输的实时性与可靠性至关重要。目前数据远程传输主要包括有线和无线两种方式。

2.4.1有线方式

通常受滑坡监测区域环境复杂、线路架设和电源供给难等限制， 使得有线系统部署起来非常困难，系统维护十分不便;并且监测节点传感器是通过导线串联起来的，当某个传感器节点发生故障时， 会影响其他节点正常工作， 不能及时的为预警提供充分的数据支持， 从而影响系统的可靠性。

2.4.2无线方式

对于远程无线传输，广泛采用的是基于移动通信技术的传输方式，包括 GPRS、CDMA 及 4G 网络等;对于其他无线方式如北斗(BDS)GPS、GIS的数据采集终端， 成本高，卫星数较少、分布不均衡，面向民用领域的数据传输应用领域还存在一定的局限性;合成孔径雷达干涉测量( InSAR)， 虽然具有全天候、连续获取信息和高空间分辨率的特点， 但该方法对干涉相位图像质量要求高， 需要高分辨率的卫星遥感图像， 这些决定了它不适合大范围推广与应用。无线传感器网络(WSNs)的传感器节点计算能力和数据存储空间都比其它的终端差，若节点停止工作，网络拓扑结构也会因此发生变化，数据采集的有效性会受到影响。

随着现代通信技术的不断更新，我国行政村4G覆盖率已经超过98%，同时5G发展迅速，能够满足用户对更大容量数据远程无线传输的高效性与可靠性要求。

2.5 滑坡预警模型

基于智能监测设备和科学合理的监测方案，可以准确获取监测点的监测参数( 如位移、加速度、降雨量等) ，而最关键的问题还是根据监测数据分析所建立的滑坡预警模型，建立对滑坡灾害的内部量变演化至外部质变的长期监控，做到在地质内部变形滑动发生之前及时发现并进行预警防治。

目前滑坡监测预警技术一般采用阈值模型进行简单的判断，以变形、雨量等因素达到某一阈值后进行对应等级的预警。以泥石流为例，降雨是诱发泥石流的关键要素，近年来基于过程化的泥石流临界雨量模型是总结分析前期降雨量、降雨持续时间、累计总降雨量等关键降雨特征参数[2]而建立起来的，并且在汶川地震三大片区多次成功预警[3]。贵州龙井村滑坡成功预警，很大程度上得益于建立了过程化的变形切线角预警模型[4]。

但现有的预警模型并未考虑多源数据融合问题，即针对某一灾害点虽然布设了多个监测设备，但监测数据的分析预警都是单一设备各自发布，而滑坡的发生需要综合考虑各个监测设备的数据信息，确保准确判断滑坡点的发展趋势和危险性，同时阈值的确定也不尽合理。

贵州龙井村在滑坡隐患点布设了6台位移监测设备，其中，4#位移计布设在一块不稳定的岩石上，在2019年2月11日凌晨，由于滑坡变形使该岩石沿张开的裂缝下坠，导致该位移计的监测数据产生了明显激增，并触发了过程化的红色预警，但实质上整个坡体仍然相对稳定，其余监测设备也并未发出报警，在这一过程中单一设备的报警并不代表滑坡即将失稳破坏;而滑坡真正发生的 2019 年 2 月 17 日凌晨，剩余 5 台自动位移计监测数据一致出现加速状态并几乎同时发出了预警信息，从整体上反映出滑坡全面失稳的过程[6]。由此说明，过程化预警模型中多源数据协同的预警技术方法也是今后需要进一步发展的方向。

2.6 设备自检

滑坡监测设备的状态检查、故障判断、数据发送完整性检查大多还依靠人工，对于安装在偏远山区的监测设备来说，设备的智能化自我管理和自我检测显得尤为重要，这方面还需要进一步的发展。

针对滑坡监测预警系统的上述缺陷，笔者通过前期的研究，在滑坡监测系统的监测工作方法，智能化监测设备的传感器集成、供电、数据传输、滑坡预警模型建立等方面取得了一定成果。

3、解决方案

笔者基于滑坡监测预警技术和岩石破裂理论，结合滑坡监测数据的采集、传输、利用机理，按照“指标智能监测、信号自主传输、险情自动预警”的设计理念，通过滑坡监测预警设备的集成创新，研制一款由滑坡探测器、数据采集中转站、监控中心监测系统三部分构成的滑坡智能监测预警系统(原理图如图1)。

3.1关键技术

3.1.1滑坡探测器设计

根据“滑坡发生前，岩石的微小变形均会导致地磁感强度、磁偏角、磁倾角变化”的机理，通过监测地磁变化作为预警滑坡发生的核心指标。滑坡探测器采用工业塑料外壳，呈圆柱体，截面直径8～10cm，高0.6～0.8m，内部集成震动传感器、地磁场传感器、倾角传感器、加速度传感、数据处理器、供电模块、干电池、433MHz无线电通信模块、定时开关控制器等元器件。其工作原理：震动传感器探测到微震动→供电模块触发电池向地磁场传感器、倾角传感器、加速度传感器、数据处理器、无线电通信模块供电→探测磁偏角、倾斜角、加速度的变量→数据处理器根据预设算法计算磁偏角、倾斜角、加速度参数，若达到阈值，将磁偏角、倾斜角、加速度参数和滑坡探测器代码(代码预存储在数据处理器中)→433MHz无线电通信模块→数据采集中转站;若监测点的磁偏角、倾斜角、加速度无异常，在每天某一指定时刻，定时开关控制器激活数据处理器，通过无线电通信模块向数据采集中转站发送自检信号。安装方法：在滑坡监测点，将该探测器竖直进入岩土层约30cm(无需安装混凝土底座)、夯实、校正。

3.1.2数据采集中转站设计

数据采集中转站具备接收多个滑坡探测器信号、滑坡点判断、报警器报警、险情广播、向监控中心监控系统发送信号等功能。采用薄壁金属外壳，呈长方体，内部为空腔，截面尺寸约为35×35cm，高约1.2～1.4m，集成无线电接收模块、数据处理模块、光伏发电系统(太阳能电池板功率20W、蓄电池60AH)、供电模块、翻斗式雨量计(承雨口径：200mm)、报警器、4G通信模块等。工作原理：无线电接收模块接收滑坡探测器信号→数据处理模块判定滑坡发生点的位置和预警级别→触发安装在数据中转站上的报警器或广播，播报预警信息(若未达到相应预警级别则不警报，直接将信号传递至下一级)→4G移动通信模块将滑坡探测器代码和磁偏角、倾斜角、加速度参数通过移动网络发送到监控中心监测系统;若为滑坡探测器的每日自检信号，数据处理模块直接通过4G通信模块将自检信号发送给监控中心监测系统。翻斗式雨量计用于监测降雨临界值和土壤含水，作为判断滑坡的辅助参数。安装方法：安装在滑坡监测点附近的居民区或边坡的高位，通过地脚螺丝与地面固定牢。

3.1.3监控中心监测系统设计

监控中心监测系统具备接收数据采集中转站数据、滑坡监测模型动态曲线、自动呼叫险情负责人、动态显示各滑坡探测器状态、监测数据存储管理、历史监测数据查询、警报数据查询、数据收发接口管理、自动生成报表、系统维护管理等功能。

图1 滑坡智能监测预警系统原理图

3.2技术分析

3.2.1系统架构及滑坡监测工作方式创新

笔者对滑坡监测系统架构及滑坡监测工作方式方面进行了改革创新，特别是滑坡探测器、数据采集中转站、监控中心监测系统三者集成度高，衔接性强、依次递进;预警信息发布准确、迅速;便于批量生产和推广。

3.2.2滑坡监测数据采集器集成创新

在滑坡探测器内集成传感器作为数据采集器，以地磁场为核心监测指标，通过监测地磁变化等作为预判滑坡的监测工作方式;突破当前市场主流滑坡监测器采用GNSS接收机作为数据采集器，依托卫星定位系統，以监测点坐标变化为监测指标，仅在较大滑坡发生时才警报的工作方式。滑坡探测器最小倾斜监测精度达0.1°，达到国内领先水平，能够对滑坡进行预警，最大化保障人民生命财产安全。

3.2.3滑坡探测器供电方式创新

滑坡探测器采用分级触发式供电，通过供电模块创新，使滑坡探测器仅需电池供电，解决困扰监测行业多年的供电问题。

3.2.4信号传输方式创新

通过无线电信号传输模块和4G通信模块的组合，保证信号实时、精准传输，解决了GNSS接收机采用GPS传输模块因信号不稳定导致数据传输延迟、中断等问题。与市面上同类产品相比，成本更低、监测范围更广，受气候条件影响小。

结论

综上所述，本文提出的滑坡智能监测预警系统是滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害监测的智能化产品，能根据岩土层的微小地质变化，结合多参数算法和滑坡预警模型，对山体、边坡进行全天候的数据采集、传输和分析，使地灾防治人员对地质灾害作出高效应对，为抵御滑坡灾害提供一种新的监测手段。

参考文献：

[1]亓星，朱星，修德皓，等.智能变频位移计在突发型黄土滑坡中的应用——以甘肃黑方台黄土滑坡为例[J].水利水电技术，2019，50( 5) ： 190-195.

[2]亓星，许强，孙亮，等.降雨型黄土滑坡预警研究现状综述[J].地质科技情报，2014，33( 6) ： 219- 225.

[3]尹国龙.汶川地震三大片区降雨特征分析及泥石流预警方法研究[D].成都：成都理工大学，2014.

[4]许强，曾裕平，钱江澎，等.一种改进的切线角及对应的滑坡预警判据[J].地质通报，2009，28(4)：501-505.

[5]汪江田，顾学章，龚耀，等.从岩石的应变、破裂与电性的变化关系探索对地震的预报[J].地震学刊，2000，20(03)：1-8.

[6]亓星.地质灾害专业监测预警技术方法探讨[J]. 四川理工学院学报：自然科学版，2019，32(04)：49-54.

基金项目：2020年崇左市科技立项项目(新型滑坡智能监测预警系统研发)

作者：韩祖丽