基于自组网的现地地震预警关键技术研究与试验系统研制

Earthquake early warning (EEW) is a new technology and a new measure for seismic hazard mitigation in the last twenty years. It can provide a few to several tens of seconds of warning time for impending strong ground shaking at a given user site. The key goal of the current EEW in the world is to reduce the range of "blind zone". We propose direct system improvement of sensors by introducing low-latency data processing mechanisms. Based on the statistical relationships of early warning parameters, we then integrate a real-time EEW data processing flow into the sensors, which includes automatic earthquake detection, precisely picking up the beginning of P waves, τc and Pd calculation, magnitude and PGV estimation, and shaking threshold alarming. In addition, the distributed automatic networking technology is used for comprehensively determining multi-stations early warning parameters in order to reduce false triggering events, improve system reliability, and compress the time for processing events. Furthermore, the warning information is released through Catastrophe System, a type of wireless broadband, for lowering network delay. Through these three aspects of technological improvements, algorithms refining and high integration, we can establish an automatic networking onsite EEW test system in order to reduce the range of "blind zone".

地震预警是近二十余年来新发展起来的用于减轻地震灾害的一种有效手段，可在破坏性地震发生后，破坏性地震波到来前，为目标区域提供数秒至数十秒的预警时间。目前世界上地震预警的关键目标是缩小地震预警盲区。本项目提出直接从传感器端进行系统改进，引入低延时数据处理机制，并基于统计获取到的预警参数关系式，在仪器内部实现集地震事件自动检测、P波初动精确检拾、τc和Pd计算、震级和PGV估算、震动阈值报警等功能的实时地震预警数据处理流程；通过分布式自组网技术进行多台预警参数综合判断，以降低误触发事件、提高系统可靠性并压缩事件处理时间；从基于无线宽带（巨灾系统）发布预警以降低网络交换可能产生的延迟时间。通过上述三个环节的技术改进、算法精炼和高度集成，建立一套能够自动组网的现地地震预警试验系统，达到缩小预警盲区的目的。

地震预警作为一种有效的减轻地震灾害的手段，可为目标区域在强震动到达前提供数秒至数十秒的预警时间。对于地震预警而言，一个重要的指标就是盲区范围的大小，因为它直接决定了地震预警系统效能的发挥。因此，寻求从技术上有效缩小盲区范围的方法将具有十分重要的意义。本项目构建了一种基于自组网的现地地震预警试验系统，从传感器、自组网和传输几个环节对系统进行设备、算法和网络环境改进。首先，提出了一种基于全P波段的预警参数关系线性拟合方法，该方法有助于减轻大地震震级估算“饱和”问题和降低小地震震级估算带来的误报问题。然后，从传感器端对嵌入式Linux软件系统进行了改进，通过引入低延时数据处理机制和相匹配的数据压缩算法，可将实时数据包延时降低到0.1 s。在此基础上，基于统计获取到的预警参数关系式，在单台仪器内部直接集成了具有地震事件自动检测、P波初动精确检拾、τc和Pd计算、震级和PGV估算、多台预警参数综合判断、阈值报警等功能的地震预警数据处理流程。最后，依托巨灾通信系统，建立了一套具有自组网功能的现地地震预警试验系统。在以0.5 s/包的情况下进行数据传输，整个系统的延时（含打包延时、网络延时和仪器端处理延时）可以有效控制在1 s以内。理论分析和测试结果表明，利用本项目研制的试验系统可以进一步缩小盲区范围、增加有效预警时间，为原来无法预警的区域提供预警信息。因而对解决目前预警系统并不能在震中附近区域预警，而有效预警区域已经远离灾害区的现状具有重要的科学意义和应用价值。