CN101625416A

CN101625416A - 一种建筑物地震预警系统

Info

Publication number: CN101625416A
Application number: CN200810069944A
Authority: CN
Inventors: 石小波; 张红川; 徐革; 何勇
Original assignee: CISDI Engineering Co Ltd
Current assignee: CISDI Engineering Co Ltd
Priority date: 2008-07-08
Filing date: 2008-07-08
Publication date: 2010-01-13

Abstract

本发明属于物理仪器技术领域，涉及一种建筑物地震预警系统。微加速度传感器固定在建筑相关位置，当建筑发生晃动或振动时，微加速度传感器也会相应发生振动或晃动，通过数据采集终端将获得的加速度传感器的加速度数据转换成位移数据，如果监测到有地震的纵波传来，然后将这些位移数据通过GSM无线网络传输短信方式发送到监控主站中或其它地方的地震报警系统，声光报警系统启动。本发明尺寸小、重量轻、成本低、功耗小、寿命长、可靠性高、动态范围宽、响应速度快和便于安装调试等，可以在我国主要地区建立起这套地震预警系统，构建成自然灾害立体监测体系。

Description

一种建筑物地震预警系统

技术领域

本发明属于物理仪器技术领域，涉及一种建筑物地震预警系统。

背景技术

我国处在环太平洋地展带和欧亚地震带之间，是世界上地震灾害最严重的国家之一。根据国家地震局公布的测量结果，我国在20世纪共发生5级以上破坏性地震3000多次，平均每年达到30余次。

地震波引起建筑物破坏主要是通过地震力的作用，地震波分为三种，即纵波(P波)、横波(S波)、和面波。纵波(P波)其能量比较小，传播速度最快；横波(S波)破坏性较强，前进速度只是纵波(P波)的60％；面波主要在地表传播，能量最大，对筑物破坏最为强烈，但面波比纵波(P波)和横波(S波)传播速度要慢很多。各种地震波的传播速度和破坏能力的差异，为做出地震预警带来了可能。

纵波地震力使建筑物上下颠簸，破坏力相对较小，主要是引起建筑物的纵向结构松动。随后横波地震力再使建筑物发生水平晃动，当惯性和地震力超过建筑物的承载力时，在几秒钟内就能使建筑物遭受破坏。由于纵波的传播速度比横波快，所以人们在遭遇地震时总是感觉到“先颠后晃″。

目前，日本、土耳其、美国加州部分地区、墨西哥和我国台湾省都已相继建立了地震预警系统，一些系统也已经过地震考验，并积累了经验。尤其是日本，很早以前就将地震预警系统运用在新干线的安全管理方面。中国目前还没有建立起这套预警系统。

目前地震预警理论分为两种，一种是异地震前预警系统，即将地震计安置在震源区，以此对更远距离的震灾区进行预警。另一种是现地地震预警系统，即在本地，通过先到的P波初始据确定震源参数，从而预警S波和面波到达本地后的地面破坏情况。地震预警系统由地震监测系统、无线网络传输通讯系统、中央处理控制系统和对用户的警报系统4个部分组成。

日本气象厅所建构的地震速报系统EEW(Earthquake Early Warning)已经在2007年10月上线，推广到全日本境内。藉由EEW的预警，可以让高速行驶的火车提早减速，避免出轨意外的发生；或是让运转中的电梯及早停在接近的楼层，然后把门打开，避免人员受困。虽然只是短短几秒钟的时间，却显得异常珍贵。目前日本的民众已经可以利用简单的电子设备或手机，接收到实时的地震预警。EEW之所以能够发出预警，主要必须归功于日本境内密集分布的地震测站(大约每二十公里一座)，以及计算机能够迅速计算出地震发生地点与震波传播方向的成就。地震发生时，最早自震源所传出的P波，会以每秒大约七公里的速度前进；同时间传出的S波，则是以每秒大约四公里的速度前进。S波前进的速度虽慢，但其震幅却往往是P波的三至十倍，危害甚巨。因此EEW便是根据较早到达的P波计算地震参数，然后针对S波的到达提出预警，以避免较大的灾祸发生。

但是该系统非常复杂，采用远程无线通信传输受地震发生时产生的电磁波干扰很大，影响报警信号的准确传输，如果地震损坏通信设备，信号根本无法传输出去。该系统采用综合网络数据运算后发出报警耽误了宝贵的预警时间。另外，该系统报警终端选择的是电视、收音机等手段，面向服务的人群有限，大量工作的人们在建筑物里工作，根本没办法看到或收到报警信号。

发明内容

本发明提出一种建筑物地震预警系统，该系统的微加速度传感器固定在建筑相关位置，当建筑发生晃动或振动时，微加速度传感器也会相应发生振动或晃动，通过数据采集终端将获得的加速度传感器的加速度数据转换成位移数据，如果监测到有地震的纵波传来，然后将这些位移数据通过GSM无线网络传输短信方式发送到监控主站中或其它地方的地震报警系统，声光报警系统启动。

胡锦涛主席在2008年6月23日举行的中国科学院第十四次、中国工程院第九次院士大会上强调要抓好自然灾害预测预报的技术研究，加强自然灾害监测和预警能力建设，构建自然灾害立体监测体系。本系统根据不同距离能够为人们逃生或采取紧急措施赢得宝贵的几秒到几十秒的时间，在国内外缺乏提前预报地震的技术能力的情况下，只要能在地震摇晃发生后迅即发布地震预警或报警，就能为震中之外地方的人们赢得些许宝贵的逃生时间，也就能在一定程度上降低地震的损害程度。特别是在晚上发生地震时候，从睡梦中把人们惊醒并进行逃生是很有必要的。

本系统采用加速度传感器在线监测建筑物晃动，只需要安装该传感器在建筑物顶层外部，方便简单，成本低廉。利用加速度传感器监测建筑物晃动的方法的最大优点是通过固定在建筑物顶层上的加速度传感器来在线监测楼层晃动状况，并通过GSM无线网络传输把加速度传感器获得的晃动数据传至监控中心报警或者通过大楼布置有线报警器直接报警，可方便、快捷、直观的达到在线监测的目的，同时以最快的速度通知大楼人员地震，达到快速警示和快速通知人们进行相关防护。

建筑地震晃动在线监测系统要求准确及时地将正在发生的建筑晃动信息检测并上报给相关部门或人员。其中准确性要求系统能识别建筑晃动行为发生的物理特征，并不与其他行为产生的物理特征混淆；及时性要求系统能及时可靠的将信息上传。

长期以来，人们在测量物体振动或晃动时往往需要类似激震器、振动台、测力传感器、测阻抗传感器、传统加速度传感器(主要用于军事)等激振设备和测振设备。这些设备要么过于复杂，要么过于昂贵，不能被广泛的应用到人民的日常生活中去。但21世纪以来，随着微电机系统(MicroelectronicMechanical Systems，MEMS)技术的迅猛发展，市场出现了各类可以民用的微型传感器。其中，微加速度传感器就是一类典型的MEMS微传感器，是惯性器件的一个重要分支。微加速度传感器具有完全自主式、保密性强(在军事应用领域尤为重要)、不存在信号的电磁干扰、全天候、机动灵活等传统加速度传感器的特点；同时，它又具有传统加速度传感器所无法比拟的优点：尺寸小、重量轻、成本低、功耗小、寿命长、可靠性高、动态范围宽、响应速度快和便于安装调试等。

本系统选用的微加速度传感器器件具有的体积小、重量轻、成本低、可靠性高、精度适中等特点，从对实际的高层建筑晃动情况研究出发，来研究利用加速度计组成的高层建筑晃动在线监测系统。当物体开始振动或晃动时，该物体会产生加速度。利用加速度传感器，我们可以轻松获得物体在X、Y、Z三个方向的加速度数据(和加速度成正比的电压数据)，对加速度数据进行积分我们可获得速度数据；对加速度数据进行二重积分即可得到物体的位移数据。通过位移数据，我们就可以知道物体晃动或振动的振幅。

本系统的特色：(1)工程造价极低，不需要敷设管道和特殊建筑构造。(2)安装维护方便，拆装容易。(3)系统体积小不影响建筑外观。(4)成本低，用户容易接受。(5)新建高楼和旧楼均适合使用。(6)利用了地震S波和P波的时间差进行报警。(7)直接将地震报警信号通过声光报警，及时通知每栋建筑物里面的人。(8)通过就地的P波判断S波的破坏力发出报警，比异地和网络综合处理后报警节省了时间，也减少了因为地震通讯中断和产生的强烈地磁波干扰而报警信号传送不到的弊端。(9)系统具有抗电磁干扰、爆破干扰等能力。本发明可以在我国主要地区建立起这套地震预警系统，构建成自然灾害立体监测体系。

附图说明

图1为建筑物地震预警系统原理框图，

图2为报警器系统原理框图，

图3为监控系统框图，

图4为采集的实验晃动加速度图形

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

该系统采用加速度传感器实时测量楼层晃动的加速度和楼层倾角变化数据，利用GSM短信通信方式无线传输这些数据到监控终端或直接通过微处理器进行识别后传到楼层内部进行声光报警，从而实现对建筑物地震震动的预警。

我们把微加速度传感器固定在建筑相关位置。当建筑发生晃动或振动时，加速度传感器也会相应发生振动或晃动。通过数据采集终端将获得的加速度传感器的加速度数据转换(二重积分)成位移数据。如果监测到有地震的纵波传来，大楼内部的声光报警启动，通知相关的人员进行紧急逃生，然后将这些位移数据通过GSM短信方式发送到监控主站中或其它地方的地震报警系统，利用无线通信传播速度比地震波传播速度快的特点，为地震发生震中附近的地方提供地震预警，赢得宝贵的逃生时间。利用监控主站上位机中相关的软件分析，当晃动振幅超过安全值时，该系统能自动发出预警并上报给相关部门与人员。

在整个系统应用到现场时，由于周围环境输电线路的可能存在，因此将可能会有较强的电磁干扰存在。要想让系统在恶劣的电磁环境下正常工作，抗干扰措施就显的尤为重要。本系统采取以下抗干扰措施：

(1)电路板外面加装金属盒子。通过加装金属盒子的办法可以有效抵抗电磁干扰，因此本系统的所有电路板都加装了金属外壳。

(2)传输导线屏蔽。我们将采用将周围可能存在的电缆外套以金属屏蔽管、管壁接地，即采用双层屏蔽的方法。

本系统根据不同距离能够为人们逃生或采取紧急措施赢得宝贵的几秒到几十秒的时间，利用这段时间，可以让一些人躲到开阔地带，让在校学生躲入墙脚；可以让高速火车停靠，避免脱轨；可以让高速公路上的汽车有所准备，减少碰撞的发生；可以让高层作业的清洁工人进入屋内避难；可以让手术室的医生作出应对；可以停止危险品生产。更重要的是，政府可以通过自动装置，将煤气、电、水的总供应暂停，避免火灾等次生灾害发生。

本发明尺寸小、重量轻、成本低、功耗小、寿命长、可靠性高、动态范围宽、响应速度快和便于安装调试等，可以在我国主要地区建立起这套地震预警系统，构建成自然灾害立体监测体系。

Claims

1、一种建筑物地震预警系统，主要有微加速度传感器、GSM无线网络传输和声光报警系统，其特征在于：微加速度传感器固定在建筑相关位置，当建筑发生晃动或振动时，微加速度传感器也会相应发生振动或晃动，通过数据采集终端将获得的加速度传感器的加速度数据转换成位移数据，如果监测到有地震的纵波传来，然后将这些位移数据通过GSM无线网络传输短信方式发送到监控主站中或其它地方的地震报警系统，声光报警系统启动。

2、根据权利要求1所述建筑物地震预警系统，其特征在于：电路板外面加装金属盒子。

3、根据权利要求1所述建筑物地震预警系统，其特征在于：电缆外套以金属屏蔽管、管壁接地，传输导线屏蔽。