CN111275932A - 一种地震预警与防护系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地震灾害预警与防护系统，系统包含了一套分散式地壳振动监测传感器分系统、一套分散式数据链电台传输分系统、一套家庭预警终端分系统和一套安全防护分系统。系统利用地震波传输速度慢，电磁波传输速度快的特性，将地震信息提前预警给加装了本系统的人们，并为加装了本系统人们提供可靠的地震灾害躲避空间，该空间不仅可保护房屋倒塌时其内部人员不受到伤害，还能为人们提供必要的生存条件，使深埋地下的人们可安全存活1个月，为营救人员提供足够的营救时间。本系统适用于地震带附近的居民使用，特别适用于人口密度高的大型城市和居住在高楼的人们，可有效保护高等级地震来临时，确保加装了本系统的人们不受到生命安全威胁。

Description

一种地震预警与防护系统

技术领域

本发明涉及智能家居和自然灾害防护领域，具体是一种利用地震波传输速度与电磁波传输速度差异来对已安装了本防护系统的人群进行预先告警，且利用高强度钢制作而成的半封闭式的防护装置来为人群提供保护，防止高等级地震引起房屋倒塌而对人群造成损伤，且为装置内人员提高必要的生存条件，使其可在装置内安全等待援救。

背景技术

网上资料显示：日本科学家已经推出了全球首个紧急地震速报系统，2004年开始试运行，2007年正式投入使用，系统探测到地震迹象后立即通知居民和各大机构，让居民掌握“黄金分秒”逃生时间，减低人命伤亡；此外成都高新减灾研究所成功预报了地震，为当地市民争取了10多秒钟的逃生时间。

综上所述，目前国内乃至全世界，面对地震灾害，都没有采取有效的防护措施，虽然最近在中国和日本都研制出了地震预警系统，但是这仅仅只是起到了预警作用，可以给广大人民群众提供逃生的时间只有10秒钟左右，在这10秒钟内，身体素质好，且反应灵敏的人群可实现从房间内逃跑至公共避难区域，而其他老龄人群以及小孩则只能就近寻找墙角等掩体进行躲避，如果该地区出现8级或8级以上的大地震，则该地区大部分的建筑物都难逃倒塌的命运，因此这些寻找墙角进行躲避的人群，大部分都会被掩埋，被掩埋后能否被有效援救，就只能看运气了。此外，如果地震发生在夜间或午休期间，在此期间，人群处于深度睡眠状态，无法及时从预警中清醒过来，因此房间内的人群基本都无法进行有效的躲避，只能被掩埋，等待援救。因此急需研发一种可以提前进行地震预警并能提供安全防护的装置，这种装置应作为人们正常的休息空间来使用，使人们在沉睡中能被有效保护。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种既能监控本地区内地壳的振动情况，还能对安装了本防护系统的人群进行预先告警，提醒人们立刻进入防护装置内部进行躲避，同时还可为这部分人群提供可靠的生命保障的装置。

本发明采用的技术方案是：

一种地震预警及防护系统包含了一套分散式地壳振动监测传感器分系统、一套分散式数据链电台传输分系统、一套家庭预警终端分系统和一套安全防护分系统。

分散式地壳振动监测传感器分系统由传感器群、信号放大器、信号处理计算机构成。传感器群主要用于测试地壳的振动情况，每个监测点放置多组传感器，每组传感器可测试空间内相互正交的6个方向的振动值，传感器安装架的底座深埋地基中，可准确将地壳的振动情况传导至振动传感器上。为避免传感器受到干扰，监测点应设置在远离闹市区的郊区，且周边应无引起地面振动的其它干扰源出现。传感器测得的地面振动值传输给信号处理计算机，当计算机分析得出当前所测信号符合地震条件时，则开始计算测试点所在区域的地震等级信息，并同时发出告警信号给分散式数据链电台传输分系统。

分散式数据链电台传输分系统由数据发射电台、发射天线、接收天线、数据接收电台组成，每个监测点配置1套数据发射电台、发射天线、接收天线、数据接收电台，所有监测点内的电台共同组成一个空中局域网，实现数据共享。当任意监测点的电台接收到该监测点的信号处理计算机传来的地震信息后，立刻通过电磁波的形式发送给局域网内的其它电台，其它电台接收到信息后，全部转变为中继工作模式，将地震信息按已经分配好的工作频段往外发送电波，使电波覆盖范围内的家庭预警终端能收到告警信息。

家庭预警终端分系统主要由数据接收电台、数据处理计算机和语音告警系统组成。数据接收电台主要接收分散式数据链电台传输分系统传输过来的地震信息，并立刻给出语音告警信号，并结合当地位置坐标值，计算出当地与首个测到地震信息的监测点的实际距离，如当地处于地震波高危害区域内，则持续发出语音告警信号，并发出信号给安全防护分系统。

安全防护分系统主要由安全防护装置、卫星通信子系统、应急照明子系统、应急供电子系统、应急食品/饮水子系统、应急供氧子系统、应急卫生子系统等组成。安全防护装置是一个带自动门的半封闭式六面体钢制壳体结构，其主要功能是保护装置内人员，防止房屋倒塌时装置内人员产生伤亡，其主要工作原理是当接收到预警系统发送来的地震告警信号后，会自动关闭装置侧边的活动门，使防护装置形成一个完整的封闭式六面体结构，确保房屋倒塌的情况下，可有效保障其内部人员的生命安全；其他相应的配套子系统，其主要功能是为方便被困人员与外界进行沟通以及确保被困人员在未来几周内的生命安全，为营救人员提供充足的营救时间，使传统的营救黄金周升级成为营救黄金月，可最大程度的确保安装了本防护系统的成员的生命安全。

与目前国内外已有的地震预警系统相比，本系统的优势是集信号测试、信号采集、信号传输、灾害预警及人员防护于一体，所有的工作环节均由计算机自主完成，可实现不间断地震预警和人员保护，且可排除人为因素引起的误报和延迟报。相比传统的地震预警系统，本系统具有预报时间短，预报效率高的优势，同时还具有传统地震预报系统所没有的人员防护功能。

本系统的工作机理是“先预警，再分析”，意思就是只要传感器群检测到了地壳震动信号同时，将检测到的地震消息广播出去，提醒本区域内安装了本系统的人群立刻到防护装置内进行躲避，然后再分析震源和震级等其它信息，如地震信息对本地区不构成危险等级，则可解除警告，如地震信息对本地区构成了危险等级，则持续告警。

分散式地壳振动监测传感器分系统中传感器群的布置方案是以城市为中心，方圆约150km范围内，环形均布多个监测点，再在城市中心地底深处布置1个测试点，每个测试点的传感器采用多裕度布置设计，可同时监测6个正交方向的地面震动情况（即每组传感器在±X, ±Y和±Z方向均可发出多个信号，当任何2个以上的相同方向布置的传感器检测出地面振动信号后，则判定为本监测点已监测到了地面震动信号）。

分散式数据链电台传输分系统的设计方案是上述多个监测点，每个测试点放置1套数据发送电台，数据接收电台、以及发射天线和接收天线。多个电台利用无线电波进行空中组网，当其中任意1个监测点发出地壳震动信号时，其余监测点的数据发送电台均按设定的工作频段，同时向外发送地壳振动信号。

家庭预警终端分系统安装在防护系统的外部，主要由1台数据接收电台、1台处理计算机、接收天线以及语音告警系统组成。数据接收电台用于接收地壳振动信息，并将信息传输给处理计算机， 处理计算机根据信息情况，控制语音告警系统和防护系统工作。

安全防护分系统是本发明的核心要素之一，防护分系统的工作原理是利用高强度钢构成的半封闭式六面体装置，来承受房屋倒塌时，建筑碎片带来冲击力和挤压力载荷，保护内部的人员。六面体的尺寸按可内置一张床垫进行设计，装置每个面都布置了加强筋条，主要用于增加防护装置的承载能力，且重量较轻。其内部配置有必要的应急食物箱、应急供氧箱、应急电池箱、应急通信箱、应急照明箱等，保证被埋在废墟下的人群可安全生存1个月，并使其与外界的通讯保持畅通。

为了减小建筑物倒塌时，建筑废墟带来的冲击载荷，在防护系统底部设置4个高强度弹簧缓冲器，同时为了降低高层建筑倒塌时，防护装置从高空坠落的风险，将防护装置用高强度钢丝绳，锁在高层建筑的主梁上。

本发明的有益效果是：

1、分散式地壳振动监测传感器分系统采取多点布局，多余度设计，确保可准确无误的检测到每一次地壳震动，且能把监测到的数据及时发送出来，提醒加装了本防护装置的人群马上到防护装置内进行躲避。

2、所有分系统都是通过分散式数据链电台传输分系统紧密的结合在一起，形成一个完整的工作团体，且整个系统的工作是由计算机控制完成的，可实现不间断的自动监测、预警和防护，避免了目前市面上的地震信息采集、地震信息分析、地震信息告警、地震预警信息广播等各环节各自为战的局面，从而可以避免历史上出现的地震漏报、错报、延迟报等现象出现。

3、所有分系统都配备有应急电池系统，确保城市供电系统遭到破坏后，本系统还能正常工作1个月。

4、本防护分系统原理简单，可实现以较低成本来实现城市居民对地震的有效防护，特别适用居住在地震带周边且楼宇密集的现代化小型家庭。如像日本政府一样，对整栋楼房采取措施，以达到抵御地震的目的，其花费的代价是巨大的，而且遇到特大等级地震时，通过楼宇加固的方式来抵御地震，是难以实现的。

5、本防护装置内的各种应急保障设施，可为躲避在装置内的人群提供可靠的生命保障，使其在废墟下能顺利生存下来，且与外界联系保持畅通，便于引导援救。

附图说明：

图1为本发明的工作原理框图（一种地震预警与防护系统工作原理框）。图中1、分散式地壳振动监测传感器分系统，2、分散式数据链电台传输分系统，3、家庭预警终端分系统/接收电台，4、家庭预警终端分系统/预警装置，5、安全防护分系统。

图2为本发明的分散式地壳振动监测传感器分系统的监测点分布示意图（城市周边地震波监测点布局示意）。图中A、B、C、D、E、F、G分别代表1组地震波监测点。

图3为本发明的安全防护分系统结构示意图（防护装置结构示意）。图中6、防护装置壁板，7、床垫，8、减震缓冲器。其中，6-1、加强筋，6-2、应急保障箱体，6-3、滑动/转动活动门，6-4、活动门驱动装置。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

实施例

一种地震预警及防护系统包含了一套分散式地壳振动监测传感器分系统、一套分散式数据链电台传输分系统、一套家庭预警终端分系统和一套安全防护分系统。地震波从震源处地壳震动信号的形式往外传播，使1、分散式地壳振动监测传感器分系统内的震动传感器振动，产生电信号，该电信号会立刻传输给2、分散式数据链电台传输分系统，分散式数据链电台传输分系统接收到地震波电信号后，会立刻以电磁波的形式往外发送信号，信号被3、家庭预警终端分系统/接收电台收到，立刻将之转换为电信号，并传给4、家庭预警终端分系统/预警装置，预警装置会发出语言信号对人群进行告警，提醒人群进入5、安全防护分系统内进行躲避，同时以电信号控制5、安全防护分系统，使安全防护系统进入防地震工作模式。

每座城市的分散式地壳振动监测传感器分系统可由A、B、C、D、E、F、G共7个测试点组成，这7组测试点的之间的距离为100千米～150千米，这样分布传感器测试点可以有效监测来自各个方向的地震波，并将地震信息领先一步通过分散式数据链电台传输分系统传输给城市内的每一个家庭预警终端分系，同时也能监测本城市内地下的地震情况，及时给城市内的每一个用户进行预警。

家庭预警终端分系统的核心产品为地震信息分析软件，安装在防护系统内的核心处理计算机中。当家庭预警终端分系统的电台接收到地震信号后，立即开始发出语音告警信号，并提醒家庭内各成员及时到防护系统内进行地震灾害躲避，同时开始分析地震信息数据，如分析结果显示本地区属于危险区域，则持续告警，并控制防护系统开始工作，如分析结果显示本地区为安全区域，则解除告警。

安全防护分系统是本发明的核心部件之一，主要包括高强度钢制成的防护装置，装置由5个固定的6、壁板与1个6-3、可转动或滑动门组成，6-4、活动门驱动装置由防护系统的控制单元进行控制，当地震来临前，可自动控制6-3、活动门进行关闭，防止夜深时候，装置内人员熟睡而无法主动躲避地震，带来生命危险。正常情况下，6-3、可转动或滑动门处于打开状态，供人员出入使用。在防护装置的顶部，设置数个6-2、应急保障箱体，分别存放应急使用的食物、通信设备、电池、供氧设备、照明设备等。在防护装置的下部，预留一张7、床垫的空间，可供用户自行安装合适尺寸的床垫，供平时休息使用。在6、防护装置壁板的四周，设置数个通风口，加装风扇，确保装置内空气流通。在防护装置壁板6内，设置6-8组安全带，可将内部人员牢靠的固定在壁板上，防止房屋倒塌时，人员在内部摔伤。为减少房屋倒塌对防护装置造成的冲击力，在防护装置的底部设置4组8、弹簧减震器。

此外，为了避免高楼倒塌，防护装置从高楼直接坠落，需在本防护装置的底部，链接一根钢索，将钢索的另一端锁在楼栋的主梁柱上。

本发明的工作原理是：

震源处的岩层活动产生强烈震动时，会产生一种以很快速度向四面八方传播的地震波，其中一部分传到地球表面，这就是地震波。纵波传播速度为5～6千米/秒，能引起地面上下跳动；横波传播速度较慢，速度为3～4千米/秒，能引起地面水平晃动，横波振幅比纵波大，且破坏力大， 横波的水平晃动力是造成建筑物破坏的主要原因。本发明的工作原理是以布置在城市周边的传感器群去探测地震纵波的震动情况，当探测到纵波后，立即发出告警信号，由于无线电信号的传播速度是30千米/秒，可借助于无线电将纵波信号先一步传送出去，让加装了本防护系统的民众可提前10秒钟左右接收到地震信息，有充足的时间可从房间内各个区域紧急赶到防护装置内进行躲避，并系好安全带，以迎接即将到来的地震横波震动。为了缩短信号传输的延迟，尽可能的减少信号流转的环节，本系统仅设置“采集——发送——接收——告警——分析”五个步骤，将计算环节设置在告警环节之后，采用宁可虚报，不可漏报的原则进行报警。

假设监测点布置在距离城市中心为150千米的地方，地震中心处于传感器群附近的地底10千米处，地震开始后，2秒后监测点的振动传感器可检测到地震纵波，3秒后可检测到地震横波，此时分散式数据链电台传输分系统已经向城市中心发出30千米/秒的电磁信号，经过5秒后，地震信号已经送到家庭预警终端分系统，并开始发出语音告警信号。根据地震波横波的速度可知，地震横波在5秒的时间传播了15千米～20千米的距离，城市中的人群还有约1分钟的时间的逃生和躲避准备时间，可以让家庭内的成员尽快进入防护分系统内，并将活动门关闭起来，系好安全带，等待地震横波的到来。

假设地震源处于距离城市正中央75千米、地底10千米处，则地震开始后15秒，地震纵波传入城市中央处的监测点，该监测点的振动传感器采集到地震信息后，立即发出告警信号，通知城市内的家庭预警终端分系统，并立刻发出语音告警信号，提醒城市内安装了本防护系统的人群到防护装置内进行躲避。地震开始后25秒，地震横波传入城市中央，人群大约有10秒的时间进行准备，对于一个普通家庭来说，经过演练，10秒的时间足够全家人一起进入进防护装置内进行躲避，并将活动门关闭起来，系好安全带，等待地震横波的到来。

假设地震源处于城市正中央，地底10千米处，当监测传感器检测到地震纵波信息后，立刻发出告警信号，但此时横波已经开始，留给群众的逃生时间只有2秒左右，时间太紧迫，本预警系统将完全失去预警先机，只能保护正处于防护装置内或附近的的家庭成员。

Claims (5)

1.一种地震预警与防护系统，其特征在于，包括了一套分散式地壳振动监测传感器分系统、一套分散式数据链电台传输分系统、一套家庭预警终端分系统和一套安全防护分系统，所有分系统通过分散式数据链电台传输分系统紧密结合成一个整体，使本系统可以有效的检测到地震信息，并及时将信息传输给装备了家庭预警终端分系统，提醒人群尽快进入安全防护分系统内进行躲避，并为安全防护分系统内的避难人群提供必要的日常生活物质和生命保障物质。

2.根据权利1所述的一种分散式地壳振动监测传感器分系统，其特征在于围绕城市周围进行多点布局，且每个监测点包含了多组振动传感器，可准确无误的识别当地的地壳振动信息，并将这些信息进行采集和简单处理，以便传输给数据链分系统的电台。

3.根据权利1所述的分散式数据链电台传输分系统，其特征在于多个监测点的数据链电台共同组建局域网，任意一个监测点的电台收到当地的地壳振动信息后，立刻将该信息共享给所有局域网内的其他电台以及其电波覆盖范围内的所有安装了家庭预警终端分系统的用户，其余监测点的电台收到振动信息后，立刻按各自的工作频道向外广播，并将振动信息传输给电波覆盖范围内的所有安装了家庭预警终端分系统的用户；就是说全城范围内如布置了7个测试点，则任何一个点检测到地震信息，则它会向其余6个测试点内的数据链电台以及电波覆盖范围内家庭预警终端传输地震信息，其它测试点的电台收到地震信息后，立刻进入中继工作模式，按既定的工作频段，向外广播地震信息，使其电波范围内的家庭预警终端都能可靠的收到地震信息；这种多点布局的方法可确保其守护的城市内的所有家庭预警终端都能在第一时间收到地震信息，且可有效消除电波死角，避免部分用户因地理位置关系，无法接收到地震预警信息的情况出现。

4.根据权利1所述的家庭预警终端，其特征在于接收到来自监测点电台的地震告警信息后，立刻开始语言告警，提醒附近人群到防护系统内进行躲避，然后再根据后续传输过来的其它地震信息，开始评估当地安全等级；这种工作模式的优点在于可防止因评估时间过长，导致地震预警延迟，而起不到有效预警及防护的作用。

5.根据权利1所述的安全防护分系统，其特征在于利用高强度钢板，通过结构优化设计，使其以最轻的重量，达到承受房屋倒塌所带来的挤压和冲击载荷的作用，从而达到保护其内部人群生命安全的目的；防护分系统包含了半封闭式的防护壳体、缓冲器、应急功能箱、安全绑带、床垫、活动门及做动器、活动门锁、通风装置、钢丝绳索等。

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