CN114093132B - 基于地震预警信息和地震开关的电梯地震紧急处置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于地震预警信息和地震开关的电梯地震紧急处置方法，搭建电梯地震紧急处置系统，预警服务器订阅地震预警信息，同地震开关实时采集振动数据，单片机计算实测地震烈度，通过分级判定逻辑进行电梯紧急处置。本发明提供的一种基于地震预警信息和地震开关的电梯地震紧急处置方法，在传统的地震开关基于本地监控信息进行报警的模式的基础上进行改进，引入了由国家预警信息服务器发布的地震预警信息，与本地振动数据结合进行综合逻辑判断，通过分级报警提高地震报警准确性，避免由非破坏性地震导致误报造成电梯停运。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于地震预警信息和地震开关的电梯地震紧急处置方法，属于地震信息处理领域。
背景技术
地震是对人类生存安全危害最大的自然灾害之一，我国是世界上地震活动最强烈和地震灾害最严重的国家之一，二十世纪全球三分之一的大陆地震发生在我国，造成的死亡人数占全球地震死亡人数的一半以上。我国50%的国土面积位于VII度以上的地震高烈度区域，包括23个省会城市和2/3的百万人口以上的大城市，城市附近若发生一次大地震就会给人类带来巨大的财产损失和重大的人员伤亡。
在大城市，地震造成电梯运行中断并将人员关在电梯内将是大概率事件。有研究显示，美国旧金山湾区东部一次7级地震，可能将2万多人关在电梯内。我国许多大城市的电梯数量是旧金山湾区东部的20倍至30倍，安全问题不容忽视。地震尤其是强震会导致电梯脱轨、限速器损坏和限速器绳的缠绕等故障。同时地震释放出的大量能量会造成对重系统破坏、对重架脱轨等故障。地震造成的供电中断后，也会在轨道任意位置将乘员关闭在电梯轿厢内，造成逃生和营救困难。
研究显示，破坏性地震发生后采取紧急处置措施是降低灾害损失非常有效的手段。我国地震烈度速报与预警系统2018年开始建设，截至2021年先行先试区域已基本建设完成，地震预警服务已经在云南、四川等地开始试运行。目前该系统的应用场景较窄，主要报警模式是在检测到地震活动后在一定范围内通过特定应用软件和基站短信发送广播预警消息，系统开发还在继续完善阶段。
目前电梯地震预警主要使用布置于电梯附近的地震开关，利用其实时采集的震动数据是否超出阈值判断是否进行地震报警，然后实施紧急处置，如燃气阀切断、供电网关停、电梯紧急控制等。但由于存在一些常规震动，容易误报，造成不便。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于地震预警信息和地震开关的电梯地震紧急处置方法，在传统的地震开关基于本地监控信息进行报警的模式的基础上进行改进，引入了由国家预警信息服务器发布的地震预警信息，与本地加速度数据结合进行综合逻辑判断，通过分级报警提高地震报警准确性，避免由非破坏性地震导致误报造成电梯停运。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种基于地震预警信息和地震开关的电梯地震紧急处置方法，包括以下步骤：
S1、搭建电梯地震紧急处置系统：电梯地震紧急处置系统包括地震开关以及与地震开关通信的预警服务器，地震开关包括主控模块以及分别与主控模块电性连接的单片机、供电模块、声光报警模块和通信模块，其中单片机与供电模块电性连接，单片机同时与MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统）数字加速度计和时钟模块电性连接，主控模块通过控制模块与第一继电器报警节点和第二继电器报警节点电性连接，其中第一继电器报警节点用于控制电梯停在最近逃生层、打开门并锁定，第二继电器报警节点控制电梯停在当前层、打开门并锁定；
S2、电梯地震紧急处置系统初始化：预警服务器通过MQTT（Message QueuingTelemetry Transport，消息列队遥测传输）协议订阅国家预警信息服务器发布的地震预警信息，通过通信模块传输至主控模块；同时地震开关实时通过MEMS数字加速度计采集东西（EW）、南北（NS）、垂直（UD）三轴向数据；
S3、优先根据地震预警信息进行地震预警控制；根据地震预警信息判定不必进行地震预警控制时，根据三轴向数据进行地震报警控制。
步骤S3根据地震预警信息进行地震预警控制，具体包括以下过程：
a1、主控模块利用以下公式预估地震烈度I：
I＝I 0-4.0log10(Dis／10＋1.0)
其中I 0表示发布在地震预警信息中的震中烈度，Dis表示震源距，震源距通过本地经纬度与发布在地震预警信息中的震中经纬度进行计算得到；
a2、若I >I 1，I 1表示预设的烈度阈值，则利用以下公式预估地震到达时间t：
t＝Dis／3.55－(T now －T eq )
其中T now 表示当前时间，T eq 表示发布在地震预警信息中的地震发震时间；
a3、若t<1.5t 1，主控模块通过控制模块触发第二报警节点控制电梯停在当前层、打开门并锁定，同时控制声光报警模块播报地震预警消息；若t≥1.5t 1，主控模块通过控制模块触发第一报警节点控制电梯停在控制电梯停在最近逃生层、打开门并锁定，同时控制声光报警模块播报地震预警消息。
预设的烈度阈值I 1设置为6。
步骤S3所述的根据三轴向数据进行地震报警控制，根据电梯地震紧急处置系统中地震开关的数目不同，分别包括以下过程：
b1、如果区域内仅有1台地震开关，当三轴向数据中的任意轴向连续3个点数据超过预设的振动阈值，则进行地震报警控制，主控模块通过控制模块触发第一报警节点控制电梯停在控制电梯停在最近逃生层、打开门并锁定，同时控制声光报警模块播报地震预警消息；
b2、如果区域内有2台地震开关，当两台地震开关的三轴向数据中的任意一个轴向上连续3个点数据超过预设的振动阈值a 0，则根据以下公式计算两台电梯开关该轴向数据之间的线性相关系数r：
其中，n表示地震开关一个轴向上采集到的数据数目，
表示第一台地震开关连续3个点数据超过预设的振动阈值a 0的坐标轴上的第i项数据，/>
表示第一台地震开关连续3个点数据超过预设的振动阈值a 0的坐标轴上的n项数据的平均值，/>
表示第二台地震开关连续3个点数据超过预设的振动阈值a 0的坐标轴上的第i项数据，/>
表示第二台地震开关连续3个点数据超过预设的振动阈值a 0的坐标轴上的n项数据的平均值；
若线性相关系数的绝对值高于预设的线性相关阈值r 0，则进行地震报警控制，主控模块通过控制模块触发第一报警节点控制电梯停在控制电梯停在最近逃生层、打开门并锁定，同时控制声光报警模块播报地震预警消息；
b3、如果区域内有3台以上地震开关，则采用时间-距离综合判定方式判断是否进行地震报警控制，包括以下过程：
b3.1、记录每一台地震开关的主控模块计算得到的实测地震烈度超过阈值时的触发时间；
b3.2、根据依次被触发的地震开关的经纬度和触发时间，计算振动的传播速度是否符合地震S波传播规律，若有3台以上设备符合，则进行地震报警控制，主控模块通过控制模块触发第一报警节点控制电梯停在控制电梯停在最近逃生层、打开门并锁定，同时控制声光报警模块播报地震预警消息。
地震开关以100Hz采样频率采集三轴向数据。
步骤b2所述的振动阈值a 0设置为100gal。
步骤b3.1所述的实测地震烈度通过以下过程计算得到：
b3.1.1、对三轴向进行基线校正处理，去除直流分量；
b3.1.2、采用数字滤波器对地震动加速度和速度记录的每个分向进行 0.1Hz~10Hz 带通滤波；
b3.1.3、通过以下公式计算三轴向合成加速度值：
其中，
为地震开关采集的第i项数据中东西向加速度值，/>
为地震开关采集的第i项数据中南北向加速度值，/>
为地震开关采集的第i项数据中垂直向加速度值；再通过对时间的积分方法得到东西向速度/>
、南北向速度/>
和垂直向速度
，并通过以下公式计算三轴向合成速度值/>
：
b3.1.4、通过以下公式第一计算仪器烈度：
其中PGA为加速度峰值，
；通过以下公式计算第二仪器烈度：
其中PGV为加速度峰值，
；
b3.1.5、通过对比第一计算仪器烈度和第二计算仪器烈度确定实测地震烈度：
步骤b3.2所述的地震S波传播规律是指振动传播速度为3~4km/s，以及相距5km的两台地震开关的触发时间差小于2s。
地震开关的主控模块与存储模块电性连接，地震开关通信模块与数据服务器通信，步骤S2采集的三轴向数据实时存储于存储模块中，通过通信模块发送至数据服务器存储。
地震开关通信模块与管理服务器连接。
本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：
（1）本发明提供的一种基于地震预警信息和地震开关的电梯地震紧急处置方法，在传统的地震开关基于本地监控信息进行报警的模式的基础上进行改进，引入了由国家预警信息服务器发布的地震预警信息，与本地加速度数据结合进行综合逻辑判断，避免由非破坏性地震导致误报造成电梯停运；
（2）本发明提供的一种基于地震预警信息和地震开关的电梯地震紧急处置方法由于引入了由国家预警信息服务器发布的地震预警信息，对于异地发生的地震可以提供数秒至数十秒的有效预警时间，比紧急本地报警控制方式预留有更多预警时间；
（3）本发明提供的一种基于地震预警信息和地震开关的电梯地震紧急处置方法通过地震预警结合设备本地报警的逻辑，避免了地震预警信息的误报导致非破坏性地震导致的电梯控制；
（4）本发明提供的一种基于地震预警信息和地震开关的电梯地震紧急处置方法引入了两台以上地震开关同时出发地震报警才会触发电梯的控制，避免了单台由于打桩或者其他人工干扰引起的误报；
（5）本发明提供的一种基于地震预警信息和地震开关的电梯地震紧急处置方法还可用于收集地震数据，用于地震灾害评估和震后紧急救援。
附图说明
图1是电梯地震紧急处置系统模块示意图。
图2是不知2台地震开关的线性相关计算示意图。
图3是线性相关系数范围示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明提供了一种基于地震预警信息和地震开关的电梯地震紧急处置方法，包括以下步骤：
S1、搭建电梯地震紧急处置系统：参照图1，电梯地震紧急处置系统包括地震开关以及与地震开关通信的预警服务器，地震开关包括主控模块以及分别与主控模块电性连接的单片机、供电模块、声光报警模块、存储模块和通信模块，其中单片机与供电模块电性连接，单片机同时与MEMS数字加速度计和时钟模块电性连接，主控模块通过控制模块与第一继电器报警节点和第二继电器报警节点电性连接，其中第一继电器报警节点用于控制电梯停在最近逃生层、打开门并锁定，第二继电器报警节点控制电梯停在当前层、打开门并锁定。
其中，采用ADI公司ADXL355数字MEMS加速度芯片进行本地振动测量。其测量量程为±2g，噪声密度25ug/√Hz，具备自检功能和可编程的高通、低通数字滤波器，采用20位ADC进行模数转换，由PIC18F452单片机采集MEMS芯片数字信号，并对数据进行预处理，添加时间标签。ARM主控模块采用基于Cortex-A7架构的i.MX6UltraLite处理器。供电模块支持9-18V宽幅电压输入，转换成3.3V、5V等电压供不同模块使用。时钟模块采用是PHILIPS公司推出的一款低功耗、高精度、工业级内含I2C总线接口功能的多功能时钟/日历芯片PCF8563，其多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及中断输出功能能完成各种复杂的定时服务，还为单片机提供看门狗功能。其主要功能是为单片机采集的振动数据提供时间标签。通信模块支持有线和4G两种通信方式，4G模块选择SIMCOM公司基于LCC封装的SIM7600CE通信模块，其网络兼容性好，支持三网通信并自带GPS模块，可实现设备授时及定位功能。通过多路开关对两种通信模式进行切换，以适配不同应用场景。
S2、电梯地震紧急处置系统初始化：预警服务器通过MQTT协议订阅国家预警信息服务器发布的地震预警信息，通过通信模块传输至主控模块。消息队列遥测传输协议MQTT是一个轻量级的消息传输协议，使用 TCP/IP 提供网络连接，能够实现对负载内容屏蔽的消息传输。其主要优点是实现了协议交换最小化，降低对网络带宽的需求，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合。
同时地震开关以100Hz采样频率实时通过MEMS数字加速度计采集三轴向数据。
S3、优先根据地震预警信息进行地震预警控制，具体包括以下过程：
a1、主控模块利用以下公式预估地震烈度I：
I＝I 0-4.0log10(Dis／10＋1.0)
其中I 0表示发布在地震预警信息中的震中烈度，Dis表示震源距，震源距通过本地经纬度与发布在地震预警信息中的震中经纬度进行计算得到；
a2、若I >I 1，I 1表示预设的烈度阈值，一般设置为6，则利用以下公式预估地震到达时间t：
t＝Dis／3.55－(T now －T eq )
其中T now 表示当前时间，T eq 表示发布在地震预警信息中的地震发震时间；
a3、若t<1.5t 1，主控模块通过控制模块触发第二报警节点控制电梯停在当前层、打开门并锁定，同时控制声光报警模块播报地震预警消息；若t≥1.5t 1，主控模块通过控制模块触发第一报警节点控制电梯停在控制电梯停在最近逃生层、打开门并锁定，同时控制声光报警模块播报地震预警消息。
地震预警信息判定不必进行地震预警控制时，则根据三轴向数据进行地震报警控制。根据电梯地震紧急处置系统中地震开关的数目不同，分别包括以下过程：
b1、如果35km范围区域内仅有1台地震开关，当三轴向数据中的任意轴向连续3个点数据超过预设的振动阈值，则进行地震报警控制，主控模块通过控制模块触发第一报警节点控制电梯停在控制电梯停在最近逃生层、打开门并锁定，同时控制声光报警模块播报地震预警消息；
b2、参照图2，如果区域内有2台地震开关，布设环境较为一致，两台电梯开关距离不超过50m（如同一栋建筑的不同电梯），当两台地震开关的三轴向数据中的任意一个轴向上连续3个点数据超过预设的振动阈值a 0，一般设置为100gal，则根据以下公式计算两台电梯开关该轴向数据之间的线性相关系数r：
其中，n表示地震开关一个轴向上采集到的数据数目，
表示第一台地震开关连续3个点数据超过预设的振动阈值a 0的坐标轴上的第i项数据，/>
表示第一台地震开关连续3个点数据超过预设的振动阈值a 0的坐标轴上的n项数据的平均值，/>
表示第二台地震开关连续3个点数据超过预设的振动阈值a 0的坐标轴上的第i项数据，/>
表示第二台地震开关连续3个点数据超过预设的振动阈值a 0的坐标轴上的n项数据的平均值；
参照图3，线性相关系数的绝对值越接近于1，表示两个变量的线性相关性越强。当为1是表示完全相关，当为0时，表示完全不相关。若计算得到线性相关系数r的绝对值高于0.7，则进行地震报警控制，主控模块通过控制模块触发第一报警节点控制电梯停在控制电梯停在最近逃生层、打开门并锁定，同时控制声光报警模块播报地震预警消息。
b3、如果区域内有3台以上地震开关，则采用时间-距离综合判定方式判断是否进行地震报警控制，包括以下过程：
b3.1、记录每一台地震开关的主控模块计算得到的实测地震烈度超过阈值时的触发时间，实测地震烈度通过以下过程计算得到：
b3.1.1、对三轴向进行基线校正处理，去除直流分量；
b3.1.2、采用数字滤波器对地震动加速度和速度记录的每个分向进行 0.1Hz~10Hz 带通滤波；
b3.1.3、通过以下公式计算三轴向合成加速度值：
其中，
为地震开关采集的第i项数据中东西向加速度值，/>
为地震开关采集的第i项数据中南北向加速度值，/>
为地震开关采集的第i项数据中垂直向加速度值；再通过对时间的积分方法得到东西向速度/>
、南北向速度/>
和垂直向速度
，并通过以下公式计算三轴向合成速度值/>
：
b3.1.4、通过以下公式第一计算仪器烈度：
其中PGA为加速度峰值，
；通过以下公式计算第二仪器烈度：
其中PGV为加速度峰值，
；
b3.1.5、通过对比第一计算仪器烈度和第二计算仪器烈度确定实测地震烈度：
b3.2、根据依次被触发的地震开关的经纬度和触发时间，计算振动的传播速度是否符合地震S波传播规律，即振动传播速度为3~4km/s，以及相距5km的两台地震开关的触发时间差小于2s，若有3台以上设备符合，则进行地震报警控制，主控模块通过控制模块触发第一报警节点控制电梯停在控制电梯停在最近逃生层、打开门并锁定，同时控制声光报警模块播报地震预警消息。
整个过程中，三轴向数据实时存储于存储模块中，通过通信模块发送至数据服务器存储。
地震开关通信模块与管理服务器连接，可通过管理服务器对地震开关进行配置，并对整体系统进行维护和升级。
本发明提供的一种基于地震预警信息和地震开关的电梯地震紧急处置方法，在传统的地震开关基于本地监控信息进行报警的模式的基础上进行改进，引入了由国家预警信息服务器发布的地震预警信息，与本地加速度数据结合进行综合逻辑判断，通过分级报警提高地震报警准确性，避免由非破坏性地震导致误报造成电梯停运。
Claims (3)
1.一种基于地震预警信息和地震开关的电梯地震紧急处置方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、搭建电梯地震紧急处置系统：电梯地震紧急处置系统包括地震开关以及与地震开关通信的预警服务器，地震开关包括主控模块以及分别与主控模块电性连接的单片机、供电模块、声光报警模块和通信模块，其中单片机与供电模块电性连接，单片机同时与MEMS数字加速度计和时钟模块电性连接，主控模块通过控制模块与第一继电器报警节点和第二继电器报警节点电性连接，其中第一继电器报警节点用于控制电梯停在最近逃生层、打开门并锁定，第二继电器报警节点控制电梯停在当前层、打开门并锁定；
S2、电梯地震紧急处置系统初始化：预警服务器通过MQTT协议订阅国家预警信息服务器发布的地震预警信息，通过通信模块传输至主控模块；同时地震开关实时通过MEMS数字加速度计采集三轴向数据；
S3、优先根据地震预警信息进行地震预警控制；根据地震预警信息判定不必进行地震预警控制时，根据三轴向数据进行地震报警控制；
步骤S3所述的根据三轴向数据进行地震报警控制，根据电梯地震紧急处置系统中地震开关的数目不同，分别包括以下过程：
b1、如果区域内仅有1台地震开关，当三轴向数据中的任意轴向连续3个点数据超过预设的振动阈值，则进行地震报警控制，主控模块通过控制模块触发第一报警节点控制电梯停在控制电梯停在最近逃生层、打开门并锁定，同时控制声光报警模块播报地震预警消息；
b2、如果区域内有2台地震开关，当两台地震开关的三轴向数据中的任意一个轴向上连续3个点数据超过预设的振动阈值a0，则根据以下公式计算两台电梯开关该轴向数据之间的线性相关系数r：
其中，n表示地震开关一个轴向上采集到的数据数目，Xi表示第一台地震开关连续3个点数据超过预设的振动阈值a0的坐标轴上的第i项数据，
表示第一台地震开关连续3个点数据超过预设的振动阈值a0的坐标轴上的n项数据的平均值，Yi表示第二台地震开关连续3个点数据超过预设的振动阈值a0的坐标轴上的第i项数据，/>
表示第二台地震开关连续3个点数据超过预设的振动阈值a0的坐标轴上的n项数据的平均值；
若线性相关系数的绝对值高于预设的线性相关阈值r0，则进行地震报警控制，主控模块通过控制模块触发第一报警节点控制电梯停在控制电梯停在最近逃生层、打开门并锁定，同时控制声光报警模块播报地震预警消息；
b3、如果区域内有3台以上地震开关，则采用时间-距离综合判定方式判断是否进行地震报警控制，包括以下过程：
b3.1、记录每一台地震开关的主控模块计算得到的实测地震烈度超过阈值时的触发时间；所述的实测地震烈度通过以下过程计算得到：
b3.1.1、对三轴向进行基线校正处理，去除直流分量；
b3.1.2、采用数字滤波器对地震动加速度和速度记录的每个分向进行0.1Hz～10Hz带通滤波；
b3.1.3、通过以下公式计算三轴向合成加速度值：
其中，
为地震开关采集的第i项数据中东西向加速度值，/>
为地震开关采集的第i项数据中南北向加速度值，/>
为地震开关采集的第i项数据中垂直向加速度值；再通过对时间的积分方法得到东西向速度/>
南北向速度/>
和垂直向速度
并通过以下公式计算三轴向合成速度值v(ti)：
b3.1.4、通过以下公式第一计算仪器烈度：
IPGA＝3.17log10(PGA)+6.59
其中PGA为加速度峰值，PGA＝max[a(ti)]；通过以下公式计算第二仪器烈度：
IPGV＝3.00log10(PGV)+0.77
其中PGV为加速度峰值，PGV＝max[v(ti)]；
b3.1.5、通过对比第一计算仪器烈度和第二计算仪器烈度确定实测地震烈度：
b3.2、根据依次被触发的地震开关的经纬度和触发时间，计算振动的传播速度是否符合地震S波传播规律，若有3台以上设备符合，则进行地震报警控制，主控模块通过控制模块触发第一报警节点控制电梯停在控制电梯停在最近逃生层、打开门并锁定，同时控制声光报警模块播报地震预警消息；
步骤S3根据地震预警信息进行地震预警控制，具体包括以下过程：
a1、主控模块利用以下公式预估地震烈度I：
I＝I0-4.0log10(Dis/10+1.0)
其中I0表示发布在地震预警信息中的震中烈度，Dis表示震源距，震源距通过本地经纬度与发布在地震预警信息中的震中经纬度进行计算得到；
a2、若I＞I1，I1表示预设的烈度阈值，则利用以下公式预估地震到达时间t：
t＝Dis/3.55-(Tnow-Teq)
其中Tnow表示当前时间，Teq表示发布在地震预警信息中的地震发震时间；
a3、若t＜1.5t1，主控模块通过控制模块触发第二报警节点控制电梯停在当前层、打开门并锁定，同时控制声光报警模块播报地震预警消息；若t≥1.5t1，主控模块通过控制模块触发第一报警节点控制电梯停在控制电梯停在最近逃生层、打开门并锁定，同时控制声光报警模块播报地震预警消息；
预设的烈度阈值I1设置为6；
地震开关以100Hz采样频率采集三轴向数据；
步骤b2所述的振动阈值a0设置为100gal；
步骤b3.2所述的地震S波传播规律是指振动传播速度为3～4km/s，以及相距5km的两台地震开关的触发时间差小于2s。
2.根据权利要求1所述的基于地震预警信息和地震开关的电梯地震紧急处置方法，其特征在于：地震开关的主控模块与存储模块电性连接，地震开关通信模块与数据服务器通信，步骤S2采集的三轴向数据实时存储于存储模块中，通过通信模块发送至数据服务器存储。
3.根据权利要求1所述的基于地震预警信息和地震开关的电梯地震紧急处置方法，其特征在于：地震开关通信模块与管理服务器连接。
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