CN114200512A - 一种用于铁路施工期关键工点的地震烈度预警方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种用于铁路施工期关键工点的地震烈度预警方法及系统，该方法包括：获取现场地震动数据对应的波形分析结果；根据波形分析结果，识别前沿台站地震P波事件；若前沿台站地震P波事件为单台站触发报警，则获得单台站地震震级并计算震中距，根据单台站地震震级和震中距计算工点烈度；若前沿台站地震P波事件为两个以上台站触发报警，则获得双台站地震震级并进行双台地震定位，根据双台站地震震级和双台地震定位结果计算工点烈度；当工点烈度值超过IV度时，向工点发出烈度预警。这样可以实现对在建的铁路工程关键工点的秒级地震烈度预警，增加了时效性，提高了预警准确性，降低了施工现场人员及财产损失。
Description
技术领域
本发明涉及地震预警领域，特别是涉及一种用于铁路施工期关键工点的地震烈度预警方法及系统。
背景技术
防震减灾工作是重要的民生工程，事关人民群众的财产安全，保障社会稳定与国民经济发展。我国是世界上地震灾害最严重的国家之一，具有地震多、分布广、强度大、灾害重的特点。
近年来随着全球进入地震活跃期，频发的地震不仅造成大量运营期的铁路工程陷入瘫痪，更给建设中的铁路工程带来严重的安全威胁，但国内外关于铁路抗震研究主要集中于运行期，鲜有对重大工程施工期开展地震预警系统的研究与建设，只有极个别的针对小型工程如桥梁、建筑物的研究。其他的地震预警系统主要以基于P波预警、烈度速报的区域型地震预警、报警系统为主。但是P波预警的误报率较高，无法准确确定地震对特定保护对象的破坏程度；烈度速报只能提供区域性、震后分钟级的烈度信息，时效性不佳，且针对特定保护对象预警精度不高，同时需要在大尺度上建立密集的监测台站，建设成本高。
现有的铁路地震预警系统一般采用以中心为主的模式，在时间效率上不能达到对铁路在建工程秒级的地震预警需求，比如我国烈度速报要在震后2-5分钟才能给出烈度速报信息。国内外针对铁路运行期的地震预警系统，为了提高报警精确度，需要沿这里沿线密集的布设台站，同时为了尽可能的识别干扰源，采集设备需要采用成本较高的三分向力平衡加速度计。另外，地震数据的传输一般采用有线传输，而针对在建的铁路工程大桥、长大隧道等重要工点，施工期多在野外无人区域，配套设施不齐全，系统无法满足野外供电及信息传输的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于铁路施工期关键工点的地震烈度预警方法及系统，可以实现对在建的铁路工程关键工点的秒级地震烈度预警，增加了时效性，提高了预警准确性。其具体方案如下：
一种用于铁路施工期关键工点的地震烈度预警方法，包括：
获取现场地震动数据对应的波形分析结果；
根据所述波形分析结果，识别前沿台站地震P波事件；
若所述前沿台站地震P波事件为单台站触发报警，则获得单台站地震震级并计算震中距，根据所述单台站地震震级和所述震中距计算工点烈度；
若所述前沿台站地震P波事件为两个以上台站触发报警，则获得双台站地震震级并进行双台地震定位，根据所述双台站地震震级和所述双台地震定位结果计算工点烈度；
当计算的工点烈度值超过IV度时，向工点发出烈度预警。
优选地，在本发明实施例提供的上述地震烈度预警方法中，采用第一公式识别前沿台站地震P波事件；所述第一公式为：
其中，i为当前采样点，x(i)为当前三分向合成加速度记录，α为地震信号的采样间隔，Δt为时窗长度，LSmall(Δt)为地震波形轴线上、下波形长度和二者中相对较小的值，Lbig(Δt)为地震波形轴线上、下波形长度和二者中相对较大的值，X(i)为当前时间采样点对应的幅值，T为当前时间采样点。
优选地，在本发明实施例提供的上述地震烈度预警方法中，所述获得单台站地震震级，包括：
将单台站触发设定时间后波形最大位移与最大速度的乘积的对数以及所述设定时间时窗内的傅里叶变换最大值对数作为敏感因子；
利用最小二乘法拟合所述敏感因子与地震震级之间的关系式；
根据拟合的所述关系式获得单台站地震震级。
优选地，在本发明实施例提供的上述地震烈度预警方法中，所述敏感因子与地震震级之间的关系式为：
M＝a*log|Pmax*vmax|+b*Kmax+c
其中，M为地震的震级，Pmax为所述设定时间时窗内最大振幅，vmax为设定时间时窗内最大速度，Kmax为所述设定时间时窗内的傅里叶变换频谱的最大值，a、b、c为三个常数，由最小二乘法计算得到。
优选地，在本发明实施例提供的上述地震烈度预警方法中，所述计算震中距，包括：
根据所述设定时间时窗内卓越周期与最大加速度，计算震中距。
优选地，在本发明实施例提供的上述地震烈度预警方法中，在所述计算震中距之后，还包括：
通过三分向协方差矩阵确定单台站的方位角；
根据确定的所述方位角和计算的所述震中距，对单台站的震中位置进行定位。
优选地，在本发明实施例提供的上述地震烈度预警方法中，所述进行双台地震定位，包括：
通过在预先建立的到时差矩阵中查询，搜索矩阵中倒时差与两个前沿台站的P波触发时差最接近的位置，该位置为两个前沿台站的震中位置；
根据所述两个前沿台站的震中位置，获取震中与关键工点的距离作为双台地震定位结果。
优选地，在本发明实施例提供的上述地震烈度预警方法中，所述根据所述单台站地震震级和所述震中距计算工点烈度，包括：
根据所述单台站地震震级和所述震中距，计算关键工点的PGA；根据计算的所述关键工点的PGA，计算工点烈度；
所述根据所述双台站地震震级和所述双台地震定位结果计算工点烈度，包括：
根据所述双台站地震震级和所述震中与关键工点的距离，计算关键工点的PGA；根据计算的所述关键工点的PGA，计算工点烈度。
优选地，在本发明实施例提供的上述地震烈度预警方法中，还包括：
判断两个前沿台站触发后预设时间段内，工点现地台站是否触发事件；
若否，则判定为误报事件，向工点发出误报解除；
若是，则在现地台站触发所述预设时间段后，若现地台站的PGA不再增大，则向工点发出报警解除。
本发明实施例还提供了一种用于铁路施工期关键工点的地震烈度预警系统，包括：地震监测设备、网络传输设备、云服务器和供电设备；
所述供电设备，包括太阳能板、蓄电池和控制器，用于提供电能；
所述网络传输设备，用于通过无线网络将所述地震监测设备和所述云服务器组网；
所述地震监测设备，用于实时采集现场地震动数据；
所述云服务器，用于根据台站信息创建虚拟台站；所述虚拟台站用于接收所述现场地震动数据，在云端进行数据波形分析，得到所述现场地震动数据对应的波形分析结果；
所述云服务器，还用于获取所述波形分析结果；根据所述波形分析结果，识别前沿台站地震P波事件；在所述前沿台站地震P波事件为单台站触发报警时，获得单台站地震震级并计算震中距，根据所述单台站地震震级和所述震中距计算工点烈度；在所述前沿台站地震P波事件为两个以上台站触发报警时，获得双台站地震震级并进行双台地震定位，根据所述双台站地震震级和所述双台地震定位结果计算工点烈度。
从上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种用于铁路施工期关键工点的地震烈度预警方法，包括：获取现场地震动数据对应的波形分析结果；根据波形分析结果，识别前沿台站地震P波事件；若前沿台站地震P波事件为单台站触发报警，则获得单台站地震震级并计算震中距，根据单台站地震震级和震中距计算工点烈度；若前沿台站地震P波事件为两个以上台站触发报警，则获得双台站地震震级并进行双台地震定位，根据双台站地震震级和双台地震定位结果计算工点烈度；当计算的工点烈度值超过IV度时，向工点发出烈度预警。
通过本发明提供的上述地震烈度预警方法，可以实现对在建的铁路工程关键工点的秒级地震烈度预警，在破坏性的地震波达到前，向工点提供地震烈度预警信息，增加了时效性，提高了预警准确性，不需要人为干预，降低了施工现场人员及财产损失。此外，本发明还针对地震烈度预警方法提供了相应的系统，进一步使得上述方法更具有实用性，该系统具有相应的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的地震烈度预警方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的现地台站和前沿台站的布设原理示意图；
图3为本发明实施例提供的地震波形示意图；
图4为本发明实施例提供的某市3.7级地震前3s记录的示意图；
图5为图4中初至前3s记录的傅里叶谱示意图；
图6为本发明实施例提供的地震烈度预警系统的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的单个台站采集预警具体流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种地震烈度预警方法，用于铁路施工期关键工点，如图1所示，包括以下步骤：
S101、获取现场地震动数据对应的波形分析结果；
需要说明的是，本发明可以通过现场监测设备实时采集现场地震动数据；然后云服务器可以根据台站信息创建虚拟台站；该虚拟台站可以接收现场地震动数据，在云端进行数据波形分析，得到现场地震动数据对应的波形分析结果；云服务器就可以对波形分析结果进行汇总，进行之后的操作步骤，以综合判断和修正施工点的烈度信息，发出综合的地震预警信息。
S102、根据波形分析结果，识别前沿台站地震P波事件；
需要说明的是，铁路施工期关键工点的预警目标主要是保障施工人员及的人身安全，从该角度出发，铁路施工期关键工点的预警系统应具备现地预警功能；从应对异地大震以及提高预警处置时间的角度考虑，铁路施工期关键工点的预警系统也应具备异地预警功能。因此，铁路施工期关键工点的预警监测台站布设，按照“现地+区域”监测原则，如图2所示，在中心部署现地台站，在中心的南、北、东、西各向外设定区域按照预设间隔进行离散分布前沿台站，同时满足一定的经济性。
地震发生，震源会激发出地震P波与地震S波，当地震波传播到前沿台站，会造成地震记录的明显突变，如图3所示，地震波到达前后的记录有明显差别，通过判断波形差异可以识别地震的发生。
S103、若前沿台站地震P波事件为单台站触发报警，则获得单台站地震震级并计算震中距，根据单台站地震震级和震中距计算工点烈度；
需要强调的是，一个前沿台站及工点现地台站触发报警也认为是上述单台站触发报警。若现地台站首先触发，有两种情况，第一种情况为误触发，第二种情况为震中距离现地台站相较其他前言台站更近，此时处于预警盲区，当这种情况发生时预警没有时效性，回到步骤S102继续进行监测。
S104、若前沿台站地震P波事件为两个以上台站触发报警，则获得双台站地震震级并进行双台地震定位，根据双台站地震震级和双台地震定位结果计算工点烈度；
可以理解的是，前沿台站地震P波事件为两个以上台站触发报警包括第一个前沿台站触发报警后，第二个前沿台站随之触发报警；在此需要获得第二个前沿台站的震级，也就是说，步骤S103获得地震震级的步骤与步骤S104获得地震震级的步骤相同，只是步骤S104需要获得两个台站地震震级。
S105、当计算的工点烈度值超过IV度时，向工点发出烈度预警。
在实际应用中，本发明提供的上述地震烈度预警方法可以适用于铁路施工期关键工点；该关键工点可以是在建铁路大桥、长大隧道等重要工点。
在本发明实施例提供的上述地震烈度预警方法中，可以实现对在建的铁路工程关键工点的秒级地震烈度预警，在破坏性的地震波达到前，向工点提供地震烈度预警信息，增加了时效性，提高了预警准确性，不需要人为干预，降低了施工现场人员及财产损失。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述地震烈度预警方法中，在执行步骤S102采用下述公式识别前沿台站地震P波事件：
其中，i为当前采样点，x(i)为当前三分向合成加速度记录，α为地震信号的采样间隔，Δt为时窗长度，LSmall(Δt)为地震波形轴线上、下波形长度和二者中相对较小的值，Lbig(Δt)为地震波形轴线上、下波形长度和二者中相对较大的值，X(i)为当前时间采样点对应的幅值，T为当前时间采样点。
在实际应用中，通过设定阈值Y，当X＞Y，则达到单台站触发条件，由于地质条件不同，地震具备明显的地域性，对于不同的地区，Y、Δt可根据实际波形确定，Δt一般取2-3秒。
上述公式(1)的第一项取当前时间点前后Δt时窗内的幅值平方和作比，由于地震波到达时振幅明显增大，该项能体现出地震波前后的振幅变化差异。上述公式(1)的第二项取当前点前、后时窗内波形长度和作比，由于地震波到达后振幅明显变强，故该式能增强对弱震相地震的捡拾能力。上述公式(1)的第三项取当前采样点向后Δt时窗内轴线上下波形长度作比，由于对于真正的地震事件，地震波形在轴线上、下基本呈对称形状，故波形长度作比会接近与1。若事件为非地震干扰事件，如电磁干扰、清筛、捣固等施工干扰则不满足对称的条件，波形长度比会接近0，通过第三项能保留真实地震的强度，减低干扰事件的强度，避免非地震事件的误触发。也就是说，上述公式(1)可保证弱震相情况下对地震P波的精确捡拾，同时具备预防误触发的特点。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述地震烈度预警方法中，步骤S103获得单台站地震震级，具体可以包括：将单台站触发设定时间(如3s)后波形最大位移与最大速度的乘积的对数以及设定时间(如3s)时窗内的傅里叶变换最大值对数作为敏感因子；利用最小二乘法拟合敏感因子与地震震级之间的关系式；根据拟合的关系式获得单台站地震震级。其中设定时间可以设置为3s，也可以其它秒数，在此不做限定。
需要说明的是，地震的震级反映了地震的强度，地震震级由小增大，大造成的地下空间介质振幅必然也大，同理介质的振动速度也会逐渐增大，另外，地震的震级同样与频率存在内在联系，故本技术方案可以采用步骤S102中事件触发设定时间(如3s)后波形最大位移Pmax与最大速度vmax的乘积的对数以及设定时间(如3s)时窗内的傅里叶变换最大值对数作为敏感因子，基于大量的历史数据，利用最小二乘法拟合敏感因子与地震震级的计算式：
M＝a*log|Pmax*vmax|+b*Kmax+c (2)
其中，M为地震的震级，Pmax为设定时间(如3s)时窗内最大振幅，vmax为设定时间(如3s)时窗内最大速度，Kmax为设定时间时窗内的傅里叶变换频谱的最大值，a、b、c为三个常数，由最小二乘法计算得到。图4示出了某市3.7级地震前3s记录的示意图，图5示出了初至前3s记录的傅里叶谱示意图，从图5中可以找出傅里叶变换频谱的最大值。
在实际应用中，由于地震的地域性差异大，a、b、c需要采用本地的历史地震记录计算，历史地震数量越多，拟合的公式精度约准确。本发明在震级计算公式(2)中应用了时间域、频率域的震级敏感因子，多参数进行经验公式的拟合，能获得更好的计算精度。
进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述地震烈度预警方法中，步骤S103计算震中距，具体可以包括：根据设定时间时窗内卓越周期与最大加速度，计算震中距。
具体地，在本发明中，单台站的震中距计算采用触发后设定时间(如3s)时窗内卓越周期τpmax与最大加速度Pmax计算得到，具体计算公式如下：
其中，α0,β,γ是3个常量，利用最小二乘法就可以得到这3个常量值，R表示震中距，Pmax表示设定时间(如3s)时窗内P波初至加速度振幅最大值，当地震事件发生后，就可以利用观测到的τpmax以及Pmax，根据上述关系求出每个台站的震中距R。τpmax的计算如下：
其中，xi为竖向速度记录，可由加速度数据积分求得，积分前先要进行带通滤波处理，α'为一个平滑参数，一般给定为0.99。在震级估算前，首先对竖向加速度记录做0.075Hz～5Hz的带通滤波处理。τpmax为设定时间(如3s)时窗内τp的最大值。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述地震烈度预警方法中，在执行步骤S103计算震中距之后，还可以包括：通过三分向协方差矩阵确定单台站的方位角；根据确定的方位角和计算的震中距，对单台站的震中位置进行定位。
具体地，在本发明中，单台站的方位角计算通过三分向协方差矩阵计算：
其中，原始三分向加速度记录的Var(X)＝COV(X,X)，ns表示南北向，ew表示东西向，ud表示垂直向(竖向)。协方差算子定义为
其中
分别为A和B的平均值。满足方程MX＝λX的三维(非零)向量是代表椭球体的三个主轴方向，这个三维向量就是矩阵M的特征向量。假设由矩阵M求得的三个特征根为λ1＞λ2＞λ3，它们对应的特征向量表示为
那么由
所构成的矩阵为所求的特征矩阵X。
根据最大特征值对应的特征向量在水平面的投影确定地震的方位角。设最大特征值对应的特征向量为
实际地震相对于台站的方位角需要结合
中ud的符号和ns，ew的大小关系进行确定，具体的做法如下所示：
定义
当ud＜0时，则方位角弧度按如下公式可以计算：
当ud＞0时，则方位角按下式计算：
最后计算出的方位角为
其含义为地震相对于台站所在位置的地理北极顺时针夹角。通过方位角及步骤S103中计算的震中距，即可对震中位置进行定位。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述地震烈度预警方法中，步骤S103根据单台站地震震级和震中距计算工点烈度，具体可以包括：根据单台站地震震级和震中距，计算关键工点的PGA(三分向合成峰值加速度)；根据计算的关键工点的PGA，计算工点烈度。
具体地，通过步骤S103获得的震级M和震中距R，通过PGA的衰减公式，计算工点的PGA，计算公式如下：
ln(PGA)＝C1+C2M+C3lnR (10)
其中，C1，C2，C3为待定系数，基于当地历史地震数据由最小二乘法计算得到。
然后通过计算得到PGA，由PGA通过经验公式转换为烈度，具体公式如下：
IA＝3.17log10(PGA)+6.59 (11)
当IA>IV时，向工点发出烈度预警。
进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述地震烈度预警方法中，步骤S104进行双台地震定位，具体可以包括：通过在预先建立的到时差矩阵中查询，搜索矩阵中倒时差与两个前沿台站的P波触发时差最接近的位置，该位置为两个前沿台站的震中位置；根据两个前沿台站的震中位置，获取两个前沿台站的震中与关键工点的距离(即震中距)作为双台地震定位结果。
具体地，当有两个台站触发报警，此时两个台站的P波触发时差ΔT1，2已知，通过在事先建立的到时差矩阵中查询，搜索矩阵中倒时差ΔT与ΔT1，2最接近的位置，即为震中位置。到时差矩阵建立方法如下：
设地震P波传播速度约为Vp，震源深度为H，地震波传播到地面两个不同台站a和b的时间为ta和tb：
两个台站的倒时差为：
ΔTa，b＝ta-tb(Da＞Db) (14)
地震P波传播速度约为5.5km/s—7km/s，设P波平均传播速度Vp为6.25km/s，震源深度为H＝0km，以关键工点为中心，南、北、东、西各向外200km区域按照1km间隔进行离散，由于两个台站的位置已知，此时假定每个离散点为地震震源，计算该离散点到两个台站的倒时差并存处在倒时差矩阵对应位置，即可以得到400*400的到时差矩阵。
当有地震发生时，如果台站1，2号首先触发，只需要搜索到时差矩阵中的时间与真实台站倒时差ΔT1，2最接近的那个点，该位置即为震中位置，此时可以获得震中与关键工点的距离。
需要说明的是，上述采用建立到时差矩阵的方式进行双台定位，该方法事先完成每个离散点到各台站的到时差计算，当地震发生时，只需要搜索最小差值即可确定震中位置，时效性高。并且上述方法采用两台定位，相较单台定位更准确，同时也可以避免误触发造成的报警。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述地震烈度预警方法中，步骤S104根据双台站地震震级和双台地震定位结果计算工点烈度，具体可以包括：根据双台站地震震级和震中与关键工点的距离，计算关键工点的PGA；根据计算的关键工点的PGA，计算工点烈度。具体可以采用公式(10)计算关键工点的PGA，采用公式(11)计算工点烈度。
需要注意的是，针对现有P波预警技术，本发明前沿台站实测PGA计算工点烈度，同时通过工点现地台站的P波预警信息，对烈度预测信息进行修正，进一步提升预警信息的准确性。同时，利用前沿台站与中心台站的触发顺序不同，能够有效排除施工环境引起的干扰误报，实现现地预警与区域预警的有机结合。
进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述地震烈度预警方法中，还可以包括：判断两个前沿台站触发后预设时间段内，工点现地台站是否触发事件；若否，则判定为误报事件，向工点发出误报解除；若是，则在现地台站触发预设时间段后，若现地台站的PGA不再增大，则向工点发出报警解除。这样针对铁路工程施工环境干扰大的特点，通过制定地震预警及报警机制流程，可以避免非地震事件造成的误报警。
具体地，预设时间段可以设置为2min，也可以是其它时间段，在此不做限定。当两个前沿台站触发后2min内，工点现地台站未触发事件，判定为误报事件，向工点发出误报解除。当两个前沿台站触发后2min内，工点现地台站台站触发事件，在中心触发2min后，若现地台站PGA不在增大，则向工点发出报警解除。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种地震烈度预警系统，由于该系统解决问题的原理与前述一种地震烈度预警方法相似，因此该系统的实施可以参见地震烈度预警方法的实施，重复之处不再赘述。
在具体实施时，本发明实施例提供的地震烈度预警系统，用于铁路施工期关键工点，具体包括：地震监测设备、网络传输设备、云服务器和供电设备；
供电设备，包括太阳能板、蓄电池和控制器，用于提供电能；如图6所示，本发明使用太阳能供电设备，主要利用太阳能供电；
网络传输设备，用于通过无线网络将地震监测设备和云服务器组网；网络传输设备可以通过4G网络传输地震动数据包到指定服务器；
地震监测设备，用于实时采集现场地震动数据；如图6所示，地震监测设备可以由地震监测仪(烈度仪)组成，具备实时采集现场地震动数据功能、具备通过无线网络发送数据包功能；
云服务器，用于根据台站信息创建虚拟台站；虚拟台站用于接收现场地震动数据，在云端进行数据波形分析，得到现场地震动数据对应的波形分析结果；
云服务器，还用于获取波形分析结果；根据波形分析结果，识别前沿台站地震P波事件；在前沿台站地震P波事件为单台站触发报警时，获得单台站地震震级并计算震中距，根据单台站地震震级和震中距计算工点烈度；在前沿台站地震P波事件为两个以上台站触发报警时，获得双台站地震震级并进行双台地震定位，根据双台站地震震级和双台地震定位结果计算工点烈度。
需要说明的是，云服务器采用负载均衡与虚拟化技术，每个服务器负责关键工点周边多个监测台站的数据处理，可以保证实时数据处理的时效性。
具体地，地震烈度预警流程可以包括：通过无线路由器将现场地震监测设备与服务器组网，现场地震监测设备将采集到的实时数据推送到服务器，服务器通过台站信息创建一个虚拟台站，在云端运行虚拟台站计算和分析实时波形，同时综合其他虚拟台站的实时波形分析结果发出综合的地震预警信息。图7示出了单个台站采集预警具体流程图。
当虚拟台站多个触发报警时，服务器会利用多个台站发送的信息，综合判断和修正施工点的烈度信息，具体的操作过程可以参考本发明提供的上述地震烈度预警方法的实施。
在本发明实施例提供的上述地震烈度预警系统中，架构简明，采用成本相对低廉的监测设备就能实现系统预警功能，相较于现有的运营期地震预警系统，成本大幅降低，同时也更便于实施及维护，通过该系统可以实现对在建的铁路工程关键工点的秒级地震烈度预警，在破坏性的地震波达到前，向工点提供地震烈度预警信息，增加了时效性，提高了预警准确性，不需要人为干预，降低了施工现场人员及财产损失。
关于上述各个部件更加具体的工作过程可以参考前述实施例公开的相应内容，在此不再进行赘述。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统、设备、存储介质而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
综上，本发明实施例提供的一种用于铁路施工期关键工点的地震烈度预警方法，包括：获取现场地震动数据对应的波形分析结果；根据波形分析结果，识别前沿台站地震P波事件；若前沿台站地震P波事件为单台站触发报警，则获得单台站地震震级并计算震中距，根据单台站地震震级和震中距计算工点烈度；若前沿台站地震P波事件为两个以上台站触发报警，则获得双台站地震震级并进行双台地震定位，根据双台站地震震级和双台地震定位结果计算工点烈度；当计算的工点烈度值超过IV度时，向工点发出烈度预警。这样可以实现对在建的铁路工程关键工点的秒级地震烈度预警，在破坏性的地震波达到前，向工点提供地震烈度预警信息，增加了时效性，提高了预警准确性，不需要人为干预，降低了施工现场人员及财产损失。此外，本发明还针对地震烈度预警方法提供了相应的系统，进一步使得上述方法更具有实用性，该系统具有相应的优点。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的用于铁路施工期关键工点的地震烈度预警方法、系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种用于铁路施工期关键工点的地震烈度预警方法，其特征在于，包括：
获取现场地震动数据对应的波形分析结果；
根据所述波形分析结果，识别前沿台站地震P波事件；
若所述前沿台站地震P波事件为单台站触发报警，则获得单台站地震震级并计算震中距，根据所述单台站地震震级和所述震中距计算工点烈度；
若所述前沿台站地震P波事件为两个以上台站触发报警，则获得双台站地震震级并进行双台地震定位，根据所述双台站地震震级和所述双台地震定位结果计算工点烈度；
当计算的工点烈度值超过IV度时，向工点发出烈度预警。
2.根据权利要求1所述的地震烈度预警方法，其特征在于，采用第一公式识别前沿台站地震P波事件；所述第一公式为：
其中，i为当前采样点，x(i)为当前三分向合成加速度记录，α为地震信号的采样间隔，Δt为时窗长度，LSmall(Δt)为地震波形轴线上、下波形长度和二者中相对较小的值，Lbig(Δt)为地震波形轴线上、下波形长度和二者中相对较大的值，X(i)为当前时间采样点对应的幅值，T为当前时间采样点。
3.根据权利要求2所述的地震烈度预警方法，其特征在于，所述获得单台站地震震级，包括：
将单台站触发设定时间后波形最大位移与最大速度的乘积的对数以及所述设定时间时窗内的傅里叶变换最大值对数作为敏感因子；
利用最小二乘法拟合所述敏感因子与地震震级之间的关系式；
根据拟合的所述关系式获得单台站地震震级。
4.根据权利要求3所述的地震烈度预警方法，其特征在于，所述敏感因子与地震震级之间的关系式为：
M＝a*log|Pmax*vmax|+b*Kmax+c
其中，M为地震的震级，Pmax为所述设定时间时窗内最大振幅，vmax为设定时间时窗内最大速度，Kmax为所述设定时间时窗内的傅里叶变换频谱的最大值，a、b、c为三个常数，由最小二乘法计算得到。
5.根据权利要求4所述的地震烈度预警方法，其特征在于，所述计算震中距，包括：
根据所述设定时间时窗内卓越周期与最大加速度，计算震中距。
6.根据权利要求5所述的地震烈度预警方法，其特征在于，在所述计算震中距之后，还包括：
通过三分向协方差矩阵确定单台站的方位角；
根据确定的所述方位角和计算的所述震中距，对单台站的震中位置进行定位。
7.根据权利要求6所述的地震烈度预警方法，其特征在于，所述进行双台地震定位，包括：
通过在预先建立的到时差矩阵中查询，搜索矩阵中倒时差与两个前沿台站的P波触发时差最接近的位置，该位置为两个前沿台站的震中位置；
根据所述两个前沿台站的震中位置，获取震中与关键工点的距离作为双台地震定位结果。
8.根据权利要求7所述的地震烈度预警方法，其特征在于，所述根据所述单台站地震震级和所述震中距计算工点烈度，包括：
根据所述单台站地震震级和所述震中距，计算关键工点的PGA；根据计算的所述关键工点的PGA，计算工点烈度；
所述根据所述双台站地震震级和所述双台地震定位结果计算工点烈度，包括：
根据所述双台站地震震级和所述震中与关键工点的距离，计算关键工点的PGA；根据计算的所述关键工点的PGA，计算工点烈度。
9.根据权利要求8所述的地震烈度预警方法，其特征在于，还包括：
判断两个前沿台站触发后预设时间段内，工点现地台站是否触发事件；
若否，则判定为误报事件，向工点发出误报解除；
若是，则在现地台站触发所述预设时间段后，若现地台站的PGA不再增大，则向工点发出报警解除。
10.一种用于铁路施工期关键工点的地震烈度预警系统，其特征在于，包括：地震监测设备、网络传输设备、云服务器和供电设备；
所述供电设备，包括太阳能板、蓄电池和控制器，用于提供电能；
所述网络传输设备，用于通过无线网络将所述地震监测设备和所述云服务器组网；
所述地震监测设备，用于实时采集现场地震动数据；
所述云服务器，用于根据台站信息创建虚拟台站；所述虚拟台站用于接收所述现场地震动数据，在云端进行数据波形分析，得到所述现场地震动数据对应的波形分析结果；
所述云服务器，还用于获取所述波形分析结果；根据所述波形分析结果，识别前沿台站地震P波事件；在所述前沿台站地震P波事件为单台站触发报警时，获得单台站地震震级并计算震中距，根据所述单台站地震震级和所述震中距计算工点烈度；在所述前沿台站地震P波事件为两个以上台站触发报警时，获得双台站地震震级并进行双台地震定位，根据所述双台站地震震级和所述双台地震定位结果计算工点烈度。
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