JP2013242173A - 地震動の収束判定システム - Google Patents

Abstract

【課題】複数の地震による地震動が連続した際に、各々の地震動の収束を高い精度で判定することができる地震動の収束判定システムを提供する。
【解決手段】地震計と、地震時に上記地震計で継続的に観測された地震動による揺れの大きさから、当該地震による上記地震動の収束を判断する演算手段を備えた制御手段とを有してなり、上記演算手段は、上記地震計から送信される上記地震動による揺れの大きさから、当該揺れの単位時間当たりの変動量を連続的に算出し、上記制御手段は、得られた上記変動量が予め設定された閾値の範囲外になった状態が、予め設定された継続時間を経過した際に、上記地震が収束したと判断する。
【選択図】図２

Description

本発明は、地震発生後における観測対象地点の揺れが、当該地震のＳ波の後揺れに基づくものか、新たな地震のＰ波に基づくものかを判別するための地震動の収束判定システムに関するものである。

近年、気象庁の緊急地震速報を用いて、対象とする地点の地震動強さを予測し、地震到達前に地震発生や揺れの大きさを報知する地震早期警報システムが運用されている。また、対象とする地点に設置した地震計を用いて、地震の初期微動（Ｐ波）から当該地点に到達する主要動（Ｓ波）の大きさを予測する地震早期警報システムが開発されている。

さらに、下記特許文献１においては、上記緊急地震速報と対象地点に設置した地震計とを併用して、当該地点に設置されている機器類を制御する地震防災システムが提案されている。この地震防災システムは、震度計を用いて、地震の揺れをある震度以上計測した時点で緊急放送アラームや製造装置等の停止を実施させる第１の制御信号を出力する第１の地震防災システム部と、震源位置及びマグニチュード情報を含む緊急地震速報を受信して解析を行い、地震主要動の震度及び到達時刻を予測し、ある震度以上が到来すると予測される場合に、その揺れが来る前に上記緊急放送アラームや製造装置等の停止を実施させるための第２の制御信号を出力する第２の地震防災システム部とを備え、さらに第２の地震防災システム部の予測誤差を考慮し、第２の地震防災システム部から第２の制御信号を出力するための第２の閾値を第１の地震防災システム部から第１の制御信号を出力するための第１の閾値より高い震度に設定することにより、製造装置等の停止を制御目標震度以上で動作させる制御手段を設けたものである。

ところで、実際の地震観測記録においては、図９に示すように、２つ以上の大きな揺れが連続して観測される例が見受けられる。このような場合に、上述した対象とする地点に設置した地震計を用いて、Ｐ波から当該地点に到達するＳ波の大きさを予測する地震早期警報システムにおいては、地震計が観測した波形が、最初の地震によるＳ波の後続波形であるか、あるいは後続の地震のＰ波による波形であるか判断することが困難になる。

また、緊急地震速報を併用している場合には、別の地点で発生した地震による揺れが、たまたま同時に対象地点に到達した場合には、震源位置の情報によって互いに異なる地震として認識され、それぞれ地震動強さを予測することができるものの、同じ地域で発生した地震の場合には、同一の地震と見なして、最初の地震に基づく情報から地震動強さを予測することになる。

このような場合に、最初の地震のＰ波から予測した揺れの方が大きい場合には、警報システムとして問題はないが、後続の地震のＰ波から予測される揺れの方が大きい場合には、最初の地震から得られた情報を用いて予測した地震動強さの結果は、実際の揺れを過小評価することになる。このため、予測精度上の問題を生じ、例えば、本来緊急放送アラームを発すべき後続の地震に対して当該アラームが作動されなかったり、あるいは機器を停止すべき後続の地震に対して停止させなかったりするという問題点が生じる。

したがって、上記問題点を解決するためには、上記地震計によってリアルタイムに観測された地震波形から、連続する地震を各々検知・識別することが重要であり、そのためには、最初の地震が収束したことを判定する必要がある。

一方、地震発生時に強制停止させたエレベータかごを、地震が収束した際に通常運転に復帰させる従来の技術として、例えば下記特許文献２には、地震により発生する加速度を、地震の強度により各々設定されたレベル（特低ガル、低ガル、高ガル）を検出する地震感知器を備え、上記地震感知器が特低ガルを最終検出後一定時間以内に地震を検知しない場合に、エレベータを平常運転に復帰させるエレベータの地震管制運転制御装置が開示されている。

しかしながら、上記制御装置にあっては、地震感知器に上記特低ガルといった閾値を設定し、当該閾値以下となる時間が一定以上となる場合に地震が収束したと判断しているために、連続する地震の場合には、設定する閾値によっては１つの連続した地震と見なしてしまう可能性がある。また、判定時間を長くすると２つ以上の地震の識別ができなくなり、時間を短くすると誤って収束したと判定することが生じる。このように、２つ以上の地震動が連続する場合に、最初の地震の収束を高い精度で判定することが難しいという問題点がある。

特開２００９−１８０５０８号公報 特開平０８−２４５１０６号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、複数の地震による地震動が連続した際に、各々の地震動の収束を高い精度で判定することができ、ひいては各々の地震に対して、そのＰ波に基づくＳ波による揺れの大きさを予測することが可能になる地震動の収束判定システムを提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の本発明に係る地震動の収束判定システムは、地震計と、地震時に上記地震計で継続的に観測された地震動による揺れの大きさから、当該地震による上記地震動の収束を判断する演算手段を備えた制御手段とを有してなり、上記演算手段は、上記地震計から送信される上記地震動による揺れの大きさから、当該揺れの単位時間当たりの変動量を連続的に算出し、上記制御手段は、得られた上記変動量が予め設定された閾値の範囲外になった状態が、予め設定された継続時間を経過した際に、上記地震が収束したと判断することを特徴とするものである。

ここで、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記演算手段が、上記揺れの大きさを２乗した値の上記単位時間当たりの変動量を算出するとともに、上記制御手段には、０．００２未満の上記閾値および１０秒〜２０秒の範囲の上記継続時間が設定されていることを特徴とするものである。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記演算手段が、上記揺れの大きさの１秒〜５秒の範囲の時間内における短時間平均値と、１０秒〜２０秒の範囲の時間内における長時間平均値とを算出し、かつ上記短時間平均値を上記長時間平均値で除した値を算出するとともに、上記制御手段には、０．９〜１．１の範囲の上記閾値および１０秒〜２０秒の範囲の上記継続時間が設定されていることを特徴とするものである。

さらに、請求項４に記載の発明は、請求横１に記載の発明において、上記地震計が、上記揺れの大きさとして加速度を観測するとともに、上記演算手段が、上記加速度から観測対象の建物に入力される地震入力エネルギーを算出して、当該地震入力エネルギーの上記単位時間当たりの変動量を算出し、かつ上記制御手段には、０．２〜０．４の範囲の上記閾値および１０秒〜２０秒の範囲の上記継続時間が設定されていることを特徴とするものである。

請求項１〜４のいずれかに記載の発明によれば、個々の地震に対して、その地震動を地震計により継続的に観測し、得られた地震動の揺れの大きさから、演算手段において単位時間当たりの変動量を連続的に算出して、制御手段によって当該変動量が予め設定された閾値の範囲外になった状態が、予め設定された継続時間を経過した際に当該地震が収束したと判定しているために、複数の地震による地震動が連続した場合においても、各々の地震動の収束を高い精度で判定することができる。

この結果、対象地点に設置した地震計による地震の初期微動（Ｐ波）から主要動（Ｓ波）を予測する地震早期警報システムに組み込めば、２つ以上連続する地震動を各々検知・識別することによって、連続する地震動を１つの地震動と見なすことなく、後続地震動による主要動を個別に予測して、当該地震早期警報システムの予測精度の向上を図ることが可能になる。

本発明の第１の実施形態を示す概略構成図である。 図１の制御手段において実行する判定処理のフローチャートである。 上記第１の実施形態のシステムによって判定した結果を示すグラフである。 上記第１の実施形態のシステムにおいて設定値を外して判定した結果を示すグラフである。 上記第２の実施形態のシステムによって判定した結果を示すグラフである。 上記第２の実施形態のシステムにおいて設定値を外して判定した結果を示すグラフである。 上記第３の実施形態のシステムによって判定した結果を示すグラフである。 上記第３の実施形態のシステムにおいて設定値を外して判定した結果を示すグラフである。 過去に観測された２つの連続した地震の応答加速度の波形を示すグラフである。

（第１の実施形態）
図１〜図４は、本発明に係る地震動の収束判定システムの第１の実施形態を示すものである。
図１に示すように、この収束判定システムは、対象とする建物に設置した地震計を用いて、地震の初期微動（Ｐ波）から当該地点に到達する主要動（Ｓ波）の大きさを予測する地震早期警報システムに組み込まれたものである。

図１において、図中符号１は、この地震早期警報システムが設置されている半導体製造工場等の建物（構造物）であり、この建物１内には、振動を嫌う多くの設備機器（図では、そのうちの１機のみを示している。）２が設置されている。また、この建物１に近接した敷地上の地点Ａおよび建物１内の地点Ｂには、各々当該箇所における地震動のレベルを検知するための地震計３が取り付けられている。

ここで、地震計３は、リアルタイムに建物１あるいは近接した敷地の振動を観測するとともに、予め最も小さな接点出力レベルとして、地震動の開始と判断されるＰ波による加速度値が設定されており、当該接点レベルを超えた際に、観測データを制御装置（制御手段）４に出力するようになっている。

この制御装置４は、地震計３からのＰ波による加速度の値から、到来するＳ波による最終的な建物１の揺れの大きさを演算して予測する演算手段と、この演算手段において算出された予測値により、必要に応じて通信線５を介して警報信号を出力するとともに、通信線６を介して設備機器２の作動を停止あるいは減速等させる信号を出力するデータ送信部とから概略構成されたものである。

そして、この制御装置４に、上記収束判定システムの制御手段が組み込まれている。
すなわち、上記演算手段は、地震計３から送信される地震動の加速度（揺れの大きさ）から、当該加速度の単位時間当たりの変動量（すなわち、勾配）を連続的に算出する機能を備えている。また、制御装置４は、演算手段において得られた上記加速度の勾配が予め設定された閾値以下になった状態が、予め設定された継続時間を経過した際に、上記地震が収束したと判断して、上記演算手段をリセットするとともに、通信線６から設備機器２の作動を再開可能とする信号を出力するようになっている。

これをより詳細に説明すると、この判定システムは、図３の「累積パワー」に見られるように、地震動パワーの累積値が、時間の経過とともにある一定値に収束することに着目し、上記地震動パワーの累積値の勾配が所定の値以下となった場合に、地震動が収束したと判定するようにしたものである。
そこで、先ず上記演算手段は、地震計３から伝送されてくる地震動の加速度の絶対値を２乗し、得られた値の単位時間当たりの変動量（＝勾配）を算出する。

他方、制御装置４には、予め上記勾配の閾値として０．００２未満の所定の値および継続時間として１０秒〜２０秒の範囲の所定の時間が設定されている。そして、上記演算手段で算出された上記勾配が０．００２未満の上記設定値以下となり、その状態が１０秒〜２０秒の範囲の上記設定時間継続した場合に、上記地震動が収束したと判断するようになっている。

上記構成からなる地震動の収束判定システムを用いた地震動の収束判定方法について説明すると、図２および図３に示すように、地震計３がリアルタイムに建物１および近接した敷地の振動を観測するとともに、地震動の開始と判断されるＰ波による加速度値を超えた値を観測すると、以降、図３の「観測加速度」に見られるような観測データを制御装置４に出力する。すると、制御装置４の演算手段において、地震計３から伝送されてくる地震動の加速度の絶対値を２乗し、図３の「勾配」に示すように、得られた値の単位時間当たりの変動量（勾配）を算出する。

そして、上記勾配が、０．００２未満の設定値（図３に示す本実施形態においては０．００１５）以下となり、かつその状態が１０秒〜２０秒の範囲の設定時間（同じく、２０秒）継続した場合に、地震が収束したと判定する。

この際に、上記勾配の閾値の設定値は、上述したように０．００２未満であって、かつ継続時間の設定値は１０秒〜２０秒の範囲が好適である。ちなみに、図４に示すように、上記勾配の閾値を０．００４に設定し、継続時間を１０秒未満に設定して上記判定を行うと、地震動が十分に収束していないにも拘わらず収束したと判断してしまうおそれがあるからである。

また、上記実施形態においては、地震計３が地震動の開始と判断されるＰ波による加速度値を超えた際に、上記判定を開始する場合についてのみ説明したが、これに限るものではなく、図３に示しているように、地震計３から観測された加速度を制御装置４にリアルタイムで伝送し、当該加速度の絶対値が所定の値以上であって、かつパワー累積値の勾配が所定の値以上に達した条件によって、初動を検知することも可能である。図３においては、加速度絶対値２ｃｍ／ｓ²以上、パワー累積値の勾配０．００２以上とした場合を示している。

（第２の実施形態）
図５および図６は、本発明の第２の実施形態を示すもので、その他の構成部分については、図１および図２に示したものと同一であることから、以下同一符号を用いてその説明を簡略化する。
この判定システムは、強震観測のトリガーに用いられるSTA／LTA法（STA：Short-Time Average，LTA：Long-Time Average）を、地震動の収束を判定するために応用したものである。

すなわち、STA／LTA法は、地震動の絶対値における長時間の平均値に対する短時間の平均値の比（STA／LTA）を取ることにより、地震動の急激な変化を捉えようとするものであり、上記地震動の急激な立ち上がりを検知するために、通常Short-Timeとして０．５〜１秒、Long-Timeとして５〜１０秒程度の時間を設定し、STA／LTAが、予め設定した閾値を所定回数連続して超えた場合に地震動が到達したと判定するものである。
ちなみに、図５および図６におけるSTA／LTA（０．１／５）は、Short-Timeとして０．１秒、Long-Timeとして５秒の時間を設定した例である。

これに対して、本発明者等は、上記STA／LTA法において、短時間をある程度長く設定することにより、地震動の収束判定に用いることができるとの知見を得るに至った。すなわち、地盤は常時微動と呼ばれる非常に微小な振幅で常時揺れている。この常時微動は、定常ランダム過程に近いとされており、定常ランダム過程の場合はSTA／LTAは、ほぼ１となる。この性質を利用して、図５に示すように、STA／LTAがある閾値以内に所定時間連続して収まる場合に地震動が収束したと判断するものである。

そこで、本実施形態においては、上記演算手段は、地震計３から伝送されてくる地震動の加速度の絶対値から、その長時間の平均値に対する短時間の平均値の比（STA／LTA）を算出するようになっている。この際に、収束判定に用いる場合には、STAの時間をトリガーに用いる場合に比べ長く取る方が、STA／LTAがある程度安定した結果となるため、Short-Timeとして１〜５秒、Long-Timeとして１０〜２０秒の範囲の時間を設定するのが好適である。なお、図５および図６におけるSTA／LTA（５／１０）は、Short-Timeとして５秒、Long-Timeとして１０秒の時間を設定した場合を示すものである。

他方、制御装置４には、予め上記STA／LTAの閾値として０．９〜１．１の範囲の所定の値、および継続時間として１０秒〜２０秒の範囲の所定の時間が設定されている。そして、上記演算手段で算出された上記STA／LTAが変動して、０．９〜１．１の範囲の上記設定値以下となり、その状態が１０秒〜２０秒の範囲の上記設定時間継続した場合に、上記地震動が収束したと判断するようになっている。

ちなみに、図６に示すように、上記STA／LTAの閾値を０．９未満（例えば、０．８）に設定して上記判定を行うと、地震動が十分に収束していないにも拘わらず収束したと判断してしまうおそれがあることから、上記STA／LTAの閾値は、０．９〜１．１の範囲の所定の値に設定し、かつ継続時間は、１０秒〜２０秒の範囲の所定の時間に設定することが好ましい。

（第３の実施形態）
図７および図８は、本発明の第３の実施形態を示すもので、同様に、他の構成部分については図１および図２に示したものと同一であることから、以下同一符号を用いてその説明を簡略化する。
この判定システムは、地震入力エネルギーの変動量（＝勾配）に基づいて、地震動の収束を判定しようとするものである。

地震動の建物への影響を表す尺度として，地震入力エネルギーＥが知られている。そして、１自由度系モデルに対して地震動の加速度が作用する場合の地震入力エネルギーＥは、次式によって算出することができる。

式１

そして、上記地震入力エネルギーＥの時刻歴は、図７に示すように、変動しながら総入力エネルギーに収束することから、その単位時間当たりの変動量（勾配）が所定の値以下となり、その状態が一定時間継続した場合に地震動が収束したと判定するようにしたものである。
したがって、先ず演算手段においては、地震計３から伝送されてくる地震動の加速度から、上式によって建物１に入力される地震入力エネルギーＥを算出して、当該地震入力エネルギーＥの単位時間当たりの変動量（勾配）を算出する。

他方、制御装置４には、予め上記勾配の閾値として０．２〜０．４の範囲の所定の値および継続時間として１０秒〜２０秒の範囲の所定の時間が設定されている。そして、上記演算手段で算出された上記地震動入力エネルギーＥの勾配が０．２〜０．４の範囲の上記設定値以下となり、その状態が１０秒〜２０秒の範囲の上記設定時間継続した場合に、上記地震動が収束したと判断するようになっている。なお、図７においては、設定した閾値が０．２５、継続時間が２０秒である場合の結果を示している。

ここで、地震動入力エネルギーＥの勾配の閾値の設定値は、上述したように０．２〜０．４の範囲であって、かつ継続時間の設定値は１０秒〜２０秒の範囲が好適である。ちなみに、図８に示すように、上記勾配の閾値を０．５に設定し、継続時間を１０秒未満に設定して上記判定を行うと、地震動が十分に収束していないにも拘わらず収束したと判断してしまうおそれがある。

なお、上記第１〜第３の実施形態においては、地震計３によって地震動による揺れの大きさとして加速度を検出する場合についてのみ説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、地震動による揺れの大きさとして、上述した加速度の他、当該地震動の速度や変位量を用いることもできる。

１ 建物
３ 地震計
４ 制御装置（制御手段）

Claims (4)

1. 地震計と、地震時に上記地震計で継続的に観測された地震動による揺れの大きさから、当該地震による上記地震動の収束を判断する演算手段を備えた制御手段とを有してなり、
   上記演算手段は、上記地震計から送信される上記地震動による揺れの大きさから、当該揺れの単位時間当たりの変動量を連続的に算出し、上記制御手段は、得られた上記変動量が予め設定された閾値の範囲外になった状態が、予め設定された継続時間を経過した際に、上記地震が収束したと判断することを特徴とする地震動の収束判定システム。
2. 上記演算手段は、上記揺れの大きさを２乗した値の上記単位時間当たりの変動量を算出するとともに、上記制御手段には、０．００２未満の上記閾値および１０秒〜２０秒の範囲の上記継続時間が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の地震動の収束判定システム。
3. 上記演算手段は、上記揺れの大きさの１秒〜５秒の範囲の時間内における短時間平均値と、１０秒〜２０秒の範囲の時間内における長時間平均値とを算出し、かつ上記短時間平均値を上記長時間平均値で除した値を算出するとともに、上記制御手段には、０．９〜１．１の範囲の上記閾値および１０秒〜２０秒の範囲の上記継続時間が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の地震動の収束判定システム。
4. 上記地震計は、上記揺れの大きさとして加速度を観測するとともに、上記演算手段は、上記加速度から観測対象の建物に入力される地震入力エネルギーを算出して、当該地震入力エネルギーの上記単位時間当たりの変動量を算出し、かつ上記制御手段には、０．２〜０．４の範囲の上記閾値および１０秒〜２０秒の範囲の上記継続時間が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の地震動の収束判定システム。

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