北川羌族自治县防震减灾局 四川绵阳 622750
摘要：在过去的30年中，地震预警系统从理论研究阶段、从科学家的实验中正在向实践应用阶段转变。根据地震预警系统的调查研究，整理出了这些年地震预警系统在世界各国、各个机构的研究发展进程。本篇文章详细阐述了利用智能手机和简易烈度计（MEMS）来进行地震预警的方法。根据过去研究地震预警系统的数据资料，然后结合实际情况，深入分析预警系统的发展时间节点，研究实时地震学对地震预警系统的发展有哪些帮助。
关键词：地震早期预警；实时地震学；历史和现状；众包
前言
地震预警（EarthquakeEarlyWarning，EEW）是近年发展起来的地震减灾技术。此项技术的最终目的就是在地震来临的时候能够提前发出警报，减少受害人员，其工作原理是当地震发生后，距离震源最近的地震台利用地震发出的几秒地震首波，计算出与地震相关的参数，进而发出警报，其主要是利用电磁波与地震波间、地震纵波与横波间的速度差来推算出地震范围，从而能够提前知道震区，由此提前获得避难时间、应急处置时间，以减轻地震灾害和人员伤亡（赵纪东等，2009；袁志祥等，2007）。国外一些国家，如日本、墨西哥等已经建立了地震预警系统（Allenetal，2009），并且取得了一定的成效。我国从20世纪末开始进行地震预警技术的先期研究，近几年也开展了一些地震预警实验研究，并在一些地区进行了预警示范工程，均取得了一定的成效。“国家地震烈度速报与预警工程项目”在2016年被我国地震局正式启动，所以，掌握世界范围内地震预警系统的发展状况以及发展方向、借鉴国外的建设经验和教训，可为我国地震预警技术的研发和系统建设提供参考。
1 地震预警系统的发展现状
预警系统在全世界各地区的发展进度是各不相同的，可以根据其发展进度分为三类：（1）预警系统正在处于讨论发展阶段，正研究其必要性以及重要性；（2）正在测试开发预警系统，处于试验阶段；（3）已经完成了预警系统的测试，预警系统已经正式应用。图1展示了2012年由美国国家航空航天局（NationalAeronauticsandSpaceAdmin?istration，NASA）地球观测站（NASA'sEarthObservatory）根据苏奥米国家极地轨道伴随卫星（theSuomiNationalPolar-or?bitingPartnership）采集的数据而制成的地球夜间灯光分布图，在夜晚地球上各地区灯火分布状况被展现出来。需要指出的是，图1的数据是将一定时间段内各特定时间点测定的地球夜半球灯光数据汇总整理而得，它一方面部分反映了世界人口集中分布的情况，另一方面也直接反映了区域的工业化、现代化及城市化水平。此篇文章在图1中已经将全世界范围内开始研究发展地震预警系统的国家以及地区都一一标示出来了，在图中能够发现像中国首都附近地区、美国的西海岸、日本以及中国台湾省等地区的经济非常发达且地震发生的概率很高，这些地区所面临的最大问题就是需要一些高效、精准的预防地震的措施。所以，假如地震短临预测的研究发展在短时间内不能够取得很好的成果，那么地震预警系统就具有巨大的发展空间。地震发生后对于一些数据的采集和分析等都是实时地震学意义的体现。在地震预警系统的早期发展阶段，其与实时地震学并无太大的差异，由于社会的需求，地震预警系统的发展速度加快，台网建设等一些方面被重视起来。但是实时地震学的作用也是不可忽略的，其发现的许多关于地震学的问题对于发展预警系统具有很好的指导作用。特别需要关注的是在2000年以后，实时地震学对文献的统计以及地震预警系统在现实中的实践都进入了飞速发展阶段。
图1：全球夜间灯光分布（图片来源：NASA）
注：橙色表示预警系统正在处于讨论发展阶段，正研究其必要性以及重要性的地区和国家，绿色表示正在测试开发预警系统，处于试验阶段的国家和地区，蓝色表示完成预警系统的测试，已经正式应用的地区和国家。
2 基于“众包”（Crowdsourcing）的预警实践
2006年6月，美国《连线》杂志社记者JeffHowe提出了“众包”（Crowdsourcing）的概念。起初，JeffHowe将这一概念定义的比较广泛，主要指的是企业或者机构组织将内部一些工作人员指定的任务按照自由自愿的原则承包给一些预先未指定的、大型且效率高的网络去完成。而现在，这一概念逐渐演变为从广泛群体，特别是在线的网络社区中获取所需服务和想法的实践。由于科技的不断提升，智能手机网络的发展非常迅猛，在环境科学中已经运用了一些在“众包”基础上发展起来的传感器网络。一些地震科学家发现在智能手机的内部装有加速度计，同时手机的应用变得越来越普遍，因此利用智能手机对地震监测这一想法变得越来越现实。所以，地震科学以及地震监测预警项目等一定要普及到每位民众，这就使得地震预警系统的发展前景变得十分光明。美国地质调查局（USGS）的“DidYouFeelIt（DYFI）”便是一个例子。目前正在测试的系统包括：
（1）地震台网工程（theEarthquakeNetworkProject）。此工程是在“众包”的基础上所提出的，主要依靠智能手机用户的一项地震预警系统。其目标就是把全球民众的智能手机都建设成为接收器，从而打造一个全世界范围内的地震预警系统。2013年1月此工程正式开始，截止到2016年，全世界范围内已经有12万部智能手机参与到此工程中。
（2）“我的震动（theMyShake）工程”。加州大学伯克利分校是最先开展“MyShake工程”的，其主要任务就是对智能手机内的加速度传感器质量进行测试，由于受到该项目的启发，一些地震学家在此基础上研发出了一款安卓应用，手机用户的每一次运动，此应用都能够检测出是属于人类正常的运动还是地震活动。此应用在测试完成后，又将过去地震时手机的记录输入到了此应用之中，在此基础上此应用已经逐渐发展成为一套基于单台智能手机的地震识别算法。同时该应用会将其所记录的信息传回到加州大学伯利分校的信息处理中心，通过数据处理过后由此判断是否为地震事件，最后，再根据多台智能手机传回的信息确定该地震的地震源、级数以及发生地震的时间等参数。除此之外，MyShake还能够根据推文来对地震进行预警。
（3）地震捕手台网（theQuakeCatcherNetwork，QCN）。此项工程是在微机电系统的基础上而开发出来的一个价格低廉、方便实用的地震计，此地震计可以装在民众的家中来实现对地震的预警。QCN采用价格低廉的感应器，而且由自愿者安装并负责运维台站，因而大大降低了运行成本。2010年3月，QCN安装了实时检测地震震级和位置的算法，此后还得以进一步发展可生成AlertMaps。目前，QCN可以为地震预警系统提供快速、粗糙的震级估计。
（4）社区地震台网（theCommunitySeismicNetwork，CSN）工程。社区地震台网布设于美国加州洛杉矶地区，主要用于测量强地面运动，其获得的强震动信息将发送给USGS用于绘制ShakeMap和ShakeCast。CSN现在主要集中在洛杉矶北部地区，但是其计划增加数千个感应器以覆盖整个洛杉矶盆地的人口稠密区。为了有效地运维这样一个庞大的台网，CSN采用了一个云端的处理系统，该系统的处理能力是动态扩展。此外，CSN也采用了分布式系统用以执行基本的事件检测等任务，并将结果发布到云端。为了使台网覆盖整个洛杉矶盆地，CSN计划在各大学校布设感应器。最新的报告显示，CSN已经在洛杉矶联合学区（LosAngelesUnifiedSchoolDistrict，LAUSD）的1200个学校布设，并且已经在这些学校的100个中布设了感应器作为测试，且运行顺利。CSN开始于2010年并且已经发展成了功能性的地震台网，目前正计划将CSN和南加州地震台网（South?ernCaliforniaSeismicNetwok，SCSN）整合起来作为南加州的一个权威地震台网。与此相类似的还有日本的家庭地震计（HomeSeismometer）。在未来的应用中，这些基于“众包”的台网数据可能会提供关于地震波传播和地震破裂过程的更多细节信息。而现在，这些台网所面临的重大挑战是如何保持获取高质量的数据，以及如何在下一次大地震发生时确保该台网仍然处于正常的运行状态。
3 结束语
地震预警系统正处于蓬勃发展期，但是其在实际的应用中面临诸多挑战和问题。在硬件上，系统设备的维护与更新直接关乎预警成败，台站的使用寿命和强震复发周期的关系也是一个值得讨论的课题；在软件上，如何缩小预警系统的时间延迟进而最大限度地减小预警“盲区”、如何准确检测地震事件、如何快速准确地估算震级震中和强地面运动参数，这些挑战带来了对预警系统的质疑，但同时也指明了地震预警相关方法和技术的发展方向。
参考文献
[1]马强，金星，李山有，陈绯雯，廖诗荣，韦永祥.用于地震预警的P波震相到时自动拾取[J].地球物理学报，2013，07：2313-2321.
[2]张红才，金星，李军，韦永祥，马强.地震预警震级计算方法研究综述[J].地球物理学进展，2012，02：464-474.
[3]金星，张红才，李军，韦永祥，马强.地震预警震级确定方法研究[J].地震学报，2012，05：593-610+727.
[4]马强.地震预警技术研究及应用[D].中国地震局工程力学研究所，2008.
论文作者:黄建波
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第16期
论文发表时间:2017/11/20
标签：预警系统论文; 台网论文; 地震学论文; 智能手机论文; 洛杉矶论文; 地区论文; 震级论文; 《建筑学研究前沿》2017年第16期论文;