基于加速度傳感器的地震預(yù)警技術(shù)系統(tǒng)可提高預(yù)警的可靠性和精度

8月6日凌晨，山東德州市平原縣發(fā)生5.5級地震，包括濟(jì)南、天津、北京在內(nèi)的多個城市有震感。許多網(wǎng)友表示在手機(jī)和電視上看到了地震預(yù)警信息，預(yù)警時間最長可達(dá)70秒。據(jù)了解，當(dāng)前華為、小米、榮耀、OPPO、vivo等主流國內(nèi)智能手機(jī)廠商已在手機(jī)中預(yù)設(shè)地震預(yù)警功能，用戶可自行開通。蘋果、三星等海外廠商手機(jī)可通過下載APP開通該功能。

記者在開通手機(jī)地震預(yù)警功能時發(fā)現(xiàn)，除開通地震預(yù)警接收提醒之外，有的小米手機(jī)還可為用戶提供成為“地震監(jiān)測志愿者”功能，并稱可采用手機(jī)通過低功耗傳感器感應(yīng)到地震波?？磥?，在地震預(yù)警過程中，手機(jī)發(fā)揮的作用正在從單純的信息接收端向地震預(yù)警監(jiān)測儀轉(zhuǎn)變。

用戶的手機(jī)收到預(yù)警信息

監(jiān)測地震最常用MEMS加速度計(jì)

在現(xiàn)行的地震預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)中，手機(jī)是最后一個環(huán)節(jié)——接收預(yù)警信息。

安裝地震監(jiān)測儀器監(jiān)測地震波—將監(jiān)測數(shù)據(jù)返回地震預(yù)警中心—地震預(yù)警中心將地震信息發(fā)送至受地震波及地區(qū)的個人終端。這是我國當(dāng)前地震預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制。手機(jī)發(fā)揮的是接收預(yù)警信號、提醒居民的作用。此次德州地震中，有的居民表示收到了預(yù)警提醒，就是靠這套系統(tǒng)。

基于加速度傳感器的地震預(yù)警技術(shù)系統(tǒng)

但記者在試用手機(jī)端的地震預(yù)警功能時發(fā)現(xiàn)了一個申請成為地震監(jiān)測志愿者的通道，注冊志愿者后，記者看到了這樣一個頁面，頁面上顯示著：“地震監(jiān)測是手機(jī)通過低功耗傳感器感應(yīng)到地震波?！?/p>

記者注冊成為地震監(jiān)測志愿者

在一般認(rèn)知中，地震監(jiān)測靠的是專業(yè)的地震監(jiān)測儀。記者在這里看到“手機(jī)通過低功耗傳感器感應(yīng)地震波”，難道小小手機(jī)也可以替代專業(yè)設(shè)備進(jìn)行地震預(yù)測了嗎？

監(jiān)測地震，是現(xiàn)行地震預(yù)警系統(tǒng)的第一個環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)由地震局等專業(yè)部門負(fù)責(zé)管理，應(yīng)用的地震監(jiān)測儀也是專業(yè)設(shè)備，據(jù)王暾介紹，單個地震監(jiān)測儀價格在1萬元左右。

地震監(jiān)測儀的作用，就是通過監(jiān)測地動的位移、速度和加速度等物理量，將地面擾動情況呈現(xiàn)出來。當(dāng)前，市面上地震儀種類多樣，包括應(yīng)變地震儀、慣性地震儀、力平衡加速度計(jì)、速度寬帶地震儀、MEMS加速度計(jì)等多種類型。其中，MEMS加速度計(jì)能夠比較直觀地記錄地震波在地球內(nèi)部傳播時所引起的振動信號。ADI 亞太區(qū)微機(jī)電產(chǎn)品線總監(jiān)趙延輝表示：“它可以準(zhǔn)確地記錄所在位置的振動信號波形，而后通過多個地震臺站組網(wǎng)，就可以準(zhǔn)確分析出震源、震級和震時等信息?！?/p>

現(xiàn)行的地震預(yù)警系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)揮了顯著作用。以平原地震為例，中國地震預(yù)警網(wǎng)成功預(yù)警此次地震，實(shí)現(xiàn)了德州市提前3秒預(yù)警、濟(jì)南市提前17秒預(yù)警、北京市提前70秒預(yù)警。從地震監(jiān)測儀接收到地震波信號到居民接受到地震預(yù)警，所需的時間最快可控制在4秒。

而之所以要調(diào)用手機(jī)作為地震監(jiān)測設(shè)備，還是因?yàn)楝F(xiàn)行采用專業(yè)地震監(jiān)測儀布網(wǎng)的方式存在一定的局限性。

手機(jī)輔助有望縮小地震預(yù)警盲區(qū)

截至今年六月，我國已建成15391個地震預(yù)警站、3個國家級中心、31個省級中心和173個地市級信息發(fā)布中心。全球規(guī)模最大的地震預(yù)警網(wǎng)主體工程已經(jīng)完工，并在京津冀、川滇閩等地區(qū)開展試點(diǎn)服務(wù)。

但即便是這樣的地震預(yù)警網(wǎng)規(guī)模，也難逃該技術(shù)路徑本身難以避免的地震盲區(qū)問題。

地震預(yù)警是在震后發(fā)布預(yù)警信息，依靠的是通信信號比地震波傳播速度快這一基本原理。地震發(fā)生后產(chǎn)生兩種波，縱波傳播速度快，但能量小、破壞力弱，橫波傳播速度慢，但能量大、破壞力強(qiáng)。地震臺網(wǎng)通過接收先到的縱波數(shù)據(jù)，快速估計(jì)地震基本參數(shù)，并預(yù)測對周邊地區(qū)的影響，從而搶在破壞力強(qiáng)的橫波到達(dá)之前，向可能受災(zāi)的區(qū)域發(fā)布預(yù)警信息。

但因?yàn)楸O(jiān)測儀放置在地表，所以嚴(yán)格意義上來說，靠近震源的位置是沒有預(yù)警時間的：以震源為中心以20公里為半徑的面積內(nèi)難以在感受到地震之前收到預(yù)警信號。這個以震源為中心，半徑為20公里的圓形地域，就是“地震盲區(qū)”。越靠近震源的地方，越難以爭取預(yù)警時間，而這個范圍恰恰是震感最強(qiáng)、受災(zāi)可能性最大的地方。

如果手機(jī)能夠被用作地震監(jiān)測設(shè)備，監(jiān)測設(shè)備密度將大大增加。當(dāng)前每兩臺地震監(jiān)測設(shè)備之間間隔的距離約為18公里。而如果采用手機(jī)作為監(jiān)測設(shè)備，地震監(jiān)測儀之間的距離將更短，預(yù)警盲區(qū)也將縮小。王暾表示，如果接入預(yù)警系統(tǒng)的手機(jī)足夠多，將有希望將預(yù)警盲區(qū)半徑從現(xiàn)在的20公里縮小到15公里。

這樣一來，地震預(yù)警所需要的響應(yīng)時間也有望進(jìn)一步縮短。王暾表示，采用手機(jī)作為地震監(jiān)測設(shè)備，有望將預(yù)警響應(yīng)時間從當(dāng)前的4秒降至3秒甚至3秒以內(nèi)。

用手機(jī)作為地震監(jiān)測設(shè)備，就是通過調(diào)用手機(jī)中的加速度計(jì)，獲知地面震動情況。加速度計(jì)當(dāng)前在走路計(jì)步和個別重力傳感游戲中常用。

但用手機(jī)中的加速度計(jì)代替專業(yè)設(shè)備監(jiān)測地震，真的可行嗎？

面對記者的疑問，趙延輝給出了這樣的回應(yīng)：2.5~3.4級的地震，一般的峰值加速度是0.08-0.25m/sec2，也就是8mg~25mg，這對于大部分手機(jī)用加速度計(jì)來說還有一定的挑戰(zhàn)。但對于5.0~5.4級的地震而言，一般的峰值加速度是1.4~2.5 m/sec2，也就是140mg ~250mg，大部分手機(jī)用加速度計(jì)均可監(jiān)測到。也就是說對于破壞性較強(qiáng)的地震來說，手機(jī)用加速度計(jì)是有機(jī)會監(jiān)測并報警的。

至少需要100萬臺手機(jī)接入

將手機(jī)作為地震監(jiān)測儀的技術(shù)路線，還在探索過程中。在推廣應(yīng)用的道路上，當(dāng)前還存在兩大難題。

首先最突出的是手機(jī)設(shè)備接入數(shù)量的問題。在使用小米手機(jī)注冊成為地震監(jiān)測志愿者時，記者注意到當(dāng)前編號為445809。這意味著該手機(jī)監(jiān)測地震系統(tǒng)已經(jīng)有44萬臺次設(shè)備接入。王暾表示，這個數(shù)量是自2021年到現(xiàn)在累計(jì)的結(jié)果。

而要想使手機(jī)地震監(jiān)測功能真正投入應(yīng)用，接入的手機(jī)數(shù)量需要達(dá)到100萬臺。

當(dāng)前，國內(nèi)主要手機(jī)品牌都已經(jīng)內(nèi)置了地震預(yù)警功能，全國有近8億臺手機(jī)設(shè)備出廠預(yù)裝了該功能。但考慮到擔(dān)心用戶可能認(rèn)為該功能會帶來打擾或隱私泄露等問題，該功能為默認(rèn)關(guān)閉狀態(tài)，需要用戶手動開啟該功能。這是預(yù)警接收端的情況。

對于預(yù)警監(jiān)測端而言，這個過程對用戶配合程度的要求就更高些。作為預(yù)警監(jiān)測設(shè)備，手機(jī)內(nèi)的加速度計(jì)需要被調(diào)用，且系統(tǒng)需要獲知用戶地理位置等數(shù)據(jù)，還需要確保地震發(fā)生時位于震源附近的手機(jī)處于通信開啟狀態(tài)。因?yàn)榈卣痤A(yù)警就是要與地震波傳播搶時間，全程無人參與，所以要讓手機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)真正發(fā)揮作用，就需要相當(dāng)大體量的手機(jī)處于隨時待機(jī)狀態(tài)。這就需要有更多的手機(jī)廠商推廣該技術(shù)，也需要有更多的志愿者加入到該計(jì)劃中來。

其次是軟件算法優(yōu)化問題。手機(jī)與專業(yè)地震監(jiān)測設(shè)備收集到的數(shù)據(jù)類型有所不同。當(dāng)前使用的地震監(jiān)測設(shè)備，監(jiān)測到震動信息后，首先要做端側(cè)邊緣計(jì)算，判斷是否發(fā)生了地震。如果使用手機(jī)監(jiān)測，這個工作就需要在手機(jī)端進(jìn)行。而當(dāng)前既有的算法是基于專業(yè)監(jiān)測設(shè)備開發(fā)的，因此要調(diào)用手機(jī)，首先需要對既有算法進(jìn)行優(yōu)化。以此提高預(yù)警的可靠性和精度。

王暾表示，當(dāng)前專業(yè)地震預(yù)警響應(yīng)時間已經(jīng)逼近極限，采用手機(jī)這樣的移動終端作為輔助有機(jī)會將地震預(yù)警時間再次降低。

對于手機(jī)這樣的移動設(shè)備是否會出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤差或者誤觸等問題，趙延輝表示：手機(jī)設(shè)備俯拾皆是，數(shù)量巨大，一旦監(jiān)測到在某一區(qū)域一起振動，基本是由地震引起，不太可能被其他事件誤觸發(fā)。他同時對未來地震預(yù)警技術(shù)趨勢做出預(yù)測：未來地震預(yù)警將會是低密度專業(yè)地震監(jiān)測設(shè)備與高密度輔助地震設(shè)備的融合，也就是用專業(yè)設(shè)備解決監(jiān)測精度問題，用輔助設(shè)備解決誤觸發(fā)問題。

責(zé)任編輯：彭菁