LifePatron® 高级地震预警系统

研究了一种能够停止电梯并使建筑系统安全措施生效的地震预警检测装置。

作者：Jüergen Prybylak

介绍

在过去的 500 年中，估计有 20,000 万人在地震中丧生。 地震学家每年记录大约 XNUMX 次地震。 专家们一致认为，在不久的将来，居住在大地震多发的大都市区的数百万人将受到灾害的威胁，但他们没有做好充分的准备。 

尽管通过抗震建筑改善了建筑物的安全措施，但仍有数千人因建筑物倒塌以及燃气管道和带电高压电线破裂引起的火灾而在大地震中丧生。 不幸的是，许多人对地震及其可能引起的各种问题知之甚少。

地震是土壤的临时振动，从其起源点以不同的波向各个方向传播。 地震波分为初级 (P) 波和次级 (S) 波。 P 波（通常是非破坏性的）主要以垂直运动传播，其速度大约是水平 S 波的两倍，水平 S 波通常具有更大的位移潜力，并且运动最常与结构损坏相关。 虽然来自地震震源区的这些波的精确速度取决于地质和其他因素，但它们的相对速度差异在某种程度上保持不变。 因此，对 P 波的可靠检测提供了对即将到来的更具破坏性的 S 波进行自动警告的机会。 因此，P波总是首先到达系统的位置。幅度

国际里氏震级在地震仪的帮助下描述了其震源（储存在岩石中的应变能首次释放的位置，标志着断层开始破裂的点）的地震强度。 不同的量级包括：

• 2.0 级或以下的地震被描述为微地震，通常不会引起注意。
• 2.0 到 3.9 级地震对大多数休息的人来说是明显的。
• 大多数人都注意到 4.0 到 5.2 级地震。
• 5.2级以上的地震是所有人都注意到的。

量表上更高的量级意味着能量释放 32 倍（对数增加）。 常用的里氏震级和其他科学表达的地震震级是用于量化地震释放能量的对数尺度。 它们不是工程尺度，在比较距震中（地震能量所指向的地球表面区域）或震源（地壳内破裂的起源）不同距离的地震影响时，往往会造成混淆。

亮度

由于距震中特定距离的地震影响差异很大，受地质、土壤条件、断层破裂机制和其他因素的影响，考虑潜在损害时主要考虑的不是里氏震级，而是所经历的震动强度在相关设施中。

完成警告时间 

每次地震的预警时间（P 和 S1）都不同。 我们查看第一个 P 波峰值并分析其频率、加速度和其他特性。 分析一个波只需要几分之一秒。 一旦进行分析，系统就会知道当波到达已安装系统的位置时的强度水平。 警报将触发并引导所有切换过程。 图的下半部分显示了系统的开关脉冲。 如果阈值（建筑物强度）高于调整值，系统将发出警报。 通过这样做，可以：

• 在地震发生前发出警报
• 关闭煤气、电力和水供应
• 启动应急发电机
• 公园电梯
• 打开安全门和大门
• 在实际波浪袭击之前关闭交通和隧道灯以阻止交通
• 控制铁路信号装置
• 运行数据备份程序
• 切换楼宇管理系统以停止电梯、关闭燃气、水阀和电力。 

安装地点

为了执行精确测量，地震传感器必须始终安装在建筑物的最低楼层，以便直接分配（地球/建筑物）将 1:1 传输到传感器中。 每个地震传感器内部都有一个分析安装位置振动的传感器。 在超出调整膨胀值的情况下，总线通信电缆的信号被发送到主站。 主机循环扫描所有从机并决定触发连接系统中所有地震探测器的警报。 地震探测器的数量取决于项目。

传感器数量示例：

• 私宅：一主人二警
• 10套公寓：一主一从，一电源，十个警笛
• 商场：一主三至五从，供电靠警笛
• P波控制电梯：一主一从

我们可以通过P波将电梯短时间（例如2分钟）停在下一层，如果出现S波，系统可以停止电梯进行控制。

设备说明

1. 带显示器的地震探测器主控（EQm）

• Secty LifePatron 基础版^® 由一个独立设备和一个集成的可充电电池组成，用于为两个相连的 105 分贝警报器提供应急电源，以警告人们即将发生的地震。
• 230个无电位继电器（≤XNUMXV）用于通过电磁气阀或其他开关过程关闭供气
• 系统的操作通过 LCD 显示屏（20 X XNUMX 个字符）进行菜单驱动，控制台集成在外壳的前盖中。 所有未决信息和指示都显示在显示屏上。 可以选择从远程位置（安全中心或网守）通过 TABD 观察操作和控制功能。
• 系统状态通过 LED 指示，用于操作、故障和报警。
• 表壳尺寸：217 X 250 X 122 毫米

2.地震探测器从站（EQs）

• 冗余安全
• 为此，均衡器通过主/从排列中的数据线连接。 主站循环扫描所有从站并决定触发警报。 最多可连接16个地震预警传感器
• 每个从站可以安装两个警报器
• 系统状态通过 LED 指示，用于操作、故障和报警。
• 表壳尺寸：217 X 250 X 122 毫米

3.电源

• z 通过低压电源线提供低压。 两个集成的可充电电池提供应急电源，以确保系统在发生电源故障时正常运行。 继续
• 当主机报告即将发生的地震时，光/声报警器被触发并通过连接到电源的最多六个警报器发出声音。
• 可以为十五个设备供电
• 系统状态通过 LED 指示，用于操作、故障和报警。
• 表壳尺寸：281 X 290 X 147 毫米

4. 能源管理系统（EMS）

• EMS 系统最多可以控制八个不同的电子操作能源系统和建筑装置（八个无电位触点 (≤230V)）。
• 当主机报告即将发生的地震时，会触发警报，激活 EMS 并立即启动所有连接的能源系统、电子建筑和基础设施装置。
• 系统状态通过 LED 指示，用于操作、故障和报警。
• 表壳尺寸：217 X 250 X 122 毫米

5.中央服务和控制成员（TABD） 

• 控制成员以防主人没有显示器
• 安装在控制/安全室
• 系统状态通过 LED 指示，用于操作、故障和报警。
• 表壳尺寸：120 X 200 X 57 毫米

6. 大厦管理委员会

• 该板在主设备中。
• 它具有三个无电位触点（≤230V）。
• 用户可以将运行、故障和报警信息发送到现有的楼宇管理系统（BMS）。 从这里开始，BMS 可以控制建筑物内的所有事物。

技术说明

Secty Electronics GmbH 开发了这种用于地震预警的设备。 Secty LifePatron 监测三个空间方向的地面运动，并根据源自大地震的地震波的可能到达来评估振动的严重程度。 GFZ 德国地球科学研究中心已对该产品的灵敏度进行了测试。

传感器技术

Secty LifePatron 中使用的电子元件和与其相关的测量精度通过比较测量进行检查。 所使用的组件要求终端设备满足以下特性：

1. 传感器：三轴（X、Y 和 Z 轴）
2. 工作范围：DC – 40 Hz
3. 灵敏度：1 V/g ± 4%
4. 非线性：<2.5%
5. 交叉灵敏度：<3%
6. 噪音：~ 0.01 mps²
7. 测试温度：-18°C 至 51.5°C

通过超过阈值测试警报

该测量系统将用作发生地震时的警报系统。 它不应该发布错误警报。 这是通过以下措施确保的：

• 将分析信号限制在频带内
• 植入分析算法是为检测P波而设计的。
• 监控系统的底部切换为 0.3 mps².
• 冗余地震网监测——15个master，XNUMX个slave（视项目而定）
• 八种不同阈值的调整

具有警报系统的不同国家的地震经验

• 智利：智利的一所德国学校在 P 波来袭前 30 秒和 S1 来袭前一分钟收到警报。

• 海地：29年2010月23日地震后安装了预警系统。2010年4.7月5,000日，系统发出XNUMX级余震警报，向约XNUMX人发出警报。

• 巴基斯坦：2009年5.4月安装了四个系统。20年2009月XNUMX日发生了XNUMX级大地震，系统在破坏性的S波到达人们手中之前发出了警报。

• 萨尔瓦多：在萨尔瓦多的一所德国学校，系统在 4 年 2008 月 6.1 日发出地震警报。150 级地震的震中位于危地马拉，距离学校约 XNUMX 公里。

结语

人们收到有关破坏性 S 波的警告很重要。 因此，许多受影响的人都同意，在他们经历地震之前拥有 LifePatron 预警系统会有助于他们，即使它只提供几秒钟的预警。

于尔根·普里比拉克 是 Secty Electronics 的电子技术员。 他与 GFZ-Potsdam 的科学家一起在 LifePatron 项目上工作了六年。