創(chuàng)新科技 保障人類生命安全

劉巖松+舒鵬

儂建新，1954年6月生于云南省西疇縣，法學(xué)學(xué)士，2007年進(jìn)修完所有課程，成績合格結(jié)業(yè)于清華大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)碩士課程研究生班。高級(jí)講師、云南省特級(jí)教師，中國共產(chǎn)黨黨員。首屆中國金榜技術(shù)與產(chǎn)品博覽會(huì)金獎(jiǎng)獲得者。由于看到地震給人類的生命和財(cái)產(chǎn)安全造成極大的威脅，于是下定決心研制一種能夠及時(shí)預(yù)報(bào)地震的儀器，經(jīng)過潛心研究，“地震測控儀”終于問世了。

地震突發(fā)性強(qiáng)，猝不及防，是瞬時(shí)突發(fā)性的社會(huì)災(zāi)害，一次地震持續(xù)的時(shí)間往往只有幾十秒，在如此短暫的時(shí)間內(nèi)造成大量的房屋倒塌、人員傷亡?？梢栽趲酌牖蛘邘资雰?nèi)摧毀一座文明的城市，能與一場核戰(zhàn)爭相比。地震災(zāi)害破壞性大，成災(zāi)廣泛、傷亡慘重、經(jīng)濟(jì)損失巨大，它所造成的社會(huì)影響也比其他自然災(zāi)害更為廣泛、強(qiáng)烈，往往會(huì)產(chǎn)生一系列的連鎖反應(yīng)，對于一個(gè)地區(qū)甚至一個(gè)國家的社會(huì)生活和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)會(huì)造成巨大的沖擊。它波及面比較廣，對人們心里上的影響也比較大，這些都可能造成較大的社會(huì)影響。

1976年的唐山大地震，現(xiàn)在提起來都讓人心有余悸，里氏7.8級(jí)，又是發(fā)生在深夜，市區(qū)80%的人來不及反應(yīng)，被埋在瓦礫之下，所有的建筑物均幾乎都蕩然無存。地震共造成24.2萬人死亡，16.4萬人受重傷；毀壞公產(chǎn)房屋1479萬平方米，倒塌民房530萬間；直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)54億元。全市供水、供電、通訊、交通等生命線工程全部破壞，所有工礦全部停產(chǎn)，所有醫(yī)院和醫(yī)療設(shè)施全部破壞。

2008年5月12日，一場毀滅性的大災(zāi)難突然而至，四川省汶川縣發(fā)生里氏8.0級(jí)地震，造成69，227人遇難，374，643人受傷，17，923人失蹤。是中華人民共和國成立以來破壞力最大的地震，也是唐山大地震后傷亡最慘重的一次。專家稱汶川地震相當(dāng)于幾百顆原子彈的能量，可見地震威力之大，造成的傷害是不可挽回的。

為何在科技如此發(fā)達(dá)的今天，我們還是對地震束手無策呢？最主要的原因是地震災(zāi)害的防御難度非常大。與洪水、干旱和臺(tái)風(fēng)等氣象災(zāi)害相比，地震的預(yù)測要困難得多，地震的預(yù)報(bào)已經(jīng)成為一個(gè)世界性的難題，攻克這一難題刻不容緩。

攻克技術(shù)難關(guān)，尋找研究關(guān)鍵點(diǎn)

在我國，除了唐山和汶川的大地震，還有河北邢臺(tái)、云南的玉溪、麗江等全國其它地區(qū)發(fā)生多次強(qiáng)烈的地震。這些地震不僅造成了重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，還給經(jīng)歷過地震的人們的心理留下了陰影，嚴(yán)重影響了人們的心理健康。

這些被云南省文山市圣翔電子科技有限公司總工程師儂建新看在眼里，想在心里。一股強(qiáng)烈的責(zé)任感迫使他下決心一定要為人民的幸福安康做出一點(diǎn)事業(yè)來，并發(fā)誓一定要研究地震預(yù)警裝置。

有想法很簡單，但是真正實(shí)施起來就相當(dāng)?shù)睦щy。要研究地震監(jiān)測預(yù)警裝置，首先要了解地震發(fā)生的現(xiàn)象和發(fā)生的原理。儂建新介紹說地震的現(xiàn)象可以總結(jié)為三方面：

第一，地震發(fā)生的范圍太廣，范圍大到有些地方簡直無法去直接監(jiān)測。

第二，地震的震源在地表的下面很深，一般都在地下幾公里到幾十公里。而幾公里到幾十公里下面究竟發(fā)生了什么？根本無法直接了解到。

第三，從地震監(jiān)測裝備的技術(shù)水平來講，以往的設(shè)備技術(shù)水平，和地震監(jiān)測要求存在著很大的差距。

地震震源造成在地震波傳播路徑上的地表物體運(yùn)動(dòng)加速度與距離的平方成反比。也就是說，我們大致可以這樣認(rèn)為：假如距離震源二十公里處地表物體運(yùn)動(dòng)的加速度為每秒十米，那么到距離震源四十公里處，物體運(yùn)動(dòng)的加速度將減弱為每秒十厘米。照此推算到距離震源八十公里處地表物體運(yùn)動(dòng)的加速度將減弱為每秒一毫米。

我們也可以大致這樣理解：發(fā)生6～7級(jí)震中烈度為Ⅸ度的地震，震中距50公里，水平峰值加速度將達(dá)到約每秒十厘米。如果要在初始段作預(yù)警，根據(jù)儂建新等人對2013年四川雅安蘆山地震數(shù)據(jù)所做的分析計(jì)算，震中距30公里初始段加速度平均值每秒31.02299624厘米占峰值的0.031023。震中距50公里每秒十厘米乘以0.031023等于每秒0.31023厘米。而根據(jù)他們實(shí)際檢測日常生活中汽車、拖拉機(jī)等機(jī)械經(jīng)過時(shí)，在三十米距離上，造成的地表物體運(yùn)動(dòng)的加速度大約每秒兩毫米。要在這兩種強(qiáng)度相當(dāng)并混雜在一起的微弱信號(hào)中把地震信號(hào)分離出來，就是作地震預(yù)警面臨的難題。如果使用達(dá)不到這個(gè)指標(biāo)的技術(shù)裝備，就談不上地震預(yù)警。我們能用GPS衛(wèi)星定位來做地震的監(jiān)測預(yù)警嗎？答案是否定的。GPS衛(wèi)星定位精度約10米左右。而我們需要檢測出幾個(gè)毫米的位移，顯然這種手段是不可取的。

攻克難關(guān)，得出重要理論依據(jù)

儂建新說，要研制地震預(yù)警裝置，首先要攻克地震預(yù)警的技術(shù)難關(guān)，于是他們開始了艱苦的攻關(guān)歷程。以往地震檢波器本身具有固有的技術(shù)特征。常用的地震檢波器大致有這樣幾類。第一類，機(jī)械式地震檢波器；第二類，半導(dǎo)體式地震檢波器；第三類，電磁式地震檢波器。

機(jī)械式的地震檢波器沒有電信號(hào)輸出，不適合用來做實(shí)時(shí)地震數(shù)據(jù)的分析計(jì)算。

半導(dǎo)體式的檢波器由于它本身存在較大的熱噪聲，在地震信號(hào)微弱時(shí)容易造成設(shè)備的分辨率降低而無法工作。一般半導(dǎo)體加速度傳感器的靈敏度為兩到八個(gè)g。靈敏度兩個(gè)g十位的傳感器，每個(gè)單位靈敏度LSB為0.002g（大約為每秒19毫米）。在常溫下這種傳感器的熱噪聲大約為百分之五，即固有（2g×5%=0.1g）的熱噪聲信號(hào)。這個(gè)（0.1g/0.002g=50LSB）熱噪聲信號(hào)是直接輸出的，可以用數(shù)字電路讀出；它比需要監(jiān)測的（每秒0.31023厘米以下）地震信號(hào)大得多，可以直接把有用的地震信號(hào)淹沒掉。

電磁式地震檢波器的基本原理是在檢波器里放置一個(gè)磁鐵，在磁鐵的磁回路上安置一個(gè)彈性連接并且能和磁鐵做相對運(yùn)動(dòng)的線圈。當(dāng)電磁式地震檢波器受到振動(dòng)時(shí)，線圈感應(yīng)輸出信號(hào)電流，這就是電磁動(dòng)圈式地震檢波器，它在地質(zhì)勘探上得到了廣泛的應(yīng)用。電磁式地震檢波器的這種結(jié)構(gòu)已經(jīng)沿用了一百多年。

為了使電磁式地震檢波器能夠適應(yīng)地震波的低頻特點(diǎn)，人們想了很多辦法來增加線圈和線圈架的質(zhì)量。但是，另一方面根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律可知物體運(yùn)動(dòng)的加速度跟物體受到的作用力成正比，跟物體的質(zhì)量成反比。在地震檢波器線圈受到的作用力不變時(shí)，它運(yùn)動(dòng)的加速度與它的質(zhì)量成反比。地震檢波器線圈質(zhì)量越大檢波器輸出的信號(hào)就越小。在電磁動(dòng)圈式地震檢波器中兼顧地震波的低頻特點(diǎn)和提高檢波器的靈敏度是相互矛盾的。能做出靈敏度提高幾倍的電磁動(dòng)圈式地震檢波器算是很不錯(cuò)的技術(shù)了。這種思維模式也困擾了科學(xué)家很多年。經(jīng)過多年的探索，儂建新用逆向思維思考，如果在電磁式地震檢波器中讓線圈固定，讓質(zhì)量大得多的磁鐵相對線圈做運(yùn)動(dòng)。這就是動(dòng)鐵式地震檢波器。這樣一來電磁式地震檢波器的缺點(diǎn)就變成了優(yōu)點(diǎn)。

地震的震源釋放出來的能量最終要以它周圍的物體做功的形式來消耗掉。在震中距為特定值的一個(gè)點(diǎn)上，物體做的功等于力乘上距離，力等于質(zhì)量乘以加速度。在特定的點(diǎn)上地震造成某物體的加速度是一個(gè)定值。它的質(zhì)量越大所做的功也就越大。在動(dòng)鐵式地震檢波器中質(zhì)量越大的磁體，它所做的功也越大，這部分功最后轉(zhuǎn)換為信號(hào)電流輸出也就越大。動(dòng)鐵式地震檢波器這種能量的轉(zhuǎn)化輸出現(xiàn)象，與原來的動(dòng)圈式地震檢波器剛好相反。這樣就可以很容易的增加動(dòng)鐵式地震檢波器磁體的質(zhì)量和線圈的尺寸。將電磁式地震檢波器的靈敏度和信噪比提高幾十倍。這是一個(gè)劃時(shí)代的進(jìn)步，使地震波的監(jiān)測和分析在復(fù)雜的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)；使我們能在地震的起始階段作出預(yù)警，更有意義的是“小震鬧，大震到”，憑借高靈敏度和高信噪比，可以在大震數(shù)天前就作出預(yù)警。

創(chuàng)新發(fā)明，攻克世界性難題

有了專業(yè)的理論依據(jù)，儂建新帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)潛心研究，2009年，國內(nèi)首臺(tái)地震臨震報(bào)警儀模型問世。為了讓它能夠用工廠批量生產(chǎn)，他們一方面成百上千次的修改設(shè)計(jì)圖紙，另一方面跑云南各地以及上海、深圳等地有關(guān)的工廠，反復(fù)協(xié)商、修改、制作，同時(shí)他們自己動(dòng)手研發(fā)各種零部件樣品。終于開發(fā)出了全新的“地震測控儀（又名：新型地震臨震報(bào)警儀）”，獲得了中華人民共和國國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局的認(rèn)定，獲得中國發(fā)明專利（專利號(hào)：ZL 2011 1 0258852.7）、中國實(shí)用新型專利（專利號(hào)：ZL 2011 2 0328635.6）和部件外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專利（專利號(hào)：ZL 2012 2 0570671.8）等三項(xiàng)專利證書。地震測控儀的誕生，標(biāo)志著我國地震提前預(yù)警工作邁上了新的臺(tái)階，在地震科學(xué)界譜寫了新的歷史篇章。

地震測控儀應(yīng)用“高靈敏動(dòng)鐵式地震縱波檢波器”尖端科學(xué)技術(shù)原理，對地震進(jìn)行測控。分為模擬通道和數(shù)字通道兩類。分別叫做地震臨震報(bào)警儀和數(shù)字式地震測控儀。模擬通道直接應(yīng)用監(jiān)測信號(hào)控制報(bào)警系統(tǒng)；數(shù)字通道將監(jiān)測信號(hào)數(shù)字化后，可準(zhǔn)確鑒別普通震動(dòng)與地震波。該儀器具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)，能夠準(zhǔn)確及時(shí)地發(fā)出危險(xiǎn)信息預(yù)警信號(hào)。同時(shí)，該裝置還具有防盜報(bào)警功能，因此在日常的生活中也具有一定的作用。

發(fā)明了地震測控儀后，儂建新又開始考慮可以用它檢測出的地震信號(hào)控制供電、供水、石油液化氣、醫(yī)院給氧管道等設(shè)施以降低地震造成的次生災(zāi)害。從混雜在一起的微弱電信號(hào)中把地震信號(hào)分離出來。他們的地震測控儀對檢測出的電信號(hào)每秒鐘采樣300個(gè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)的對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)判它們是否地震信號(hào)，需要進(jìn)行每秒一千萬次以上的運(yùn)算，這個(gè)要求對現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)來講簡直是輕而易舉的。

地震測控儀的設(shè)防要求，按照中國國家地震標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 17742-1999） ，對發(fā)生地震進(jìn)行預(yù)警設(shè)防。設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)按《中國地震烈度表》中規(guī)定的六度至七度設(shè)防（相當(dāng)于距離震中30公里范圍內(nèi)的里氏五級(jí)至六級(jí)地震進(jìn)行設(shè)防）。設(shè)防后，當(dāng)人們的住所將要發(fā)生危險(xiǎn)的時(shí)候，該儀器會(huì)發(fā)出危險(xiǎn)預(yù)警信息，讓人們快速逃生避險(xiǎn)。

“高靈敏動(dòng)鐵式地震縱波檢波器”尖端科學(xué)技術(shù)，通過了“重慶交通科研設(shè)計(jì)院橋梁工程結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”、“云南省工程抗震研究所”的嚴(yán)格檢驗(yàn)鑒定。該儀器的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了《中國地震烈度表》的六度（一檔）和七度（二檔）的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用該機(jī)的測控功能，可有效地抑制電力、供水、石油煤氣管道等因地震引發(fā)的次生災(zāi)害。

地震測控儀的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)：

地震觸發(fā)控制烈度：當(dāng)?shù)亍?度（地震波水平峰值加速度≥0.05g）

非地震波抗干擾烈度：當(dāng)?shù)亍?度（非地震波水平峰值加速度≤0.15g）

控制方式一：直流低壓，帶負(fù)載能力DC12V/1A.

控制方式二：交流220V，帶負(fù)載能力AC220V/2A.

控制方式三：發(fā)射輸出0.5秒433兆赫茲帶編碼無線控制信號(hào)，控制半徑200米。在有效距離內(nèi)控制對象只需配置433兆赫茲帶編碼無線遙控接收開關(guān)即可， 控制對象不受位置與數(shù)量限制。

利國利民，為生命安全護(hù)航

與以往的任何一種地震測報(bào)設(shè)備相比較，儂建新帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)發(fā)明的地震測控儀具有體積小、靈敏度高、測報(bào)準(zhǔn)確、抗干擾、小型化、民用化等新特性。其最主要的特點(diǎn)是地震臨震前預(yù)警。

該儀器適用范圍廣泛，特別適用于機(jī)關(guān)辦公室、家庭、學(xué)校、醫(yī)院、商店、電力供電系統(tǒng)、石油煤氣管道、 自來水供水系統(tǒng)等重點(diǎn)防范目標(biāo)。尤其適用于地震易發(fā)地區(qū)，能夠讓人們及時(shí)知道地震來臨，加強(qiáng)預(yù)防措施，最大程度減少損失和保障生命安全。

2014年5月14日，地震測控儀、地震臨震報(bào)警儀在北京第十七屆中國北京國際科技產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)亮相。圣翔電子科技有限公司經(jīng)理高顯文介紹說，該儀器采用高靈敏動(dòng)鐵式地震縱波檢波器檢測地震波，為被檢測環(huán)境提供安全保障。它對地震波進(jìn)行分析研判依據(jù)的是波形而不是信號(hào)強(qiáng)度，這就為地震監(jiān)測預(yù)警城鎮(zhèn)復(fù)雜環(huán)境應(yīng)用打通了道路。該儀器是功在當(dāng)代、利在千秋的創(chuàng)新發(fā)明，不僅利國利民，而且市場前景廣闊，具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。