準(zhǔn)實(shí)時地震災(zāi)情綜合評估系統(tǒng)的研發(fā)1

劉 智 姜 慧 陳焜浩

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準(zhǔn)實(shí)時地震災(zāi)情綜合評估系統(tǒng)的研發(fā)1

劉 智1，2）姜 慧1，2）陳焜浩1，2）

1）廣東省地震局，廣州 510070 2）中國地震局地震監(jiān)測與減災(zāi)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510070

震后如何快速獲取災(zāi)區(qū)震情信息、準(zhǔn)確評估地震災(zāi)情，是震后應(yīng)急救援的關(guān)鍵問題。本研究從縣市地震災(zāi)害應(yīng)急救援需求出發(fā)，開發(fā)了準(zhǔn)實(shí)時地震災(zāi)情綜合評估系統(tǒng)，基于MEMS強(qiáng)震臺網(wǎng)的強(qiáng)震觀測數(shù)據(jù)、縣域承災(zāi)體基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和手機(jī)終端獲取的震后地震現(xiàn)場實(shí)時災(zāi)情信息，綜合采用承災(zāi)體地震易損性分析方法和災(zāi)情動態(tài)修正算法，實(shí)現(xiàn)了縣市地震災(zāi)區(qū)災(zāi)情準(zhǔn)實(shí)時評估，為災(zāi)區(qū)地震應(yīng)急指揮、救援和輔助決策提供科學(xué)依據(jù)。

準(zhǔn)實(shí)時 地震災(zāi)情采集 MEMS強(qiáng)震儀 動態(tài)修正 綜合評估

引言

中國是地震災(zāi)害多發(fā)國家，50%的國土位于Ⅶ度以上的地震高烈度區(qū)，地震活動主要分布在東南沿海、西南、西北、華北地區(qū)以及臺灣地區(qū)的23條地震帶上，覆蓋了23個省會城市以及2/3的百萬人口以上的城市。20世紀(jì)中期至今，中國大陸發(fā)生了445次6.0—7.9級地震、9次8.0級以上地震，死亡約59萬人（陳振拓等，2012），其中包括唐山地震、汶川地震、玉樹地震等幾次災(zāi)難性地震，給我國的社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了不可估量的損失和影響。

大震發(fā)生后快速獲取綜合災(zāi)情信息、評估地震災(zāi)情，直接關(guān)系到震后應(yīng)急救援部署，是抗震救災(zāi)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。作為防震減災(zāi)工作的基層組織，縣市地震工作主管部門在縣域范圍遭遇地震時，迫切需要了解縣域范圍內(nèi)地震災(zāi)情程度和影響分布，為政府部門決策支持提供科學(xué)依據(jù)，回答媒體和社會公眾關(guān)切的問題。由于縣市地震工作主管部門缺乏防震減災(zāi)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和有力的科技支撐，且縣域面積大，居民點(diǎn)分布不均，地震突然發(fā)生時，多源空間信息整合難（陳文凱等，2010），無法做到災(zāi)情快速評估，嚴(yán)重影響了地震災(zāi)情上報與救災(zāi)工作。

目前國內(nèi)地震災(zāi)情獲取主要依靠震后災(zāi)情快速評估，災(zāi)區(qū)災(zāi)情人工調(diào)查和遙感影像技術(shù)更新災(zāi)情等。震后災(zāi)情快速評估，主要是通過匯集地震監(jiān)測臺網(wǎng)各臺站的波形記錄并計(jì)算地震動參數(shù)形成震動圖，結(jié)合房屋分布粗估災(zāi)情。該方法在國外多地震、經(jīng)濟(jì)和科技較發(fā)達(dá)的國家得到了較為廣泛的應(yīng)用（王玉石等，2008；陳鯤等，2011；王曉青等，2003；徐水森，2012），如美國的ElarmS系統(tǒng)（Allen等，2009）、日本的SIGNAL地震監(jiān)測與震害快速評估系統(tǒng)（李山有等，2002；張晁軍等，2010），均是基于足夠密度的加速度計(jì)或速度計(jì)組成的地震監(jiān)測臺網(wǎng)數(shù)據(jù)，生成的地震烈度影響場，向公眾發(fā)布地震烈度分布信息。我國幅員遼闊，所建地震臺站稀疏，再加上大震記錄限幅等因素（陳鯤等，2010；譚巧等，2010），獲得的震動圖相當(dāng)粗略。由于震后災(zāi)情快速評估存在很大隨機(jī)性和不確定性，必須配合震后災(zāi)情人工調(diào)查和遙感影像技術(shù)作進(jìn)一步判斷。盡管人工調(diào)查方法不斷改進(jìn)、手段不斷進(jìn)步，但建筑物破壞、人員傷亡等災(zāi)情分布范圍廣，地震后天氣和道路條件都會惡化，人工調(diào)查工作量大、難度高、時效性差。遙感技術(shù)作為一種新的高效技術(shù)手段，具有獲取信息快、信息量大、周期短、能多方位和全天候地動態(tài)監(jiān)測等優(yōu)勢（王曉青等，2008），但也面臨易受天氣干擾、海量圖形處理困難等問題（柳稼航等，2004；澤仁志瑪?shù)龋?006）。總體而言，目前的地震災(zāi)情快速評估方法和技術(shù)，難以滿足應(yīng)急救援對災(zāi)情快速評估的要求。

為了有效地解決上述難題，本研究利用成熟理論和最新技術(shù)成果，開發(fā)了準(zhǔn)實(shí)時地震災(zāi)情綜合評估系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）強(qiáng)震數(shù)據(jù)、實(shí)時地震災(zāi)情數(shù)據(jù)等多源地震災(zāi)情數(shù)據(jù)，通過疊加分析等數(shù)學(xué)運(yùn)算模型，得到準(zhǔn)實(shí)時的動態(tài)災(zāi)情評估數(shù)據(jù)，具備“自動觸發(fā)、快速評估、實(shí)時更新、綜合產(chǎn)出”的功能特點(diǎn)和優(yōu)勢，高效整合了基礎(chǔ)承災(zāi)體數(shù)據(jù)和震情信息，有效地解決了以往地震災(zāi)害發(fā)生后災(zāi)情獲取困難、災(zāi)情評估滯后的難題，實(shí)現(xiàn)了地震災(zāi)情的快速評估，同時基于短距離通信模塊，即使在公共通信癱瘓的情況下，也能傳輸震情信息，實(shí)現(xiàn)了災(zāi)情的實(shí)時更新。系統(tǒng)選取四川省丹棱縣開展集成示范，一旦縣域受到危害性地震影響，當(dāng)?shù)厥锌h地震工作主管部門能快速獲得較準(zhǔn)確的地震災(zāi)情分布，為地震應(yīng)急救援決策提供科學(xué)依據(jù)，爭取寶貴時間。

1 系統(tǒng)功能

準(zhǔn)實(shí)時地震災(zāi)情綜合評估系統(tǒng)是一個致力于解決市縣地震工作部門地震應(yīng)急工作的綜合服務(wù)平臺（圖1）。為了滿足震時災(zāi)情快速綜合評估的需要，根據(jù)震時不同時間節(jié)點(diǎn)的需求，該系統(tǒng)主要包括如下四大模塊：

（1）生成地震動影響場。產(chǎn)出包括加速度峰值曲線圖和地震烈度散點(diǎn)圖，主要為市縣地震應(yīng)急處置提供第一手震情資料，也為災(zāi)情評估提供基本輸入。

（2）地震災(zāi)情快速評估。產(chǎn)出以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位的縣域的建筑物破壞評估結(jié)果。

（3）災(zāi)情動態(tài)修正。實(shí)時更新建筑物破壞、人員傷亡、道路阻塞情況，同時基于采集災(zāi)情數(shù)據(jù)對地震災(zāi)情快速評估結(jié)果進(jìn)行動態(tài)修正。

（4）災(zāi)情綜合評估?；谌藛T傷亡、建筑物破壞及對應(yīng)災(zāi)區(qū)的烈度分布3項(xiàng)指標(biāo)評估對應(yīng)災(zāi)區(qū)等級，得到以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位的地震災(zāi)害程度分布情況。

2 系統(tǒng)模型和算法介紹

模型和算法是系統(tǒng)的核心，直接關(guān)系到系統(tǒng)產(chǎn)出效率和準(zhǔn)確性。準(zhǔn)實(shí)時災(zāi)情綜合評估系統(tǒng)主要模型包括MEMS災(zāi)情評估模型、災(zāi)情動態(tài)修正模型和災(zāi)情綜合評估模型。

2.1 MEMS地震災(zāi)情評估模型

MEMS災(zāi)情評估模型通過調(diào)用后臺數(shù)據(jù)庫45臺MEMS強(qiáng)震儀峰值加速度數(shù)據(jù)，融合場地及地形修正算法、插值算法、儀器烈度和峰值加速度轉(zhuǎn)化公式及建筑物易損性分析，得到加速度峰值散點(diǎn)圖、儀器烈度散點(diǎn)圖、加速度峰值曲線及建筑物震害預(yù)測圖。具體流程如圖2。

圖1 準(zhǔn)實(shí)時災(zāi)情綜合評估系統(tǒng)功能框圖

圖2 災(zāi)情評估模塊

2.1.1 考慮場地效應(yīng)和地形效應(yīng)的地震加速度峰值修正算法

該系統(tǒng)以四川省丹棱縣作為示范區(qū)，該縣北面多為山地地形，南部地勢平坦，地形效應(yīng)明顯，若采用線性插值算法求解網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)加速度峰值，會產(chǎn)生較大誤差。同時，考慮到不同場地對地震峰值加速度的影響，在計(jì)算丹棱縣網(wǎng)格點(diǎn)峰值加速度值時，必須考慮場地和地形雙重效應(yīng)。

首先對45臺強(qiáng)震儀記錄的原始加速度峰值A進(jìn)行場地及地形修正，得到統(tǒng)一于基巖面的儀器加速度峰值：

其中，asi、asj分別為儀器記錄點(diǎn)和插值點(diǎn)的峰值加速度場地修正系數(shù)，場地效應(yīng)可以根據(jù)MEMS強(qiáng)震儀實(shí)時傳輸?shù)募铀俣确逯?。ati、atj分別為儀器記錄點(diǎn)和插值點(diǎn)峰值加速度地形修正系數(shù)，通過地形影響分析得到。示范區(qū)丹棱縣地形修正系數(shù)如圖3。

圖3 峰值加速度地形修正系數(shù)

2.1.2 儀器烈度分布圖生成算法

儀器烈度是震時最快且最能直觀反映地震災(zāi)情程度的評價指標(biāo)，對震時應(yīng)急具有一定的指導(dǎo)意義。系統(tǒng)采用的儀器烈度生成算法沿用美國ShakeMap系統(tǒng)的計(jì)算公式，采用峰值加速度PGA和峰值速度PGV雙重指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。

其中，當(dāng)Ⅴ≤mm≤Ⅷ時，

mm＝3.66lg(PGA)－1.66 （3）

對低烈度加速度峰值，即當(dāng)mm<Ⅴ時，

mm＝2.20lg(PGA)＋1.00 （4）

對高烈度加速度峰值，即當(dāng)mm>Ⅷ時，

mm＝3.47lg(PGV)＋2.35 （5）

首先采用（3）、（4）式計(jì)算mm值，當(dāng)計(jì)算結(jié)果大于Ⅶ度，則采用（5）式計(jì)算烈度值。

2.2 災(zāi)情動態(tài)修正模型

圖4 災(zāi)情動態(tài)修正模型

2.3 災(zāi)情綜合評估模型

災(zāi)情綜合評估模型以人員傷亡、房屋建筑破壞和烈度影響作為評估指標(biāo)，評估得到震后不同時間節(jié)點(diǎn)的縣域?yàn)?zāi)區(qū)等級和綜合指標(biāo)。災(zāi)區(qū)等級劃分主要依據(jù)地震災(zāi)害的輕重程度，分為一般災(zāi)區(qū)、較重災(zāi)區(qū)、嚴(yán)重災(zāi)區(qū)和極重災(zāi)區(qū)4個等級（表1）。

表1 災(zāi)區(qū)等級評定表

注：人員傷亡等級的量化指標(biāo)：個別或無人員傷亡指死亡人數(shù)1—2人；傷亡輕微指死亡人數(shù)3—10人；傷亡較重指死亡人數(shù)10—50人；傷亡慘重指死亡人數(shù)>50人。

對于特定區(qū)域?yàn)?zāi)情程度可用綜合災(zāi)害指數(shù)（AI）評定：

式中，P（）為死亡和失蹤人數(shù)影響系數(shù)；PI（）為烈度影響系數(shù)；HI（）為房屋震害系數(shù)；123分別為P（）HI（）PI（）權(quán)重系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，123一般取值為0.4、0.3、0.3。

3 系統(tǒng)構(gòu)架與集成

3.1 系統(tǒng)構(gòu)架

準(zhǔn)實(shí)時災(zāi)情綜合評估系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，分為前端災(zāi)情綜合評估系統(tǒng)和后臺數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)兩部分。系統(tǒng)前端顯示界面采用Flex開源框架設(shè)計(jì)和構(gòu)建，并應(yīng)用SpringMVC、MyBatis等JavaEE框架對系統(tǒng)模型層和持久層進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)調(diào)用和災(zāi)情分析等算法功能，為用戶提供高效、便捷的災(zāi)情分析和展示服務(wù)。

3.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

準(zhǔn)實(shí)時災(zāi)情動態(tài)評估系統(tǒng)對應(yīng)四大功能模塊共設(shè)計(jì)了5套數(shù)據(jù)表，用于記錄基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、震時災(zāi)情數(shù)據(jù)和災(zāi)情評估結(jié)果數(shù)據(jù)。表單設(shè)計(jì)的詳細(xì)信息如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)表單設(shè)計(jì)

以單體建筑物災(zāi)情采集數(shù)據(jù)表為例，其數(shù)據(jù)和字段說明如表3。

表3 Monomer Collection數(shù)據(jù)表

本系統(tǒng)應(yīng)用MyBatis框架作為持久層對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問。MyBatis是一個基于Java的持久層框架，支持定制化SQL查詢，存儲過程和高級映射，優(yōu)化了數(shù)據(jù)庫的訪問、編輯和操作等功能。經(jīng)后臺數(shù)據(jù)運(yùn)算，將結(jié)果以發(fā)布服務(wù)的方式給Flex調(diào)用，實(shí)現(xiàn)了災(zāi)情信息在前端平臺的實(shí)時發(fā)布和展示。

3.3 界面設(shè)計(jì)

根據(jù)整體結(jié)構(gòu)層次，準(zhǔn)實(shí)時災(zāi)情綜合評估系統(tǒng)用戶交互的界面主要由1個登錄界面和5個功能模塊組成。功能模塊包括MEMS災(zāi)情評估、災(zāi)情動態(tài)采集、災(zāi)情動態(tài)修正、災(zāi)情綜合評估、系統(tǒng)介紹。每一功能模塊分為若干子模塊，并根據(jù)震時應(yīng)急需求提供不同的災(zāi)情信息圖件（圖5）。

圖5 準(zhǔn)實(shí)時地震災(zāi)情動態(tài)綜合評估系統(tǒng)界面

3.3.1 用戶登錄界面設(shè)計(jì)

登陸界面采用簡潔的用戶名-密碼登陸模式，結(jié)合世界地圖和突出顯示的丹棱縣地域標(biāo)識作為背景，具有較好的視覺體驗(yàn)和安全便捷的用戶管理層（圖6）。

圖6 準(zhǔn)實(shí)時地震災(zāi)情動態(tài)綜合評估系統(tǒng)登陸界面

3.3.2 MEMS災(zāi)情評估模塊

MEMS災(zāi)情評估模塊基于災(zāi)情評估模型，在震后10分鐘內(nèi)快速得到地震動影響場，評估災(zāi)區(qū)基本災(zāi)情。MEMS災(zāi)情評估模塊產(chǎn)出的災(zāi)情信息圖件包括峰值加速度散點(diǎn)圖、儀器烈度散點(diǎn)圖（圖7）、峰值加速度等值線圖（圖8）和建筑物震害預(yù)測圖（圖9）。

該模塊主要產(chǎn)出的災(zāi)情信息包括：45個MEMS強(qiáng)震儀峰值加速度值、儀器烈度值、以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位對應(yīng)不同破壞等級的不同類型建筑物數(shù)量及比例。

圖7 儀器烈度圖

圖8 峰值加速度等值線圖

圖9 建筑物震害預(yù)測圖

3.3.3 災(zāi)情動態(tài)采集模塊

災(zāi)情動態(tài)采集模塊主要實(shí)現(xiàn)震時災(zāi)情數(shù)據(jù)的實(shí)時更新和展示（圖10）。通過鏈接后臺災(zāi)情數(shù)據(jù)庫，一旦災(zāi)情采集APP有災(zāi)情數(shù)據(jù)傳入，系統(tǒng)將自動更新災(zāi)情數(shù)據(jù)表，同時系統(tǒng)前端將根據(jù)災(zāi)情數(shù)據(jù)表每2分鐘自動刷新建筑物災(zāi)情動態(tài)采集圖、道路災(zāi)情動態(tài)采集圖、人員傷亡動態(tài)采集圖，并以突出顯示的方式提醒用戶。

該模塊主要產(chǎn)出的災(zāi)情信息包括：對應(yīng)不同破壞等級的不同類型建筑物數(shù)量及比例、道路破壞點(diǎn)坐標(biāo)、人員受傷及死亡數(shù)量。

圖10 災(zāi)情動態(tài)采集圖

3.3.4 災(zāi)情動態(tài)疊加模塊

災(zāi)情動態(tài)修正模塊是基于災(zāi)情動態(tài)修正模型和算法，通過震時災(zāi)情采集數(shù)據(jù)對評估結(jié)果進(jìn)行動態(tài)修正與更新。主要產(chǎn)出有建筑物災(zāi)情動態(tài)疊加圖、道路災(zāi)情動態(tài)疊加圖（圖11）。

該模塊主要產(chǎn)出的災(zāi)情信息包括：基于評估與采集結(jié)果的建筑物破壞數(shù)量對比、道路破壞分布。

圖11 災(zāi)情動態(tài)修正圖及產(chǎn)出結(jié)果對比圖

3.3.5 災(zāi)情綜合評估模塊

災(zāi)情綜合評估模塊主要實(shí)現(xiàn)震時不同行政區(qū)災(zāi)害等級的綜合評估。主要產(chǎn)出災(zāi)區(qū)災(zāi)情綜合評估圖，并給出對應(yīng)行政區(qū)的綜合災(zāi)害指數(shù)（圖12）。

圖12 災(zāi)情綜合評估圖

系統(tǒng)通過后臺數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)了地震動參數(shù)及災(zāi)情數(shù)據(jù)的錄入、查詢篩選、編輯、導(dǎo)出、保存等功能，并結(jié)合五大功能模塊生成災(zāi)情信息圖集和表單，為城鎮(zhèn)地震防災(zāi)與應(yīng)急處置一體化服務(wù)系統(tǒng)提供技術(shù)支持。

4 結(jié)語與討論

本研究基于JavaEE框架，應(yīng)用Flex開源設(shè)計(jì)語言開發(fā)了準(zhǔn)實(shí)時災(zāi)情綜合評估系統(tǒng)，利用承災(zāi)體基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及易損性曲線、MEMS強(qiáng)震觀測數(shù)據(jù)和實(shí)時地震災(zāi)情調(diào)查數(shù)據(jù)，通過易損性分析、動態(tài)修正、疊加分析等方法，實(shí)現(xiàn)了地震災(zāi)情的快速評估和動態(tài)修正，在一定程度改善了地震影響場估計(jì)不準(zhǔn)、地震災(zāi)情評估速度慢、可靠性差等問題。該系統(tǒng)產(chǎn)出的準(zhǔn)實(shí)時綜合災(zāi)情評估圖，兼顧震后災(zāi)情信息的緊迫性和準(zhǔn)確性。首先，通過MEMS強(qiáng)震儀實(shí)測地震動分布和市縣實(shí)際房屋現(xiàn)狀及脆弱性曲線快速分析得到災(zāi)情預(yù)測圖，為地震應(yīng)急指揮和緊急處置爭取寶貴時間。其次，結(jié)合現(xiàn)場采集的實(shí)際災(zāi)情數(shù)據(jù)，動態(tài)修正災(zāi)情預(yù)測圖，不斷更新災(zāi)情動態(tài)評估結(jié)果，逐步獲得較準(zhǔn)確的地震災(zāi)情分布圖，為地震應(yīng)急救援提供科學(xué)依據(jù)。但考慮到實(shí)際地震的復(fù)雜性，該系統(tǒng)在應(yīng)用過程中一定會出現(xiàn)很多因考慮不周而導(dǎo)致的問題，在未來的地震災(zāi)情評估事件中我們將對其進(jìn)行進(jìn)一步的完善。

致謝：衷心感謝“城鎮(zhèn)地震防災(zāi)與應(yīng)急處置一體化服務(wù)系統(tǒng)及其應(yīng)用示范”項(xiàng)目其他課題組成員對本研究的大力支持和幫助！

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Allen R. M., Brown H., Hellweg M., et al., 2009. Realtime earthquake detection and hazard assessment by ElarmS across California. Geophysical Research Letters, 36(5): L00B08.

Research on Quasi Real-time Comprehensive EstimationSystem for Earthquake Disaster

Liu Zhi1, 2), Jiang Hui1, 2)and Chen Kunhao1, 2)

1）Earthquake Administration of Guangdong Province, Guangzhou 510070, China n 2）Key Laboratory of Earthquake Monitoring and Disaster Mitigation Technology, CEA, Guangzhou 510070, China

Fast acquisition of the seismic information and accurate assessment of the earthquake disaster is the key for emergency rescue after an earthquake. For the earthquake emergency response of the county, a quasi real-time comprehensive evaluation system is developed. Based on monitoring data of the MEMS strong motion network, structure database of the county area and the real-time disaster information by the mobile terminal after an earthquake, fragility analysis method and dynamic correction algorithm are synthetically obtained in the developed system. Real-time evaluation of the seismic disaster in the county region is finally realized to provide scientific basis for seismic emergency command, rescue and assistant decision.

Quasi real-time; Earthquake disaster data collection; MEMS accelerometer; Dynamic correction; Comprehensive estimation

10.11899/zzfy20170412

國家科技支撐計(jì)劃（2015BAK18B00）

2017-04-12

劉智，男，生于1987年。博士研究生。主要從事結(jié)構(gòu)、生命線工程抗震方面研究。E-mail：liuzhi8725@126.com

姜慧，男，生于1976年。研究員。主要從事工程抗震和震災(zāi)防御等方面研究工作。E-mail：13710390996@139.com

劉智，姜慧，陳焜浩，2017．準(zhǔn)實(shí)時地震災(zāi)情綜合評估系統(tǒng)的研發(fā)．震災(zāi)防御技術(shù)，12（4）：834—844．