MEMS加速度計(jì)在地震預(yù)警中的應(yīng)用研究★

康 濤

(中國地震局工程力學(xué)研究所 中國地震局地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引言

美國科學(xué)家Cooper在1868年首次提出地震預(yù)警的概念，隨著全球城市化速度的加快，地震災(zāi)害造成的損失日益嚴(yán)重，各國紛紛開始建設(shè)自己國家的地震預(yù)警系統(tǒng)(Earthquake Early Warning System，EEWS)。目前已經(jīng)建成地震預(yù)警系統(tǒng)并正在運(yùn)行的國家和地區(qū)包括墨西哥、土耳其、日本、韓國、羅馬尼亞和中國臺(tái)灣。地震預(yù)警系統(tǒng)可在破壞性地震波到達(dá)前對(duì)核電站等大型工程進(jìn)行自動(dòng)關(guān)閉，減小人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。高密度的臺(tái)網(wǎng)對(duì)快速估計(jì)震源參數(shù)(震中、震級(jí)和發(fā)震時(shí)刻)、生成強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)圖、地震預(yù)警、震后災(zāi)害評(píng)估以及應(yīng)急地震救援至關(guān)重要，但傳統(tǒng)地震臺(tái)站的成本和維護(hù)費(fèi)用高昂，增加臺(tái)網(wǎng)密度將投入大量的資金。如今，基于低成本的MEMS傳感器設(shè)備在我們的生活中已經(jīng)非常普遍，其體積小、能耗低，靈敏度高、價(jià)格低廉且其性能與傳統(tǒng)力反饋傳感器相當(dāng)。大量的應(yīng)用實(shí)例顯示，利用高密度的MEMS傳感器可以在震后最短幾秒內(nèi)提供強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)圖，在提供關(guān)鍵性地震信息、減小預(yù)警盲區(qū)、縮短預(yù)警時(shí)間等地震預(yù)警研究中具有很大的應(yīng)用前景。

1 MEMS傳感器的發(fā)展

1962年，世界上設(shè)計(jì)出了第一個(gè)MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)傳感器，但由于當(dāng)時(shí)生產(chǎn)技術(shù)和制造水平的限制，MEMS的性能無法滿足在地震研究中的應(yīng)用。隨著科技的發(fā)展，MEMS的性能得到了巨大的提高，其具有體積小(約為指甲蓋的幾分之一)、重量輕、能耗低、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，關(guān)于在地震應(yīng)用中使用MEMS加速度計(jì)的研究也越來越多[1]。目前已有的MEMS主要分為加速度計(jì)(壓阻式微加速度計(jì)、電容式微加速度計(jì)、壓電式微加速度計(jì))、壓力傳感器、陀螺儀。MEMS加速度計(jì)是一種使用微電子機(jī)械技術(shù)制造的一種慣性傳感器，能夠測(cè)量物體在加速過程中所受力的大小，這種低成本、低分辨率、高噪聲設(shè)備，能夠有效記錄高頻近場(chǎng)不飽和地面運(yùn)動(dòng)，由于其價(jià)格較低，在構(gòu)建一個(gè)密集臺(tái)網(wǎng)時(shí)可以大大節(jié)約成本，這為地震臺(tái)站數(shù)量有限或沒有地震網(wǎng)絡(luò)的國家提供了一個(gè)建立地震預(yù)警系統(tǒng)的可能，在地震預(yù)警中可以發(fā)揮很大的作用。

2005年，Evans等人提出了基于MEMS傳感器的地震臺(tái)網(wǎng)概念，該系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和臺(tái)網(wǎng)密集程度都大大超過現(xiàn)有地震臺(tái)網(wǎng)，此后傳感器得到大力發(fā)展，靈敏度得到很大提高，價(jià)格也更加便宜。2015年，IBM推出了內(nèi)置MEMS的ThinkPad筆記本電腦，當(dāng)監(jiān)測(cè)到電腦振動(dòng)數(shù)據(jù)異常時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉硬盤。在相關(guān)的文獻(xiàn)中描述了QCN和CSN兩個(gè)項(xiàng)目的工作模式和原理，它們都是利用計(jì)算機(jī)內(nèi)置或外接的傳感器來對(duì)震動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，通過分布式系統(tǒng)檢測(cè)地震事件，利用云系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和傳輸。CSN,QCN和MyShake都是基于‘眾包’而實(shí)現(xiàn)的項(xiàng)目，進(jìn)一步體現(xiàn)了分布式系統(tǒng)的含義，通過志愿者參與的方式來建立網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的傳感器安裝在志愿者的家中、辦公室等一些公共設(shè)施中。相比較于傳統(tǒng)的地震網(wǎng)絡(luò)來說，MEMS最大的優(yōu)勢(shì)在于成本很低，構(gòu)建一個(gè)QCN網(wǎng)絡(luò)，其成本為同規(guī)模傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的1%左右。本文所提及的四種地震預(yù)警項(xiàng)目都是基于MEMS加速度計(jì)，傳感器性能存在一定的差異。

2 MEMS在地震研究中的現(xiàn)狀

隨著近年來科技生產(chǎn)水平的發(fā)展，MEMS設(shè)備在我們的生活中隨處可見，科研人員提出了使用低成本MEMS設(shè)備來快速獲取地面震動(dòng)信息的新方法，這對(duì)于地震研究和災(zāi)后緊急救援都具有非常重要的意義。MEMS密集網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的分布式計(jì)算，在數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和處理上更加快捷。

2.1 CSN項(xiàng)目

洛杉磯位于圣安德烈亞斯斷層和其他斷層附近，美國地質(zhì)調(diào)查局指出，當(dāng)該地區(qū)發(fā)生7.8級(jí)或更大地震時(shí)，將造成巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。CSN項(xiàng)目最初依靠SCSN(Southern California Seismic Network)而建立在洛杉磯，由Caltec(加州理工學(xué)院)和USGS(美國地質(zhì)調(diào)查局)共同運(yùn)營(yíng)，自2011年4月開始招募了大量的志愿者參與到該項(xiàng)目中，2015年的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示該區(qū)域CSN傳感器已經(jīng)達(dá)到500個(gè)，傳感器分布在包括政府大樓、學(xué)校和醫(yī)院等公共設(shè)施。該項(xiàng)目的主要產(chǎn)出是一個(gè)地面峰值加速度圖，其對(duì)地震的破裂過程及建筑物的健康監(jiān)測(cè)均有非常大的作用，項(xiàng)目建立的最初目的是向ShakeMap和ShakeCast提供地震破壞情況，以便地震發(fā)生后立刻指導(dǎo)救援工作。對(duì)CSN項(xiàng)目一個(gè)更加深刻的說法是：“1000 Volunteers+1000 In-home sensors=1000 Block-by-block ShakeMaps”,這表示CSN可以將一個(gè)地區(qū)分為若干部分，利用每塊區(qū)域的震動(dòng)數(shù)據(jù)來生成若干地面震動(dòng)圖，最后構(gòu)成了整個(gè)事件的地面峰值加速度圖。這個(gè)大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)基于云的處理系統(tǒng)控制，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增加時(shí)，系統(tǒng)能夠在地震過程中動(dòng)態(tài)地提高網(wǎng)絡(luò)處理能力。CSN使用的Phidget1041傳感器一個(gè)靈敏度大約為1Hz-70mgal的三分向MEMS，可記錄±2g的加速度，采樣率50采樣/s，市場(chǎng)價(jià)值約為100美元，在洛杉磯盆地能檢測(cè)到區(qū)域內(nèi)三級(jí)以上的地震。CSN還能利用手機(jī)內(nèi)置加速度計(jì)配合一個(gè)手機(jī)應(yīng)用程序來記錄地震數(shù)據(jù)，手機(jī)加速度計(jì)的靈敏度大約為電腦的1/4。當(dāng)傳感器足夠密集時(shí)，雖然無法對(duì)區(qū)域型或地方性小震進(jìn)行精確的定位和震級(jí)估算，但也能生成地面震動(dòng)圖并提供合理的波形和判斷。

2.2 QCN項(xiàng)目

QCN項(xiàng)目成立于2007年，至2014年已有超過2 000名志愿者加入該項(xiàng)目，主要分布在美國加州、墨西哥等。目前使用最多的是(Joy-Warrior和O-NAVI)12位～16位傳感器，能夠檢測(cè)到0.1 Hz～20 Hz范圍內(nèi)的地震波，有效記錄范圍為±2g，靈敏度為4×10-2g & 2.4×10-8g，大約需要30美元～150美元，由使用者將MEMS連接到計(jì)算機(jī)并提供網(wǎng)絡(luò)連接和維護(hù)等工作，因而大大的減少了系統(tǒng)成本。QCN儀器主要安裝在志愿者的家中、學(xué)校、辦公室和其他高度嘈雜的環(huán)境中，通過BOINC(Berkeley Open Infrastructure for Network Computing)對(duì)傳感器進(jìn)行監(jiān)控和記錄數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絈CN服務(wù)器。

QCN支持兩種內(nèi)置MEMS傳感器的筆記本電腦：蘋果和ThinkPad，實(shí)際結(jié)果顯示外接的MEMS記錄到的數(shù)據(jù)質(zhì)量更好。由于環(huán)境因素的影響，記錄到的數(shù)據(jù)存在很大的噪聲，一個(gè)行之有效的方法是將加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，得到總體趨勢(shì)并用于QCN數(shù)據(jù)的噪聲修正。雖然QCN傳感器的靈敏度低于傳統(tǒng)的傳感器，但是對(duì)于人口密度很大的城市地區(qū)，龐大的傳感器數(shù)量可以彌補(bǔ)靈敏度問題，實(shí)踐結(jié)果表明QCN能夠檢測(cè)大于5級(jí)的地震。為了盡量避免環(huán)境的影響，電腦只在處于非活動(dòng)狀態(tài)時(shí)才開始記錄數(shù)據(jù)。

2.3 P-alert項(xiàng)目

中國臺(tái)灣省位于全球地震最活躍的區(qū)域之一,由于菲律賓板塊以每年大約7 cm的速度靠近歐亞板塊，使得中國臺(tái)灣地震頻發(fā)。而花蓮縣位于中國臺(tái)灣省東部板塊交界處，屬于地震多發(fā)區(qū)。1986年11月15日花蓮發(fā)生7.8級(jí)地震導(dǎo)致震中120 km以外的臺(tái)北地區(qū)受到了嚴(yán)重破壞。自此，中國臺(tái)灣中央氣象局(CWB)開始研發(fā)和建設(shè)地震預(yù)警系統(tǒng)，并成為預(yù)警實(shí)踐領(lǐng)先的幾個(gè)地方之一。2010年，中國臺(tái)灣大學(xué)(NTU)地震預(yù)警研究小組和三聯(lián)科技公司開始共同研發(fā)一款基于MEMS的Palert傳感器，利用P波進(jìn)行現(xiàn)地地震預(yù)警服務(wù)，該儀器的測(cè)量頻帶為0 Hz～20 Hz，主要參數(shù)見表1。Palert通常安裝在可提供電力和網(wǎng)絡(luò)的小學(xué)，在運(yùn)行和網(wǎng)絡(luò)連接成本上由安裝者承擔(dān)，所以使用Palert組建一個(gè)密集的地震預(yù)警網(wǎng)絡(luò)完全是可行的。整個(gè)Palert由負(fù)責(zé)信號(hào)采集處理的局部場(chǎng)地系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分組分析的中央系統(tǒng)組成。隨著Palert一起安裝的還有一個(gè)iTouch設(shè)備，該設(shè)備具有備份電源、顯示振動(dòng)強(qiáng)度并發(fā)出警告的功能，發(fā)生電力故障時(shí)，能夠保證設(shè)備穩(wěn)定工作4 h。2012年6月，由15個(gè)Palert傳感器組成的 EEW測(cè)試系統(tǒng)正式在花蓮縣進(jìn)行安裝測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明Palert在現(xiàn)地地震預(yù)警和區(qū)域地震預(yù)警中表現(xiàn)出了良好的性能。如圖1所示，截至2018年P(guān)SN已在中國臺(tái)灣布設(shè)了約600個(gè)臺(tái)站，2016年1月～2018年4月QCN共檢測(cè)到地震事件178次。

表1 Palert加速度計(jì)技術(shù)指標(biāo)

感知器16位、100 Hz三方向感知器測(cè)量范圍±2g(橫向),±1g/-3g(縱向)地震判斷P波峰值位移(Pd),峰值加速度(PGA)、短長(zhǎng)周期均值(Sta/Lta)、位移(Disp)D/O數(shù)量2組,可外接模組擴(kuò)充顯示器7段LED顯示,可呈現(xiàn)日期、時(shí)間、觸發(fā)模式、即時(shí)震度等信息操作溫度-10 ℃～60 ℃電池與耗電量10 V～30 VDC,功耗3.5 W @12 V外觀尺寸125×105×30 mm3,450 g(不含電源和網(wǎng)線)噪聲等級(jí)最大1 gal

多臺(tái)Palert設(shè)備可用做區(qū)域地震預(yù)警，設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(NTP)進(jìn)行時(shí)間校正。使用TCP/IP協(xié)議將臺(tái)站檢測(cè)到的結(jié)果發(fā)送到兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)中心進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，分別位于中國臺(tái)灣大學(xué)和中國臺(tái)灣中央研究院網(wǎng)格計(jì)算中心(ASGC)。觸發(fā)算法主要對(duì)加速度，位移，長(zhǎng)短時(shí)窗平均比(sta/lta)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)?shù)卣餚波觸發(fā)設(shè)備中的檢測(cè)算法，先將前幾秒的加速度信號(hào)積分得到速度和位移信號(hào)，其次對(duì)位移進(jìn)行2階0.075 Hz的Butterworth高通濾波去除低頻漂移，然后通過微分來獲得速度信號(hào)，計(jì)算得到平均周期τc和峰值位移pd。利用互聯(lián)網(wǎng)向中心臺(tái)站實(shí)時(shí)發(fā)送信息，包括1 s的三分量加速度和垂直位移濾波后的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的觸發(fā)方式為六臺(tái)觸發(fā)，當(dāng)pd超過0.35 cm或PGA超過80 gal時(shí)，警報(bào)系統(tǒng)開始工作并發(fā)出警報(bào)[3]。Palert傳感器除了其低成本的優(yōu)勢(shì)，還能穩(wěn)定的移植到已有的地震網(wǎng)絡(luò)以增加其密度。

2.4 MyShake項(xiàng)目

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014年全世界大約有26億部智能手機(jī)，預(yù)計(jì)2020年將達(dá)到60億部，基于智能手機(jī)的通信聯(lián)網(wǎng)功能和內(nèi)置MEMS多樣化的特點(diǎn)，科研人員提出了一種新型地震預(yù)警系統(tǒng)——MyShake，其最初建立在加州大學(xué)(UC)伯克利分校，采用P波觸發(fā)警報(bào)。2016年2月MyShake在Google公開發(fā)布下載，截至2016年8月MyShake已經(jīng)記錄到237次地震事件，包括發(fā)生在智利、阿根廷、墨西哥、新西蘭、中國臺(tái)灣和日本等地區(qū)的地震，這是全球第一個(gè)利用個(gè)人智能手機(jī)提供加速度波形的地震臺(tái)網(wǎng)。它的優(yōu)勢(shì)在于所有硬件都封裝在手機(jī)中，缺點(diǎn)在于手機(jī)的位置是不斷變化的。用戶可以免費(fèi)下載MyShake軟件且易于安裝，軟件的低能耗意味著手機(jī)只需要進(jìn)行日常充電卻不會(huì)對(duì)人們?cè)斐衫_，而增加了地震災(zāi)害信息傳遞和地震警報(bào)功能的MyShake更增強(qiáng)了其推廣性和使用性。

通過將手機(jī)放在地下室記錄數(shù)據(jù)，確定了手機(jī)加速度計(jì)的背景噪聲，它包括手機(jī)的內(nèi)部噪聲和環(huán)境噪聲，當(dāng)?shù)孛嬲穹^噪聲級(jí)別，就可以估算地震大小。研究報(bào)告指出個(gè)人智能手機(jī)MEMS記錄的地震數(shù)據(jù)可用于地震研究，地震災(zāi)害信息評(píng)估、地震預(yù)警以及地震破裂過程的反演。MyShake對(duì)發(fā)生在10 km以內(nèi)、頻率范圍為1 Hz～10 Hz的2.5級(jí)或更大地震都很靈敏，并具有從日常震動(dòng)中識(shí)別出地震的能力。

MyShake項(xiàng)目說明了基于智能手機(jī)地震網(wǎng)絡(luò)的可行性，該項(xiàng)目在破壞性地震發(fā)生時(shí)提供地震動(dòng)記錄，但關(guān)鍵在于系統(tǒng)被設(shè)計(jì)并測(cè)試在私人智能手機(jī)上，而全球有數(shù)十億臺(tái)手機(jī)，為了充分利用“眾包”的潛力，研究人員必須根據(jù)普遍使用的手機(jī)傳感器進(jìn)行軟件開發(fā)，而不是特定的手機(jī)，該軟件需要做到對(duì)用戶影響最小，并為參與者提供真正的利益。

3 結(jié)語

MEMS加速度計(jì)以其成本低、易擴(kuò)展且無需考慮設(shè)備維護(hù)的特點(diǎn)，被逐漸應(yīng)用于地震預(yù)警系統(tǒng)中，用于低投入建立地震預(yù)警系統(tǒng)或用于現(xiàn)存的地震預(yù)警臺(tái)網(wǎng)加密工作。目前為止，智利、墨西哥、新西蘭均建立了比較完善的開放式地震預(yù)警網(wǎng)絡(luò)，公眾可以免費(fèi)申請(qǐng)加入，這種方式已經(jīng)成為地震預(yù)警系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，內(nèi)置了高性能的MEMS設(shè)備肯定會(huì)呈現(xiàn)爆發(fā)式的增長(zhǎng)，當(dāng)前的問題在于如何開發(fā)一個(gè)高效的應(yīng)用程序，能夠有效的處理傳感器記錄到的地震數(shù)據(jù)，并且，如何說服用戶能夠在私人手機(jī)或電腦上運(yùn)行這一款程序而不對(duì)人們?cè)斐深~外的負(fù)擔(dān)，這需要讓人們看見實(shí)實(shí)在在的益處。當(dāng)前的研究重點(diǎn)主要集中在外接MEMS，但是外接MEMS會(huì)給人們帶來很大的不便且不具有很強(qiáng)的說服性，大多數(shù)的人們難以接受，所以還需要加強(qiáng)與用戶的互動(dòng)性。文中所述四個(gè)項(xiàng)目均經(jīng)過多次離線測(cè)試，證明MEMS加速度計(jì)能為地震預(yù)警系統(tǒng)提供參考和輔助。相信隨著傳感器的不斷研究以及實(shí)際應(yīng)用的不斷加深，低成本傳感器的加入，一定可以為地震預(yù)警領(lǐng)域帶來新的、實(shí)用性的變革。