利用通信基站狀態(tài)信息快速判定云南地區(qū)地震影響場方向*

鄭 川，吳艷梅，賈召亮，曹彥波，許瑞杰

(云南省地震局，云南 昆明 650224)

0 引言

破壞性地震發(fā)生后，開展災(zāi)區(qū)地震災(zāi)害損失快速預(yù)評估是地震應(yīng)急工作的首要任務(wù)?？焖倥卸?zāi)區(qū)影響范圍、時(shí)空分布、震害規(guī)模、地震動強(qiáng)度等是地震應(yīng)急災(zāi)情快速獲取及服務(wù)的關(guān)鍵。地震影響場分布的評估是地震災(zāi)害應(yīng)急快速評估中非常重要的因素(聶高眾等，2012；帥向華等，2020)，評估結(jié)果的最大不確定來自于對地震影響場的估計(jì)(王曉青等，2009)，所以提高地震影響場評估精準(zhǔn)性是提高地震災(zāi)害損失快速評估系統(tǒng)準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)和前提(任靜等，2020)。因此地震烈度影響場的快速評估依然是地震災(zāi)害損失評估研究中非常重要的內(nèi)容。

目前，各級地震部門應(yīng)急指揮中心一般根據(jù)烈度衰減模型計(jì)算生成地震影響場來預(yù)估災(zāi)區(qū)范圍和地震動強(qiáng)度(汪素云等，2000；王景來，宋志峰，2001；張方浩等，2016)。地震影響場的長軸方向初判方法相對簡單，主要是通過離震中最近的活動斷裂走向來進(jìn)行初步判斷(馮蔚等，2015)，但由于活動斷層的研究受比例尺精細(xì)程度影響較大，在實(shí)際地震災(zāi)害影響場評估應(yīng)用中可能產(chǎn)生一定的偏差，導(dǎo)致對部分重災(zāi)區(qū)損失估計(jì)不足，影響救災(zāi)效果(李志強(qiáng)等，2008)。針對上述問題，眾多專家學(xué)者開展了地震影響范圍預(yù)估方法研究，如通過余震的空間分布反演宏觀震中和影響場方向(白仙富等，2011；孫艷萍等，2021)；利用地震三要素、強(qiáng)震儀器烈度和地震現(xiàn)場資料連續(xù)開展地震烈度影響場的判定與修正(帥向華等，2020)；利用群智感知網(wǎng)絡(luò)災(zāi)情信息，進(jìn)行震后有感范圍提取、地震烈度判定和災(zāi)情快速判定(胡素平，帥向華，2012；劉經(jīng)南等，2014；何宗宜等，2015；曹彥波等，2017；薄濤等，2018)；利用聯(lián)網(wǎng)設(shè)備(TCP/IP)、社會視頻源等物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)對地震災(zāi)害影響范圍進(jìn)行判別(李兆隆等，2017；李東平等，2019)。上述研究及新技術(shù)的嘗試都在推動著震后影響場信息評估時(shí)效性與準(zhǔn)確性不斷提高。

破壞性地震發(fā)生后，通信網(wǎng)絡(luò)都會受到不同程度的影響及損壞。如2008年汶川8.0地震時(shí)，受地震影響的通信基站遍布Ⅵ～Ⅺ烈度區(qū)，出現(xiàn)退服、線路損壞并導(dǎo)致通信中斷的基站有29 064個(gè)(含小靈通基站)；2013年四川蘆山7.0地震中傳輸光纜中斷十余處，最多時(shí)有303個(gè)通信基站退服；2014年云南魯?shù)?.5地震導(dǎo)致魯?shù)榭h41個(gè)基站退服；2017年四川九寨溝7.0地震造成259個(gè)通信基站退服。目前震后通過震區(qū)告警通信基站信息進(jìn)行影響場判定的研究還較少，但龐大的通信基站數(shù)量為相關(guān)研究提供了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，總結(jié)通信基站的典型震害和破壞特征(臧戰(zhàn)勝等，2014)，獲取震后通信運(yùn)行狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)擁塞等數(shù)據(jù)狀態(tài)可快速判定受地震影響的大致區(qū)域范圍，尤其可以快速預(yù)估地震影響場展布方向和極震區(qū)的可能位置(吳艷梅等，2019)。利用告警通信基站開展影響場判定研究，將為震后災(zāi)情快速獲取提供新的思路，為地震應(yīng)急科技支撐提供有效途徑。

本文基于線性趨勢回歸分析方法，利用震區(qū)告警基站模型回歸擬合地震影響場展布方向?；?015—2021年云南地區(qū)實(shí)際震例，對本文所評估的地震影響場長軸方向與實(shí)際地震影響場長軸方向的吻合度進(jìn)行對比分析，評估本文方法的可靠性，為利用通信基站運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)判定地震影響場方向判定提供一種新思路，為地震影響場預(yù)評估結(jié)果的動態(tài)修正提供參考。

1 數(shù)據(jù)源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本文研究數(shù)據(jù)包括云南省行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、歷史震例影響場數(shù)據(jù)、活動構(gòu)造數(shù)據(jù)、震區(qū)通信基站告警站點(diǎn)數(shù)據(jù)等6類。其中通信基站數(shù)據(jù)來源于中國鐵塔股份有限公司云南省分公司，由于該公司于2014年9月成立后全省通信基站數(shù)據(jù)才并入鐵塔監(jiān)控系統(tǒng)，鐵塔監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫從2014年底開始存儲通信基站運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，因此本文僅收集到2015—2021年云南地區(qū)10次≥5.0地震震區(qū)通信基站運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)作為研究資料(表1)。

表1 2015—2021年云南地區(qū)MS≥5.0地震三要素

本文收集到的震區(qū)告警基站數(shù)據(jù)為電子表格和圖片，基礎(chǔ)信息內(nèi)容包括站址編碼、站址名稱、經(jīng)度、緯度、震中距、告警時(shí)間等，以此建立云南省故障通信基站變化數(shù)據(jù)庫，詳細(xì)內(nèi)容見表2。對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查整理，剔除異常值，然后利用基站經(jīng)緯度屬性將其轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)，并按時(shí)間、告警類型進(jìn)行分類，最后用ArcMap軟件將矢量數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為相同的地理投影和空間坐標(biāo)系統(tǒng)。

表2 告警通信基站基礎(chǔ)數(shù)據(jù)屬性

截至2021年6月，云南省行政區(qū)劃范圍內(nèi)共有可定位通信基站103 468個(gè)，主要集中分布于地市、縣(區(qū))、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、行政村等行政中心，從以州(市)為單元統(tǒng)計(jì)的通信基站分布情況(表3)可以看出，通信基站分布相對均勻，各州(市)基站數(shù)量與人口數(shù)量及國土面積成正比，在人口密集的中部、南部和東北部區(qū)域分布較為稠密，西北部和西南部區(qū)域分布較少。

表3 各州(市)通信基站數(shù)量統(tǒng)計(jì)

1.2 技術(shù)路線

本文依據(jù)地震三要素信息，通過鐵塔監(jiān)控系統(tǒng)提取震中區(qū)指定半徑范圍內(nèi)的通信基站位置、運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行矢量化預(yù)處理和存儲，然后篩選震后不同時(shí)段(5、30 min)基站運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，提取通信基站運(yùn)行狀態(tài)時(shí)間變化特征，再對比分析2015—2021年≥5.0地震震區(qū)通信基站在震前、震后的空間分布及運(yùn)行狀態(tài)變化情況，提取震區(qū)通信基站運(yùn)行狀態(tài)受地震影響的空間分布特征，基于基站運(yùn)行狀態(tài)、時(shí)空分布特征與地震影響場展布關(guān)系，通過回歸分析擬合得到地震影響場長軸方向，最后對比擬合影響場與實(shí)地調(diào)查影響場方向的分布差異，對所提出的方法進(jìn)行檢驗(yàn)修正，具體流程如圖1所示。

圖1 利用通信基站狀態(tài)信息快速判定云南地區(qū)地震影響場方向技術(shù)流程圖

1.3 研究方法

通過前期對震區(qū)告警基站數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析可知，告警基站在時(shí)間、空間、告警類型上很大程度反映了地震影響場分布信息，因此，本文以此反演地震影響場方向，且將影響場方向定義為影響場的長軸方向。

本文分別采用空間插值、趨勢分析、回歸分析等方法對告警基站數(shù)據(jù)反復(fù)嘗試，發(fā)現(xiàn)空間插值與趨勢分析擬合結(jié)果均沒有線性回歸擬合效果好，所以選用一元線性回歸方法建立影響場方向與告警基站時(shí)間、空間、告警類型之間關(guān)系的統(tǒng)計(jì)模型。一元線性回歸分析是根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，探究一個(gè)變量對另一個(gè)變量的適當(dāng)數(shù)學(xué)表達(dá)式來近似表示變量間的平均變化關(guān)系的一種統(tǒng)計(jì)分析方法，是描述兩個(gè)變量之間相關(guān)關(guān)系的最簡單的回歸模型，可表示為：

=++

(1)

式中：為被解釋變量(故障基站緯度)；為解釋變量(故障基站經(jīng)度)；和為回歸系數(shù)；是表示和關(guān)系中的不確定因素的影響。

將各震例按照不同震級分組后，將告警基站緯度、經(jīng)度坐標(biāo)分別作為變量和自變量，用一元線性回歸分析得到各組數(shù)據(jù)的回歸方程。通過回歸方程得到相應(yīng)的趨勢線段，將趨勢線段的方向判定為影響場的長軸方向。趨勢線擬合程度可以反映趨勢線的估計(jì)值與對應(yīng)的實(shí)際數(shù)據(jù)之間的擬合程度，擬合程度越高、趨勢線的可靠性就越高，趨勢線擬合程度的指標(biāo)可表示為：

(2)

2 研究結(jié)果及分析

2015—2021年收集到的10次≥5.0地震震區(qū)基站數(shù)據(jù)中，除2018年通海5.0、墨江5.9、2020年巧家5.0、2021年漾濞6.4地震有一定數(shù)據(jù)量的告警基站數(shù)據(jù)，其余地震僅有零星或沒有告警通信基站數(shù)據(jù)，因此本文僅選用這4次地震的告警基站數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。為驗(yàn)證本文研究結(jié)果的可靠性，使用告警通信基站數(shù)據(jù)，分別從震后不同時(shí)段、告警類型、震級3個(gè)方面擬合影響場方向，將其與實(shí)際調(diào)查得到的影響場方向進(jìn)行空間對比分析，主要計(jì)算趨勢線段方向與實(shí)際調(diào)查影響場方向角度的絕對差，同時(shí)將趨勢線段方向與云南地震災(zāi)害快速評估信息服務(wù)系統(tǒng)評估影響場方向的偏差進(jìn)行對比分析。

2.1 時(shí)段分析

由于本文研究的目標(biāo)是解決在震后極短時(shí)間內(nèi)對地震影響場方向的快速預(yù)判評估，故僅選取了地震后30 min內(nèi)震區(qū)出現(xiàn)故障告警的通信基站作為研究樣本。從圖2、3可以看出，除2018年云南通海5.0地震外，基于告警基站信息用一元線性回歸方法擬合判定的其他3個(gè)地震的影響場長軸方向總體上與實(shí)際調(diào)查所得的影響場的長軸方向接近。選取2018年墨江5.9地震后5 min內(nèi)與30 min內(nèi)的震區(qū)故障告警基站數(shù)據(jù)判定的影響場方向大致相同(圖2b)，即選用震后不同時(shí)段內(nèi)震區(qū)故障告警基站判定的影響場方向與實(shí)際調(diào)查所得的影響場方向的擬合程度不因震后時(shí)間的延續(xù)發(fā)生規(guī)律性變化，反而會影響影響場的判定精度，如在一些時(shí)段精度會降低。因此，影響場判定精度與震后不同時(shí)段沒有規(guī)律性的關(guān)聯(lián)。

震區(qū)通信基站空間分布相對均勻(湖泊區(qū)域除外)(圖2)，在鄉(xiāng)鎮(zhèn)、城區(qū)人口密集地區(qū)分布較為集中，而告警基站空間分布不是絕對線性的，且主要分布在對應(yīng)地震高烈度區(qū)范圍內(nèi)或附近區(qū)域；在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密集城鎮(zhèn)地區(qū)發(fā)生地震后，告警基站數(shù)量明顯高于經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)和人口稀疏地區(qū)，局部地區(qū)告警點(diǎn)的密集分布，可能會對擬合影響場方向的準(zhǔn)確性有一定影響。圖3為使用3次≥5.0地震后5 min內(nèi)的故障告警通信基站數(shù)據(jù)得出的擬合結(jié)果，其中2018年墨江5.9地震影響場的擬合結(jié)果分別基于告警基站和停電退服基站數(shù)據(jù)得出。從圖中可以看出，3次地震擬合程度相關(guān)系數(shù)均在0.75以上，可以推測故障基站在地震發(fā)生瞬間受到的破壞是呈線性分布的。因此，從判定時(shí)效性看，選取震后5 min的告警臺站進(jìn)行判定的影響場結(jié)果更適合用于影響場評估動態(tài)修正，該方法比目前地震應(yīng)急指揮中心的影響場修正方法具有更高的時(shí)效性。

2.2 告警類型分析

從圖3a、b可以看出，以2018年墨江5.9地震告警基站為例，分別選取震后5 min告警基站和退服基站擬合所得影響場方向均為NW向，與實(shí)際調(diào)查結(jié)果一致；從震區(qū)通信基站不同告警類型擬合結(jié)果(圖4a)可以看出，用震后退服基站與告警基站判定的影響場方向與實(shí)際調(diào)查影響場基本一致，但僅用退服基站擬合得到的結(jié)果與實(shí)際影響場走向更符合，且極震區(qū)(Ⅷ度區(qū))的實(shí)際分布方向與判定方向基本重合；兩種告警類型趨勢線段與真實(shí)地震影響場角度的絕對差都為3°，使用斷電退服通信基站擬合得到的影響場長軸方向與真實(shí)地震影響場更為接近，且更大，達(dá)到0.970 8，線性擬合程度更高。因此，選用退服基站擬合地震影響場方向更符合線性分布，可靠性也較高。

(a)2018年通海MS5.0地震(震后30 min)

(a)2018年墨江MS5.9地震(告警基站)

2.3 震級分析

對2015—2021年云南地區(qū)≥5.0地震進(jìn)行震級分類，基于告警基站信息用一元線性回歸法判定的影響場方向精度沒有明顯的時(shí)間性，卻有一定的震級區(qū)別。5.0～5.5地震時(shí)告警基站較少，如2015年滄源5.5和昌寧5.0地震時(shí)未出現(xiàn)告警基站，但2018年通海5.0地震時(shí)有一定數(shù)量的基站告警，可能與該次地震震源深度較淺和震區(qū)基站密度較大有關(guān)。從有告警基站的地震影響場擬合結(jié)果看，同等震級震例告警基站擬合結(jié)果可以作為影響場動態(tài)修正的重要參考(圖4)；對5.6～6.5地震告警基站進(jìn)行空間分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)震區(qū)告警基站數(shù)量明顯較多、告警類型更豐富，判定的影響場方向與實(shí)際調(diào)查影響場空間對應(yīng)性和擬合相關(guān)系數(shù)均較好(圖2)；由于近年來云南地震未發(fā)生≥6.5地震，與該震級檔相關(guān)的基站損害空間分布特征尚不明確。

2.4 結(jié)果對比分析

通過對本文擬合影響場、實(shí)際調(diào)查影響場和現(xiàn)有評估系統(tǒng)產(chǎn)出影響場的長軸展布方向和角度進(jìn)行對比可以看出，由告警通信基站擬合判定的影響場方向與實(shí)際調(diào)查影響場方向總體上相對一致(表4)。

表4 地震影響場長軸方向?qū)Ρ?/p>

現(xiàn)有評估系統(tǒng)通過距震中最近活動斷層數(shù)據(jù)判定影響場方向，該方法的優(yōu)勢在于時(shí)效性高，可快速得出評估結(jié)果，但該方法在實(shí)際應(yīng)急快速評估工作中存在一定的局限性，受斷層研究的比例尺精細(xì)程度影響較大。如2014年云南魯?shù)?.5地震的發(fā)震斷層為NW向的包谷垴—小河斷裂，而按距離震中最近的斷層方向判定結(jié)果為NE向的昭通—魯?shù)閿嗔眩?020年云南巧家5.0地震評估系統(tǒng)給出的影響場方向與實(shí)際調(diào)查方向也出現(xiàn)了偏差，但使用震后5 min告警基站數(shù)據(jù)得到的擬合結(jié)果與實(shí)際調(diào)查影響場更接近(圖4)。2018年云南墨江5.9地震與2021年云南漾濞6.4地震時(shí)，記錄到的告警基站數(shù)量明顯比巧家5.0地震多，且告警基站主要分布在高烈度區(qū)，較為集中，分布趨勢較為明顯，對于這2次地震，使用告警基站擬合判定的結(jié)果、評估系統(tǒng)預(yù)估結(jié)果分別與實(shí)際調(diào)查所得影響場對比，可以看出擬合得到的長軸方向和趨勢線段與坐標(biāo)軸夾角的對比結(jié)果都優(yōu)于評估系統(tǒng)的預(yù)估結(jié)果。因此，使用本文方法判定的影響場分布方向，在時(shí)間上有明顯優(yōu)勢，判斷結(jié)果的可信度也能達(dá)到應(yīng)急期間要求，比傳統(tǒng)評估系統(tǒng)的結(jié)果更符合云南地區(qū)實(shí)際情況，可將本文方法判定的影響場方向作為評估影響場動態(tài)修正的重要參考。

(a)2018年墨江MS5.9地震

3 結(jié)論

地震影響場預(yù)估結(jié)果的時(shí)效性與準(zhǔn)確性對破壞性地震應(yīng)急輔助決策工作具有重要意義。本文將震后實(shí)時(shí)獲取的震區(qū)告警通信基站空間分布作為地震烈度影響場展布的修正數(shù)據(jù)，利用告警通信基站空間分布的趨勢方向確定地震烈度衰減方向，并對2018年云南墨江5.9、2021年云南漾濞6.4等地震進(jìn)行驗(yàn)證分析，主要得出以下結(jié)論：

(1)該方法可以較為準(zhǔn)確地預(yù)判烈度衰減方向，利用告警基站一元線性回歸分析擬合得到的地震影響場長軸方向和本地化分區(qū)烈度衰減關(guān)系可以共同約束高烈度區(qū)的影響場長軸方向和邊界，給出較為可靠的地震烈度影響場展布方向，為破壞性地震特急期開展地震應(yīng)急工作提供更加科學(xué)可靠的科技支撐。

(2)對2015—2021年云南地區(qū)≥5.0地震的基站運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分類處理后，用一元線性回歸方法反演地震影響場方向取得了較為理想的結(jié)果。從地震震級分類上看，5.0～5.5地震對基礎(chǔ)設(shè)施破壞性不大，5.6～6.5地震造成的通信基站告警數(shù)量和告警類型較為豐富，因此對5.6～6.5地震告警基站數(shù)據(jù)研究更具優(yōu)勢性；對告警基站數(shù)據(jù)按不同告警類型進(jìn)行研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)用震區(qū)告警基站空間位置信息擬合判定的影響場方向總體上與實(shí)際地震影響場相符，其中，利用退服告警通信基站空間位置信息判定的影響場方向更加趨近于實(shí)際調(diào)查得到的影響場方向；從震后分時(shí)段對比看，用震后5 min內(nèi)告警基站判定的影響場方向更具普遍適用性。

(3)本文基于通信基站狀態(tài)信息的地震影響場方向快速判定方法研究的樣本數(shù)據(jù)僅限于云南地區(qū)2015—2021年5.0～6.5破壞性地震通信基站運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，由于樣本量有限，給出的的模型方法和結(jié)論還有待更多真實(shí)震例數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化修正，使影響場的評估更加科學(xué)可靠。從本文研究初步成果可以得出，通過震后快速獲取的震區(qū)告警通信基站信息，利用一元線性回歸分析方法擬合得到的影響場方向與實(shí)際地震影響場長軸方向的吻合度較高，可以將其作為云南地震災(zāi)害快速評估信息服務(wù)系統(tǒng)預(yù)評估影響場方向動態(tài)修正的重要參考，為地震災(zāi)情速判提供科學(xué)依據(jù)，為進(jìn)一步提高地震應(yīng)急信息服務(wù)能力提供新的途徑。