地震預警系統模擬測試方法比較研究1

江汶鄉 于海英 周寶峰 許思銘 趙曉芬

（中國地震局工程力學研究所，哈爾濱 150080）

地震預警系統模擬測試方法比較研究1

江汶鄉 于海英 周寶峰 許思銘 趙曉芬

（中國地震局工程力學研究所，哈爾濱 150080）

地震預警系統作為一種減輕地震災害的有效手段，其必須具有兩個性能：可靠性和時效性。可靠性要求有低的誤報率、漏報率；而時效性要求系統的計算時間短、反應速度快。系統的可靠性和時效性需要反復測試。在特定區域，地震是小概率事件，對于5級以上的破壞性地震更是極其罕見，因此只有通過模擬地震的方式才能對地震預警系統進行有效的測試。目前還沒有文獻系統地介紹地震預警系統的模擬測試方法。本文提出了振動臺模擬、信號發生板卡模擬和軟件模擬三種測試方法，并對每種方法的優缺點進行了對比研究。研究表明，軟件模擬的優點最多，唯一的缺點是不能測試系統的抗震能力。通過分析，本文建議首先在振動臺上做少量幾次大幅度地震波輸入測試；之后使用軟件模擬測試方法，將所有收集到的地震波序列和干擾波形輸入地震預警系統，對其進行功能測試，以得到全面且經濟的測試效果。

地震預警系統 測試方法 振動臺 信號發生板卡 軟件

引言

地震預警系統近年來在全球迅速發展，到2009年全球有6個地區有運行的地震預警系統（Bose等，2009），它們分別在臺灣、加州、墨西哥、羅馬尼亞、土耳其。汶川地震后，我國民眾對地震預警系統的關注急劇增加，我國投入了相當的資源著力建設地震預警系統。福建省地震局率先在省內開展了地震預警系統的探索。之后，國家又在社會服務工程中啟動了地震預警示范系統建設。2012年2月22日，中國地震局與鐵道部簽署了《高速鐵路地震安全戰略合作協議》，并成立了“高速鐵路地震安全技術研發組”。目前我國的哈大、京石武、京津等高速鐵路客運專線已經布設有閾值預警系統（劉林等，2002；孫利，2007；孫利等，2011）。正在規劃中的“國家地震烈度速報與預警工程”將對地震危險區域加密，完成后將使我國的強震臺由目前的約3000個增加到約9000個，為地震預警系統形成強有力的基礎設施保障，同時還將開發覆蓋全國的地震預警系統。

上述這些已經完成或即將完成的預警系統都需要經過測試驗證，這樣才能確保其在地震的關鍵時刻能發揮作用，并且在非地震事件的干擾下不會誤觸發。可以將預警系統布設在地震頻發區，等待地震發生時，記錄預警系統的響應。顯然這種方法代價高昂且效果欠佳，因為對于某特定地區，地震是小概率事件，5級以上的破壞性地震更是極其罕見，因此將地震預警系統布設到現場難以得到有效檢驗，需要通過模擬地震的方法對其檢驗。目前，還沒有文獻詳細介紹地震預警系統的測試方法。本文試圖經過對比分析，提出一種低代價且全面的測試方案。

1 地震預警系統介紹

地震預警系統能在強烈地震波到達前幾秒甚至幾十秒，給地震盲區外的預警目標區發出報警信息，爭取到寶貴的逃生或減災時間。自從Cooper（1868）教授首先提出地震預警的思想以來，地震預警系統的研究和開發已經取得長足的進展。各種類型的地震預警系統已經布設到了全球的多個地方，為高速鐵路、核電站、特殊工廠、城市居民等提供服務（Alcik等，2009；Wurman等，2007）。

我國是地震災害頻發且嚴重的大國，隨著經濟的高速發展，已經布設了覆蓋全國地震頻發區和潛在地震區的數字地震臺網，且一些特殊的部門還布設了自己專用的地震臺網（劉林等，2002；孫利等，2011）。目前已經利用這些網絡布設了多個地震預警系統，如：福建省和首都圈的區域預警系統（Peng等，2011）；布設在高速鐵路沿線的閾值預警系統（劉林等，2002；孫利等，2011；孫漢武等，2007）。這些預警系統由不同的機構開發，軟硬件設計和預警方法都不盡相同。有的系統出廠前經過了全面的自測，有的可能測試方法不理想造成測試不全面。地震預警系統作為一種減輕地震災害的有效手段，其必須滿足兩個要求：可靠性和時效性。而科學先進的預警方法、程序算法、系統構架是可靠性和時效性的保證。可靠性要求有低的誤報率、漏報率；而時效性要求系統的計算時間短、反應速度快。系統的可靠性和時效性只能通過測試的方式獲取。目前，還沒有文獻詳細介紹地震預警系統的測試方法。本文試圖經過對比分析，提出一種低代價且全面的測試方案。

廣義講，地震預警系統的測試包括兩方面：一方面是系統開發過程中對每個函數每個模塊的測試，需要程序測試人員編寫測試用例（黃磊，2013），這是一種“白盒”測試，又稱為結構測試或邏輯驅動測試，它在假定已知系統內部工作過程中，按照程序內部的邏輯結構（流程圖或源代碼），測試程序中的每條通路是否都有能按預定要求正確工作，而不顧它的功能；另一方面是在系統開發完成后，需要測試其功能是否滿足要求。本文中的測試指的是第二方面，它需要模擬地震（稱為正面）或非地震干擾（稱為反面）對預警系統作用，從而考察系統的響應。這是一種“黑盒”測試，又稱為功能測試或數據驅動測試（黃磊，2013）。它在假定已知系統所具有的功能后，通過測試來檢測每個功能是否都能正常工作，完全不考慮程序內部結構和內部特性，只檢查功能是否正常，是否能適當地接收輸入數據而產生正確的輸出信息。

地震預警系統的功能測試方式粗略地可以分為兩種方式。一種方式為將地震預警系統布設到地震頻發的區域，等待地震和非地震事件的發生，以便對系統的功能進行檢驗，此外，還可以人為產生可能遇到的干擾事件，如打樁、爆破等；另一種方式為模擬地震事件和非地震事件的發生，可能的模擬方法有振動臺模擬、信號發生板卡模擬和軟件模擬，這是本文研究的測試方式。在振動臺模擬方法中，將整個地震預警系統放置到振動臺上，以振動臺激振的方式模擬地震事件的發生；在信號發生板卡模擬方法中，信號發生板卡模擬傳感器，向數據采集器發送用戶指定的任何波形數據；在軟件模擬方法中，軟件模擬一個或者多個強震儀，向地震預警系統的分析軟件的震相撿拾模塊發送用戶指定的任何波形數據。在進行地震事件模擬測試時，需要獲得系統各個處理環節的延遲時間，以評判整個系統的時效性。地震預警系統的延遲可以初略分為三種，如表1所示，其中處理延遲和傳輸延遲需要通過測試獲取。

本文在以下內容中討論地震預警系統模擬測試的三種方法：振動臺模擬、板卡模擬、軟件模擬，以及其各自的優缺點。

表1 地震預警系統中的三種延遲Table 1 Three kinds of delays in earthquake early warning system

2 振動臺模擬

振動臺的類型有多種：用于校準傳感器的超低頻振動臺（佘天莉，2012；楊黎薇，2007）；小型伺服振動臺；用于教學實驗的電機振動臺；結構地震模擬振動臺；此外還有各行業的特殊用途振動臺。而結構地震模擬振動臺承載力大、能輸出用戶指定的地震波，本文中的振動臺指的就是此種。根據臺面尺寸和承載力可分為小、中、大三種。其中，小型振動臺承載能力就可達10噸，臺面尺寸可達2m×2m，已經滿足了地震預警系統模擬測試的要求（李濤等，2011）。

為了充分發揮振動臺試驗的特點，在振動臺模擬測試中，將強震儀、數據處理系統和信息發布系統的服務器、機柜和接線等全部硬件，按預警系統的實際布設方式固結到振動臺臺面上。這樣可以測試整個系統的抗震能力，盡早發現系統硬件設計和接線上的不足，確保硬件設施在強烈地震動作用下不會被破壞而失效。

為了獲得振動臺模擬測試的特點，需要了解振動臺的各項指標。以中國水利水電科學研究院的試驗為例，它的主要功能特性如表2所示。

由表1給出的指標可以看出，除了加速度和頻段受限外，對預警系統模擬測試最不利的是位移和速度的限制。因為許多預警算法是通過計算地震波到達后幾秒內的位移估計地震震級（Wu等，2007）；用于日本高鐵的Compact UrEDAS用加速度和速度的乘積來估計接下來的破壞強度（Destructive Intensity）（Nakamura等，2010）。許多地震預警真正能發揮其作用的是震級巨大的破壞性地震。如中國汶川、臺灣集集等大地震，在近場地震波到達的初始幾秒內，位移和速度都遠遠超過了上述振動臺的指標。因此用振動臺來做預警測試時，其輸入的地震波和實際臺面的振動在位移和速度方面將有較大差異，對系統的預警結果有不利影響。在此種方法中，處理延遲和傳輸延遲只有通過預警系統的軟件自己獲取每個環節的延遲。

表2 一個典型的地震模擬振動臺主要功能特性Table 2 Characters of one typical stake table

綜上所述，振動臺模擬測試的優點在于：可以檢驗硬件和接線的可靠性，確保在強烈地震動下硬件不會損壞，這是別的方法不具備的。缺點在于：振動臺的速度、位移都會受限制，不能真實模擬大地震近場震動；振動臺每激振一次所花費用高昂，這也是很多結構分析采用數值模擬方法的原因之一。由于振動臺的頻帶范圍、振動幅度等受限，不能做沖擊、爆破等類型的干擾實驗，只適合做正面測試。除地震模擬振動臺臺陣外（紀金豹等，2011），一般地震模擬振動臺只能做單臺試驗，不能模擬多個臺站接收地震波序列的情形，因此只能測試單臺預警方法（Allen，1978；B?se等，2012；Odaka等，2003；Ruud等，1992；Ruud，1988；Zhang等，2003；馬亮，2013），而不能測試綜合多臺信息的區域預警方法。處理延遲和傳輸延遲只能由預警系統軟件自行獲取。

3 板卡模擬

由于通用的信號發生器（如泰克AFG2000-SC）只能發出三角波、鋸齒波、矩形波等周期性信號，或用戶編寫的函數信號，不能發出用戶指定的地震波信號。本文考察了北京波普公司（http://www.earthquake.com.cn/）的WS-5921-DA3型信號發生板卡。它以PCI接口插入計算機主板，通過配套的專用軟件Vib’SYS將三分量的地震波數據，通過RS232接口以模擬電壓信號的形式輸出到強震儀數據采集器。Vib’SYS可以讀取ASCII碼存儲的波形數據，然后通過板卡輸出。由此，一個信號發生板卡可以模擬任意地震波作用下的一個傳感器輸出。需要注意的是，信號發生板卡和Vib’SYS軟件處理的都是電壓單位信號，而一般地震波數據都是以加速度單位存儲，用戶在需要輸出特定幅度的加速度前，需要根據強震儀的靈敏度進行單位轉換。

該板卡采用了12位數模轉換器，輸出時其噪聲水平約為10mv，經過靈敏度為2.5v·g?1的數據采集器后，得到的加速度噪聲約為4cm·s?2。由于預警主要利用地震波中的前3s（Wu，2006），此時多數情況為低幅值的P波。因此，接收到的地震波數據信噪比較低。不少預警方法都會受信噪比影響，如利用PCA分析主震動方向從而進行地震定位（馬亮，2013；馬強，2008）；計算前幾秒的頻率和位移（Shieh等，2008；2009；Wu等，2007）從而進行震級估計；特別是單臺預警算法（B?se等，2012；Lockman，2005；Magotra等，1987；Odaka等，2003；Ruud等，1988；馬亮，2013）。低的信噪比對預警結果有不利影響，但是該方法可以用來測試簡單的閾值預警系統（孫利，2011），因為其不需要確定震源參數，受信號發生板卡性噪比的影響很小。如果進行區域預警模擬測試，每個虛擬臺站都需要一個相應的信號發生卡，需要的費用和人力代價隨模擬的臺站個數呈線性增長。

該方法的優點在于：測試方便、準備時間最短，用戶只需要準備好波形數據和接好線纜即可進行測試，不需要任何額外的開發工作；可以正、反面測試。缺點在于：性噪比低，對確定震源參數有不利影響，只適合測試閾值預警系統；需要的費用和人力代價隨模擬的臺站個數呈線性增長；處理延遲和傳輸延只能由預警系統軟件自行獲取。

4 軟件模擬

通過軟件模擬的方式，將各次地震記錄序列或各種干擾記錄輸入到地震預警系統是比較理想的模擬測試方式。它的原理為通過軟件將選擇的地震波按照打包間隔分成包，打包間隔為0.2—0.5s較為適宜。因為打包間隔越長，爭取到的預警時間就會越短；反之打包時間越短，所需的打包計算資源就越多。同時數據包越多幀頭就越多，而占用了網絡帶寬。權衡預警時效性和系統資源，將打包時間定為0.2—0.5s較為合適。每包數據中應包含的信息有：臺站代碼；通道代碼；數據的起始時間；數據個數；數據采樣率；波形數組（采用整形數據存儲Count數更能節省空間）；Count數；加速度的轉換因子等。考慮到有的預警系統將被劃分為多個子網（Wu等，2002），因此數據包中也應包含網絡代碼。

模擬軟件按時通過Socket鏈接，將數據包發送到每個虛擬臺站或者數據處理中心。需要指出的是，除采用單臺預警方法外，預警系統利用多個臺站的震相到時信息，特別是到時差進行地震定位（Horiuchi，2005；Rydelek等，2004；Satriano等，2008；張紅才等，2011）。模擬測試軟件能滿足以下要求，即方便地按照記錄的起始時間差，設定各個臺站之間的相對時差。

模擬測試軟件能獲取預警系統的處理延遲和傳輸延遲，它可以將信號截取模塊駐留在預警系統中，截取每個中間信息在每個模塊中的輸入輸出時間，由此獲得傳輸延遲和處理延遲。由此得到的預警系統時效性不是預警軟件自己給出的，具有更高的可信度。

該方法的優點最多：可重復多次測試；只需要測試軟件的開發費用；開發完成后可以任意測試；不再需要任何費用。與前面兩種方法相比，成本最低、效果最好。可以正、反兩面測試。可以模擬任意多個臺站。缺點在于：需要前期的開發投入，但是定義好測試系統和預警系統之間的通信接口后，可以對任何單位開發的預警系統進行測試。因此可以實現一次開發測試多個，而此開發投入也是可以接受的。

5 結論

本文討論了地震預警系統模擬測試的三種方法和各自的優缺點，如表3所示。

振動臺模擬的優點在于，可以測試硬件的抗震能力且準備時間最短。缺點在于通常只能模擬單個地震波輸入；只能輸入地震波，難以輸入具有沖擊特點的干擾波形等；且振動臺有自己的振動噪聲不利于預警系統的P波撿拾，只適合測試閾值預警系統；且需要專門的結構振動臺，費用較高。

板卡模擬的優點在于可以模擬多個地震波輸入；它模擬傳感器，可以測試數據采集器；既可測試正面的地震波，也可測試任意的干擾波；準備時間最短。缺點在于不能獲得系統各個環節的時間延遲；每個虛擬臺都要一個測試板卡，因此測試費用隨著模擬臺站數目增長。

軟件模擬的優點最多，可以模擬任意多個地震波輸入；既可測試正面的地震波，也可測試任意的干擾波；采用該種模擬方法，預警系統接收到的正是強震儀器記錄到的數據，且沒有前兩種測試方法所產生的附加噪聲，與實際情況吻合；能獲得系統各個環節時間延遲；費用最低，開發完成后可以任意測試，不再需要增加費用。唯一的缺點在于需要開發一套軟件測試系統，需要做軟件接口，準備時間最長。

由以上分析可得，每種方法都各有其優缺點，沒有哪種方法能完全優于其他方法。綜合考慮三種方法的特點，筆者建議在對地震預警系統進行模擬測試時，首先在振動臺上做少量幾次的大幅度地震輸入測試，確保系統硬件可靠性；之后利用軟件模擬測試方法，將能收集到的所有地震波序列和干擾波形輸入地震預警系統，對其進行功能測試。

表3 三種模擬測試方法的特點Table 3 Merits and drawbacks of three testing methods

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Comparison of Simulation Testing Methods for Earthquake Early Warning System

Jiang Wenxiang，Yu Haiying，Zhou Baofeng，Xu Siming and Zhao Xiaofen

（Institute of Engineering Mechanics，China Earthquake Administration，Harbin 150080，China）

As a valid method to reduce earthquake disasters，Earthquake Early Warning System must be reliable and rapid．Reliability demands low false and missing alarm rate．And rapidity demands short computing time and fast reaction．Reliability and rapidity need to be tested repeatedly by simulating earthquakes．In some specific areas with low occurring probability and low magnitude of earthquakes，efficient testing methods are simulating earthquakes．Currently，there is no publications that systematically discuss simulation testing methods for earthquake early warning system．In this paper，we propose three methods to simulate earthquakes by using shake table，signal generating board and software．Based on the discussions in this paper，we conclude that testing method joints shake table and software is comprehensive and economical．

Earthquake early warning system；Testing methods；Shake table；Signal generating board；Software

江汶鄉，于海英，周寶峰，許思銘，趙曉芬，2014．地震預警系統模擬測試方法比較研究．震災防御技術，9（4）：847—854．

10.11899/zzfy20140412

工程力學研究所基本科研業務費專項（2011D01）；國家自然基金面上項目（41174161）；地震行業科研專項（201208014）；國家自然基金面上項目（51308517）

2013-12-11

江汶鄉，男，生于1983年。博士生。主要從事地震預警和信號處理研究。E-mail：jwx_iem@163.com

于海英，男，生于1962年。研究員。主要從事強震觀測和信號處理研究。E-mail：haiyingyu@126.com