電梯地震預警與管制運行系統分析研究*

羅志群，代清友，黃紹倫

（廣東省特種設備檢測研究院，廣東廣州 501655）

0 引言

地震災害是最為嚴重的自然災害之一，其最大的特點是突發性和毀滅性。當前，在地震的預測預報技術尚不成熟的前提下，設法減輕地震災害則是一個更現實意義的課題。電梯作為涉及公共生命安全的特種設備，其普及伴隨著中國近十年的經濟攀升，已成為一個城市現代化程度的標志之一。

筆者所在單位科研課題組自汶川大地震以來，在中國特種設備檢驗協會牽頭下，開展國家質量監督檢驗檢疫總局科技計劃項目“四川5.12地震中電梯技術狀況與電梯抗震技術分析研究”，總結發現當地震發生時仍未管制運行的電梯往往會造成導軌變形、部件損壞，或對重脫軌/轎廂脫軌，輕者乘客受驚，重者電梯毀壞轎廂墜落人員傷亡，成為國家不得不重視的地震次生災害源。汶川大地震后對六個重災區特種設備進行排查，4.9萬臺電梯中就有20 918臺受損，而高達一千臺電梯報廢或重大維修。

作為一個城市現代化程度重要標志的電梯，已經在中國近十年來得到飛速的普及。截至2012年底，中國在用電梯超過200 萬臺，卻約有70%的電梯安裝在地震帶上。在主城區中分布廣泛、量大面廣的電梯，尤其是中高層建筑的電梯，具備加裝地震預警裝置并組建城市/片區地震預警與管制運行的先決條件。日本是一個地震多發的國家，日本電梯安全中心對電梯抗震研究前后用了10多年時間，在1980年完成了日本《電梯抗震設計及施工指南》[1]，但僅從工程設計方面作了規定和介紹，并未提升到電梯的地震預警技術的高度。如今，建筑交通電力燃氣設施等均出臺了相關的抗震法規/標準，而我國電梯抗震預警方面尚未形成成熟的體系。在地震預警技術上，有很多方面需要借鑒。

圖1 地震中運行電梯受損案例（對重塊脫離對重架并墜落）

1 電梯的地震預警作用

地震預警是具有很深遠的社會效益的，它不僅可以減輕人員傷亡和降低次生地震災害的發生，減低地震情況下受損電梯的數量和損壞程度，而且也為震后緊急救援和搶修提供了第一手的信息，減少震損電梯的修復成本，以最快的速度恢復電梯正常運行，盡快恢復人民正常生活。而在用電梯加裝地震預警裝置對于逐漸城市化的中國來說也具有極大的社會意義，其作用如下。

（1）發布本梯預警，命令電梯進入管制運行。電梯預警裝置當檢測到地震來臨時，向電梯控制柜發出管制運行指示，使電梯就近平層釋放乘客，大大有利于在地震過程中額速運行造成人員傷亡的危害。

（2）實現異地預警。通過城市的地震預警數據分析中心收集到的震時信息，向下轄的異地片區發出地震消息，提前讓其他片區下的電梯進入警戒或管制運行。

（3）震后本梯健康狀況評估。根據本梯的加裝地震預警裝置所得的地震數據，為震后電梯的健康狀況初步評估提供決策參數。

（4）震后地區災害評估。利用搜集片區下所得的地震數據，有利于對災區的受震程度給出初步分析，為救援地點預測提供科學依據。

（5）地震數據記錄樣本研究。對各個片區收集到的地震信息樣本對震后的地震學研究尤為珍貴，可為科研機構進一步了解我國地震成因和預防提供樣本基礎。

2 國內外地震預警技術的發展現狀

我國尚未建立起有效的電梯地震預警與運行管制系統，但是在國內外部分同樣涉及公共安全的行業已經運用先進的地震預警技術來減少地震危害，如鐵路和天然氣管道等，有許多值得借鑒的地方。

2.1 國外地震預警技術的發展

城市地震預警方面最成功的例子之一是用于的墨西哥城1991年建成的地震預警系統SAS（Seismic Alarm System）[2]。其在1995 年Guerraro 發生的7.3 級地震波到達72 s 前發出地震警報，有高達440 萬人口收到警報信號，極大地避免大量人員傷亡，有力地驗證了異地預警的可行性。

管道煤氣領域的代表之一是日本東京煤氣公司1994 年建成的地震監測與震害快速評估系統SIGNAL（Seismic Information Gathering and Network Alert）[2]，由331臺譜烈度計、20臺液化傳感器和5臺地面與井下加速度計構成。在1995年阪神大地震后，又迅速興建了超密集實時地震監測系統SUPREME（Super-dense Realtime Monitoring of Earthquake）。

最為突出的是應用于軌道交通的新一代鐵路地震預警系統Compact UrEDAS，它是日本新干線歷經近50年技術革新。一種利用地震波速度與加速度的內積判斷地震是否具有破壞性，基于地震P波動參數閾值觸發的警報方式[3]。

其他國家如美國的TriNet 多功能測震臺網、瑞士Beznau 核電站測震儀器網絡、希臘Preveza-Aktio 水下浸入式隧道地震和接縫位移檢測系統、土耳其伊斯坦布爾的IERREWS 等都頗見成效。

2.2 國內地震預警技術的發展

國內用于核電站地震預警的代表之一就是我國大亞灣核電站1994 年建立的地震儀表系統，其是利用動參數閾值法與專家系統結合決策的技術[4]；又如遼寧省地震局利用數字化觀測技術、GIS 技術等高新技術，為中石油建立大型石化企業地震預警系統；中國學者劉林、閻貴平對鐵路地震預警提出了適用于P 波檢測的M- R 判別標準。而楊馬陵等專家參照地質災害等級和廣東臺風預警等級，提出了地震預警等級預報方案[2]。目前，我國王敦博士在成都建立的地震預警系統，在四川雅安7.0級地震中實現成都市主城區地震預警28秒，刷新了我國地震預警時長。

3 電梯地震預警與管制運行系統的基本思想

電梯地震預警與管制運行系統的基本目的有兩個：一是減少本梯在震時運行，造成生命危險和財產損失；二是實時采集在城市內分布的地震信息，為地震預警算法提供數據，在震前命令電梯管制運行，讓人群及時疏散，提高公眾安全[5]。為配合管制運行機制，該系統由三個層次構成，如圖2所示。

圖2 系統層次

3.1 單臺電梯的地震預警裝置

中高層電梯，尤其是關鍵建筑物電梯加裝地震預警裝置是本系統實現的物理基礎，其主要任務是檢測地震動加速度，向控制柜發出指令和上傳地震參數信息。該裝置主要由下述3個部分組成。

（1）三維加速度MEMS傳感器

隨著微型傳感器的崛起，已有研究用于地震動檢測的MEMS 技術[6]。低g 寬頻帶的MEMS 加速度傳感器非常適合安裝在建筑物內（地坑、井道或機房）的電梯地震預警裝置作為地震動加速度檢測。配置EEPROM 存儲震動數據。由于本地預警的情況下，P波和S波很難區分開來，因此可以采用動參數閾值報警法，包括二級加速度閾值法和破壞烈度DI法，綜合判斷本梯是否需要切換至管制運行狀態。

（2）GPS定位系統

用于對地震預警裝置向片區預警與管制運行控制中心上傳數據時，對數據源的地理位置作為定位參考，形成城市地震信息的電子立體地圖；同時利用GPS 的高精度時鐘，使所有同城的上傳數據信息能夠時標同步。

（3）信號接口與通訊系統

實現本梯預警與管制運行是本系統的首要任務。因此，該裝置需要與電梯控制柜相連的信號接口，將指令傳送至控制柜，使其按需切換/切出管制運行模式。每個樓宇內電梯地震預警裝置可以將本梯地震信息/數據上傳至片區預警與管制運行中心。這套通訊系統可以通過電話線路、光纜、短波、衛星或專用通訊線路傳輸數據和接收指令[8-9]。

3.2 城市/區域的地震預警中心

（1）單臺電梯的地震預警裝置

單臺電梯的地震預警裝置是實現地震中電梯管制運行的前提條件，必須要有效監測本地電梯的地震動加速度，當地震來臨時能即刻切換至管制運行模式，保障人民生命財產安全，防止因地震中未停止運行導致電梯事故。

（2）片區預警與管制運行控制中心

獨立的電梯地震預警裝置只是針對本梯的震時管制運行，而本系統更深遠的意義在于，能夠將分布式的眾多地震監測信息實時上傳至片區預警與管制運行控制中心（簡稱片區控制中心）。當沒有地震時，片區控制中心定時分散性抽取片區內地震預警裝置的信息，并進行緩存；當地震P波到達時，抽取到超越震動閾值的信息會規模性增多，則改為全局讀取地震信息和震動數據。根據片區內大數據樣本確定地震參數，如三要素震中（方位、距離）、震級和震源深度等。如確認是破壞性有感地震則通知片區內所有電梯地震預警裝置進入管制運行狀態，同時上報結果、信息和震動數據至城市預警數據分析中心。片區控制中心的轄區半徑至少要大于一個預警盲區的距離。

（3）城市的地震預警數據分析中心

城市的地震預警數據分析中心（簡稱數據分析中心）將上報的數據綜合推斷，進一步調度鄰近片區的地震動信息，快速評估地震的可能性。如有需要，及時在S 波未達到前，通知可能受影響的片區強制執行管制運行。在震后，根據實時的全局地震動參數和歷史數據進行全局電梯震害的快速評估。

3.3 地震中電梯管制運行機制

（1）本地管制運行機制。地震預警裝置的首要功能是使電梯能在地震發生前及時將轎廂內乘客疏散至梯外逃生，因此當檢測到超越一級震動閾值時電梯切換至低速運行模式直至震動強度降低；當超越二級震動閾值時，則向電梯控制柜發出指令讓其緊急就近平層，并持續敞開梯門釋放乘客逃離。

（2）遠程管制運行機制。當片區控制中心發出強制管制運行指令，則區內電梯即刻執行就近平層，并持續敞開梯門；在地震過后，由數據分析中心對震后電梯災害進行快速評估，對不存在受損風險的電梯指示其退出管制運行機制；對存在健康隱患的電梯，及時通知電梯監管部門，組織檢測機構、維保單位、制造廠商進行現場排查。

4 結束語

地震災害的突發性和毀滅性使得當今地震預警技術的地位日益受到重視。我國是地震頻發的國家，在用電梯超過200 萬臺就有七成電梯均處于地震帶上。本文在分析地震中無管制運行電梯對公共安全的危害性基礎上，結合公共行業的地震預警技術的啟示，揭示了利用量大面廣的在用電梯實現地震預警的社會現實意義，提出電梯地震預警與管制運行系統的初步構想，并對系統構建層次和地震中電梯管制運行機制進行了設計。對我國在廣東先試先行逐步開展提高電梯抗震性能與地震預警技術提供了前瞻性的探究基礎。

［1］日本電梯安全中心編（徐佩香，張香榮譯）.電梯抗震設計與施工指南［Z］.中國建筑科學研究院建筑機械化研究所，1989.

［2］袁志祥，單修政，徐世芳，等.地震預警技術綜述［J］.自然災害學報，2007，（06）：216-223.

［3］宋晉東，李山有，馬強.日本新干線地震監測與預警系統［J］.世界地震工程，2012（04）：1-10.

［4］李山有，金星，馬強，等.地震預警系統與智能應急控制系統研究［J］.世界地震工程，2004，20（4）：21-26.

［5］陳金根，朱曉東.如何有效減少地震時電梯對乘客的傷害［J］.中國電梯，2008，19：20-23.

［6］林世榮.地震儀器指標體系研究與MEMS 儀器設計［D］.哈爾濱：中國地震局工程力學研究所，2012.

［7］夏丹丹.基于P 波檢測的民用地震預警系統設計［D］.合肥：合肥工業大學，2012.

［8］翟世龍，黃靜.數字強震動臺網遠程光纖通信方案及其應用［J］.地震工程與工程震動，2013，33（2）：37-42.

［9］葉春明，吳華燈，郭德順.基于網絡的強震動臺網監控平臺的設計與實現［J］.地震工程與工程震動，2011，31（5）：8-12.