基于5G技術(shù)的地震災(zāi)害預(yù)警通信系統(tǒng)

摘要：針對(duì)地震應(yīng)急通信系統(tǒng)集中式告警誤報(bào)率高、傳輸時(shí)延大的缺點(diǎn)，開(kāi)發(fā)一種適用于建立在5G網(wǎng)絡(luò)的地震災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，在5G公共通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上采用獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)切片，利用部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣的分布式服務(wù)器之間的聯(lián)合計(jì)算，快速傳播地震預(yù)警信息，達(dá)到縮小地震災(zāi)害告警盲區(qū)的目的。通過(guò)仿真研究驗(yàn)證表明相對(duì)于傳統(tǒng)集中式地震預(yù)警系統(tǒng)，采用5G邊緣計(jì)算技術(shù)能夠大幅度降低傳輸時(shí)延，為構(gòu)建新型地震災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：地震預(yù)警；邊緣計(jì)算；5G

一、前言

隨著全球人口的增長(zhǎng)和城市化進(jìn)程，破壞性地震已經(jīng)成為人類生命和基礎(chǔ)設(shè)施的重大威脅[1]。全球?qū)Πl(fā)布地震預(yù)警（Earthquake Early Warning，EEW）的需求正在快速增加[2]。通過(guò)警告地震可能造成傷害或破壞地區(qū)的民眾，EEW已經(jīng)成為在地震發(fā)生時(shí)發(fā)出告警的最有效工具。根據(jù)地震的烈度和震源深度以及EEW系統(tǒng)的傳感器的數(shù)量和類型，在當(dāng)前公共網(wǎng)絡(luò)下，警告窗口可以從幾秒鐘到幾十秒鐘不等。研究顯示，即使是幾秒鐘也可能是非常有用的，可以為自動(dòng)化系統(tǒng)啟動(dòng)預(yù)防性應(yīng)急措施提供時(shí)間，如停止火車(chē)盡量減少潛在的脫軌，適當(dāng)?shù)仃P(guān)閉氣體分配閥門(mén)，和有序地關(guān)閉大型、重型機(jī)械來(lái)減少潛在的損失[3]。

截至2023年5月底，我國(guó)已累計(jì)建成5G基站284.4萬(wàn)個(gè)，成為世界上最大的5G市場(chǎng)。高帶寬、低時(shí)延、海量連接作為5G技術(shù)的重要特點(diǎn)，正逐漸與各個(gè)工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域不斷融合發(fā)展。我國(guó)部分地區(qū)自然災(zāi)害頻發(fā)，為了應(yīng)對(duì)如地震、海嘯、洪水等突發(fā)性自然災(zāi)害的救援善后工作，應(yīng)急通信的需求增長(zhǎng)迅速。如果能夠?qū)?G通信的特點(diǎn)運(yùn)用于災(zāi)害預(yù)警通信系統(tǒng)中，將提高政府和居民應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害突發(fā)事件的能力。

二、我國(guó)現(xiàn)有地震預(yù)警技術(shù)特點(diǎn)

中國(guó)的地震預(yù)警網(wǎng)是全球規(guī)模最大的地震預(yù)警系統(tǒng)之一，由中國(guó)地震局建設(shè)和運(yùn)營(yíng)。目前，我國(guó)地震預(yù)警技術(shù)系統(tǒng)包括監(jiān)測(cè)站點(diǎn)、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、信息發(fā)布、信息接收和應(yīng)急處置等環(huán)節(jié)[4]。

監(jiān)測(cè)站點(diǎn)：通過(guò)地震臺(tái)站或簡(jiǎn)易烈度計(jì)，用于監(jiān)測(cè)獲取地面震動(dòng)信息，地震預(yù)警系統(tǒng)利用該信號(hào)對(duì)地震的震中、震級(jí)、震源深度等進(jìn)行判定，進(jìn)而對(duì)預(yù)警目標(biāo)區(qū)可能引起的地震烈度進(jìn)行估計(jì)。

數(shù)據(jù)傳輸：各個(gè)地震監(jiān)測(cè)站點(diǎn)獲取的地面震動(dòng)信息需要匯集到預(yù)警中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝裕话悴捎脤＞€的形式進(jìn)行傳輸。

數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)處理軟件是地震預(yù)警系統(tǒng)的核心，安裝在地震預(yù)警中心服務(wù)器上。數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)匯集來(lái)的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，判定地震的震中、震級(jí)、震源深度等參數(shù)，當(dāng)預(yù)估的烈度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，即發(fā)出地震預(yù)警信息[5]。

信息發(fā)布：地震預(yù)警信息的發(fā)布涉及部門(mén)職責(zé)、發(fā)布區(qū)域、信息內(nèi)容、數(shù)據(jù)格式以及相關(guān)法律責(zé)任等方方面面，影響面廣，社會(huì)敏感度高，是一項(xiàng)涵蓋了社會(huì)管理措施和技術(shù)措施的綜合性工作。

信息接收：地震預(yù)警信息發(fā)布后，要到終端用戶收到時(shí)才能起作用。目前運(yùn)行的地震預(yù)警系統(tǒng)大都采用手機(jī)短信、手機(jī)應(yīng)用APP、廣播、電視及預(yù)警告示屏等專用設(shè)備進(jìn)行信息接收。

應(yīng)急處置：收到地震預(yù)警信息后針對(duì)不同情況采取相應(yīng)措施，實(shí)現(xiàn)減少人員傷亡，降低經(jīng)濟(jì)損失的目標(biāo)，是地震預(yù)警系統(tǒng)發(fā)揮效用的具體體現(xiàn)。

我國(guó)現(xiàn)有公共應(yīng)急廣播的傳輸示意圖如圖 1 所示。從圖中可以看出涉及多個(gè)不同層級(jí)，應(yīng)急消息整體的傳輸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，在對(duì)地震預(yù)警等時(shí)延要求非常嚴(yán)格的災(zāi)害應(yīng)急通信領(lǐng)域存在無(wú)法解決的矛盾。

三、地震預(yù)警信息延遲與預(yù)警盲區(qū)

由于現(xiàn)有地震預(yù)警系統(tǒng)包括監(jiān)測(cè)站點(diǎn)、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、信息發(fā)布、信息接收和應(yīng)急處置等環(huán)節(jié)，因此，從地震發(fā)生到預(yù)警信息到達(dá)用戶終端必然會(huì)有一定的延遲時(shí)間。在這個(gè)延遲時(shí)間內(nèi)，地震波所傳播的區(qū)域即地震預(yù)警的盲區(qū)，地震預(yù)警若盲區(qū)過(guò)大則失去預(yù)警的意義[6]。

現(xiàn)有的地震預(yù)警技術(shù)模式主要在地震參數(shù)測(cè)定和信息接收兩個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生較多的時(shí)間延遲。現(xiàn)有地震預(yù)警技術(shù)首先需要準(zhǔn)確快速地測(cè)定地震的震中、震級(jí)和震源深度，然后根據(jù)地震波衰減模型算出地震可能引起的烈度分布才能做出預(yù)警判斷。地震探測(cè)儀器一旦檢測(cè)到縱波（P波，傳播速度快，破壞力小）后通過(guò)專用網(wǎng)絡(luò)傳給地震預(yù)警中心，計(jì)算出地震的震級(jí)、烈度、震源深度和震中位置等信息。地震預(yù)警系統(tǒng)根據(jù)提前設(shè)置的閾值，一旦檢測(cè)發(fā)現(xiàn)破壞性地震已經(jīng)發(fā)生，將在橫波（S波，傳播速度慢，破壞力大）到達(dá)地面前通過(guò)電視和廣播發(fā)出警報(bào)[7]。由于目前的電磁通信信息傳播比地震波更快，可以趕在縱波（P波）到達(dá)之前發(fā)出明確的預(yù)警信號(hào)，震后不同距離預(yù)警時(shí)間的計(jì)算如圖 2 所示。

在預(yù)警信息接收環(huán)節(jié)，目前采用手機(jī)短信、APP、廣播、電視及預(yù)警告示屏等專用設(shè)備。這類方式一方面存在人群覆蓋性差的問(wèn)題，另一方面向海量終端用戶同時(shí)發(fā)送會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的通道堵塞。目前預(yù)警信息延遲時(shí)間一般都長(zhǎng)達(dá)20～30秒以上，導(dǎo)致預(yù)警盲區(qū)半徑長(zhǎng)達(dá)100公里以上（橫波傳播距離）[8]。

四、5G通信系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

近年來(lái)，隨著我國(guó)5G通信的快速普及，與以往的移動(dòng)通信技術(shù)相比，5G通信系統(tǒng)使用更為先進(jìn)的技術(shù)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）。允許在通用機(jī)器上通過(guò)虛擬化技術(shù)再現(xiàn)傳統(tǒng)基于硬件的網(wǎng)絡(luò)功能（交換機(jī)、路由器、防火墻等）的行為。

2.網(wǎng)絡(luò)切片（NS）。通過(guò)結(jié)合SDN和NFV的優(yōu)勢(shì)，可以在一個(gè)共同的物理基礎(chǔ)設(shè)施上為不同的服務(wù)提供具有特定性能的虛擬切片。

3.邊緣計(jì)算（MEC）。通過(guò)利用NFV技術(shù)，MEC允許專用于特定服務(wù)的邊緣計(jì)算。這種方法有很多優(yōu)點(diǎn)：（1）允許減少用戶經(jīng)歷的延遲，因?yàn)闇p少了數(shù)據(jù)包的傳輸路徑；（2）減少進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的整體流量，從而避免運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)的擁塞。

5G技術(shù)的這些特點(diǎn)使其相對(duì)4G系統(tǒng)大幅度減少了端到端的傳輸時(shí)間，將5G技術(shù)運(yùn)用于地震預(yù)警系統(tǒng)中，一旦檢測(cè)到發(fā)生地震，在破壞性的地震波傳導(dǎo)出來(lái)之前能夠快速將地震預(yù)警信息大范圍地廣播給附近的用戶，給用戶更多的預(yù)警時(shí)間。

五、基于5G技術(shù)的地震預(yù)警通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路及架構(gòu)

在某個(gè)區(qū)域的建筑物中設(shè)有智能強(qiáng)地面震動(dòng)檢測(cè)傳感設(shè)備（MEMS）。智能強(qiáng)地面震動(dòng)檢測(cè)傳感設(shè)備用于采集當(dāng)前位置的地面震動(dòng)參數(shù)及地理坐標(biāo)值，并判斷采集的地面震動(dòng)參數(shù)值是否超過(guò)預(yù)設(shè)閾值。當(dāng)超過(guò)預(yù)設(shè)閾值時(shí)，根據(jù)采集的地面震動(dòng)參數(shù)及地理坐標(biāo)值生成強(qiáng)地面震動(dòng)預(yù)警信息短壽命廣播，并向5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)出預(yù)警信息短壽命廣播。若接收到3個(gè)及以上的基站發(fā)出的強(qiáng)地面震動(dòng)預(yù)警信息短壽命廣播，則生成包含當(dāng)前位置地理坐標(biāo)值的強(qiáng)地面震動(dòng)預(yù)警信息長(zhǎng)壽命廣播，并向公共通信網(wǎng)發(fā)出。由于5G通信大幅度提升邊緣計(jì)算的能力，減少了地震預(yù)警的判斷和傳輸?shù)臅r(shí)延。

（二）5G地震預(yù)警通信系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

此次設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的5G地震預(yù)警通信系統(tǒng)采用超低功耗微控制器，提供眾多通信和高性能接口：通過(guò)其12位ADC，連接到直接安裝在板上的低噪聲MEMS加速度計(jì)，加速度計(jì)始終處于活動(dòng)狀態(tài)，以檢測(cè)地震產(chǎn)生的高于設(shè)計(jì)閾值的加速度值。

5G地震預(yù)警通信系統(tǒng)同時(shí)使用外部低噪聲MEMS加速度計(jì)，配備了4通道24位ADC，能夠以100Hz采樣和板載數(shù)據(jù)處理，盡量減少需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量。

系統(tǒng)有以太網(wǎng)接口（支持通過(guò)PoE供電）和其他接口來(lái)連接更多的外設(shè)。除此之外，還提供了在169MHz或868MHz頻段與監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的其他節(jié)點(diǎn)無(wú)線通信，采用5G技術(shù)的地震預(yù)警系統(tǒng)如圖3所示。

六、仿真測(cè)試結(jié)果

為了檢驗(yàn)不同地震預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警時(shí)間差異，對(duì)傳統(tǒng)地震信息集中上傳預(yù)警中心的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算和利用5G地震預(yù)警系統(tǒng)邊緣計(jì)算方式直接對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算后將預(yù)警參數(shù)上傳的時(shí)間進(jìn)行了比較。這里設(shè)置了仿真測(cè)試場(chǎng)景，地震烈度為8.0級(jí)，震源深度10km，統(tǒng)計(jì)在距離震中100km的位置預(yù)警所需要的時(shí)間，預(yù)警所需時(shí)間 T 的計(jì)算方法如下：

T=Tend-Tstart

其中，T為預(yù)警所耗費(fèi)的總時(shí)間，Tstart為預(yù)警系統(tǒng)開(kāi)始計(jì)算的時(shí)間，Tend為預(yù)警系統(tǒng)結(jié)束計(jì)算的時(shí)間。為了保障數(shù)據(jù)的有效性，分別按照傳統(tǒng)集中方式和應(yīng)用5G邊緣計(jì)算方式各統(tǒng)計(jì)了 5組數(shù)據(jù)，最后不同方式預(yù)警時(shí)間對(duì)比的結(jié)果如表 1 所示。

從表1可以看出，采用傳統(tǒng)的預(yù)警中心方式集中接收波形數(shù)據(jù)所花費(fèi)的總時(shí)間是使用5G邊緣計(jì)算方式上傳到預(yù)警中心所花費(fèi)時(shí)間的4倍左右。對(duì)100km的位置區(qū)域能夠多出7s以上的時(shí)間，對(duì)于地震預(yù)警來(lái)說(shuō)是非常有效的速度提升。

七、結(jié)語(yǔ)

針對(duì)地震應(yīng)急通信系統(tǒng)目前集中式告警誤報(bào)率高、傳輸時(shí)延大的缺點(diǎn)，開(kāi)發(fā)一種適用于建立在5G網(wǎng)絡(luò)的地震災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，在5G公共通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上采用獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)切片，利用部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣的分布式服務(wù)器之間的聯(lián)合計(jì)算，快速傳播地震預(yù)警信息，達(dá)到縮小地震災(zāi)害告警盲區(qū)的目的。仿真結(jié)果表明，采用基于5G技術(shù)的地震預(yù)警通信系統(tǒng)充分用這種去中心化、邊緣計(jì)算海量終端用戶同步送達(dá)的技術(shù)模式，相比傳統(tǒng)的集中式地震預(yù)警系統(tǒng)，能夠給終端用戶提供更長(zhǎng)時(shí)間的預(yù)警信息，使地震預(yù)警的時(shí)效性大大提高。這相比現(xiàn)有的地震預(yù)警模式可以較大幅度地縮小地震預(yù)警的盲區(qū)，對(duì)于人民生命財(cái)產(chǎn)安全是非常有意義的。

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基金項(xiàng)目：移動(dòng)通信和物聯(lián)網(wǎng)福建省高校工程研究中心開(kāi)放課題基金（課題編號(hào)：Kfkt2022003）

作者單位：福州理工學(xué)院，移動(dòng)通信和物聯(lián)網(wǎng)福建省高校工程研究中心

■ 責(zé)任編輯：張津平