江蘇預(yù)警站網(wǎng)試運(yùn)行質(zhì)量評(píng)估

[摘要]" " 通過對(duì)江蘇預(yù)警站網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行連續(xù)率、臺(tái)基噪聲水平、事件波形質(zhì)量分析，并計(jì)算江蘇預(yù)警網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力后認(rèn)為：江蘇地震預(yù)警網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，記錄數(shù)據(jù)質(zhì)量良好，全省地震監(jiān)測(cè)能力大部分地區(qū)達(dá)M_L1.5，局部地區(qū)可達(dá)M_L1.0，江蘇預(yù)警網(wǎng)已初步具備全省地震烈度速報(bào)與區(qū)域地震預(yù)警能力。

[關(guān)鍵詞] 預(yù)警站網(wǎng); 運(yùn)行質(zhì)量; 臺(tái)基噪聲; 監(jiān)測(cè)能力

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2024-035

基金項(xiàng)目： 江蘇省地震局青年科學(xué)基金（202308），江蘇省地震局科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（202201）和測(cè)震學(xué)科業(yè)務(wù)管理平臺(tái)功能完善與試用（CEA-ZX/CZ-251109）聯(lián)合資助。

0" 引言

地震預(yù)警系統(tǒng)（Earthquake Early Warning System，EEWS）的構(gòu)想最早是由美國科學(xué)家?guī)扃辏–ooper）1868年提出，其原理是利用電磁波與地震波傳播的時(shí)間差，應(yīng)用在地震活躍區(qū)域臺(tái)站安裝地震監(jiān)測(cè)設(shè)備，一旦地震發(fā)生后能在較短時(shí)間內(nèi)通過敲響警鐘進(jìn)而預(yù)警[1]，由于受到當(dāng)時(shí)的科學(xué)技術(shù)水平的限制而沒有實(shí)現(xiàn)。隨著世界科技的發(fā)展，這一構(gòu)想正在變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，在地震風(fēng)險(xiǎn)性較高的國家和地區(qū)（如日本、美國、墨西哥、中國臺(tái)灣等）已開始建設(shè)或投入使用地震預(yù)警系統(tǒng)，以最大限度地減輕地震帶來的風(fēng)險(xiǎn)。其中較為突出的是美國西海岸地區(qū)的Shake Alert系統(tǒng)，該系統(tǒng)自2006年投入建設(shè)，其研發(fā)與應(yīng)用已日趨成熟，于2017年正式在美國西海岸地區(qū)投入運(yùn)營[2]。

國家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程江蘇子項(xiàng)目，建設(shè)162個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)，其中升級(jí)改建54個(gè)基準(zhǔn)站 、新建54個(gè)基本站、新建54個(gè)一般站；升級(jí)改造1個(gè)省級(jí)預(yù)警中心（含1個(gè)Ⅱ類省級(jí)數(shù)據(jù)處理中心、1個(gè)Ⅱ類省級(jí)技術(shù)保障中心和省級(jí)中心通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)）；建設(shè)31個(gè)（包括改擴(kuò)建21個(gè)）預(yù)警終端，2023年6月1日—8月31日完成試運(yùn)行。本文從江蘇預(yù)警網(wǎng)系統(tǒng)試運(yùn)行情況、臺(tái)基噪聲水平和事件波形質(zhì)量等方面對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，并計(jì)算評(píng)估江蘇預(yù)警網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力。

1" 江蘇預(yù)警站網(wǎng)

1.1" 站網(wǎng)建設(shè)

根據(jù)《地震臺(tái)站建設(shè)規(guī)范 地震烈度速報(bào)與預(yù)警臺(tái)站》（DB/T 60—2015）和江蘇預(yù)警網(wǎng)建設(shè)設(shè)計(jì)方案，升級(jí)改造54個(gè)測(cè)震臺(tái)為基準(zhǔn)站；新建54個(gè)基本站（其中9個(gè)新建在屬地氣象站院內(nèi)、18個(gè)新建在屬地中小學(xué)校院內(nèi)、另外27個(gè)通過租用場(chǎng)地新建基本站）；新建54個(gè)一般站，一般站全部建在中國鐵塔基站內(nèi)。江蘇預(yù)警網(wǎng)站點(diǎn)分布情況見圖1。

通過對(duì)江蘇子項(xiàng)目中基準(zhǔn)站、基本站、一般站地理位置信息檢查校核，計(jì)算得出江蘇預(yù)警網(wǎng)162個(gè)站點(diǎn)的平均臺(tái)間距約15.2 km，預(yù)警網(wǎng)站點(diǎn)空間布局、臺(tái)間距等主要指標(biāo)符合行業(yè)預(yù)警網(wǎng)建設(shè)規(guī)范要求。江蘇預(yù)警網(wǎng)臺(tái)間距分布見圖2。

1.2" 臺(tái)站觀測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

江蘇預(yù)警網(wǎng)基準(zhǔn)站是在臺(tái)站原有三分向?qū)掝l帶地震計(jì)基礎(chǔ)上，增加了三分向加速度計(jì)（如TDA-33M，JS-A2，QA-2g）與 升級(jí)6通道數(shù)據(jù)采集器（如EDAS-24GN-EEW，HG-D6，TED-324FI）。臺(tái)站系統(tǒng)由三分向?qū)掝l帶地震計(jì)、三分向加速度計(jì)與6通道24位數(shù)據(jù)采集器專業(yè)設(shè)備組成，輔助設(shè)備有臺(tái)站交流供電、智能電源及蓄電池、避雷設(shè)施及接地網(wǎng)、臺(tái)站監(jiān)控與通信網(wǎng)絡(luò)鏈路設(shè)備?；鶞?zhǔn)站觀測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成見圖3。

新建基本站配置三分向加速度計(jì)（TDA-33M，JS-A2，QA-2g）、3通道數(shù)據(jù)采集器（EDAS-24GN-EEW，HG-D3，TED-324CI）專業(yè)設(shè)備；輔助設(shè)備有交流供電、智能電源及蓄電池、避雷設(shè)備與接地網(wǎng)、臺(tái)站監(jiān)控與通信網(wǎng)絡(luò)鏈路設(shè)備。基本站觀測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成見圖4。

一般站依托中國鐵塔江蘇分公司基站，基站提供穩(wěn)定的供電、通信網(wǎng)絡(luò)、避雷設(shè)施及安全防護(hù)條件。一般站配置基于MEMS傳感器烈度儀（REOMOS-SIT4，MI3000）。一般站觀測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成見圖5。

1.3" 預(yù)警網(wǎng)中心系統(tǒng)

江蘇預(yù)警網(wǎng)中心系統(tǒng)構(gòu)成除了若干服務(wù)器、計(jì)算機(jī)、終端設(shè)備外，使用國家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程開發(fā)的專業(yè)軟件與相應(yīng)數(shù)據(jù)庫、操作系統(tǒng)。專業(yè)軟件部署了波形交換管理、地震預(yù)警處理、烈度速報(bào)、地震參數(shù)速報(bào)、地震波形綜合分析、緊急地震信息服務(wù)、監(jiān)控與運(yùn)維及技術(shù)支撐等8個(gè)業(yè)務(wù)模塊。

根據(jù)江蘇預(yù)警工程項(xiàng)目建設(shè)設(shè)計(jì)要求，建設(shè)國家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程江蘇子項(xiàng)目，使江蘇預(yù)警網(wǎng)能夠達(dá)到區(qū)域地震烈度速報(bào)與預(yù)警能力。江蘇預(yù)警網(wǎng)中心系統(tǒng)構(gòu)成如圖6所示。

2" 質(zhì)量評(píng)估

2.1" 預(yù)警站網(wǎng)運(yùn)行

選取2023年6月1日—8月31日連續(xù)3個(gè)月試運(yùn)行實(shí)時(shí)記錄波形數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)運(yùn)行率與數(shù)據(jù)延時(shí)。江蘇預(yù)警站網(wǎng)站點(diǎn)共計(jì)162個(gè)，但前山島臺(tái)（海島臺(tái)）網(wǎng)段仍在測(cè)震網(wǎng)段，尚未切換至預(yù)警網(wǎng)段，導(dǎo)致觀測(cè)數(shù)據(jù)無法接入預(yù)警網(wǎng)數(shù)據(jù)運(yùn)行率統(tǒng)計(jì)，這里僅統(tǒng)計(jì)接入預(yù)警網(wǎng)的161個(gè)站點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

2.1.1" 運(yùn)行率統(tǒng)計(jì)

按月統(tǒng)計(jì)江蘇子項(xiàng)目3種類型臺(tái)站運(yùn)行率和數(shù)據(jù)延時(shí)。基準(zhǔn)站、基本站、一般站月平均運(yùn)行率與延時(shí)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

從表1可知，江蘇子項(xiàng)目基準(zhǔn)站、基本站月平均運(yùn)行率均高于98%，在線53個(gè)基準(zhǔn)站月平均運(yùn)行率99.67%，54個(gè)基本站月平均運(yùn)行率99.10%。一般站月平均運(yùn)行率遠(yuǎn)高于95%的考核指標(biāo)，達(dá)99.57%。試運(yùn)行期江蘇站網(wǎng)3個(gè)月平均總運(yùn)行率達(dá)99.58%，符合行業(yè)規(guī)定的地震預(yù)警網(wǎng)考核運(yùn)行指標(biāo)要求。

由于試運(yùn)行的6月初，站點(diǎn)網(wǎng)段割接、臺(tái)站儀器調(diào)試及其他原因，部分基本站運(yùn)行率低于98%；但隨著預(yù)警網(wǎng)站點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行趨于穩(wěn)定，各站點(diǎn)試運(yùn)行后期運(yùn)行率均在98%以上，甚至達(dá)到100%。

2.1.2" 數(shù)據(jù)延時(shí)統(tǒng)計(jì)

江蘇子項(xiàng)目建設(shè)的3種類型站點(diǎn)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸各平均延時(shí)占比如圖7所示。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)是去除打包時(shí)間的數(shù)據(jù)平均延時(shí)統(tǒng)計(jì)（打包時(shí)間0.25 s）。53個(gè)基準(zhǔn)站平均延時(shí)0～1 s占比100%；54個(gè)基本站平均延時(shí)0～2 s占比100%，其中，延時(shí)0～1 s臺(tái)站51個(gè)，占比95%，延時(shí)1～2 s臺(tái)站3個(gè)，占比5%；54個(gè)一般站平均延時(shí)0～1 s占比100%。江蘇預(yù)警網(wǎng)站點(diǎn)試運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)指標(biāo)滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。

2.2" 臺(tái)基噪聲

對(duì)于一定大小的地震，當(dāng)震中距在一定范圍時(shí)，地震波到達(dá)臺(tái)站記錄振幅高出臺(tái)基噪聲背景值，才能被臺(tái)站儀器清晰記錄下來。臺(tái)基噪聲決定了臺(tái)站記錄最小地震的下限，也決定了臺(tái)網(wǎng)地震監(jiān)測(cè)能力。對(duì)于地震預(yù)警而言，臺(tái)基背景噪聲影響越小，從記錄數(shù)據(jù)中提取的信息越可靠[3]。

采用噪聲功率譜密度（PSD）的概率密度函數(shù)（PDF）方法評(píng)估站點(diǎn)臺(tái)基噪聲水平。計(jì)算53個(gè)基準(zhǔn)站1～20 Hz頻段時(shí)域臺(tái)基噪聲的速度均方根值（RMS），具體見公式（1），再依據(jù)臺(tái)基地動(dòng)噪聲分類標(biāo)準(zhǔn)GB/T195351.1—2004《地震臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境技術(shù)要求》對(duì)基準(zhǔn)站臺(tái)基噪聲水平分級(jí)。

計(jì)算RMS值公式如下：

RMS=√（1/（n-1） ∑_（i=1）^n 〖（v_i-v┴-）〗^2 ） （1）

式中，v_i為采樣點(diǎn)臺(tái)基噪聲速度（m/s）；n為實(shí)際測(cè)量點(diǎn)數(shù)；ˉv=1/n ∑_（i=1）^n v_i為計(jì)算觀測(cè)地動(dòng)速度數(shù)據(jù)時(shí)序均值（m/s）[4]。

噪聲功率譜密度（PSD）頻域法主要是傅里葉變換（FFT）計(jì)算，給定觀測(cè)數(shù)據(jù)的FFT，取其絕對(duì)值的平方[5]。計(jì)算公式如下：

F（w）=∫^∞?〖-∞〗┬ f（t_n）e^iwt dt→1/N ∑_n^N f（t_n）e^iwt （2）

式中，函數(shù)f（t）表示為復(fù)指數(shù)函數(shù)的積分及級(jí)數(shù)形式，函數(shù)F（w）表示為時(shí)間域的函數(shù)f（t）的積分形式。式中，N的取值為2k，即2，4，8，16，32，64……

根據(jù)公式（1）計(jì)算，得到江蘇預(yù)警站網(wǎng)基準(zhǔn)站臺(tái)基地動(dòng)速度噪聲均方根值（RMS），根據(jù)臺(tái)基地動(dòng)噪聲標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級(jí)，53個(gè)基準(zhǔn)站臺(tái)基噪聲水平見表2。依據(jù)臺(tái)基地動(dòng)噪聲分類標(biāo)準(zhǔn)GB/T195351.1—2004《地震臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境技術(shù)要求》，江蘇子項(xiàng)目53個(gè)基準(zhǔn)站中，Ⅰ類臺(tái)基17個(gè)，Ⅱ類臺(tái)基27個(gè)，Ⅲ類臺(tái)基6個(gè)，Ⅳ類臺(tái)基3個(gè)。

除采取RMS值計(jì)算評(píng)估臺(tái)基噪聲水平外，還根據(jù)公式（2）對(duì)基準(zhǔn)站、基本站、一般站臺(tái)基噪聲功率譜（PSD）形態(tài)進(jìn)行掃描，發(fā)現(xiàn)有6個(gè)基本站高頻環(huán)境噪聲偏大，其余臺(tái)站噪聲PSD形態(tài)均在合理范圍之內(nèi)，2個(gè)基準(zhǔn)站大豐、泰興因井下地震計(jì)故障除外，其余站點(diǎn)波形噪聲水平表現(xiàn)形態(tài)正常，未發(fā)現(xiàn)有明顯異常站點(diǎn)?；鶞?zhǔn)站、基本站、一般站PSD形態(tài)分布如圖8所示。圖8中紫色與綠色粗實(shí)線為全球高噪聲NHM模型和低噪聲NLM模型曲線。

2.3" 記錄地震波形質(zhì)量

選取了試運(yùn)行期，站網(wǎng)記錄的2個(gè)近震事件波形：2023年6月15日上海青浦M_L3.7地震和2023年6月19日江蘇江都M_L2.9地震，分別進(jìn)行波形分析與震相甄別，地震定位、測(cè)定震級(jí)（圖9）。

分析情況，預(yù)警網(wǎng)基準(zhǔn)站、基本站都清晰記錄到初至震相，計(jì)算定位結(jié)果并驗(yàn)證各臺(tái)站記錄數(shù)據(jù)到時(shí)殘差大小、震中距偏差等，均未發(fā)現(xiàn)存在明顯鐘差和儀器靈敏度參數(shù)異常問題。

3" 監(jiān)測(cè)能力計(jì)算

監(jiān)測(cè)能力測(cè)定依據(jù)臺(tái)站記錄事件波形振幅比，應(yīng)用近震公式和量規(guī)函數(shù)計(jì)算臺(tái)網(wǎng)給定震級(jí)的最小監(jiān)控范圍。

近震震級(jí)計(jì)算公式：

M_\"L\" =lg?A_μ+R（Δ）+S（Δ） （3）

式中，M_L為S波最大振幅震級(jí)；A_μ為最大地動(dòng)位移，單位為μm；Δ為震中距；R（Δ）為與震中距有關(guān)的近震震級(jí)量規(guī)函數(shù)；S（Δ）為臺(tái)站校正值[6]。

根據(jù)公式（3）與測(cè)定精度要求，采用 4個(gè)及以上臺(tái)站同時(shí)控制區(qū)域?yàn)橛行в^測(cè)區(qū)域[7]，計(jì)算江蘇預(yù)警網(wǎng)給定震級(jí)最小監(jiān)控范圍，江蘇預(yù)警站網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力見圖10。

經(jīng)分析計(jì)算，由圖10可知，江蘇預(yù)警網(wǎng)對(duì)全省境內(nèi)地震監(jiān)測(cè)能力大部分地區(qū)可達(dá)M_L1.5，局部可達(dá)M_L1.0。

4" 結(jié)論

通過對(duì)江蘇子項(xiàng)目建設(shè)預(yù)警臺(tái)站與預(yù)警中心系統(tǒng)試運(yùn)行情況、站點(diǎn)臺(tái)基噪聲和記錄地震波形數(shù)據(jù)分析與監(jiān)測(cè)能力估算，得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）江蘇預(yù)警網(wǎng)試運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：基準(zhǔn)站和基本站平均運(yùn)行率優(yōu)于98%，數(shù)據(jù)傳輸平均延時(shí)不大于1 s；一般站平均運(yùn)行率優(yōu)于95%，數(shù)據(jù)平均延時(shí)不大于1 s，達(dá)到江蘇子項(xiàng)目建設(shè)設(shè)計(jì)目標(biāo)與行業(yè)地震預(yù)警網(wǎng)運(yùn)行有關(guān)技術(shù)要求。

（2）使用臺(tái)基噪聲時(shí)域RMS值與頻域噪聲功率譜密度（PSD）的概率密度函數(shù)（PDF）計(jì)算，53個(gè)基準(zhǔn)站臺(tái)基噪聲達(dá)到Ⅰ類臺(tái)基17個(gè)，Ⅱ類臺(tái)基27個(gè)，Ⅱ類以上臺(tái)站噪聲水平占83%以上。

（3）經(jīng)分析試運(yùn)行期記錄的上海青浦M_L3.7地震和江蘇江都M_L2.9地震波形，結(jié)果表明：初動(dòng)清晰，波形流暢，震相易識(shí)別；計(jì)算也未發(fā)現(xiàn)臺(tái)站存在明顯鐘差和靈敏度參數(shù)異常等問題。

（4）江蘇預(yù)警網(wǎng)初步具備了區(qū)域地震烈度速報(bào)與預(yù)警能力，全省地震監(jiān)測(cè)能力大部分地區(qū)可達(dá)M_L1.5，局部達(dá)M_L1.0。

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Quality evaluation of trial operation of the Jiangsu early warning network

Zhu Feng*， Li Tingting， Du Hang， Li Zhengkai， Yang Chi

Jiangsu Earthquake Agency， Jiangsu Nanjing 210014， China

[Abstract]" " "This article evaluates the continuous operation rate， station noise levels and event waveform quality within the Jiangsu early warning station network system. It also assesses the monitoring capacity of this network， concluding that the Jiangsu earthquake early warning system operates stably with high-quality data recording. The provincial monitoring capacity can achieve M_L1.0 in local areas and M_L1.5 in most areas. The Jiangsu early warning network has preliminarily developed the capability to quickly report earthquake intensity and provide regional earthquake early warnings across the province.

[Keywords] early warning station network; operation quality; pedestal noise; monitoring capability