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日本新干线是这样防地震的——早期地震监测系统原理【2】

2014年03月12日00:50    

判断时间由3秒缩短到2秒

根据P波推断地震规模的检测算法也有所进步。UrEDAS会对P波进行3秒钟的观测,根据这一时间内的主要周期计算震级,因为周期和震级有着密切关联。紧凑型UrEDAS被设定为专门预测地震的局部影响,而非整体情况,从而将发警报的时间缩短到了1秒钟。上越新干线发生脱轨事故时,就是利用该算法检测到P波,并发出了警报。

不过,在大地震中,有时断层的破坏长达几十秒,因此仅用1~3秒判断地震规模的话,随后摇晃变得剧烈时无法进行修正。所以,又将算法改为3秒后仍可更新地震规模。

该算法是推断加速度的振幅变化,而非P波频率。日本铁道综合技术研究所与气象厅通过研究发现,振幅可以通过下面的公式做近似计算:

y = Bt·e-At(t为时间,e为自然对数的底)

因此,观察最初2秒钟的P波,根据其振幅变化情况确定系数B和A。从直观上来看,B表示振幅的上升,A表示之后的衰减情况(图4右)。研究发现,系数B与震中距呈反比,也就是说,根据初期微震最初2秒钟的情况可以算出震中距。

图4:现在使用的算法:观测最初2秒的P波,用函数近似计算

震中距、振幅与震级之间存在一定的关系。因此,如果能以一定的精度确定震中距,之后就可以一边观测振幅,一边重新计算实时震级的推测值并进行更新了。即使断层的破坏缓慢进行,也会减小过低评估震级的可能性。

该算法是从2005年前后开始采用的,现在仍在继续使用。不过,发生东日本大地震时,金华山的地震仪检测到S波的加速度很大,而非P波。P波的振幅增加非常缓慢,P波本身的检测就很难,即使检测到,也无法在早期判断出地震规模的大小。

JR东海根据这个情况,于2013年春季之前对仅监测P波发警报的远方地震仪进行了改进,使其对于一定程度以上的S波也会发出警报。JR西日本也进行了同样的改进。另外,JR东日本已开始与日本气象厅的紧急地震快讯联动。针对大型地震,应该使用现在可利用的所有方法。

推进研究力争缩短到0.5秒

P波的检测算法仍在继续改进。上述两个系数B和A中,A没有被用于震中距的推测。据介绍,研究人员最初认为A应该更重要,但后来发现振幅的上升最重要,因此只使用了B。这样的话,无需考虑A的衰减因数,可通过一次函数y=Ct近似计算最初0.5秒中P波上升的部分,就可以只使用系数C,这项研究目前正在推进之中(图5)。

图5:检测P波最初0.5秒的上升

B和C的作用相同,但数值稍有不同。

实际上,这样能提高震中距的推测精度。地震波沿地壳传播时,会随着散射和衰减等而紊乱,时间越长紊乱的影响越强。仅用0.5秒推测好像在精度上反而有利。

除了震中距以外,还要推测震中的方位。其主要依据是对P波三维摇晃的主成分的分析。目前,为了推测方位,需要对P波观测1.1秒的时间,但铁道综合技术研究所提出了将其缩短至平均0.4~1.0秒(因P波的情况而异)的方法。

尽快实施制动

在地震监测技术进步的同时,技术人员一直在努力缩短从检测到地震到实施制动之间的时间。新干线的车辆采用检测到停电后实施紧急制动的机制。这种制动不是平时高速驾驶时使用的电气制动,而是采用空气制动,停电时也能工作。

上越新干线脱轨事故发生前采用的机制是,ATC(列车自动控制装置)的车载装置检测到停电造成电压下降,然后启动紧急制动继电器,这一过程需要约4秒的时间。JR东日本对此进行了改进,设定了根据输电线的频率(新干线为交流电)变动进行检测的功能,将这一过程缩短到了约3秒钟。该公司利用新干线高速调试电车“FASTECH360S”收集基础数据,并通过运营车辆进行验证后,从2006年开始对所有列车进行改造,现已完工。

虽然上述系统在不断改进,但东海道新干线运营之初引进的倒立摆地震仪目前仍在使用(图6)。因为该地震仪为机械式,万一发生断电也能继续工作,而且结构简单、工作稳定、耐电磁噪声,是大量采用电子技术的系统出现问题时的最后一道保障。(作者:木崎 健太郎,日经技术在线!供稿)

图6:从东海道新干线运营开始一直使用的机械式地震仪

(责编:值班编辑、庄红韬)

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