基于相似度比较与时差分析的综合地震警报系统

摘要

大量事实表明，在地震来临之时，及时准确地发出警报信号有着重要的意义。本发明所解决的技术问题是提供一种基于相似度比较和时差分析的综合地震警报系统，这种系统既能抗干扰，又能防止漏报，还能降低使用成本。其基本原理是：首先，充分利用地震波的特点和信号特征来提高系统抗干扰性能；第二，在同一地点冗余安装多个震动感应装置；第三，根据震动到达各个感应装置的时间差大致确定震源的方位，若震源在地表则不是地震波，若震源在地下较大距离处则可能是地震波。最后，通过合理的系统结构设计来实现系统的管理维护，确保系统正常运转；同时通过警报信号的广播共享降低系统成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种综合地震警报系统，具体说涉及一种将多个震动感应装置 按不同关联区域以一定冗余度安装，并在控制中心对各所述震动感应装置同时 段内采集的数据进行相似度比较和时差分析以判断地震是否发生，然后将警报 信号发送给警报信号发生装置的地震警报系统。

背景技术

地震不仅给人类社会造成巨大的损失，也给人们留下挥之不去的心理阴影。 大量事实表明，在地震来临之时，及时准确地发出警报信号有着重要的意义。 但是，警报器的灵敏度、抗干扰性能、使用成本成为制约地震警报器广泛应用 的关键因素。

目前，一般的地震警报器都能很好地解决灵敏度的问题，但是并没有很好 地解决抗干扰和降低成本的问题。抗干扰方面一般采用的是信号识别和多个警 报器联网报警的方法，这些方法能较好地解决一般干扰问题。但是，目前采用 的联网报警仅限于利用统计门限的层次，并没有充分利用地震波的特点来提高 抗干扰性能。而这种系统设计既不利于降低制造成本，也引入了漏报的可能。

本发明旨在对此提供一种可行的方案，解决上述问题，使地震警报系统能 够更好、更广泛地发挥作用。

发明内容

本发明所解决的技术问题是提供一种基于相似度比较与时差分析的综合地 震警报系统，这种系统既能抗干扰，又防止漏报，还能降低使用成本。其基本 原理是：首先，充分利用地震波的特点和信号特征来提高系统抗干扰性能。这 里主要用到的一个特点是发生地震时，在相邻的较大范围内，不同地点同时收 到具有相近特征的地震波信号。第二，在同一地点安装多个性能一致或相近的 震动感应装置，以冗余的设计防止因个别感应装置故障而造成整个系统出现漏 报的错误。这里，同一地点的各震动感应装置应该是震动关联的，即无论是地 震波还是其他震动波，各震动感应装置之间收到的震动波信号具有较大相关性。 第三，根据震动到达各个感应装置的时间差大致确定震源的方位，若震源在地 表则不是地震波，若震源在地下较大距离处则可能是地震波。最后，通过合理 的系统结构设计来实现系统的管理维护，确保系统正常运转；同时通过警报信 号的广播共享降低系统成本。

本发明的技术方案如下：

将系统待安装区域按照震动传播的关联程度划分为若干个子区域。待安装 区域在有效通信范围内越大越好，但实际上不需要太大，选取原则是在所选区 域上能划分出足够数量符合标准的震动不关联子区域。所谓震动不关联是指依 据地理位置不同，由相互距离及连接介质因素，造成在各区域发生的震动由于 传播衰减不易到达其他区域的现象。例如，若系统待安装区域有多座相互隔开 的大楼，显而易见，其中某大楼内部发生的震动就很难传播到其他大楼里，因 此，这几栋大楼就可以各划分为一个子区域。当然这里不考虑声波，因为声波 与地震波特征差异较大，容易通过信号处理的办法排除。而如果系统待安装区 域仅限于同一座大楼内，则不同的楼层可以认为震动关联度较小；而同一楼层 相距较远的房间可以认为震动关联度较小；同一房间相对的两面墙可以认为震 动关联度较小。当然，实际的震动关联度可以通过震动测试来进行测量。

在选定的子区域内选择若干个震动关联程度大的位置。比如，在同一面墙 上相近的两个位置各安装一个震动感应装置，则两个感应装置接收到的震动信 号应该具有很大相关性。因此，在灵敏度相同并且忽略两者间传播衰减的情况 下，这两个感应装置要么都接收到感应信号，要么都没有接收到感应信号。若 出现一个接收到较大信号而另一个没有接收到信号的情况，则说明其中之一出 现了故障，但仍应该判定为测到震动。这跟信道编码中的冗余纠错有一定的相 似性，冗余度的大小决定了检错和纠错的能力。因此，同一子区域震动关联感 应装置的数量也关系到系统防漏报的能力。

按照上述区域划分，所述基于相似度比较与冗余纠错的综合地震警报系统 的设计方案为：

在选定的各个震动不关联子区域安装震动感应装置，每个子区域可以安装 一个到多个震动感应装置。若某子区域安装两个以上震动感应装置，则该子区 域具有纠错即防漏报功能。各震动感应装置通过有线或无线通信方式连接到控 制中心。所述控制中心一般安置在整个区域靠近中心的位置，通过有线或无线 通信方式连接到一个或多个警报信号发生装置。

所述控制中心将各个震动感应装置进行分组，每个子区域内的震动感应装 置划分为一组。每隔一定时间间隔，所述控制中心向各个震动感应装置发送时 间校准信息，并且依次查询各个震动感应装置的运行情况，判断其是否仍在正 常工作。若发现震动感应装置未正常运行，则对此震动感应装置进行标识，并 发出设备故障告警信息，通知维护人员进行修理。

当某个震动感应装置感应到震动时，该装置首先对感应信号进行必要的处 理和识别，滤除部分杂波并初步判断是否地震波信号，然后将信号传送到控制 中心进行进一步综合处理分析。当然，在控制中心的信号处理能力较强的情况 下，震动感应装置可以不用对信号进行处理而直接将原始信号发送到控制中心， 统一由控制中心来处理。控制中心对各个震动感应装置发送回的震动感应信号 进行综合处理分析来判断是否有地震发生，如果各个子区域都同一时段发送回 具有高度一致性或相似性、且震动强度相近的震动感应信号，则可以判断发生 了地震。一种可行的方法是对各信号的相似性进行相似度比较，一般来说，信 号的相似度比较包括信号数据的预处理、信号相似度的距离定义、聚类分组、 输出评估等。信号相似度可以从时域和频域来分析，可以利用信号数据的相关 性来定义判定距离。在各震动感应装置进行了定时校准的情况下，也可以用数 据的均方差等来定义判定距离。通过相似度比较来判定是否发生了地震的依据 就是在一定的标准下各个子区域的信号数据是否可以分在同一个组，如果不能 则判定为未发生地震。在未发生地震的情况下，控制中心也会对收到的信号数 据进行分析处理和监测记录，因为这些数据可以用来总结归纳周围环境中震动 波的规律，并作为一种环境背景噪声来处理。显然，安装震动感应装置的位置 应该选在环境背景噪声较小的地方。

当在同一平面内不同位置有四个以上震动感应装置时，通过合理布局，可 以使平面内任意一个位置到这几个震动感应装置的距离不可能都相等。以四个 震动感应装置为例说明，若按凹四边形布局，则必然满足上述条件。这样，在 传播速度相等的情况下，平面内任何一个震源到达这几个震动感应装置的时间 差不可能都为零。只有在平面外存在离这几个震动感应装置距离几乎相等的位 置，而地震的震源一般在地下数公里到数十公里处，对于安装在地震震中及附 近地区的震动感应装置网络满足等距条件，即时延差几乎为零。据此可以区别 地震和一般震动。

当控制中心判定发生地震后，立刻向所有警报信号发生装置发出警报信号， 其中包含地震的烈度、目前阶段(纵波还是横波)等重要信息。各警报信号发 生装置根据设定的烈度阀值来决定是否发出地震警报。警报信号发生装置也可 以自带一个震动感应装置，警报信号发生装置在收到控制中心发出的警报信号 后，同时结合自带的震动感应装置是否感应到震动来决定是否发出地震警报。 这种做法有利于防止人为的假警报信号，同时可以增强防误报功能。

各子区域的震动感应装置与控制中心，控制中心与警报信号发生装置之间 的通信可以采用无线通信方式，也可以采用有线通信方式。但是，根据工程实 践需要，我们认为各子区域震动感应装置与控制中心之间采用有线通信方式， 控制中心与警报信号发生装置采用无线通信方式比较合理。

本发明的有益效果如下：

通过地震波信号特征的充分利用来提高抗干扰能力；通过各子区域的震动 感应装置的冗余分布来检查和纠正感应装置的错误；通过控制中心的检查维护 来保证各震动感应装置的正常工作和系统的正常运转；通过警报信息的分发共 享来降低系统使用的平均成本。

附图说明

图1是系统框图；

图2是震动感应装置布局图。

具体实施方式

本系统根据待安装区域的大小、通信方式的不同可以采用多种方式来实现。 下面结合附图对本发明的优选实施例作详细描述。

本发明的优选实施例之一

如图1所示，待安装区域按震动不关联程度划分为A、B、C三个子区域， 每个子区域安装两个震动感应装置，各震动感应装置通过有线方式连接到控制 中心的通信模块，控制中心通过无线方式与若干警报信号发生装置进行单向或 双向通信。

控制中心每隔一段时间向各震动感应装置发送时间校准信息，以实现时间 同步。控制中心每隔一段时间(例如一分钟)向各震动感应装置发送工作状态 问询信息，感应装置收到后，将自检结果发送给控制中心。控制中心每隔一段 时间(例如一分钟)向各警报信号发生装置发送测试信号，警报信号发生装置 如果收不到测试信号或信号太小，可以发送信令请求控制中心在规定范围内加 大发射功率，或者调整自己的安装位置。

控制中心收集各震动感应装置的震动感应信号，对信号进行处理和相似度 比较。平时，控制中心对各震动感应装置的信号变化规律和区域分布进行必要 的纪录，这些结果可以为相似度比较中信号预处理提供依据。若分析结果认定 各子区域的震动信号同时发生、符合地震波信号基本特征、相互间具有较大相 似性并且超过一定的强度则向各警报信号发生装置发送警报信号。

本发明的优选实施例之二

如图2所示，四个震动感应装置按照凹四边形布局。则距离震动感应装置 较近的震源发出的震动波到达的时间差都比较大，而由地震引发的震动波到达 各震动感应装置的时间差则非常小，据此可以做出判定。