羅志群，代清友，黃紹倫

（廣東省特種設(shè)備檢測研究院，廣東廣州 501655）

0 引言

地震災(zāi)害是最為嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，其最大的特點是突發(fā)性和毀滅性。當(dāng)前，在地震的預(yù)測預(yù)報技術(shù)尚不成熟的前提下，設(shè)法減輕地震災(zāi)害則是一個更現(xiàn)實意義的課題。電梯作為涉及公共生命安全的特種設(shè)備，其普及伴隨著中國近十年的經(jīng)濟攀升，已成為一個城市現(xiàn)代化程度的標(biāo)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(shè)備檢驗協(xié)會牽頭下，開展國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局科技計劃項目“四川5.12地震中電梯技術(shù)狀況與電梯抗震技術(shù)分析研究”，總結(jié)發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時仍未管制運行的電梯往往會造成導(dǎo)軌變形、部件損壞，或?qū)χ孛撥?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(zāi)害源。汶川大地震后對六個重災(zāi)區(qū)特種設(shè)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(xiàn)代化程度重要標(biāo)志的電梯，已經(jīng)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(qū)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(yù)警裝置并組建城市/片區(qū)地震預(yù)警與管制運行的先決條件。日本是一個地震多發(fā)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(shè)計及施工指南》[1]，但僅從工程設(shè)計方面作了規(guī)定和介紹，并未提升到電梯的地震預(yù)警技術(shù)的高度。如今，建筑交通電力燃氣設(shè)施等均出臺了相關(guān)的抗震法規(guī)/標(biāo)準(zhǔn)，而我國電梯抗震預(yù)警方面尚未形成成熟的體系。在地震預(yù)警技術(shù)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(yù)警作用

地震預(yù)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(zāi)害的發(fā)生，減低地震情況下受損電梯的數(shù)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(fù)成本，以最快的速度恢復(fù)電梯正常運行，盡快恢復(fù)人民正常生活。而在用電梯加裝地震預(yù)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(fā)布本梯預(yù)警，命令電梯進入管制運行。電梯預(yù)警裝置當(dāng)檢測到地震來臨時，向電梯控制柜發(fā)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(xiàn)異地預(yù)警。通過城市的地震預(yù)警數(shù)據(jù)分析中心收集到的震時信息，向下轄的異地片區(qū)發(fā)出地震消息，提前讓其他片區(qū)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(jù)本梯的加裝地震預(yù)警裝置所得的地震數(shù)據(jù)，為震后電梯的健康狀況初步評估提供決策參數(shù)。

（4）震后地區(qū)災(zāi)害評估。利用搜集片區(qū)下所得的地震數(shù)據(jù)，有利于對災(zāi)區(qū)的受震程度給出初步分析，為救援地點預(yù)測提供科學(xué)依據(jù)。

（5）地震數(shù)據(jù)記錄樣本研究。對各個片區(qū)收集到的地震信息樣本對震后的地震學(xué)研究尤為珍貴，可為科研機構(gòu)進一步了解我國地震成因和預(yù)防提供樣本基礎(chǔ)。

2 國內(nèi)外地震預(yù)警技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

我國尚未建立起有效的電梯地震預(yù)警與運行管制系統(tǒng)，但是在國內(nèi)外部分同樣涉及公共安全的行業(yè)已經(jīng)運用先進的地震預(yù)警技術(shù)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(yù)警技術(shù)的發(fā)展

城市地震預(yù)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(yù)警系統(tǒng)SAS（Seismic Alarm System）[2]。其在1995 年Guerraro 發(fā)生的7.3 級地震波到達72 s 前發(fā)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(yù)警的可行性。

管道煤氣領(lǐng)域的代表之一是日本東京煤氣公司1994 年建成的地震監(jiān)測與震害快速評估系統(tǒng)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(gòu)成。在1995年阪神大地震后，又迅速興建了超密集實時地震監(jiān)測系統(tǒng)SUPREME（Super-dense Realtime Monitoring of Earthquake）。

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

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

2.2 國內(nèi)地震預(yù)警技術(shù)的發(fā)展

國內(nèi)用于核電站地震預(yù)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(tǒng)，其是利用動參數(shù)閾值法與專家系統(tǒng)結(jié)合決策的技術(shù)[4]；又如遼寧省地震局利用數(shù)字化觀測技術(shù)、GIS 技術(shù)等高新技術(shù)，為中石油建立大型石化企業(yè)地震預(yù)警系統(tǒng)；中國學(xué)者劉林、閻貴平對鐵路地震預(yù)警提出了適用于P 波檢測的M- R 判別標(biāo)準(zhǔn)。而楊馬陵等專家參照地質(zhì)災(zāi)害等級和廣東臺風(fēng)預(yù)警等級，提出了地震預(yù)警等級預(yù)報方案[2]。目前，我國王敦博士在成都建立的地震預(yù)警系統(tǒng)，在四川雅安7.0級地震中實現(xiàn)成都市主城區(qū)地震預(yù)警28秒，刷新了我國地震預(yù)警時長。

3 電梯地震預(yù)警與管制運行系統(tǒng)的基本思想

電梯地震預(yù)警與管制運行系統(tǒng)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(chǎn)損失；二是實時采集在城市內(nèi)分布的地震信息，為地震預(yù)警算法提供數(shù)據(jù)，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(tǒng)由三個層次構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)層次

3.1 單臺電梯的地震預(yù)警裝置

中高層電梯，尤其是關(guān)鍵建筑物電梯加裝地震預(yù)警裝置是本系統(tǒng)實現(xiàn)的物理基礎(chǔ)，其主要任務(wù)是檢測地震動加速度，向控制柜發(fā)出指令和上傳地震參數(shù)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(shù)[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(nèi)（地坑、井道或機房）的電梯地震預(yù)警裝置作為地震動加速度檢測。配置EEPROM 存儲震動數(shù)據(jù)。由于本地預(yù)警的情況下，P波和S波很難區(qū)分開來，因此可以采用動參數(shù)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(tài)。

（2）GPS定位系統(tǒng)

用于對地震預(yù)警裝置向片區(qū)預(yù)警與管制運行控制中心上傳數(shù)據(jù)時，對數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)信息能夠時標(biāo)同步。

（3）信號接口與通訊系統(tǒng)

實現(xiàn)本梯預(yù)警與管制運行是本系統(tǒng)的首要任務(wù)。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(nèi)電梯地震預(yù)警裝置可以將本梯地震信息/數(shù)據(jù)上傳至片區(qū)預(yù)警與管制運行中心。這套通訊系統(tǒng)可以通過電話線路、光纜、短波、衛(wèi)星或?qū)Ｓ猛ㄓ嵕€路傳輸數(shù)據(jù)和接收指令[8-9]。

3.2 城市/區(qū)域的地震預(yù)警中心

（1）單臺電梯的地震預(yù)警裝置

單臺電梯的地震預(yù)警裝置是實現(xiàn)地震中電梯管制運行的前提條件，必須要有效監(jiān)測本地電梯的地震動加速度，當(dāng)?shù)卣饋砼R時能即刻切換至管制運行模式，保障人民生命財產(chǎn)安全，防止因地震中未停止運行導(dǎo)致電梯事故。

（2）片區(qū)預(yù)警與管制運行控制中心

獨立的電梯地震預(yù)警裝置只是針對本梯的震時管制運行，而本系統(tǒng)更深遠的意義在于，能夠?qū)⒎植际降谋姸嗟卣鸨O(jiān)測信息實時上傳至片區(qū)預(yù)警與管制運行控制中心（簡稱片區(qū)控制中心）。當(dāng)沒有地震時，片區(qū)控制中心定時分散性抽取片區(qū)內(nèi)地震預(yù)警裝置的信息，并進行緩存；當(dāng)?shù)卣餚波到達時，抽取到超越震動閾值的信息會規(guī)模性增多，則改為全局讀取地震信息和震動數(shù)據(jù)。根據(jù)片區(qū)內(nèi)大數(shù)據(jù)樣本確定地震參數(shù)，如三要素震中（方位、距離）、震級和震源深度等。如確認(rèn)是破壞性有感地震則通知片區(qū)內(nèi)所有電梯地震預(yù)警裝置進入管制運行狀態(tài)，同時上報結(jié)果、信息和震動數(shù)據(jù)至城市預(yù)警數(shù)據(jù)分析中心。片區(qū)控制中心的轄區(qū)半徑至少要大于一個預(yù)警盲區(qū)的距離。

（3）城市的地震預(yù)警數(shù)據(jù)分析中心

城市的地震預(yù)警數(shù)據(jù)分析中心（簡稱數(shù)據(jù)分析中心）將上報的數(shù)據(jù)綜合推斷，進一步調(diào)度鄰近片區(qū)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(qū)強制執(zhí)行管制運行。在震后，根據(jù)實時的全局地震動參數(shù)和歷史數(shù)據(jù)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(yù)警裝置的首要功能是使電梯能在地震發(fā)生前及時將轎廂內(nèi)乘客疏散至梯外逃生，因此當(dāng)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(dāng)超越二級震動閾值時，則向電梯控制柜發(fā)出指令讓其緊急就近平層，并持續(xù)敞開梯門釋放乘客逃離。

（2）遠程管制運行機制。當(dāng)片區(qū)控制中心發(fā)出強制管制運行指令，則區(qū)內(nèi)電梯即刻執(zhí)行就近平層，并持續(xù)敞開梯門；在地震過后，由數(shù)據(jù)分析中心對震后電梯災(zāi)害進行快速評估，對不存在受損風(fēng)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(jiān)管部門，組織檢測機構(gòu)、維保單位、制造廠商進行現(xiàn)場排查。

4 結(jié)束語

地震災(zāi)害的突發(fā)性和毀滅性使得當(dāng)今地震預(yù)警技術(shù)的地位日益受到重視。我國是地震頻發(fā)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(chǔ)上，結(jié)合公共行業(yè)的地震預(yù)警技術(shù)的啟示，揭示了利用量大面廣的在用電梯實現(xiàn)地震預(yù)警的社會現(xiàn)實意義，提出電梯地震預(yù)警與管制運行系統(tǒng)的初步構(gòu)想，并對系統(tǒng)構(gòu)建層次和地震中電梯管制運行機制進行了設(shè)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(yù)警技術(shù)提供了前瞻性的探究基礎(chǔ)。

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