江汶鄉(xiāng) 于海英 周寶峰 許思銘 趙曉芬

（中國地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱 150080）

地震預(yù)警系統(tǒng)模擬測試方法比較研究1

江汶鄉(xiāng) 于海英 周寶峰 許思銘 趙曉芬

（中國地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱 150080）

地震預(yù)警系統(tǒng)作為一種減輕地震災(zāi)害的有效手段，其必須具有兩個性能：可靠性和時效性?？煽啃砸笥械偷恼`報率、漏報率；而時效性要求系統(tǒng)的計算時間短、反應(yīng)速度快。系統(tǒng)的可靠性和時效性需要反復(fù)測試。在特定區(qū)域，地震是小概率事件，對于5級以上的破壞性地震更是極其罕見，因此只有通過模擬地震的方式才能對地震預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行有效的測試。目前還沒有文獻(xiàn)系統(tǒng)地介紹地震預(yù)警系統(tǒng)的模擬測試方法。本文提出了振動臺模擬、信號發(fā)生板卡模擬和軟件模擬三種測試方法，并對每種方法的優(yōu)缺點進(jìn)行了對比研究。研究表明，軟件模擬的優(yōu)點最多，唯一的缺點是不能測試系統(tǒng)的抗震能力。通過分析，本文建議首先在振動臺上做少量幾次大幅度地震波輸入測試；之后使用軟件模擬測試方法，將所有收集到的地震波序列和干擾波形輸入地震預(yù)警系統(tǒng)，對其進(jìn)行功能測試，以得到全面且經(jīng)濟(jì)的測試效果。

地震預(yù)警系統(tǒng) 測試方法 振動臺 信號發(fā)生板卡 軟件

引言

地震預(yù)警系統(tǒng)近年來在全球迅速發(fā)展，到2009年全球有6個地區(qū)有運行的地震預(yù)警系統(tǒng)（Bose等，2009），它們分別在臺灣、加州、墨西哥、羅馬尼亞、土耳其。汶川地震后，我國民眾對地震預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)注急劇增加，我國投入了相當(dāng)?shù)馁Y源著力建設(shè)地震預(yù)警系統(tǒng)。福建省地震局率先在省內(nèi)開展了地震預(yù)警系統(tǒng)的探索。之后，國家又在社會服務(wù)工程中啟動了地震預(yù)警示范系統(tǒng)建設(shè)。2012年2月22日，中國地震局與鐵道部簽署了《高速鐵路地震安全戰(zhàn)略合作協(xié)議》，并成立了“高速鐵路地震安全技術(shù)研發(fā)組”。目前我國的哈大、京石武、京津等高速鐵路客運專線已經(jīng)布設(shè)有閾值預(yù)警系統(tǒng)（劉林等，2002；孫利，2007；孫利等，2011）。正在規(guī)劃中的“國家地震烈度速報與預(yù)警工程”將對地震危險區(qū)域加密，完成后將使我國的強(qiáng)震臺由目前的約3000個增加到約9000個，為地震預(yù)警系統(tǒng)形成強(qiáng)有力的基礎(chǔ)設(shè)施保障，同時還將開發(fā)覆蓋全國的地震預(yù)警系統(tǒng)。

上述這些已經(jīng)完成或即將完成的預(yù)警系統(tǒng)都需要經(jīng)過測試驗證，這樣才能確保其在地震的關(guān)鍵時刻能發(fā)揮作用，并且在非地震事件的干擾下不會誤觸發(fā)?？梢詫㈩A(yù)警系統(tǒng)布設(shè)在地震頻發(fā)區(qū)，等待地震發(fā)生時，記錄預(yù)警系統(tǒng)的響應(yīng)。顯然這種方法代價高昂且效果欠佳，因為對于某特定地區(qū)，地震是小概率事件，5級以上的破壞性地震更是極其罕見，因此將地震預(yù)警系統(tǒng)布設(shè)到現(xiàn)場難以得到有效檢驗，需要通過模擬地震的方法對其檢驗。目前，還沒有文獻(xiàn)詳細(xì)介紹地震預(yù)警系統(tǒng)的測試方法。本文試圖經(jīng)過對比分析，提出一種低代價且全面的測試方案。

1 地震預(yù)警系統(tǒng)介紹

地震預(yù)警系統(tǒng)能在強(qiáng)烈地震波到達(dá)前幾秒甚至幾十秒，給地震盲區(qū)外的預(yù)警目標(biāo)區(qū)發(fā)出報警信息，爭取到寶貴的逃生或減災(zāi)時間。自從Cooper（1868）教授首先提出地震預(yù)警的思想以來，地震預(yù)警系統(tǒng)的研究和開發(fā)已經(jīng)取得長足的進(jìn)展。各種類型的地震預(yù)警系統(tǒng)已經(jīng)布設(shè)到了全球的多個地方，為高速鐵路、核電站、特殊工廠、城市居民等提供服務(wù)（Alcik等，2009；Wurman等，2007）。

我國是地震災(zāi)害頻發(fā)且嚴(yán)重的大國，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，已經(jīng)布設(shè)了覆蓋全國地震頻發(fā)區(qū)和潛在地震區(qū)的數(shù)字地震臺網(wǎng)，且一些特殊的部門還布設(shè)了自己專用的地震臺網(wǎng)（劉林等，2002；孫利等，2011）。目前已經(jīng)利用這些網(wǎng)絡(luò)布設(shè)了多個地震預(yù)警系統(tǒng)，如：福建省和首都圈的區(qū)域預(yù)警系統(tǒng)（Peng等，2011）；布設(shè)在高速鐵路沿線的閾值預(yù)警系統(tǒng)（劉林等，2002；孫利等，2011；孫漢武等，2007）。這些預(yù)警系統(tǒng)由不同的機(jī)構(gòu)開發(fā)，軟硬件設(shè)計和預(yù)警方法都不盡相同。有的系統(tǒng)出廠前經(jīng)過了全面的自測，有的可能測試方法不理想造成測試不全面。地震預(yù)警系統(tǒng)作為一種減輕地震災(zāi)害的有效手段，其必須滿足兩個要求：可靠性和時效性。而科學(xué)先進(jìn)的預(yù)警方法、程序算法、系統(tǒng)構(gòu)架是可靠性和時效性的保證。可靠性要求有低的誤報率、漏報率；而時效性要求系統(tǒng)的計算時間短、反應(yīng)速度快。系統(tǒng)的可靠性和時效性只能通過測試的方式獲取。目前，還沒有文獻(xiàn)詳細(xì)介紹地震預(yù)警系統(tǒng)的測試方法。本文試圖經(jīng)過對比分析，提出一種低代價且全面的測試方案。

廣義講，地震預(yù)警系統(tǒng)的測試包括兩方面：一方面是系統(tǒng)開發(fā)過程中對每個函數(shù)每個模塊的測試，需要程序測試人員編寫測試用例（黃磊，2013），這是一種“白盒”測試，又稱為結(jié)構(gòu)測試或邏輯驅(qū)動測試，它在假定已知系統(tǒng)內(nèi)部工作過程中，按照程序內(nèi)部的邏輯結(jié)構(gòu)（流程圖或源代碼），測試程序中的每條通路是否都有能按預(yù)定要求正確工作，而不顧它的功能；另一方面是在系統(tǒng)開發(fā)完成后，需要測試其功能是否滿足要求。本文中的測試指的是第二方面，它需要模擬地震（稱為正面）或非地震干擾（稱為反面）對預(yù)警系統(tǒng)作用，從而考察系統(tǒng)的響應(yīng)。這是一種“黑盒”測試，又稱為功能測試或數(shù)據(jù)驅(qū)動測試（黃磊，2013）。它在假定已知系統(tǒng)所具有的功能后，通過測試來檢測每個功能是否都能正常工作，完全不考慮程序內(nèi)部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部特性，只檢查功能是否正常，是否能適當(dāng)?shù)亟邮蛰斎霐?shù)據(jù)而產(chǎn)生正確的輸出信息。

地震預(yù)警系統(tǒng)的功能測試方式粗略地可以分為兩種方式。一種方式為將地震預(yù)警系統(tǒng)布設(shè)到地震頻發(fā)的區(qū)域，等待地震和非地震事件的發(fā)生，以便對系統(tǒng)的功能進(jìn)行檢驗，此外，還可以人為產(chǎn)生可能遇到的干擾事件，如打樁、爆破等；另一種方式為模擬地震事件和非地震事件的發(fā)生，可能的模擬方法有振動臺模擬、信號發(fā)生板卡模擬和軟件模擬，這是本文研究的測試方式。在振動臺模擬方法中，將整個地震預(yù)警系統(tǒng)放置到振動臺上，以振動臺激振的方式模擬地震事件的發(fā)生；在信號發(fā)生板卡模擬方法中，信號發(fā)生板卡模擬傳感器，向數(shù)據(jù)采集器發(fā)送用戶指定的任何波形數(shù)據(jù)；在軟件模擬方法中，軟件模擬一個或者多個強(qiáng)震儀，向地震預(yù)警系統(tǒng)的分析軟件的震相撿拾模塊發(fā)送用戶指定的任何波形數(shù)據(jù)。在進(jìn)行地震事件模擬測試時，需要獲得系統(tǒng)各個處理環(huán)節(jié)的延遲時間，以評判整個系統(tǒng)的時效性。地震預(yù)警系統(tǒng)的延遲可以初略分為三種，如表1所示，其中處理延遲和傳輸延遲需要通過測試獲取。

本文在以下內(nèi)容中討論地震預(yù)警系統(tǒng)模擬測試的三種方法：振動臺模擬、板卡模擬、軟件模擬，以及其各自的優(yōu)缺點。

表1 地震預(yù)警系統(tǒng)中的三種延遲Table 1 Three kinds of delays in earthquake early warning system

2 振動臺模擬

振動臺的類型有多種：用于校準(zhǔn)傳感器的超低頻振動臺（佘天莉，2012；楊黎薇，2007）；小型伺服振動臺；用于教學(xué)實驗的電機(jī)振動臺；結(jié)構(gòu)地震模擬振動臺；此外還有各行業(yè)的特殊用途振動臺。而結(jié)構(gòu)地震模擬振動臺承載力大、能輸出用戶指定的地震波，本文中的振動臺指的就是此種。根據(jù)臺面尺寸和承載力可分為小、中、大三種。其中，小型振動臺承載能力就可達(dá)10噸，臺面尺寸可達(dá)2m×2m，已經(jīng)滿足了地震預(yù)警系統(tǒng)模擬測試的要求（李濤等，2011）。

為了充分發(fā)揮振動臺試驗的特點，在振動臺模擬測試中，將強(qiáng)震儀、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和信息發(fā)布系統(tǒng)的服務(wù)器、機(jī)柜和接線等全部硬件，按預(yù)警系統(tǒng)的實際布設(shè)方式固結(jié)到振動臺臺面上。這樣可以測試整個系統(tǒng)的抗震能力，盡早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)硬件設(shè)計和接線上的不足，確保硬件設(shè)施在強(qiáng)烈地震動作用下不會被破壞而失效。

為了獲得振動臺模擬測試的特點，需要了解振動臺的各項指標(biāo)。以中國水利水電科學(xué)研究院的試驗為例，它的主要功能特性如表2所示。

由表1給出的指標(biāo)可以看出，除了加速度和頻段受限外，對預(yù)警系統(tǒng)模擬測試最不利的是位移和速度的限制。因為許多預(yù)警算法是通過計算地震波到達(dá)后幾秒內(nèi)的位移估計地震震級（Wu等，2007）；用于日本高鐵的Compact UrEDAS用加速度和速度的乘積來估計接下來的破壞強(qiáng)度（Destructive Intensity）（Nakamura等，2010）。許多地震預(yù)警真正能發(fā)揮其作用的是震級巨大的破壞性地震。如中國汶川、臺灣集集等大地震，在近場地震波到達(dá)的初始幾秒內(nèi)，位移和速度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了上述振動臺的指標(biāo)。因此用振動臺來做預(yù)警測試時，其輸入的地震波和實際臺面的振動在位移和速度方面將有較大差異，對系統(tǒng)的預(yù)警結(jié)果有不利影響。在此種方法中，處理延遲和傳輸延遲只有通過預(yù)警系統(tǒng)的軟件自己獲取每個環(huán)節(jié)的延遲。

表2 一個典型的地震模擬振動臺主要功能特性Table 2 Characters of one typical stake table

綜上所述，振動臺模擬測試的優(yōu)點在于：可以檢驗硬件和接線的可靠性，確保在強(qiáng)烈地震動下硬件不會損壞，這是別的方法不具備的。缺點在于：振動臺的速度、位移都會受限制，不能真實模擬大地震近場震動；振動臺每激振一次所花費用高昂，這也是很多結(jié)構(gòu)分析采用數(shù)值模擬方法的原因之一。由于振動臺的頻帶范圍、振動幅度等受限，不能做沖擊、爆破等類型的干擾實驗，只適合做正面測試。除地震模擬振動臺臺陣外（紀(jì)金豹等，2011），一般地震模擬振動臺只能做單臺試驗，不能模擬多個臺站接收地震波序列的情形，因此只能測試單臺預(yù)警方法（Allen，1978；B?se等，2012；Odaka等，2003；Ruud等，1992；Ruud，1988；Zhang等，2003；馬亮，2013），而不能測試綜合多臺信息的區(qū)域預(yù)警方法。處理延遲和傳輸延遲只能由預(yù)警系統(tǒng)軟件自行獲取。

3 板卡模擬

由于通用的信號發(fā)生器（如泰克AFG2000-SC）只能發(fā)出三角波、鋸齒波、矩形波等周期性信號，或用戶編寫的函數(shù)信號，不能發(fā)出用戶指定的地震波信號。本文考察了北京波普公司（http://www.earthquake.com.cn/）的WS-5921-DA3型信號發(fā)生板卡。它以PCI接口插入計算機(jī)主板，通過配套的專用軟件Vib’SYS將三分量的地震波數(shù)據(jù)，通過RS232接口以模擬電壓信號的形式輸出到強(qiáng)震儀數(shù)據(jù)采集器。Vib’SYS可以讀取ASCII碼存儲的波形數(shù)據(jù)，然后通過板卡輸出。由此，一個信號發(fā)生板卡可以模擬任意地震波作用下的一個傳感器輸出。需要注意的是，信號發(fā)生板卡和Vib’SYS軟件處理的都是電壓單位信號，而一般地震波數(shù)據(jù)都是以加速度單位存儲，用戶在需要輸出特定幅度的加速度前，需要根據(jù)強(qiáng)震儀的靈敏度進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換。

該板卡采用了12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，輸出時其噪聲水平約為10mv，經(jīng)過靈敏度為2.5v·g?1的數(shù)據(jù)采集器后，得到的加速度噪聲約為4cm·s?2。由于預(yù)警主要利用地震波中的前3s（Wu，2006），此時多數(shù)情況為低幅值的P波。因此，接收到的地震波數(shù)據(jù)信噪比較低。不少預(yù)警方法都會受信噪比影響，如利用PCA分析主震動方向從而進(jìn)行地震定位（馬亮，2013；馬強(qiáng)，2008）；計算前幾秒的頻率和位移（Shieh等，2008；2009；Wu等，2007）從而進(jìn)行震級估計；特別是單臺預(yù)警算法（B?se等，2012；Lockman，2005；Magotra等，1987；Odaka等，2003；Ruud等，1988；馬亮，2013）。低的信噪比對預(yù)警結(jié)果有不利影響，但是該方法可以用來測試簡單的閾值預(yù)警系統(tǒng)（孫利，2011），因為其不需要確定震源參數(shù)，受信號發(fā)生板卡性噪比的影響很小。如果進(jìn)行區(qū)域預(yù)警模擬測試，每個虛擬臺站都需要一個相應(yīng)的信號發(fā)生卡，需要的費用和人力代價隨模擬的臺站個數(shù)呈線性增長。

該方法的優(yōu)點在于：測試方便、準(zhǔn)備時間最短，用戶只需要準(zhǔn)備好波形數(shù)據(jù)和接好線纜即可進(jìn)行測試，不需要任何額外的開發(fā)工作；可以正、反面測試。缺點在于：性噪比低，對確定震源參數(shù)有不利影響，只適合測試閾值預(yù)警系統(tǒng)；需要的費用和人力代價隨模擬的臺站個數(shù)呈線性增長；處理延遲和傳輸延只能由預(yù)警系統(tǒng)軟件自行獲取。

4 軟件模擬

通過軟件模擬的方式，將各次地震記錄序列或各種干擾記錄輸入到地震預(yù)警系統(tǒng)是比較理想的模擬測試方式。它的原理為通過軟件將選擇的地震波按照打包間隔分成包，打包間隔為0.2—0.5s較為適宜。因為打包間隔越長，爭取到的預(yù)警時間就會越短；反之打包時間越短，所需的打包計算資源就越多。同時數(shù)據(jù)包越多幀頭就越多，而占用了網(wǎng)絡(luò)帶寬。權(quán)衡預(yù)警時效性和系統(tǒng)資源，將打包時間定為0.2—0.5s較為合適。每包數(shù)據(jù)中應(yīng)包含的信息有：臺站代碼；通道代碼；數(shù)據(jù)的起始時間；數(shù)據(jù)個數(shù)；數(shù)據(jù)采樣率；波形數(shù)組（采用整形數(shù)據(jù)存儲Count數(shù)更能節(jié)省空間）；Count數(shù)；加速度的轉(zhuǎn)換因子等。考慮到有的預(yù)警系統(tǒng)將被劃分為多個子網(wǎng)（Wu等，2002），因此數(shù)據(jù)包中也應(yīng)包含網(wǎng)絡(luò)代碼。

模擬軟件按時通過Socket鏈接，將數(shù)據(jù)包發(fā)送到每個虛擬臺站或者數(shù)據(jù)處理中心。需要指出的是，除采用單臺預(yù)警方法外，預(yù)警系統(tǒng)利用多個臺站的震相到時信息，特別是到時差進(jìn)行地震定位（Horiuchi，2005；Rydelek等，2004；Satriano等，2008；張紅才等，2011）。模擬測試軟件能滿足以下要求，即方便地按照記錄的起始時間差，設(shè)定各個臺站之間的相對時差。

模擬測試軟件能獲取預(yù)警系統(tǒng)的處理延遲和傳輸延遲，它可以將信號截取模塊駐留在預(yù)警系統(tǒng)中，截取每個中間信息在每個模塊中的輸入輸出時間，由此獲得傳輸延遲和處理延遲。由此得到的預(yù)警系統(tǒng)時效性不是預(yù)警軟件自己給出的，具有更高的可信度。

該方法的優(yōu)點最多：可重復(fù)多次測試；只需要測試軟件的開發(fā)費用；開發(fā)完成后可以任意測試；不再需要任何費用。與前面兩種方法相比，成本最低、效果最好。可以正、反兩面測試?？梢阅M任意多個臺站。缺點在于：需要前期的開發(fā)投入，但是定義好測試系統(tǒng)和預(yù)警系統(tǒng)之間的通信接口后，可以對任何單位開發(fā)的預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行測試。因此可以實現(xiàn)一次開發(fā)測試多個，而此開發(fā)投入也是可以接受的。

5 結(jié)論

本文討論了地震預(yù)警系統(tǒng)模擬測試的三種方法和各自的優(yōu)缺點，如表3所示。

振動臺模擬的優(yōu)點在于，可以測試硬件的抗震能力且準(zhǔn)備時間最短。缺點在于通常只能模擬單個地震波輸入；只能輸入地震波，難以輸入具有沖擊特點的干擾波形等；且振動臺有自己的振動噪聲不利于預(yù)警系統(tǒng)的P波撿拾，只適合測試閾值預(yù)警系統(tǒng)；且需要專門的結(jié)構(gòu)振動臺，費用較高。

板卡模擬的優(yōu)點在于可以模擬多個地震波輸入；它模擬傳感器，可以測試數(shù)據(jù)采集器；既可測試正面的地震波，也可測試任意的干擾波；準(zhǔn)備時間最短。缺點在于不能獲得系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的時間延遲；每個虛擬臺都要一個測試板卡，因此測試費用隨著模擬臺站數(shù)目增長。

軟件模擬的優(yōu)點最多，可以模擬任意多個地震波輸入；既可測試正面的地震波，也可測試任意的干擾波；采用該種模擬方法，預(yù)警系統(tǒng)接收到的正是強(qiáng)震儀器記錄到的數(shù)據(jù)，且沒有前兩種測試方法所產(chǎn)生的附加噪聲，與實際情況吻合；能獲得系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)時間延遲；費用最低，開發(fā)完成后可以任意測試，不再需要增加費用。唯一的缺點在于需要開發(fā)一套軟件測試系統(tǒng)，需要做軟件接口，準(zhǔn)備時間最長。

由以上分析可得，每種方法都各有其優(yōu)缺點，沒有哪種方法能完全優(yōu)于其他方法。綜合考慮三種方法的特點，筆者建議在對地震預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行模擬測試時，首先在振動臺上做少量幾次的大幅度地震輸入測試，確保系統(tǒng)硬件可靠性；之后利用軟件模擬測試方法，將能收集到的所有地震波序列和干擾波形輸入地震預(yù)警系統(tǒng)，對其進(jìn)行功能測試。

表3 三種模擬測試方法的特點Table 3 Merits and drawbacks of three testing methods

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Comparison of Simulation Testing Methods for Earthquake Early Warning System

Jiang Wenxiang，Yu Haiying，Zhou Baofeng，Xu Siming and Zhao Xiaofen

（Institute of Engineering Mechanics，China Earthquake Administration，Harbin 150080，China）

As a valid method to reduce earthquake disasters，Earthquake Early Warning System must be reliable and rapid．Reliability demands low false and missing alarm rate．And rapidity demands short computing time and fast reaction．Reliability and rapidity need to be tested repeatedly by simulating earthquakes．In some specific areas with low occurring probability and low magnitude of earthquakes，efficient testing methods are simulating earthquakes．Currently，there is no publications that systematically discuss simulation testing methods for earthquake early warning system．In this paper，we propose three methods to simulate earthquakes by using shake table，signal generating board and software．Based on the discussions in this paper，we conclude that testing method joints shake table and software is comprehensive and economical．

Earthquake early warning system；Testing methods；Shake table；Signal generating board；Software

江汶鄉(xiāng)，于海英，周寶峰，許思銘，趙曉芬，2014．地震預(yù)警系統(tǒng)模擬測試方法比較研究．震災(zāi)防御技術(shù)，9（4）：847—854．

10.11899/zzfy20140412

工程力學(xué)研究所基本科研業(yè)務(wù)費專項（2011D01）；國家自然基金面上項目（41174161）；地震行業(yè)科研專項（201208014）；國家自然基金面上項目（51308517）

2013-12-11

江汶鄉(xiāng)，男，生于1983年。博士生。主要從事地震預(yù)警和信號處理研究。E-mail：jwx_iem@163.com

于海英，男，生于1962年。研究員。主要從事強(qiáng)震觀測和信號處理研究。E-mail：haiyingyu@126.com