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专利名称：现地型地震实时分析系统与方法及其储存媒体的制作方法
技术领域：
本发明涉及地震预测技术，特别涉及一种现地型地震实时分析系统及其方法。
背景技术：
地震预测技术理论之一，是通过P波(P-wave、primary wave或pressure wave)波速大于S波(secondary wave)的物理特性(P波约6_7km/s ；S波约3_4km/s),于地震发生当下，测量P波带来的微小震动以推估后续S波的影响。P波属于疏密波或纵波的一种，也是地震时通过地球内部传递的体波(body wave)其中一种，传递时介质的震动方向与震波能量的传递方向平行#波具有最快的传播速度，但破坏力不如S波。另一种体波S波的速度仅次于P波，S波属于剪力波(Shear Wave)或横波，即传递时介 质的震动方向与震波能量的传递方向垂直，且其震幅可到P波的数倍。因此，S波较大的地震震幅与传递时造成传递路径上的剪切效应，往往带来重大的灾情。台湾位处于欧亚大陆板块及菲律宾海板块的交界，也为环太平洋地震带的一部分，因而地震发生频繁。中央气象局于全台各处广设地震仪，通过多个测站的联集运算，可得到高精度的地震相关参数，并告知各警戒区域，此机制可视为「广域型」强震预警系统。然广域型强震预警系统受限于数据收录及运算时间的限制，虽然可达高精确度、但耗时过久，于近震央区域(距地震发生处50公里内)无法提供有效预警。例如，台湾中央气象局所建置的地震观测网，需22秒的时间进行震央定位及地震规模推算，若仅考虑P波与S波间的速度差，忽略地质及场址效应，则此系统对于震央距测站观测群70公里以外的区域才有预警能力。但是，靠近震央区域所承受的地震震波影响高于其它地区，仰赖此类广域型强震预警系统，并无法达到事前预警、逃生疏散的效果。此外，虽然既有研究对于地震波的预测与模拟可提供特定演算理论，但是这些理论应用在现地型地震预测时，缺乏大量实验验证与修正，无法达到预期的准确率。再者，对于以短时窗数据准确预测地震参数，目前并无合适的硬件架构适合现地型地震预测的信号处理与运算需求，一般的计算机系统并无法适当地处理信号或提供实时高阶运算效能。

发明内容
有鉴于现有技术的问题，本发明一目的在于实时分析一地震于一检测地点检测到的一初达波(Primary Wave)，以预测地震于检测地点的一剪切波，并缩短地震参数的运算时间以便提前预警。于本发明一实施例中，提供一种现地型地震实时分析系统，此系统包含信号预处理模块及嵌入式运算主机。信号预处理模块接收于检测地点撷取初达波的加速度信号，并对其进行一硬件预处理(hardware pre-processing)。嵌入式运算主机接收来自信号预处理模块的加速度信号，以计算剪切波的峰值地表加速度(Peak Ground Acceleration)。其中，经硬件预处理的加速度信号被转换为初达波的地表速度与地表位移，以得到一第一时窗内的一峰值地表位移(Peak Ground Displacement)。嵌入式运算主机更以一第二时窗内的地表速度与地表位移计算地震破裂时间参数(Seismic Fracture Time Parameter),并藉以计算地震的地震规模(Seismic Magnitude)。嵌入式运算主机根据峰值地表位移与地震规模计算一震央距离(Epicentral Distance),并根据地震规模与震央距离,计算地震的剪切波在检测地点的峰值地表加速度。
进一步地，本发明的现地型地震实时分析系统的嵌入式运算主机，根据一地震预判逻辑判定该地震是否为一地震事件。进一步地，本发明的现地型地震实时分析系统的信号预处理模块包含一滤波电路与一偏移值去除电路，该滤波电路对该些加速度信号执行该硬件滤波程序，该偏移值去除电路对该些加速度信号执行该硬件去除偏移值程序。进一步地，本发明的现地型地震实时分析系统的信号预处理模块包含一积分电路，该积分电路对该些加速度信号执行一硬件积分程序，以将该些加速度信号转换为该初达波的该地表速度与该地表位移。进一步地，本发明的现地型地震实时分析系统的嵌入式运算主机执行一积分运算程序，以将该些加速度信号转换为该初达波的该地表速度与该地表位移。进一步地，本发明的现地型地震实时分析系统的嵌入式运算主机包含至少一运算处理器，该运算处理器在本身的一固件中、或在一磁盘操作系统环境中执行至少一算法程序以分析该地震。进一步地，本发明的现地型地震实时分析系统的第一时窗定义为该初达波的周期或1/2周期。进一步地，本发明的现地型地震实时分析系统的第二时窗定义为该初达波的周期。于本发明另一实施例中，提供一种现地型地震实时分析方法，用以实时分析某地震于某检测地点的检测到的初达波，此方法包含对于检测地点撷取的加速度信号进行硬件预处理；转换加速度信号为初达波的地表速度与地表位移；得到第一时窗内的峰值地表位移；以第二时窗内的地表速度与地表位移计算地震破裂时间参数，并藉以计算地震规模；根据峰值地表位移与地震规模计算震央距离；及根据地震规模与震央距离，计算地震的剪切波在检测地点的峰值地表加速度。进一步地，本发明的现地型地震实时分析方法还包含根据一地震预判逻辑判定该地震是否为一地震事件。进一步地，本发明的现地型地震实时分析方法的地震预判逻辑包含一优化长短时窗平均值比值法。进一步地，本发明的现地型地震实时分析方法的硬件预处理包含一硬件滤波程序与一硬件去除偏移值程序。进一步地，本发明的现地型地震实时分析方法的硬件预处理包含一硬件积分程序，以将该些加速度信号转换为该初达波的该地表速度与该地表位移。进一步地，本发明的现地型地震实时分析方法还包含执行一积分运算程序，以将该些加速度信号转换为该初达波的该地表速度与该地表位移。进一步地，本发明的现地型地震实时分析方法还包含将该第一时窗的该加速度信号补足该初达波的一完整周期所需数据量，以修正该初达波的一傅立叶振幅-频率曲线而得到该剪切波的一预估地震主频。
进一步地，本发明的现地型地震实时分析方法还包含将该第一时窗的该加速度信号予以镜像处理，以补足该初达波的完整周期所需数据量。进一步地，本发明的现地型地震实时分析方法还包含以该初达波1/2频率的该傅立叶振幅-频率曲线作为该剪切波的一预估傅立叶振幅-频率曲线，以得到该剪切波的该预估地震主频。进一步地，本发明的现地型地震实时分析方法的第一时窗定义为该初达波的周期或1/2周期。进一步地，本发明的现地型地震实时分析方法的第二时窗定义为该初达波的周期。
于本发明另一实施例中，提供一种计算机可读取的储存媒体，其内储存有多个计算机可执行指令；当这些计算机可执行指令被一现地型地震实时分析系统读取且执行时，执行前述实施例所说明的现地型地震实时分析方法。此现地型地震实时分析系统包括信号预处理模块与嵌入式运算模块。此方法包含对于检测地点撷取的加速度信号进行硬件预处理；转换加速度信号为初达波的地表速度与地表位移；得到第一时窗内的峰值地表位移；以第二时窗内的地表速度与地表位移计算地震破裂时间参数，并藉以计算地震规模；根据峰值地表位移与地震规模计算震央距离；及根据地震规模与震央距离，计算地震的剪切波在检测地点的峰值地表加速度。以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。


图I本发明一实施例中现地型地震实时分析系统的系统架构方框图；图2本发明另一实施例中另一现地型地震实时分析系统的系统架构方框图；图3本发明另一实施例中现地型地震实时分析方法的流程图；图4本发明另一实施例中另一现地型地震实时分析方法的流程图；图5本发明另一实施例中另一现地型地震实时分析方法的流程图；图6A本发明另一实施例中另一现地型地震实时分析方法的流程图；及图6B系图6A实施例中初达波与剪切波的傅立叶振幅-频率曲线图。其中，附图标记现地型地震实时分析系统10嵌入式运算模块100运算处理器110系统记忆体120储存单元130信号接口140总线150信号预处理模块200滤波电路210偏移值去除电路220积分电路230
具体实施例方式基于对地震信号特性及过去分析过程遭遇的障碍，本发明的下列实施例提供现地型地震分析所需的数种最佳化硬件架构与最佳化运作程序，以便以短时间撷取的初达波(P波Primary Wave)数据、准确预测剪切波(S波Shear Wave)于检测地点的峰值地表加速度，达到现地实时预警效果。本发明中软件硬件系统的整合设计、硬件组件的选择、不同算法的搭配至关重要，需经大量实验数据验证方能得到本发明最优化的现地型地震实时分析系统与方法。根据本发明的系统与方法，若撷取测站所检测的初达波前段3秒数据演算出地震相关参数并提出预警，则可将预警范围由距震央70公里外大幅拉近，例如降至为距震央10-50公里外；但实际数据仍受限于实际采用的硬件/软件/固件、地震波传递路径的地层特性以及其它可能变量。请参阅图1，其是本发明一实施例中现地型地震实时分析系统的系统架构方框图。图中现地型地震实时分析系统10包括嵌入式运算主机100与信号预处理模块200 ;其中主要由信号预处理模块200进行原始初达波加速度信号的信号预先处理，而由嵌入式运算主 机100进行多个算法计算程序。由于系统设计的其中一个目标在于缩短地震参数的运算时间以便提前预警，因此硬件的配置上必须有效降低算法运算端的运算负担。视不同的实际硬件组件配置方式，于一实施例中嵌入式运算主机100与信号预处理模块200可通过一特制主机板串联所有必要硬件组件、辅以适当的总线与信号接口(连接器)而实现。于另一实施例中，嵌入式运算主机100与信号预处理模块200可由独立的硬件组件分别实现，再以合适的信号缆线与信号接口串联。于一实施例中，地震初达波的加速度信号来源为设置于某检测地点的地表强震仪(图未示)。检测地点的选择可以为人口稠密处或重要建筑物附近；强震仪例如可选用Kinemetrics 公司的 EpiSensor 震力平衡加速度计(Force Balance Accelerometer)(型号FBA ES-T)，能测量地表上的微小震动、并输出X、Y、Z三个轴向的加速度信号。强震仪撷取输出加速度信号的时间间隔通常可以自行设定，但于一实施例中，合适的撷取或输出频率为每秒200次。于图I中，信号预处理模块200具有滤波电路210及偏移值去除电路220。滤波电路210对检测地点所设强震仪输出的初达波加速度信号执行硬件滤波程序，意即通过滤波电路210滤除初达波加速度信号中不必要的环境噪声，一则降低后端需分析的数据量、一则提高分析准确率。偏移值去除电路220对该初达波加速度信号执行一硬件去除偏移值程序，意即通过偏移值去除电路220将初达波加速度信号进行偏移调整，使初达波加速度信号的基础值回到零；一个例子为先取长时窗(例如9 11秒)的初达波加速度信号的平均值作为信号偏移植修正参数，即能将撷取的加速度信号或数据进行偏移修正。整体而言，信号预处理模块200接收于检测地点撷取的多个初达波加速度信号，并对其进行一硬件预处理(hardware pre-processing),即以硬件电路手段对初达波加速度信号进行信号预先处理。硬件预处理可包括一硬件滤波程序与一硬件去除偏移值程序，或其它硬件电路可执行的信号处理程序。不过，由于在本发明的方法中，初达波加速度信号需要被转换为初达波的地表速度(Ground Velocity)与地表位移(Ground Displacement)数据，且此过程需要对初达波加速度信号或数据执行「积分」处理，因此如欲进一步降低后端嵌入式运算主机100的运算负担，可在一实施例中，令信号预处理模块的硬件预处理包含一硬件积分程序。于此，如第2图所示，另一实施例中的信号预处理模块200可进一步具备一积分电路230，以对初达波加速度信号执行前述硬件积分程序，意即对初达波加速度信号进行硬件积分，而将初达波加速度信号转换为初达波的地表速度与地表位移；后续实施例及图4还有相关说明。 图I中，嵌入式运算主机100具有运算处理器110、系统记忆体120、储存单元130、信号接口 140与总线150。经过信号预处理模块200进行硬件预处理后的初达波加速度信号，将通过信号接口 140与总线150传输至运算处理器110进行运算。本实施例中储存单元130可储存任意地震数据或数据、以及必要的多个算法程序，嵌入式运算主机100的运算处理器110可将必要的算法程序加载至系统记忆体120，以便进行各种地震参数的运算。前述运算处理器110所需执行的多个算法程序，属于本发明现地型地震实时分析方法的其中一部分。于一实施例中，嵌入式运算主机100可由以磁盘操作系统(Disk OperatingSystem ；D0S)为基础的计算机系统实现；所采用的磁盘操作系统可为微软公司的MS-DOS或其它合适的版本。一个实验中采用的例子为以(I)钛思科技公司(TeraSoft Inc.)开发的「Micro-Box x86 Based 实时控制平台」(简称 Micro-Box),搭配(2)MathWorks 公司(TheMathfforks, Inc.)的Simulink工具软件作为算法程序开发工具。其中，钦思科技公司型号Micro-Box 3000 (PCI Interface [即指 PeripheralComponent Interconnect interface,周边组件互连接口])的 Micro-Box 系统具有以下主要的硬件规格处理器Celeron M IGHz ;系统记忆体为256MB DDRDRAM ;储存单元可为64MB Compact Flash card ;标准PCI扩充总线等。换言之,于一实施例中，嵌入式运算主机100的硬件部分可由钛思科技公司型号Micro-Box 3000所实现。前述Simulink工具软件是则是MathWorks公司开发的用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。于一实施例中，嵌入式运算主机100的算法程序乃以Simulink工具软件进行编写，并于钛思科技公司前述Micro-Box系统上的DOS环境中执行，以实现本发明的现地型地震实时分析方法的至少其中一部份。换言之，此实施例的一或多个算法程序须能在DOS环境中执行；意即，此类嵌入式运算主机100的运算处理器110须执行以DOS为基础(DOS-based)的算法程序。于另一实施例中，嵌入式运算主机的运算处理器可具有内建记忆体，通过特定的固件(Firmware)编辑平台，可将本发明所需的各个算法程序编写于该运算处理器的固件中，而能以固件执行方式进行高速运算。换言之，此实施例的一或多个算法程序须能在该运算处理器的固件环境中执行；意即，此类嵌入式运算主机100的运算处理器110须在本身固件中执行所需的算法程序。一例为采用德国dSPACE公司的DS1103 PPC控制器板(Controller Board),本发明的各种算法程序仍可通过Simulink工具软件进行编写,最后转换成机械语言以植入其运算处理器(IGHz)PPC 750GX的固件中，如此即能以固件执行方式进行高速运算。有关嵌入式运算主机100所执行的算法程序、以及整个现地型地震实时分析系统10所执行的现地型地震实时分析方法，请合并参考后续的流程图与相关说明。
请参阅图3，其是本发明另一实施例中现地型地震实时分析方法的流程图。虽然以下是以具有顺序的步骤及流程图，说明现地型地震实时分析方法的各构成部分；但除非特别予以限定，本发明的方法各构成部分的间并无绝对的前后顺序关系。请一并参考图I与图3，本发明一实施例中，现地型地震实时分析方法包括以下部分
步骤S310 :对于一检测地点撷取的一地震的初达波加速度信号进行硬件预处理。本实施例中硬件预处理包括硬件滤波程序与硬件去除偏移值程序，由信号预处理模块200的滤波电路210与偏移值去除电路220，分别对检测地点现地撷取的地震初达波加速度信号进行处理；于一实施例中，初达波加速度信号撷取频率为每秒200次。 前述部分是于现地型地震实时分析系统的信号预处理模块200执行，下列部分则由嵌入式运算主机100的运算处理器110执行。步骤S320 :将经过硬件预处理的初达波加速度信号转换为初达波的地表速度与地表位移。本实施例中需通过嵌入式运算主机100的运算处理器110执行一积分运算程序，以将初达波加速度信号转换为初达波的地表速度与地表位移；若以处理每秒200个初达波加速度信号来计算，初达波的地表速度与地表位移的数据输出量也分别约为每秒200个数值。步骤S330:得到第一时窗内的一峰值地表位移(Peak Ground Displacement ；PGD)。由于以最少时间找出峰值地表位移PGD至关重要，因此第一时窗定义为包含至少一个峰值地表位移所需的时间；而初达波P波的速度为6-7km/s (即初达波周期约6-7秒)，此处所谓第一时窗即可定义约为3-3. 5秒，换言的，第一时窗可定义为该初达波的1/2周期。当然时间越长时数据越完整，第一时窗可定义为该初达波的完整周期，以找到更准确的峰值地表位移P⑶。步骤S340 :以第二时窗内的地表速度与地表位移计算一地震破裂时间参数τ c。在现地型地震实时分析系统具有充足运算能力的前提下，步骤S330与步骤S340并不需区分先后，而可以被平行处理。地震破裂时间参数TC的计算方式为
权利要求
1.一种现地型地震实时分析系统，实时分析一地震于一检测地点的检测到的一初达波，以预测该地震于该检测地点的一剪切波(Shear Wave)，其特征在于，该系统包含 一信号预处理模块，接收于该检测地点撷取该初达波的多个加速度信号，并对其进行一硬件预处理；及 一嵌入式运算主机，接收来自该信号预处理模块的该些加速度信号，以计算该剪切波的一峰值地表加速度； 其中，经该硬件预处理的该些加速度信号被转换为该初达波的多个地表速度与多个地表位移，以得到一第一时窗内的一峰值地表位移；该嵌入式运算主机还以一第二时窗内的该些地表速度与该些地表位移计算一地震破裂时间参数，并藉以计算该地震的一地震规模；该嵌入式运算主机根据该峰值地表位移与该地震规模计算一震央距离，并根据该地震规模与该震央距离，计算该地震的该剪切波在该检测地点的该峰值地表加速度。
2.根据权利要求I所述的现地型地震实时分析系统，其特征在于，该嵌入式运算主机根据一地震预判逻辑判定该地震是否为一地震事件。
3.根据权利要求I所述的现地型地震实时分析系统，其特征在于，该信号预处理模块包含一滤波电路与一偏移值去除电路，该滤波电路对该些加速度信号执行该硬件滤波程序，该偏移值去除电路对该些加速度信号执行该硬件去除偏移值程序。
4.根据权利要求I所述的现地型地震实时分析系统，其特征在于，该信号预处理模块包含一积分电路，该积分电路对该些加速度信号执行一硬件积分程序，以将该些加速度信号转换为该初达波的该地表速度与该地表位移。
5.根据权利要求I所述的现地型地震实时分析系统，其特征在于，该嵌入式运算主机执行一积分运算程序，以将该些加速度信号转换为该初达波的该地表速度与该地表位移。
6.根据权利要求I所述的现地型地震实时分析系统，其特征在于，该嵌入式运算主机包含至少一运算处理器，该运算处理器在本身的一固件中、或在一磁盘操作系统环境中执行至少一算法程序以分析该地震。
7.根据权利要求I所述的现地型地震实时分析系统，其特征在于，该第一时窗定义为该初达波的周期或1/2周期。
8.根据权利要求I所述的现地型地震实时分析系统，其特征在于，该第二时窗定义为该初达波的周期。
9.一种现地型地震实时分析方法，实时分析一地震于一检测地点的检测到的一初达波，其特征在于，该方法包含 对于该检测地点撷取的多个加速度信号进行一硬件预处理； 转换该些加速度信号为该初达波的多个地表速度与多个地表位移； 得到一第一时窗内的一峰值地表位移； 以一第二时窗内的该些地表速度与该些地表位移计算一地震破裂时间参数，并藉以计算该地震的一地震规模； 根据该峰值地表位移与该地震规模计算一震央距离；及 根据该地震规模与该震央距离，计算该地震的一剪切波在该检测地点的一峰值地表加速度。
10.根据权利要求9所述的现地型地震实时分析方法，其特征在于，还包含根据一地震预判逻辑判定该地震是否为一地震事件。
11.根据权利要求10所述的现地型地震实时分析方法，其特征在于，该地震预判逻辑包含一优化长短时窗平均值比值法。
12.根据权利要求9所述的现地型地震实时分析方法，其特征在于，该硬件预处理包含一硬件滤波程序与一硬件去除偏移值程序。
13.根据权利要求9所述的现地型地震实时分析方法，其特征在于，该硬件预处理包含一硬件积分程序，以将该些加速度信号转换为该初达波的该地表速度与该地表位移。
14.根据权利要求9所述的现地型地震实时分析方法，其特征在于，还包含执行一积分运算程序，以将该些加速度信号转换为该初达波的该地表速度与该地表位移。
15.根据权利要求9所述的现地型地震实时分析方法，其特征在于，还包含将该第一时窗的该加速度信号补足该初达波的一完整周期所需数据量，以修正该初达波的一傅立叶振 幅-频率曲线而得到该剪切波的一预估地震主频。
16.根据权利要求15所述的现地型地震实时分析方法，其特征在于，还包含将该第一时窗的该加速度信号予以镜像处理，以补足该初达波的完整周期所需数据量。
17.根据权利要求15所述的现地型地震实时分析方法，其特征在于，还包含以该初达波1/2频率的该傅立叶振幅-频率曲线作为该剪切波的一预估傅立叶振幅-频率曲线，以得到该剪切波的该预估地震主频。
18.根据权利要求9所述的现地型地震实时分析方法，其特征在于，该第一时窗定义为该初达波的周期或1/2周期。
19.根据权利要求9所述的现地型地震实时分析方法，其特征在于，该第二时窗定义为该初达波的周期。
20.一种计算机可读取的储存媒体，储存有多个计算机可执行指令，当该些计算机可执行指令被一现地型地震实时分析系统读取且执行时，执行一现地型地震实时分析方法，以实时分析一地震于一检测地点的检测到的一初达波； 其中，该现地型地震实时分析系统包括一信号预处理模块与一嵌入式运算模块； 其中，该方法包含对于该检测地点撷取的多个加速度信号进行一硬件预处理，转换该些加速度信号为该初达波的多个地表速度与多个地表位移，得到一第一时窗内的一峰值地表位移，以一第二时窗内的该些地表速度与该些地表位移计算一地震破裂时间参数，并藉以计算该地震的一地震规模，根据该峰值地表位移与该地震规模计算一震央距离，以及根据该地震规模与该震央距离，计算该地震的一剪切波在该检测地点的一峰值地表加速度。
全文摘要
一种现地型地震实时分析系统与方法及其储存媒体，对在某检测地点撷取一地震之初达波加速度信号进行实时分析。此系统包含一嵌入式运算主机与一信号预处理模块，其信号预处理模块对其初达波加速度信号进行硬件预处理，嵌入式运算主机可根据一地震事件预判逻辑判定此地震是否为一地震事件。其初达波加速度被转换为初达波的地表速度与地表位移，以得到一峰值地表位移，再由嵌入式运算主机以初达波的地表速度与地表位移计算一地震破裂时间参数，并藉以计算此地震事件的一地震规模；嵌入式运算主机根据其峰值地表位移与地震规模计算一震央距离，并进而根据地震规模与震央距离，计算此地震的剪切波在此检测地点的峰值地表加速度。
文档编号G01V1/30GK102955169SQ20111029964
公开日2013年3月6日 申请日期2011年9月22日 优先权日2011年8月19日
发明者张道明, 林沛旸, 黄谢恭, 江宏伟, 沈哲平 申请人:林沛旸