電梯地震預(yù)警與管制運(yùn)行系統(tǒng)分析研究*

羅志群，代清友，黃紹倫

（廣東省特種設(shè)備檢測(cè)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(diǎn)是突發(fā)性和毀滅性。當(dāng)前，在地震的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)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(gè)更現(xiàn)實(shí)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(guó)近十年的經(jīng)濟(jì)攀升，已成為一個(gè)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(lái)，在中國(guó)特種設(shè)備檢驗(yàn)協(xié)會(huì)牽頭下，開(kāi)展國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局科技計(jì)劃項(xiàng)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(shí)仍未管制運(yùn)行的電梯往往會(huì)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(guó)家不得不重視的地震次生災(zāi)害源。汶川大地震后對(duì)六個(gè)重災(zāi)區(qū)特種設(shè)備進(jìn)行排查，4.9萬(wàn)臺(tái)電梯中就有20 918臺(tái)受損，而高達(dá)一千臺(tái)電梯報(bào)廢或重大維修。

作為一個(gè)城市現(xiàn)代化程度重要標(biāo)志的電梯，已經(jīng)在中國(guó)近十年來(lái)得到飛速的普及。截至2012年底，中國(guó)在用電梯超過(guò)200 萬(wàn)臺(tái)，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(yùn)行的先決條件。日本是一個(gè)地震多發(fā)的國(guó)家，日本電梯安全中心對(duì)電梯抗震研究前后用了10多年時(shí)間，在1980年完成了日本《電梯抗震設(shè)計(jì)及施工指南》[1]，但僅從工程設(shè)計(jì)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?xì)庠O(shè)施等均出臺(tái)了相關(guān)的抗震法規(guī)/標(biāo)準(zhǔn)，而我國(guó)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(yùn)行電梯受損案例（對(duì)重塊脫離對(duì)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(yuǎn)的社會(huì)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(yùn)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(duì)于逐漸城市化的中國(guó)來(lái)說(shuō)也具有極大的社會(huì)意義，其作用如下。

（1）發(fā)布本梯預(yù)警，命令電梯進(jìn)入管制運(yùn)行。電梯預(yù)警裝置當(dāng)檢測(cè)到地震來(lái)臨時(shí)，向電梯控制柜發(fā)出管制運(yùn)行指示，使電梯就近平層釋放乘客，大大有利于在地震過(guò)程中額速運(yùn)行造成人員傷亡的危害。

（2）實(shí)現(xiàn)異地預(yù)警。通過(guò)城市的地震預(yù)警數(shù)據(jù)分析中心收集到的震時(shí)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(jìn)入警戒或管制運(yùn)行。

（3）震后本梯健康狀況評(píng)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(píng)估提供決策參數(shù)。

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

（5）地震數(shù)據(jù)記錄樣本研究。對(duì)各個(gè)片區(qū)收集到的地震信息樣本對(duì)震后的地震學(xué)研究尤為珍貴，可為科研機(jī)構(gòu)進(jìn)一步了解我國(guó)地震成因和預(yù)防提供樣本基礎(chǔ)。

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

我國(guó)尚未建立起有效的電梯地震預(yù)警與運(yùn)行管制系統(tǒng)，但是在國(guó)內(nèi)外部分同樣涉及公共安全的行業(yè)已經(jīng)運(yùn)用先進(jìn)的地震預(yù)警技術(shù)來(lái)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(guó)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(jí)地震波到達(dá)72 s 前發(fā)出地震警報(bào)，有高達(dá)440 萬(wàn)人口收到警報(bào)信號(hào)，極大地避免大量人員傷亡，有力地驗(yàn)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(cè)與震害快速評(píng)估系統(tǒng)SIGNAL（Seismic Information Gathering and Network Alert）[2]，由331臺(tái)譜烈度計(jì)、20臺(tái)液化傳感器和5臺(tái)地面與井下加速度計(jì)構(gòu)成。在1995年阪神大地震后，又迅速興建了超密集實(shí)時(shí)地震監(jiān)測(cè)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(xiàn)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(dòng)參數(shù)閾值觸發(fā)的警報(bào)方式[3]。

其他國(guó)家如美國(guó)的TriNet 多功能測(cè)震臺(tái)網(wǎng)、瑞士Beznau 核電站測(cè)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(cè)系統(tǒng)、土耳其伊斯坦布爾的IERREWS 等都頗見(jiàn)成效。

2.2 國(guó)內(nèi)地震預(yù)警技術(shù)的發(fā)展

國(guó)內(nèi)用于核電站地震預(yù)警的代表之一就是我國(guó)大亞灣核電站1994 年建立的地震儀表系統(tǒng)，其是利用動(dòng)參數(shù)閾值法與專(zhuān)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(guān)測(cè)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(guó)學(xué)者劉林、閻貴平對(duì)鐵路地震預(yù)警提出了適用于P 波檢測(cè)的M- R 判別標(biāo)準(zhǔn)。而楊馬陵等專(zhuān)家參照地質(zhì)災(zāi)害等級(jí)和廣東臺(tái)風(fēng)預(yù)警等級(jí)，提出了地震預(yù)警等級(jí)預(yù)報(bào)方案[2]。目前，我國(guó)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(jí)地震中實(shí)現(xiàn)成都市主城區(qū)地震預(yù)警28秒，刷新了我國(guó)地震預(yù)警時(shí)長(zhǎng)。

3 電梯地震預(yù)警與管制運(yùn)行系統(tǒng)的基本思想

電梯地震預(yù)警與管制運(yùn)行系統(tǒng)的基本目的有兩個(gè)：一是減少本梯在震時(shí)運(yùn)行，造成生命危險(xiǎn)和財(cái)產(chǎn)損失；二是實(shí)時(shí)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(yùn)行，讓人群及時(shí)疏散，提高公眾安全[5]。為配合管制運(yùn)行機(jī)制，該系統(tǒng)由三個(gè)層次構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)層次

3.1 單臺(tái)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(shí)現(xiàn)的物理基礎(chǔ)，其主要任務(wù)是檢測(cè)地震動(dòng)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(gè)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(dòng)檢測(cè)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(jī)房）的電梯地震預(yù)警裝置作為地震動(dòng)加速度檢測(cè)。配置EEPROM 存儲(chǔ)震動(dòng)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(kāi)來(lái)，因此可以采用動(dòng)參數(shù)閾值報(bào)警法，包括二級(jí)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(yùn)行狀態(tài)。

（2）GPS定位系統(tǒng)

用于對(duì)地震預(yù)警裝置向片區(qū)預(yù)警與管制運(yùn)行控制中心上傳數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)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(shí)利用GPS 的高精度時(shí)鐘，使所有同城的上傳數(shù)據(jù)信息能夠時(shí)標(biāo)同步。

（3）信號(hào)接口與通訊系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)本梯預(yù)警與管制運(yùn)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(hào)接口，將指令傳送至控制柜，使其按需切換/切出管制運(yùn)行模式。每個(gè)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(yùn)行中心。這套通訊系統(tǒng)可以通過(guò)電話(huà)線(xiàn)路、光纜、短波、衛(wèi)星或?qū)Ｓ猛ㄓ嵕€(xiàn)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(tái)電梯的地震預(yù)警裝置

單臺(tái)電梯的地震預(yù)警裝置是實(shí)現(xiàn)地震中電梯管制運(yùn)行的前提條件，必須要有效監(jiān)測(cè)本地電梯的地震動(dòng)加速度，當(dāng)?shù)卣饋?lái)臨時(shí)能即刻切換至管制運(yùn)行模式，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全，防止因地震中未停止運(yùn)行導(dǎo)致電梯事故。

（2）片區(qū)預(yù)警與管制運(yùn)行控制中心

獨(dú)立的電梯地震預(yù)警裝置只是針對(duì)本梯的震時(shí)管制運(yùn)行，而本系統(tǒng)更深遠(yuǎn)的意義在于，能夠?qū)⒎植际降谋姸嗟卣鸨O(jiān)測(cè)信息實(shí)時(shí)上傳至片區(qū)預(yù)警與管制運(yùn)行控制中心（簡(jiǎn)稱(chēng)片區(qū)控制中心）。當(dāng)沒(méi)有地震時(shí)，片區(qū)控制中心定時(shí)分散性抽取片區(qū)內(nèi)地震預(yù)警裝置的信息，并進(jìn)行緩存；當(dāng)?shù)卣餚波到達(dá)時(shí)，抽取到超越震動(dòng)閾值的信息會(huì)規(guī)模性增多，則改為全局讀取地震信息和震動(dòng)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(jí)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(jìn)入管制運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)上報(bào)結(jié)果、信息和震動(dòng)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(gè)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(jiǎn)稱(chēng)數(shù)據(jù)分析中心）將上報(bào)的數(shù)據(jù)綜合推斷，進(jìn)一步調(diào)度鄰近片區(qū)的地震動(dòng)信息，快速評(píng)估地震的可能性。如有需要，及時(shí)在S 波未達(dá)到前，通知可能受影響的片區(qū)強(qiáng)制執(zhí)行管制運(yùn)行。在震后，根據(jù)實(shí)時(shí)的全局地震動(dòng)參數(shù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行全局電梯震害的快速評(píng)估。

3.3 地震中電梯管制運(yùn)行機(jī)制

（1）本地管制運(yùn)行機(jī)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(shí)將轎廂內(nèi)乘客疏散至梯外逃生，因此當(dāng)檢測(cè)到超越一級(jí)震動(dòng)閾值時(shí)電梯切換至低速運(yùn)行模式直至震動(dòng)強(qiáng)度降低；當(dāng)超越二級(jí)震動(dòng)閾值時(shí)，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(kāi)梯門(mén)釋放乘客逃離。

（2）遠(yuǎn)程管制運(yùn)行機(jī)制。當(dāng)片區(qū)控制中心發(fā)出強(qiáng)制管制運(yùn)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(kāi)梯門(mén)；在地震過(guò)后，由數(shù)據(jù)分析中心對(duì)震后電梯災(zāi)害進(jìn)行快速評(píng)估，對(duì)不存在受損風(fēng)險(xiǎn)的電梯指示其退出管制運(yùn)行機(jī)制；對(duì)存在健康隱患的電梯，及時(shí)通知電梯監(jiān)管部門(mén)，組織檢測(cè)機(jī)構(gòu)、維保單位、制造廠(chǎng)商進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)排查。

4 結(jié)束語(yǔ)

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(guó)是地震頻發(fā)的國(guó)家，在用電梯超過(guò)200 萬(wàn)臺(tái)就有七成電梯均處于地震帶上。本文在分析地震中無(wú)管制運(yùn)行電梯對(duì)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(shí)現(xiàn)地震預(yù)警的社會(huì)現(xiàn)實(shí)意義，提出電梯地震預(yù)警與管制運(yùn)行系統(tǒng)的初步構(gòu)想，并對(duì)系統(tǒng)構(gòu)建層次和地震中電梯管制運(yùn)行機(jī)制進(jìn)行了設(shè)計(jì)。對(duì)我國(guó)在廣東先試先行逐步開(kāi)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)。

［1］日本電梯安全中心編（徐佩香，張香榮譯）.電梯抗震設(shè)計(jì)與施工指南［Z］.中國(guó)建筑科學(xué)研究院建筑機(jī)械化研究所，1989.

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