罗志群，代清友，黄绍伦

（广东省特种设备检测研究院，广东广州 501655）

0 引言

地震灾害是最为严重的自然灾害之一，其最大的特点是突发性和毁灭性。当前，在地震的预测预报技术尚不成熟的前提下，设法减轻地震灾害则是一个更现实意义的课题。电梯作为涉及公共生命安全的特种设备，其普及伴随着中国近十年的经济攀升，已成为一个城市现代化程度的标志之一。

笔者所在单位科研课题组自汶川大地震以来，在中国特种设备检验协会牵头下，开展国家质量监督检验检疫总局科技计划项目“四川5.12地震中电梯技术状况与电梯抗震技术分析研究”，总结发现当地震发生时仍未管制运行的电梯往往会造成导轨变形、部件损坏，或对重脱轨/轿厢脱轨，轻者乘客受惊，重者电梯毁坏轿厢坠落人员伤亡，成为国家不得不重视的地震次生灾害源。汶川大地震后对六个重灾区特种设备进行排查，4.9万台电梯中就有20 918台受损，而高达一千台电梯报废或重大维修。

作为一个城市现代化程度重要标志的电梯，已经在中国近十年来得到飞速的普及。截至2012年底，中国在用电梯超过200 万台，却约有70%的电梯安装在地震带上。在主城区中分布广泛、量大面广的电梯，尤其是中高层建筑的电梯，具备加装地震预警装置并组建城市/片区地震预警与管制运行的先决条件。日本是一个地震多发的国家，日本电梯安全中心对电梯抗震研究前后用了10多年时间，在1980年完成了日本《电梯抗震设计及施工指南》[1]，但仅从工程设计方面作了规定和介绍，并未提升到电梯的地震预警技术的高度。如今，建筑交通电力燃气设施等均出台了相关的抗震法规/标准，而我国电梯抗震预警方面尚未形成成熟的体系。在地震预警技术上，有很多方面需要借鉴。

图1 地震中运行电梯受损案例（对重块脱离对重架并坠落）

1 电梯的地震预警作用

地震预警是具有很深远的社会效益的，它不仅可以减轻人员伤亡和降低次生地震灾害的发生，减低地震情况下受损电梯的数量和损坏程度，而且也为震后紧急救援和抢修提供了第一手的信息，减少震损电梯的修复成本，以最快的速度恢复电梯正常运行，尽快恢复人民正常生活。而在用电梯加装地震预警装置对于逐渐城市化的中国来说也具有极大的社会意义，其作用如下。

（1）发布本梯预警，命令电梯进入管制运行。电梯预警装置当检测到地震来临时，向电梯控制柜发出管制运行指示，使电梯就近平层释放乘客，大大有利于在地震过程中额速运行造成人员伤亡的危害。

（2）实现异地预警。通过城市的地震预警数据分析中心收集到的震时信息，向下辖的异地片区发出地震消息，提前让其他片区下的电梯进入警戒或管制运行。

（3）震后本梯健康状况评估。根据本梯的加装地震预警装置所得的地震数据，为震后电梯的健康状况初步评估提供决策参数。

（4）震后地区灾害评估。利用搜集片区下所得的地震数据，有利于对灾区的受震程度给出初步分析，为救援地点预测提供科学依据。

（5）地震数据记录样本研究。对各个片区收集到的地震信息样本对震后的地震学研究尤为珍贵，可为科研机构进一步了解我国地震成因和预防提供样本基础。

2 国内外地震预警技术的发展现状

我国尚未建立起有效的电梯地震预警与运行管制系统，但是在国内外部分同样涉及公共安全的行业已经运用先进的地震预警技术来减少地震危害，如铁路和天然气管道等，有许多值得借鉴的地方。

2.1 国外地震预警技术的发展

城市地震预警方面最成功的例子之一是用于的墨西哥城1991年建成的地震预警系统SAS（Seismic Alarm System）[2]。其在1995 年Guerraro 发生的7.3 级地震波到达72 s 前发出地震警报，有高达440 万人口收到警报信号，极大地避免大量人员伤亡，有力地验证了异地预警的可行性。

管道煤气领域的代表之一是日本东京煤气公司1994 年建成的地震监测与震害快速评估系统SIGNAL（Seismic Information Gathering and Network Alert）[2]，由331台谱烈度计、20台液化传感器和5台地面与井下加速度计构成。在1995年阪神大地震后，又迅速兴建了超密集实时地震监测系统SUPREME（Super-dense Realtime Monitoring of Earthquake）。

最为突出的是应用于轨道交通的新一代铁路地震预警系统Compact UrEDAS，它是日本新干线历经近50年技术革新。一种利用地震波速度与加速度的内积判断地震是否具有破坏性，基于地震P波动参数阈值触发的警报方式[3]。

其他国家如美国的TriNet 多功能测震台网、瑞士Beznau 核电站测震仪器网络、希腊Preveza-Aktio 水下浸入式隧道地震和接缝位移检测系统、土耳其伊斯坦布尔的IERREWS 等都颇见成效。

2.2 国内地震预警技术的发展

国内用于核电站地震预警的代表之一就是我国大亚湾核电站1994 年建立的地震仪表系统，其是利用动参数阈值法与专家系统结合决策的技术[4]；又如辽宁省地震局利用数字化观测技术、GIS 技术等高新技术，为中石油建立大型石化企业地震预警系统；中国学者刘林、阎贵平对铁路地震预警提出了适用于P 波检测的M- R 判别标准。而杨马陵等专家参照地质灾害等级和广东台风预警等级，提出了地震预警等级预报方案[2]。目前，我国王敦博士在成都建立的地震预警系统，在四川雅安7.0级地震中实现成都市主城区地震预警28秒，刷新了我国地震预警时长。

3 电梯地震预警与管制运行系统的基本思想

电梯地震预警与管制运行系统的基本目的有两个：一是减少本梯在震时运行，造成生命危险和财产损失；二是实时采集在城市内分布的地震信息，为地震预警算法提供数据，在震前命令电梯管制运行，让人群及时疏散，提高公众安全[5]。为配合管制运行机制，该系统由三个层次构成，如图2所示。

图2 系统层次

3.1 单台电梯的地震预警装置

中高层电梯，尤其是关键建筑物电梯加装地震预警装置是本系统实现的物理基础，其主要任务是检测地震动加速度，向控制柜发出指令和上传地震参数信息。该装置主要由下述3个部分组成。

（1）三维加速度MEMS传感器

随着微型传感器的崛起，已有研究用于地震动检测的MEMS 技术[6]。低g 宽频带的MEMS 加速度传感器非常适合安装在建筑物内（地坑、井道或机房）的电梯地震预警装置作为地震动加速度检测。配置EEPROM 存储震动数据。由于本地预警的情况下，P波和S波很难区分开来，因此可以采用动参数阈值报警法，包括二级加速度阈值法和破坏烈度DI法，综合判断本梯是否需要切换至管制运行状态。

（2）GPS定位系统

用于对地震预警装置向片区预警与管制运行控制中心上传数据时，对数据源的地理位置作为定位参考，形成城市地震信息的电子立体地图；同时利用GPS 的高精度时钟，使所有同城的上传数据信息能够时标同步。

（3）信号接口与通讯系统

实现本梯预警与管制运行是本系统的首要任务。因此，该装置需要与电梯控制柜相连的信号接口，将指令传送至控制柜，使其按需切换/切出管制运行模式。每个楼宇内电梯地震预警装置可以将本梯地震信息/数据上传至片区预警与管制运行中心。这套通讯系统可以通过电话线路、光缆、短波、卫星或专用通讯线路传输数据和接收指令[8-9]。

3.2 城市/区域的地震预警中心

（1）单台电梯的地震预警装置

单台电梯的地震预警装置是实现地震中电梯管制运行的前提条件，必须要有效监测本地电梯的地震动加速度，当地震来临时能即刻切换至管制运行模式，保障人民生命财产安全，防止因地震中未停止运行导致电梯事故。

（2）片区预警与管制运行控制中心

独立的电梯地震预警装置只是针对本梯的震时管制运行，而本系统更深远的意义在于，能够将分布式的众多地震监测信息实时上传至片区预警与管制运行控制中心（简称片区控制中心）。当没有地震时，片区控制中心定时分散性抽取片区内地震预警装置的信息，并进行缓存；当地震P波到达时，抽取到超越震动阈值的信息会规模性增多，则改为全局读取地震信息和震动数据。根据片区内大数据样本确定地震参数，如三要素震中（方位、距离）、震级和震源深度等。如确认是破坏性有感地震则通知片区内所有电梯地震预警装置进入管制运行状态，同时上报结果、信息和震动数据至城市预警数据分析中心。片区控制中心的辖区半径至少要大于一个预警盲区的距离。

（3）城市的地震预警数据分析中心

城市的地震预警数据分析中心（简称数据分析中心）将上报的数据综合推断，进一步调度邻近片区的地震动信息，快速评估地震的可能性。如有需要，及时在S 波未达到前，通知可能受影响的片区强制执行管制运行。在震后，根据实时的全局地震动参数和历史数据进行全局电梯震害的快速评估。

3.3 地震中电梯管制运行机制

（1）本地管制运行机制。地震预警装置的首要功能是使电梯能在地震发生前及时将轿厢内乘客疏散至梯外逃生，因此当检测到超越一级震动阈值时电梯切换至低速运行模式直至震动强度降低；当超越二级震动阈值时，则向电梯控制柜发出指令让其紧急就近平层，并持续敞开梯门释放乘客逃离。

（2）远程管制运行机制。当片区控制中心发出强制管制运行指令，则区内电梯即刻执行就近平层，并持续敞开梯门；在地震过后，由数据分析中心对震后电梯灾害进行快速评估，对不存在受损风险的电梯指示其退出管制运行机制；对存在健康隐患的电梯，及时通知电梯监管部门，组织检测机构、维保单位、制造厂商进行现场排查。

4 结束语

地震灾害的突发性和毁灭性使得当今地震预警技术的地位日益受到重视。我国是地震频发的国家，在用电梯超过200 万台就有七成电梯均处于地震带上。本文在分析地震中无管制运行电梯对公共安全的危害性基础上，结合公共行业的地震预警技术的启示，揭示了利用量大面广的在用电梯实现地震预警的社会现实意义，提出电梯地震预警与管制运行系统的初步构想，并对系统构建层次和地震中电梯管制运行机制进行了设计。对我国在广东先试先行逐步开展提高电梯抗震性能与地震预警技术提供了前瞻性的探究基础。

［1］日本电梯安全中心编（徐佩香，张香荣译）.电梯抗震设计与施工指南［Z］.中国建筑科学研究院建筑机械化研究所，1989.

［2］袁志祥，单修政，徐世芳，等.地震预警技术综述［J］.自然灾害学报，2007，（06）：216-223.

［3］宋晋东，李山有，马强.日本新干线地震监测与预警系统［J］.世界地震工程，2012（04）：1-10.

［4］李山有，金星，马强，等.地震预警系统与智能应急控制系统研究［J］.世界地震工程，2004，20（4）：21-26.

［5］陈金根，朱晓东.如何有效减少地震时电梯对乘客的伤害［J］.中国电梯，2008，19：20-23.

［6］林世荣.地震仪器指标体系研究与MEMS 仪器设计［D］.哈尔滨：中国地震局工程力学研究所，2012.

［7］夏丹丹.基于P 波检测的民用地震预警系统设计［D］.合肥：合肥工业大学，2012.

［8］翟世龙，黄静.数字强震动台网远程光纤通信方案及其应用［J］.地震工程与工程震动，2013，33（2）：37-42.

［9］叶春明，吴华灯，郭德顺.基于网络的强震动台网监控平台的设计与实现［J］.地震工程与工程震动，2011，31（5）：8-12.