阅读说明：本技术 一种防震减灾智慧社区播报系统 () 是由 夏界宁 杨江 陈志高 杨厚丽 范涛 陈智慧 陈玉秀 邓涛 林强 黄�俊 于 2020-05-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种防震减灾智慧社区播报系统,包括地震监测仪器、地震台网监控终端、设备服务终端、数据库服务器、预警服务器和地震发布服务器；地震监测仪器的输出端与设备服务终端的输入端通信连接,设备服务终端的输出端分别与预警服务器的输入端和地震台网监控终端通信连接；地震台网监控终端的输出端也与预警服务器的输入端通信连接；地震台网监控终端、设备服务终端和预警服务器分别与数据库服务器通信连接；预警服务器的输出端与地震发布服务器的输入端通信连接。()

一种防震减灾智慧社区播报系统

技术领域

本发明涉及地震信号监测与预警技术领域，尤其涉及一种防震减灾智慧社区播报系统。

背景技术

地震时严重威胁人类生命财产安全的自然灾害之一，常常造成严重的建筑物破坏与人员伤亡，并引发火灾、水灾、管道泄漏、细菌和放射性物质扩散，以及山体滑坡、海啸、崩塌以及地裂缝等次生灾害。大震发生后在很短的时间内释放出大量的能量，几十秒甚至是几秒之内就造成毁灭性的破坏。随着全球都市化的发展，城市逐渐成为政治、经济、文化、社会活动的中心，并且城市人口密度大、建筑物多，突发性的地震给城市造成了严重的威胁。地震的发生与否不受人类的控制，这是地震和许多其它自然灾害的共同特征。由于地震孕育和发生的过程极度复杂，目前不能获得可靠的短期地震预报。世界各国已经把地震减灾措施的重点放在了提高建筑抗震能力、地震预警和地震应急救援等方面。

随着信息技术的不断进步，智能化社区的概念被提出。智能社区依托完善的建筑设施和优良的智能化系统，利用网络技术和信息技术，为社区居民提供多样的服务。但是，目前能为社区用户提供快速准确、可靠性高的地震预警的系统产品还比较少，不能满足预警的实时需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种能快速对强震进行定性和检测、对地震事件判断比较准确、可靠性较好的防震减灾智慧社区播报系统。

本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种防震减灾智慧社区播报系统，其特征在于：包括地震监测仪器、设备服务终端、数据库服务器、预警服务器和地震发布服务器；

地震监测仪器的输出端与设备服务终端的输入端通信连接，设备服务终端的输出端与预警服务器的输入端通信连接；设备服务终端和预警服务器分别与数据库服务器通信连接；预警服务器的输出端与地震发布服务器的输入端通信连接；

所述地震监测仪器，所述包括若干高精度强震仪和简易烈度计；高精度强震仪和简易烈度计以社区中心为圆心，且均环绕社区中心设置，高精度强震仪与社区中心的距离小于简易烈度计到社区中心的距离；高精度强震仪和简易烈度计从社区建筑物的***采集强震数据，并将强震数据发送至数据库服务器和预警服务器；

所述设备服务终端，接收其所在区域的各地震监测仪器所采集的强震数据并将上述强震数据转发至数据库服务器和预警服务器；

所述数据库服务器，为接收到的强震数据设定索引，更新当前强震数据索引，并管理系统用户读写和查询权限；

所述预警服务器，汇总各设备服务终端收到的强震数据，采用快速预警算法判断当前强震数据是否为地震，如判断为地震则预警服务器向地震发布服务器发出地震预警指令；

地震发布服务器接收到地震预警指令后，立即生产地震预警的播报信息并向所有系统用户发布。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述高精度强震仪和简易烈度计以在社区中心为端点的直线方向或者圆弧方向排列，各相邻地震监测仪器的间距为5—8Km。

进一步优选的，所述预警服务器的快速预警算法是由社区***布设的简易烈度计和高精度强震仪依次由远及近监测到地震后，估算烈度和地震波到达社区的时间，并通过高精度强震仪的监测数据计算震级、震中距、震源深度和方位角信息，将计算出的强震的烈度、预计到达时间、震级、震中位置等信息发送至预警服务器中。

更进一步优选的，所述通过高精度强震仪的监测数据计算震级、震中距、震源深度和方位角信息，其计算震中位置是采用两个以上高精度强震仪，令两个高精度强震仪i和j，假设高精度强震仪i的坐标为(x_i,y_i)，地震波到达该高精度强震仪的时间为T_i；另一台高精度强震仪j的坐标为(x_j,y_j)，地震波到达该高精度强震仪的时间为T_j；震中位置为(x₀,y₀)，震源深度为z₀，假设地震波速度c恒定，有

地震波速度c可以是地震P波的速度，也可以是地震S波的速度；地震发生后，T_i、T_j和高精度强震仪的位置均可测量获得，令震源深度为z₀为0；震中位置(x₀,y₀)为双曲线，且震中位置在先到达的高精度强震仪一侧的曲线上；如采用三台及以上高精度强震仪协作测量，每台高精度强震仪均可对应获得一条双曲线，且各双曲线交于一点，即为震中位置；

求取震源深度为z₀时，假定地震P波和地震S波分别到达高精度强震仪的时间为T_P和T_S，发震时刻为T₀，地震P波和地震S波的传播速度为V_P和V_S，震中距为Δ，则有：

对于任意两个高精度强震仪i和j，假定地震P波先到达高精度强震仪i，对地震P波到达时差T_Pj-T_Pi求震源深度的导数，有：

其中R_i和R_j是震源到高精度强震仪i和j的距离；对于高精度强震仪i，对地震S波到时圆是对地震S波与地震P波到达时差T_Si-T_Pi对震源深度求导数，并进一步求解震源深度z₀：

通过上述地震P波和地震S波的传播速度之差V_P-V_S和震源深度z₀，通过公式2求解震中距Δ；高精度强震仪的位置是已知的，震中位置为(x₀,y₀)通过公式1求解；通过震中距Δ或者震中位置，通过三角函数换算地震波到达社区中心的方位角，并通过地震S波的传播速度计算预计到达时间；

地震的震级采用如下方式来计算：

M_W＝[logy-a-clog(R+R₀)]/b±SE/b； (公式5)

其中，M_W是矩震级，R是震源距，令R<200km，R₀＝30km，a、b、c为回归系数，SE为回归标准差，y是地震动的物理量，y为加速度峰值、速度峰值或者位移峰值中的一种；求出矩震级M_W后，代入如下经验公式求得震中烈度：

震中烈度＝0.24+1.29×[(M_W+1.08)/1.13]； (公式6)。

更进一步优选的，还包括地震台网监控终端；地震台网监控终端与设备服务终端的输出端通信连接；地震台网监控终端的输出端与预警服务器的输入端通信连接；地震台网监控终端还与数据库服务器通信连接；所述地震台网监控终端响应设备服务终端的地震速报信息查询请求，从当地地震台网主动查询获得地震速报信息；或者在被动接收当地地震台网发送的地震速报信息后，将上述地震速报信息发送至数据库服务器和预警服务器。

再进一步优选的，所述系统用户包括社区预警终端和移动预警终端上的移动预警APP，社区预警终端和移动预警APP均通过运用商网络与地震发布服务器通信连接。

更进一步的优选的，所述高精度强震仪和简易烈度计未检测到强震信号或者高精度强震仪测量的震中烈度在V级以下时，以及仅有地震台网监控终端接收到当地地震台网发送的地震速报信息时，地震发布服务器不向系统用户发出地震预警的播报信息和警示音；所述高精度强震仪测量的震中烈度在V级以上时，地震发布服务器向系统用户发出地震预警的播报信息，并根据地震S波到达社区的时间进行分阶段报警提示音；其中地震预警的播报信息包括震级、震中距、地震S波到达时间、震源深度、发震时刻和震源经纬度信息。

进一步优选的，还包括WEB服务器和管理终端，管理终端通过HTTP协议与WEB服务器通信连接，WEB服务器与数据库服务器通信连接；管理终端通过WEB服务器访问数据库服务器和查看索引。

更进一步优选的，还包括若干存储服务器，存储服务器分布式设置在社区***；设备服务终端定期将地震监测仪器的输出信号发送至存储服务器中按时间顺序进行异地同时储存。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述预警服务器与地震发布服务器之间、地震发布服务器与系统用户之间均采用基于MQTT的标准推送协议进行通信。

本发明提供的一种防震减灾智慧社区播报系统，相对于现有技术，具有以下有益效果：

(1)本发明通过在社区周边合理布置设备服务终端和地震测量仪器，通过地震台网监控终端、数据库服务器和预警服务器，获取地震强震数据或者地震速报信息，根据震级的危害程度向社区的系统用户发送对应的地震预警的播报信息和提示音，由于本发明地震测量仪器布置范围大，因此能对强震到达社区前进行快速定型和进一步的精确测量，可靠性较好；

(2)在社区***合理的布置地震监测仪器，由精度较低的简易烈度计进行强震定性监测，随后由高精度强震仪进行定量分析，计算震中距和地震到达时间，为后续预计警报提供参数；

(3)地震台网监控终端可主动从地震台网进一步获取地震速报信息，对地震监测仪器的结果进行补充和验证，进一步提高和补充地震预警的播报信息的准确性；

(4)高精度强震仪可以单***立工作，也可以多台同时工作；

(5)多地同时存储地震监测仪器的数据可以保证数据存储的安全；

(6)采用具有分阶段的报警提示音的地震预警的播报信息，可提示系统用户关注地震的到达时间，及时采取避险措施。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种防震减灾智慧社区播报系统的系统结构图；

图2为本发明一种防震减灾智慧社区播报系统的地震监测仪器在社区***的布置示意图；

图3为本发明一种防震减灾智慧社区播报系统的系统用户的界面图；

图4为本发明一种防震减灾智慧社区播报系统的系统用户的界面的工作状态图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供了本发明提供了一种防震减灾智慧社区播报系统，包括地震监测仪器、地震台网监控终端、设备服务终端、数据库服务器、预警服务器、地震发布服务器、WEB服务器、管理终端和若干存储服务器。

地震监测仪器的输出端与设备服务终端的输入端通信连接，设备服务终端的输出端分别与预警服务器的输入端和地震台网监控终端通信连接；地震台网监控终端的输出端也与预警服务器的输入端通信连接；地震台网监控终端、设备服务终端和预警服务器分别与数据库服务器通信连接；预警服务器的输出端与地震发布服务器的输入端通信连接；

其中地震监测仪器，从社区建筑物采集强震数据，并将强震数据发送至数据库服务器和预警服务器；

设备服务终端，一方面接收其所在区域的各地震监测仪器所采集的强震数据并将上述强震数据或者地震速报信息转发至数据库服务器和预警服务器；另一方面向地震台网监控终端发送地震速报信息查询请求；

地震台网监控终端，响应设备服务终端的地震速报信息查询请求，从当地地震台网主动查询获得地震速报信息；或者在被动接收当地地震台网发送的地震速报信息后，将上述地震速报信息发送至数据库服务器和预警服务器；

数据库服务器，为接收到的强震数据或者地震速报信息设定索引，更新当前强震数据或者地震速报信息索引，并管理系统用户读写和查询权限；

预警服务器，汇总各设备服务终端收到的强震数据和地震速报信息，采用快速预警算法判断当前强震数据是否为地震，如判断为地震则预警服务器向地震发布服务器发出地震预警指令；

地震发布服务器接收到地震预警指令后，立即生产地震预警的播报信息并向所有系统用户发布。

本发明通过在社区***布设地震监测仪器对传播速度较快的地震P波进行检测，再结合电磁波传输速度快于地震S波的特点，进行地震到达社区前的地震预警的播报。

本发明中，地震监测仪器包括若干高精度强震仪和简易烈度计，以社区中心为圆心，高精度强震仪和简易烈度计环绕社区中心设置，且高精度强震仪与社区中心的距离小于简易烈度计到社区中心的距离。

具体的，如图2所示，高精度强震仪和简易烈度计以在社区中心为端点的直线方向或者圆弧方向排列，地震监测仪器的间距为5—8Km，大约是地震P波1—2秒的传输时间，***的简易烈度计在接收到地震P波后依次触发，能大致给出地震震中的方位。地震P波快接近社区时，由高精度强震仪进行定量的进一步分析计算，反算震中距和方位角。图示展示了高精度强震仪和简易烈度计在社区***以一种星型分布的结构。当然，高精度强震仪和简易烈度计可以呈弧线形分布，各弧线的端点相交于社区中心。各个高精度强震仪和简易烈度计的地理位置是固定的，可通过GPS定位系统进行确定，因此***简易烈度计的时间上的触发顺序，可以反映地震P波的传播的大致方向。

具体的，预警服务器的快速预警算法是由社区***布设的简易烈度计和高精度强震仪依次由远及近监测到地震后，估算烈度和地震波到达社区的时间，并通过高精度强震仪的监测数据计算震级、震中距、震源深度和方位角信息，将计算出的强震的烈度、预计到达时间、震级、震中位置等信息发送至预警服务器中。预警服务器的快速预警算法是由社区***的简易烈度计依次由远及近监测到震动后，启动与简易烈度计线性方向设置的高精度强震仪，由高精度强震仪内计算强震的烈度、震中距、震源深度和方位角并计算地震S波到达社区时间，将计算出的强震的烈度、震中距、震源深度和地震S波到达社区时间发送至预警服务器中。由于地震P波传播速度比地震S波传播速度快，地震P波会依次经过***的简易烈度计和社区近处的高精度强震仪，线性分布的高精度强震仪和简易烈度计在时间上有先后的激活和测量顺序，而且由简易烈度计确认有强震，由高精度强震仪精确的对强震的烈度、震中距、震源深度和方位角并计算地震S波到达社区时间进行计算。简易烈度计精度低、成本低，可测量震级，并可在社区***多布置一些，高精度强震仪精度高，布设在靠近社区的***。可以根据需要启动按直线或者弧线分布的一条支路上的简易烈度计和高精度强震仪或者多条直线或者弧线分布的各支路上的更多的简易烈度计和高精度强震仪，提高震级等地震信息的预测效果。单台高精度强震仪对震中定位计算较快，多台高精度强震仪协作定位精度较高。

本发明的系统用户包括社区预警终端和移动预警终端上的移动预警APP，社区预警终端和移动预警APP均通过运用商网络与地震发布服务器通信连接。社区预警终端和移动预警APP均能够在接收到地震预警的播报信息后进行实时播报。可以采用电子屏幕或者视频广告牌作为社区预警终端，该终端外接扬声器，能以高音量声音输出覆盖社区范围；移动预警APP可安装在手机、智能电视或者平板电脑上。

当高精度强震仪和简易烈度计未检测到强震信号或者高精度强震仪测量的震中烈度在V级以下时，以及仅有地震台网监控终端接收到当地地震台网发送的地震速报信息时，地震发布服务器不向系统用户发出地震预警的播报信息和警示音；所述高精度强震仪测量的震中烈度在V级以上时，地震发布服务器向系统用户发出地震预警的播报信息，并根据地震S波到达社区的时间进行分阶段报警提示音；其中地震预警的播报信息包括震级、震中距、地震S波到达时间、震源深度、发震时刻和震源经纬度信息。

判断地震的震级可以采用如下方式来计算：

M_W＝[logy-a-clog(R+R₀)]/b±SE/b；

其中，M_W是矩震级，R是震源距，令R<200km，R₀＝30km，a、b、c为回归系数，SE为回归标准差，y是地震动的物理量，可以是加速度峰值、速度峰值或者位移峰值，采用不同的物理量时，回归系数取值不同。

物理量y	a	b	c	SE	SE/b
						加速度峰值	1.95	0.65	-2.38	0.345	0.53
速度峰值	-0.68	0.82	-2.14	0.309	0.37
						位移峰值	-2.88	1.06	-2.01	0.268	0.25

矩震级M_W计算出后，代入经验公式震中烈度＝0.24+1.29×[(M_W+1.08)/1.13]；此处用矩阵级M_W代替了面波震级，此处计算的震中烈度可以对简易烈度计测量值的进一步的确认。

在计算出震中烈度后，可利用单台高精度强震仪计算震中距、方位角和地震S波到达的时间等参数。

对于两台以上高精度强震仪计算震中位置、震源深度和预计到达时间，可以采用以下方法：令两个高精度强震仪i和j，假设高精度强震仪i的坐标为(x_i,y_i)，地震波到达该高精度强震仪的时间为T_i；另一台高精度强震仪j的坐标为(x_j,y_j)，地震波到达该高精度强震仪的时间为T_j；震中位置为(x₀,y₀)，震源深度为z₀，假设地震波速度c恒定，有

地震波速度c可以是地震P波的速度，也可以是地震S波的速度；地震发生后，T_i、T_j和高精度强震仪的位置均可测量获得，令震源深度为z₀为0；震中位置(x₀,y₀)为双曲线，且震中位置在先到达的高精度强震仪一侧的曲线上；如采用三台及以上高精度强震仪协作测量，每台高精度强震仪均可对应获得一条双曲线，且各双曲线交于一点，即为震中位置；

求取震源深度为z₀时，假定地震P波和地震S波分别到达高精度强震仪的时间为T_P和T_S，发震时刻为T₀，地震P波和地震S波的传播速度为V_P和V_S，震中距为Δ，则有：

对于任意两个高精度强震仪i和j，假定地震P波先到达高精度强震仪i，对地震P波到达时差T_Pj-T_Pi求震源深度的导数，有：

其中R_i和R_j是震源到高精度强震仪i和j的距离；对于高精度强震仪i，对地震S波到时圆是对地震S波与地震P波到达时差T_Si-T_Pi对震源深度求导数，并进一步求解震源深度z₀：

通过上述地震P波和地震S波的传播速度之差V_P-V_S和震源深度z₀，通过公式2求解震中距Δ；高精度强震仪的位置是已知的，震中位置为(x₀,y₀)通过公式1求解；通过震中距Δ或者震中位置，通过三角函数换算地震波到达社区中心的距离和预计到达时间,在已知震中位置、高精度强震仪的位置和社区中心三个端点的情况下，可以通过三角函数求解震中到社区中心的距离并计算地震S波的到达时间。

上述分阶段报警提示音可以根据倒计时配合不同的提示音节拍或者屏幕闪烁的显示；如接收到地震预警的播报信息后，如地震波到达社区的时间大于30秒时，系统用户的屏幕会弹窗地震预警的播报信息显示框，显示框内描述震级、震中距、地震S波到达时间、震源深度、发震时刻和震源经纬度信息，系统用户向外发出“滴滴”声提示，屏幕闪烁较慢；如地震波到达社区的时间不超过10秒时，显示框除显示上述信息外，系统用户向外发出时钟每秒倒计时提示，屏幕闪烁频率加快；当地震波到达社区时，显示框除显示上述信息外，系统用户持续发出报警提示音，屏幕不闪烁。

如图3和图4所示，该图为移动预警APP或者社区预警终端显示屏上的界面。该界面包括顶部的标题栏、中部的地图显示区、底部的最新地震信息和右侧的历史地震列表。当移动预警APP或者社区预警终端接收到地震预警的播报信息后，中部的地图显示区会弹出播报信息框，显示震级、震中距、地震S波到达时间、震源深度、发震时刻和震源经纬度信息。播报信息框以外的界面区域会闪烁。

本发明还包括WEB服务器和管理终端，管理终端通过HTTP协议与WEB服务器通信连接，WEB服务器与数据库服务器通信连接；管理终端通过WEB服务器访问数据库服务器和查看索引。本系统的管理者可通过登录管理终端，进而通过WEB服务器，访问数据库服务器，管理和访问各地震监测仪器和系统用户的权限。

本发明包括若干存储服务器，存储服务器分布式设置在社区***；设备服务终端定期将地震监测仪器的输出信号发送至存储服务器中按时间顺序进行异地同时储存，提高数据纯纯的安全性。

预警服务器与地震发布服务器之间、地震发布服务器与系统用户之间均采用基于MQTT的标准推送协议进行通信。MQTT是一个基于客户端—服务器的消息发布/订阅传输协议。MQTT协议是轻量、简单、开放和易于实现的，这些特点使它适用范围非常广泛。MQTT服务器，即地震发布服务器称为“消息代理”，通过其转发预订的消息，即地震预警的播报信息到系统用户。而系统用户的消息预订权限由上述管理终端来进行授权。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。