地震预警设计中的若干系统工程问题研究

Researches on some systematic engineering problems for earthquake early warning designation

2015年6月,国家发改委正式批复"国家地震烈度速报与预警工程"项目建议书,2017年2月,批复项目可研报告,2018年6月,批复项目初步设计。这个全国性、大规模的系统不仅能提升我国地震基础监测能力,而且对降低地震带来的损失有着重要的意义。本文以该项目为基础,针对地震预警系统设计中的若干系统工程问题进行了研究,以求能对项目建设提供可操作性的参考。主要工作概括如下:(1)通过对地震预警系统建设的几个关键问题进行分析,得出以下结论:在目前的技术水平下,震源深度为10 km的地震,预警盲区的极值是21 km,所能预警的震级下限为5.6级。兼顾效率与建设成本,10—20 km台间距是比较合理的范围,进一步缩小该值对于减小盲区的效果有限。根据我国地震危险性和人口分布等情况,可以初步确定华北、南北地震带、东南沿海、新疆天山中段为重点预警区域。在地震预警系统架构设计中,发布系统和保障系统是最关键的环节,决定了整个系统建设及后期运行的成败。目前国内公众对于预警系统的了解程度和风险承受能力偏低,对于预警效果的期待较高,缺乏面对预警时有效的应对措施,各项法律责任并不明晰。我国地震台网的现状并不能满足地震预警的需求,主要表现为大部分地区台站密度不足和整体数据延时较大,应充分利用现有资源对台网进行加密,从数采和传输软件两个方面进行升级改造。(2)以人口和GDP为基础,通过对九寨沟地震的假定情形,分别以"国家地震烈度速报与预警工程"建成后的台站分布、目前的测震台站分布、理想的台站分布和极限的台站分布,分析地震预警的效能。并根据分析地震预警系统效能评估的合理性,提出地震预警效能评估模型。在使用相同假定的情况下,对汶川地震的假想情况进行了分析,进一步验证了该评估模型。总体来说,以人口和GDP作为评估地震预警效能的2个基础因素是合理的,对于已经发生过的地震,可以根据实际调研数据对地震预警的假想情形进行分析,对于目标区域,则可以通过这些要素,使用假定的地震来分析预警系统的效能。(3)以"国家地震烈度速报与预警工程"为基础,通过DoDAF(Department of Defense Architecture Framework,美国国防部体系框架)的视角,讨论了地震预警系统架构的设计问题。通过使用DoDAF中不同视点及模块的设计,明确了地震预警的主体业务单元和数据架构模型,理清了各单元的功能定位和业务内容,梳理了数据和控制指令的内容和流向,设计了不同系统之间的接口关系。与传统的地震预警系统架构设计相比,DoDAF更强调对抗性和发展性,从不同的视角对能力、数据、系统、作战、服务之间的关系进行了梳理;同时,不同视角的分析,对于系统之间的协调与统筹也具有一定的反作用。DoDAF作为一种标准的体系结构方法,为不同行业间之间的交流合作提供了标准的接口。(4)引入技术成熟度概念,基于TRL(Technology Readiness Level,技术就绪水平/技术成熟度)对地震预警进行技术成熟度评估。通过对目前地震预警所使用的技术进行分析,结合"国家地震烈度速报与预警工程",得出了目前地震预警的技术成熟度。总体来看,对于"国家地震烈度速报与预警工程"来说,其总体技术成熟度达到工业制造与开发的级别,但由于缺乏大地震的真实检验,在后续的运行过程中,需要根据运行的情况进行优化调整,而对于其中技术成熟度较低的部分,则是今后需要重点发展的方向。系统设计是理论与实践相互作用的过程,理论指导实践,实践反作用于理论。在系统工程的时代,地震预警系统的设计必须借鉴其他方面的成果,系统工程对整体设计的启发,其本身也需要与实际相结合。在借鉴其他系统成果的同时,要注意到地震预警毕竟有着自己的特点,例如对时间的极端需求。本文作为引入这些概念的尝试,其研究是有限度的,也许还有很多不尽合理的地方,许多细节也需要进一步完善,这些都是未来需要改进和研究的方向。