JP2019086480A

JP2019086480A - 地震警報システム

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Publication number: JP2019086480A
Application number: JP2017216977A
Authority: JP
Inventors: 幸雄藤縄; Yukio Fujinawa
Original assignee: Mieruka Bousai Co Ltd
Current assignee: Mieruka Bousai Co Ltd
Priority date: 2017-11-10
Filing date: 2017-11-10
Publication date: 2019-06-06
Anticipated expiration: 2037-11-10
Also published as: JP7015523B2

Abstract

【課題】初期微動（Ｐ波）の最大加速度から、主要振動（Ｓ波）の最大加速度を精度高く予測することが可能な地震警報システムを提供する。【解決手段】地震警報システムは、発生した地震のＰ波の最大加速度に係数αを乗じることでＳ波の最大加速度を算出し、算出されたＳ波の最大加速度に応じて当該地震に対応するための処理を実行する地震警報システムにおいて、係数αを下式（１）及び下式（２）に基づいて算出することを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、初期微動（Ｐ波）の最大加速度から、主要振動（Ｓ波）の最大加速度を予測し、警報などの処理実行する地震警報システムに関する。

発生した地震の初期微動（Ｐ波）の最大加速度に基づいて、当該地震の主要振動（Ｓ波）の最大加速度の規模を予測することが可能であれば、その規模に応じて、例えば、可動中の工場を、主要振動（Ｓ波）の到来前に停止するなどして、大きな被害を免れることができるようになる。

このような試みとしては、例えば、引用文献１（特開２０１７−１２２６２３号公報）には、単一の観測点において観測された地震の初期微動の観測データを用いて、前記地震の主要動の最大振幅を推定する方法において、前記観測データから前記初期微動の最大振幅を導出する導出ステップと、前記導出ステップで導出された前記初期微動の最大振幅の一次式により前記主要動の最大振幅を求めることができるものとして、当該主要動の最大振幅を推定する推定ステップと、を有し、前記一次式における前記初期微動の最大振幅の係数が、前記観測点の周辺の地盤における卓越振動周波数の対数関数により算定されて設定されている、地震の主要動の最大振幅を推定する方法が開示されている。
特開２０１７−１２２６２３号公報

引用文献１記載の従来技術においては、初期微動の最大振幅を導出し、導出された前記初期微動の最大振幅の一次式により主要動の最大振幅を求めることができるものとして、当該一次式の１次の項の係数ａ（主要動の最大振幅ｙと初期微動の最大振幅ｘとの振幅比）を、観測点の周辺地盤の卓越振動周波数の対数関数により算定するようにしている。

しかしながら、このようにして求められた上記係数ａは精度が低く、初期微動（Ｐ波）の最大加速度から、主要振動（Ｓ波）の最大加速度を精度高く予測することができない、という問題があった。

主要振動（Ｓ波）の最大加速度の予測精度が低いと、例えば、本来停止せずに済むような最大加速度でも、予測に基づいて、半導体工場などのような生産ラインを停止してしまうような事態が発生し得る。一旦、生産ラインを停止してしまうと、再稼働に時間やコストを要してしまうことが一般的であり、精度の低い係数による予測に基づくと、経済的な損失が多大となってしまう。

この発明は、上記課題を解決するものであって、本発明に係る地震警報システムは、発生した地震のＰ波の最大加速度に係数αを乗じることでＳ波の最大加速度を算出し、算出されたＳ波の最大加速度に応じて当該地震に対応するための処理を実行する地震警報システムにおいて、係数αを下式（１）及び下式（２）に基づいて算出することを特徴とする。

ただし、
γ_rad：係数αを決める係数γへの放射効果の寄与分
γ_dis：係数αを決める係数γへの減衰効果の寄与分
γ_sit：係数αを決める係数γへのサイト効果の寄与分
γ_trs：係数αを決める係数γへの横方向減衰効果の寄与分
である。

本発明に係る地震警報システムは、式（１）及び式（２）に基づいて、放射効果の係数γへの寄与分、減衰効果の係数γへの寄与分、サイト効果の係数γへの寄与分、横方向減衰効果の係数γへの寄与分を考慮して、これらから求められた係数γから、係数αを算出するようにしており、このような本発明に係る地震警報システムによれば、初期微動（Ｐ波）の最大加速度から、主要振動（Ｓ波）の最大加速度を精度高く予測することが可能となる。

本発明の実施形態に係る地震警報システム１の設置例を示す図である。本発明の実施形態に係る地震警報システム１の概要を示す図である。 α係数の概念を説明する図である。本発明に係る地震警報システム１で用いられるα係数テーブルのデータ構造を示す図である。本発明の実施形態に係る地震警報システム１の処理のフローチャートを示す図である。第１地震計１０１、第２地震計１０２、第３地震計１０３によって計測されるデータのイメージを示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施形態に係る地震警報システム１のメインシステム１００の設置例を示す図である。

本発明の実施形態に係る地震警報システム１は、少なくとも３つの地震計が、建物や事業所内の敷地内に設けられ、これらの３つの地震計からの計測データに基づいて、Ｐ波の検出判定などを実行するものである。本実施形態では、図１に示すように第１地震計１０１、第２地震計１０２、第３地震計１０３からなる３つの地震計が設置される例を示している。

ただし、地震計同士は、建物が属する敷地内（建物内も含む）にある程度の距離を離しつつ設置されていることが必要である。地震計を近接させて配置してしまうと、例えば、近隣道路を走行するトラックなどの振動を計測してしまい、複数の地震計が共に計測してしまい、Ｐ波検出に支障をきたすからである。

ここで、地震計同士の間の適切な距離は、地震計を設置する建物や敷地に応じてケースバイケースであるが、例えば、３０ｍ〜１００ｍ程度が想定される。以下、例として、本実施形態では、地震警報システム１を東京駅周辺の建物と敷地に設置したケースに基づいて説明する。

なお、本実施形態に係る地震警報システム１においては、システムをフェイルセーフとするために、３台以上の地震計を用いているが、一定の条件が満たされれば最低１台の地震計のみによって本発明を実現することもできる。

図２は本発明の実施形態に係る地震警報システム１の概要を示す図である。

本発明に係る地震警報システム１においては、これまで説明したように１つの地点において、適切な距離離間されて設置されてなる地震計（第１地震計１０１、第２地震計１０２、第３地震計１０３）を有している。

第１地震計１０１、第２地震計１０２、第３地震計１０３によって計測されたデータ（それぞれの地震計の計測データ信号をＳ₁，Ｓ₂，Ｓ₃と称する）は、データ処理部１１０に送信される。メインシステム１００におけるデータ処理部１１０は、ＣＰＵとＣＰＵ上で動作するプログラムを保持するＲＯＭとＣＰＵのワークエリアであるＲＡＭなどからなる汎用の情報処理装置である。第１地震計１０１、第２地震計１０２、第３地震計１０３によって計測されたデータは、データ処理部１１０によって解析処理することができるようになっている。

データ処理部１１０は、図示されているデータ処理部１１０と接続される各構成と協働・動作する。また、本発明に係る地震警報システム１における種々の制御処理は、データ処理部１１０内のＲＯＭやＲＡＭなどの記憶手段に記憶保持されるプログラムをＣＰＵが実行することによって実現されるものである。

データ処理部１１０には、不揮発性で書き換え可能な記憶部１２０がデータ通信可能に接続されており、この記憶部１２０には、特に後述するデータテーブル（α係数テーブル）などが記憶されており、データ処理部１１０が当該テーブルを参照することができるようになっている。

報知部１３０は、例えば表示装置など視覚により地震警報を伝達する手段や、スピーカーなど聴覚により地震警報を伝達する手段である。このような報知部１３０は、データ処理部１１０からのトリガーにより制御されることで、起動し地震警報を実行する。

なお、本実施形態では、前記トリガーにより起動し、地震警報を人に伝達する報知部１３０が用いられているが、例えば、本発明に係る地震警報システム１を工場などで用いる場合には、このような報知部１３０に加え、さらに生産ラインを、データ処理部１１０からのトリガーに基づいて自動的に停止する自動停止装置を追加することもできる。

また、通信部１５０はデータ処理部１１０から転送されるデータを、外部のネットワークＮに対して送信したり、外部のネットワークＮから送信されてくるデータ受信を行い、当該受信データをデータ処理部１１０に送信したりすることができるようになっている。

このような通信部１５０では、気象庁から発信される緊急地震速報を受信し、発生した地震の震源地に係るデータを取得することができるように構成されている。なお、本発明においては、震源地に係るデータを取得することが可能であれば、緊急地震速報以外の情報源も利用することが可能である。

ここで、記憶部１２０に記憶されるα係数テーブルにおけるα係数について説明する。

地震が発生すると、震源からは揺れが地震波として地面を伝搬する。地震波には初期微動（Ｐ波）と主要振動（Ｓ波）があり、Ｐ波の方がＳ波より速く伝搬する。Ｐ波は、伝わる速度が速く、エネルギーは小さいのに対して、Ｓ波は速度が遅い代わりに、大きなエネルギーをもつ横揺れを発生させる。

発生した地震で、強い揺れによる被害をもたらすのは主に後から伝わってくるＳ波である。このため、地震波の伝わる速度の差を利用して、先に伝わるＰ波を検知した段階でＳ波が伝わってくる前に、警戒等を行うことが可能となる。例えば、可動中の工場を、主要振動（Ｓ波）の到来前に停止するなどして、大きな被害を免れることができるようになる。

このような考え方に基づき、先に伝搬したＰ波の規模に基づいて、後から伝搬するＳ波の規模を予測するために、係数αが用いられる。より具体的には、係数αは、発生したある地震のＰ波の最大加速度に、この係数αを乗じることで、Ｓ波の最大加速度を算出し、予測することを可能とする係数である。

この係数αは、地震警報システム１が設置される場所と、震源が属するエリアとに応じて値が変化する。したがって、地震警報システム１が設置される場所に応じて、α係数を予め算出しておき、テーブルなどに格納しておく必要がある。図３はα係数の概念を説明する図である。また、図４は本発明に係る地震警報システム１で用いられるα係数テーブルのデータ構造を示す図である。

地震警報システム１を東京駅周辺とすると、例えば、震源のエリアとしては、立川、多摩、東京湾北部として設定することができる。ここでは、それぞれをエリア１、エリア２、エリア３と称することとする。なお、このようなエリアについては、より細分化したもの利用することも可能である。また、このようなエリアについては、エリア１、エリア２、エリア３の他エリアを設定することもできる。

さて、地震警報システム１が設置される東京駅周辺にとっては、予め、エリア１を震源とする地震のＳ波の最大加速度を算出に際に用いるα₁、エリア２を震源とする地震のＳ波の最大加速度を算出に際に用いるα₂、エリア３を震源とする地震のＳ波の最大加速度を算出に際に用いるα₃を準備し、これらを図４に示すようなα係数テーブルとして、記憶部１２０に格納しておく。

エリア１を震源とする地震のＳ波の最大加速度を算出に際に用いるα₁を例に取ると、α₁の算出には、エリア１で発生した過去の地震ｓ₁₁、ｓ₁₂、ｓ₁₃、ｓ₁₄、ｓ₁₅、ｓ₁₆、・・・・に係る地震データが利用される。

次に、以上のように構成される本発明に係る地震警報システム１の処理・動作について説明する。図５は本発明の実施形態に係る地震警報システム１の処理のフローチャートを示す図である。

図５において、ステップＳ１００で処理が開始されると、続いて、ステップＳ１０１では、Ｐ波が検出されたか否かが判定される。図６は第１地震計１０１、第２地震計１０２、第３地震計１０３によって計測されるデータのイメージを示す図である。

Ｐ波の検出の判定方法としては、例えば、第１地震計１０１、第２地震計１０２、第３地震計１０３の計測データ信号をＳ₁，Ｓ₂，Ｓ₃のいずれか２つの計測データが予め規定されている閾値を越えたか否か、などとすることができるが、的確な判定ができるのであれば、このような方法に限定されるものではない。

ステップＳ１０１における判定結果がＮＯであるときにはステップＳ１０１をループする。一方、Ｐ波が検出されて、ステップＳ１０１における判定結果がＹＥＳとなると、ステップＳ１０２に進む。

続いて、ステップＳ１０２では、気象庁の緊急地震速報のデータを、ネットワークＮを介して取得し、緊急地震速報から震源のエリアに関するデータを取得する。

次に、ステップＳ１０３では、ステップＳ１０２で取得されたエリアに対応したα係数をα係数テーブルから取得する。

ステップＳ１０４では、ステップＳ１０３で取得されたα係数に基づいて、Ａ_s＝α×Ａ_pを算出する。ここで、Ａ_pは計測されたＰ波の加速度のうち最大のもの（最大加速度）であり、Ａ_sはこれに基づいて算出・予測されるＳ波の最大加速度である。

なお、図５で示した本実施形態に係るフローチャートにおいては、所謂、緊急地震速報によって取得することができる情報については考慮されていないが、緊急地震速報によって取得することができる情報を利用することができる場合には、Ｓ１０４で算出・予測される予測値Ａ_sと、緊急地震速報による予測値とから総合判定し、この総合判定に基づく予測値により、後のＳ１０５の判定処理を実行することが好ましい。

ステップＳ１０５では、算出されたＡ_sに基づいて、Ａ_s＞Ａ_tであるか否かが判定される。ここで、Ａ_tは閾値となるＳ波の最大加速度である。

ステップＳ１０５における判定がＹＥＳであれば、ステップＳ１０６に進み、報知部１３０により、地震警報を報知したり、或いは、前記のような自動停止装置が追加されているようなケースでは、生産ラインを停止したりするなど、予測される地震に応じた適切な対処・処理を実行する。

ステップＳ１０７で、処理を終了する。

ところで、従来のα係数は推定精度が低く、初期微動（Ｐ波）の最大加速度から、主要振動（Ｓ波）の最大加速度を精度高く予測することができない、という問題があった。

そして、主要振動（Ｓ波）の最大加速度の予測精度が低いと、例えば、本来停止せずに済むような最大加速度でも、予測に基づいて、半導体工場などのような生産ラインを停止してしまうような事態が発生し得る。一旦、生産ラインを停止してしまうと、再稼働に時間やコストを要してしまうことが一般的であり、精度の低い係数による予測に基づくと、経済的な損失が多大となってしまう、という問題があった。

そこで、本発明に係る地震警報システム１においては、以下のような手法で算出されるα係数を用いて、主要振動（Ｓ波）の最大加速度の予測精度を向上させるようにするものである。

ここで、下式（１）によって定義される係数γを定義する。

そして、係数γについては、下式（２）の左辺に示すような各項の和であるものとする。

ここで、
γ_rad：係数αを決める係数γへの放射効果の寄与分
γ_dis：係数αを決める係数γへの減衰効果の寄与分
γ_sit：係数αを決める係数γへのサイト効果の寄与分
γ_trs：係数αを決める係数γへの横方向減衰効果の寄与分
である。

以下、それぞれの項の算出について説明する。まず、地震の放射効果の係数γへの寄与分γ_radについて説明する。本発明に係る地震警報システム１のα係数の放射効果成分については、Aki and Richards, 2002 （K. Aki & P. G. Richards 1980. Quantitative Seismology, Theory and Methods. Volume I: 557 pp., 169 illustrations. Volume II: 373 pp., 116 illustrations. San Francisco: Freeman.）の理論式を用いて算出を行う。ここで、当該論文の全内容については、本明細書において参照して援用するものとする。

当該論文によれば、断層面座標系における極座標（ｒ，θ，φ）によって、ダブルカップル震源による断層運動に基づく係数γ_radは、次式（３）のように表現することができる。

ここで、Ａ_po、Ａ_soは震源球上でのＰ波、Ｓ波それぞれの振幅である。また、Ｖ_p、Ｖ_sはＰ波、Ｓ波それぞれの地震波伝搬速度である。

次に、地震の減衰効果の係数γへの寄与分γ_disについて説明する。減衰効果による寄与分γ_disは、Ｐ波、Ｓ波それぞれの卓越周波数ｆ_p、ｆ_s、及び、Ｐ波、Ｓ波それぞれの減衰係数Ｑ_p、Ｑ_s、及び、Ｐ波、Ｓ波それぞれの地震波伝搬速度Ｖ_p、Ｖ_sを用いて下式（４）のように算出する。

（４）式導出にあたっては、川瀬・松尾、２００４（川瀬博・松尾秀典（2004）, K-NET, KiK-net, JMA 震度計観測網による強震動波形を用いた震源・パス・サイト各特性の分離解析,日本地震工学会論文集、第４巻、第１号、３３−５０．）を参考としている。ここで、これらの論文の全内容については、本明細書において参照して援用するものとする。

次に、地震のサイト効果の係数γへの寄与分γ_sitについて説明する。本発明に係る地震警報システム１のα係数のサイト効果成分については翠川、1992 （翠川三郎・松岡昌志、作川孝一(1992)：1987 年千葉県東方沖地震の最大加速度・最大速度にみられる地盤特性の評価，日本建築学会構造系論文報告集，No.442，pp.71-78）、藤本・翠川、2006 （藤本一雄、翠川三郎（２００６）日本地震工学会論文集、第６巻、第１号、１１−２２、近接観測点ペアの強震記録に基づく地盤増幅度と地盤の平均Ｓ波速度の関係、2）の理論式を用いている。ここで、これらの論文の全内容については、本明細書において参照して援用するものとする。

サイト効果による寄与分γ_disは、Ｐ波、Ｓ波それぞれの地盤増幅率β_p、β_sを用いて下式（５）のように算出する。

次に、地震の横方向減衰効果の係数γへの寄与分γ_trsについて説明する。本発明に係る地震警報システム１のα係数の算出にあたっては、このような横方向減衰効果を新たに導入し、より精度を向上させるようにしている。

α係数の算出にあたって、放射効果、減衰効果、サイト効果を合わせ、観測値と比較すると、以下のようになることがわかる。
・放射効果の成分が経験係数であるαの基本要因である。
・放射効果の理論値は、接面ではＰ波がゼロとなることから発散するが、観測値にはそれほど大きな値が現れない。それは、断層モデルが、理想的なダブルカップル震源でないこと、反射、屈折などの波動伝搬での現象が存在すること、などによるものと推測される。
・推定値を射出方向の周りで平均化した値を使うことで、観測値とかなり相関の高い結果が得られるが、大きな残差が残る。

以上のような知見に基づいて、本発明に係る地震警報システム１のα係数の算出にあたっては、これまでの経線方位方向の減衰を表現している減衰係数Ｑに加えて、新たに横方向（transversal）の減衰係数Ｑ_tを導入することで解決する。

この横方向減衰効果による寄与分γ_trsは、Ｓ波の卓越周波数ｆ_s、Ｓ波の地震波伝搬速度Ｖ_s、そして、新たに導入した減衰係数Ｑ_tを用いて下式（６）のように算出する。

ただし、横方向（transversal）の減衰係数Ｑ_tは、Ｓ波の減衰係数Ｑ_sとの相関があるものと仮定できるので、

として定義する。ここで、ｎは実数である。

本発明に係る地震警報システム１においては、以上のような、式（１）乃至式（７）を用いて、α係数を算出するようにしている。式（１）乃至式（７）において、未知数は、Ｐ波、Ｓ波それぞれの地震波伝搬速度Ｖ_p、Ｖ_s、及び、Ｐ波、Ｓ波それぞれの卓越周波数ｆ_p、ｆ_s、及び、Ｐ波、Ｓ波それぞれの減衰係数Ｑ_p、Ｑ_s、及び、Ｐ波、Ｓ波それぞれの地盤増幅率β_p、β_s、及び式（７）中のｎである。

本発明に係る地震警報システム１におけるα係数の算出においては、例えば、エリア１で発生した過去の地震ｓ₁₁、ｓ₁₂、ｓ₁₃、ｓ₁₄、ｓ₁₅、ｓ₁₆、・・・・における経験係数であるα₁₁、α₁₂、α₁₃、α₁₄、α₁₅、α₁₆、・・・・の全ての値が説明できるように、例えば最小二乗法などを用いてパラメーターフィッティングを行い、前記各未知数を規定する。これにより、より精度が高いα係数を算出することが可能となる。

１・・・地震警報システム
１０１・・・第１地震計
１０２・・・第２地震計
１０３・・・第３地震計
１１０・・・データ処理部
１２０・・・記憶部
１３０・・・報知部
１５０・・・通信部
Ｎ・・・ネットワーク

Claims

発生した地震のＰ波の最大加速度に係数αを乗じることでＳ波の最大加速度を算出し、算出されたＳ波の最大加速度に応じて当該地震に対応するための処理を実行する地震警報システムにおいて、
係数αを下式（１）及び下式（２）に基づいて算出することを特徴とする地震警報システム。

ただし、
γ_rad：係数αを決める係数γへの放射効果の寄与分
γ_dis：係数αを決める係数γへの減衰効果の寄与分
γ_sit：係数αを決める係数γへのサイト効果の寄与分
γ_trs：係数αを決める係数γへの横方向減衰効果の寄与分
である。