TW201310053A - 現地型地震即時分析系統與方法及其儲存媒體 - Google Patents

Abstract

一種現地型地震即時分析系統與方法及其儲存媒體，對在某偵測地點擷取一地震之初達波加速度訊號進行即時分析。此系統包含一嵌入式運算主機與一訊號預處理模組，其訊號預處理模組對其初達波加速度訊號進行硬體預處理，嵌入式運算主機可根據一地震事件預判邏輯判定此地震是否為一地震事件。其初達波加速度被轉換為初達波之地表速度與地表位移，以得到一峰值地表位移，再由嵌入式運算主機以初達波之地表速度與地表位移計算一地震破裂時間參數，並藉以計算此地震事件之一地震規模；嵌入式運算主機根據其峰值地表位移與地震規模計算一震央距離，並進而根據地震規模與震央距離，計算此地震之剪切波在此偵測地點之峰值地表加速度。

Description

現地型地震即時分析系統與方法及其儲存媒體

本發明係有關於地震預測技術，特別是關於一種現地型地震即時分析系統及其方法。

地震預測技術理論之一，是藉由P波(P-wave、primary wave或pressure wave)波速大於S波(secondary wave)之物理特性(P波約6-7 km/s；S波約3-4 km/s)，於地震發生當下，量測P波帶來之微小震動以推估後續S波之影響。P波屬於疏密波或縱波的一種，也是地震時透過地球內部傳遞的體波(body wave)其中一種，傳遞時介質的震動方向與震波能量的傳遞方向平行；P波具有最快之傳播速度，但破壞力不如S波。另一種體波S波的速度僅次於P波，S波屬於剪力波(Shear Wave)或橫波，即傳遞時介質的震動方向與震波能量的傳遞方向垂直，且其震幅可到P波的數倍。因此，S波較大的地震震幅與傳遞時造成傳遞路徑上的剪切效應，往往帶來重大的災情。

台灣位處於歐亞大陸板塊及菲律賓海板塊之交界，亦為環太平洋地震帶之一部分，因而地震發生頻繁。中央氣象局於全台各處廣設地震儀，透過數個測站的聯集運算，可得到高精度之地震相關參數，並告知各警戒區域，此機制可視為「廣域型」強震預警系統。然廣域型強震預警系統受限於資料收錄及運算時間之限制，雖然可達高精確度、但耗時過久，於近震央區域(距地震發生處50公里內)無法提供有效預警。例如，台灣中央氣象局所建置之地震觀測網，需22秒的時間進行震央定位及地震規模推算，若僅考慮P波與S波間的速度差，忽略地質及場址效應，則此系統對於震央距測站觀測群70公里以外之區域才有預警能力。但是，靠近震央區域所承受之地震震波影響高於其他地區，仰賴此類廣域型強震預警系統，並無法達到事前預警、逃生疏散之效果。

此外，雖然既有研究對於地震波之預測與模擬可提供特定演算理論，但是這些理論應用在現地型地震預測時，缺乏大量實驗驗證與修正，無法達到預期的準確率。再者，對於以短時窗數據準確預測地震參數，目前並無合適之硬體架構適合現地型地震預測之訊號處理與運算需求，一般的電腦系統並無法適當地處理訊號或提供即時高階運算效能。

有鑑於先前技術之問題，於本發明一實施例中提供一種現地型地震即時分析系統，即時分析一地震於一偵測地點之偵測到之一初達波，以預測地震於偵測地點之一剪切波。此系統包含訊號預處理模組及嵌入式運算主機。訊號預處理模組接收於偵測地點擷取初達波之加速度訊號，並對其進行一硬體預處理。嵌入式運算主機接收來自訊號預處理模組之加速度訊號，以計算剪切波之峰值地表加速度。其中，經硬體預處理之加速度訊號被轉換為初達波之地表速度與地表位移，以得到一第一時窗內之一峰值地表位移。嵌入式運算主機更以一第二時窗內之地表速度與地表位移計算地震破裂時間參數，並藉以計算地震之地震規模。嵌入式運算主機根據峰值地表位移與地震規模計算一震央距離，並根據地震規模與震央距離，計算地震之剪切波在偵測地點之峰值地表加速度。

於本發明另一實施例中，提供一種現地型地震即時分析方法，用以即時分析某地震於某偵測地點之偵測到之初達波，此方法包含：對於偵測地點擷取之加速度訊號進行硬體預處理；轉換加速度訊號為初達波之地表速度與地表位移；得到第一時窗內之峰值地表位移；以第二時窗內之地表速度與地表位移計算地震破裂時間參數，並藉以計算地震規模；根據峰值地表位移與地震規模計算震央距離；及根據地震規模與震央距離，計算地震之剪切波在偵測地點之峰值地表加速度。

於本發明另一實施例中，提供一種電腦可讀取之儲存媒體，其內儲存有多個電腦可執行指令；當這些電腦可執行指令被一現地型地震即時分析系統讀取且執行時，執行前述實施例所說明之現地型地震即時分析方法。此現地型地震即時分析系統包括訊號預處理模組與嵌入式運算模組。此方法包含：對於偵測地點擷取之加速度訊號進行硬體預處理；轉換加速度訊號為初達波之地表速度與地表位移；得到第一時窗內之峰值地表位移；以第二時窗內之地表速度與地表位移計算地震破裂時間參數，並藉以計算地震規模；根據峰值地表位移與地震規模計算震央距離；及根據地震規模與震央距離，計算地震之剪切波在偵測地點之峰值地表加速度。

基於對地震訊號特性及過去分析過程遭遇之障礙，本發明之下列實施例提供現地型地震分析所需之數種最佳化硬體架構與最佳化運作程序，以便以短時間擷取之初達波(P波)資料、準確預測剪切波(S波)於偵測地點之峰值地表加速度，達到現地即時預警效果。本發明中軟體硬體系統之整合設計、硬體元件之選擇、不同演算法之搭配至關重要，需經大量實驗數據驗證方能得到本發明最優化之現地型地震即時分析系統與方法。根據本發明之系統與方法，若擷取測站所偵測之初達波前段3秒數據演算出地震相關參數並提出預警，則可將預警範圍由距震央70公里外大幅拉近，例如降至為距震央10-50公里外；但實際數據仍受限於實際採用的硬體/軟體/韌體、地震波傳遞路徑的地層特性以及其他可能變數。

請參閱第1圖，其係本發明一實施例中現地型地震即時分析系統之系統架構方塊圖。圖中現地型地震即時分析系統10包括嵌入式運算主機100與訊號預處理模組200；其中主要由訊號預處理模組200進行原始初達波加速度訊號之訊號預先處理，而由嵌入式運算主機100進行多個演算法計算程序。

由於系統設計之其中一個目標在於縮短地震參數之運算時間以便提前預警，因此硬體的配置上必須有效降低演算法運算端的運算負擔。視不同的實際硬體組件配置方式，於一實施例中嵌入式運算主機100與訊號預處理模組200可藉由一特製主機板串聯所有必要硬體元件、輔以適當之匯流排與訊號介面(連接器)而實現。於另一實施例中，嵌入式運算主機100與訊號預處理模組200可由獨立的硬體組件分別實現，再以合適的訊號纜線與訊號介面串聯。

於一實施例中，地震初達波之加速度訊號來源為設置於某偵測地點之地表強震儀(圖未示)。偵測地點之選擇可以為人口稠密處或重要建築物附近；強震儀例如可選用Kinemetrics公司之EpiSensor震力平衡加速度計(Force Balance Accelerometer)(型號FBA ES-T)，能測量地表上的微小震動、並輸出X、Y、Z三個軸向之加速度訊號。強震儀擷取輸出加速度訊號之時間間隔通常可以自行設定，但於一實施例中，合適的擷取或輸出頻率為每秒200次。

於第1圖中，訊號預處理模組200具有濾波電路210及偏移值去除電路220。濾波電路210對偵測地點所設強震儀輸出的初達波加速度訊號執行硬體濾波程序，意即透過濾波電路210濾除初達波加速度訊號中不必要之環境雜訊，一則降低後端需分析的數據量、一則提高分析準確率。偏移值去除電路220對該初達波加速度訊號執行一硬體去除偏移值程序，意即透過偏移值去除電路220將初達波加速度訊號進行偏移調整，使初達波加速度訊號之基礎值回到零；一個例子為先取長時窗(例如9~11秒)之初達波加速度訊號的平均值作為訊號偏移植修正參數，即能將擷取之加速度訊號或數據進行偏移修正。

整體而言，訊號預處理模組200接收於偵測地點擷取之複數初達波加速度訊號，並對其進行一硬體預處理(hardware pre-processing)，即以硬體電路手段對初達波加速度訊號進行訊號預先處理。硬體預處理可包括一硬體濾波程序與一硬體去除偏移值程序，或其他硬體電路可執行之訊號處理程序。不過，由於在本發明之方法中，初達波加速度訊號需要被轉換為初達波之地表速度(Ground Velocity)與地表位移(Ground Displacement)數據，且此過程需要對初達波加速度訊號或數據執行「積分」處理，因此如欲進一步降低後端嵌入式運算主機100之運算負擔，可在一實施例中，令訊號預處理模組之硬體預處理包含一硬體積分程序。於此，如第2圖所示，另一實施例中之訊號預處理模組200可進一步具備一積分電路230，以對初達波加速度訊號執行前述硬體積分程序，意即對初達波加速度訊號進行硬體積分，而將初達波加速度訊號轉換為初達波之地表速度與地表位移；後續實施例及第4圖還有相關說明。

第1圖中，嵌入式運算主機100具有運算處理器110、系統記憶體120、儲存單元130、訊號介面140與匯流排150。經過訊號預處理模組200進行硬體預處理後之初達波加速度訊號，將透過訊號介面140與匯流排150傳輸至運算處理器110進行運算。本實施例中儲存單元130可儲存任意地震資料或數據、以及必要的多個演算法程序，嵌入式運算主機100之運算處理器110可將必要的演算法程序加載至系統記憶體120，以便進行各種地震參數之運算。前述運算處理器110所需執行的多個演算法程序，屬於本發明現地型地震即時分析方法之其中一部分。

於一實施例中，嵌入式運算主機100可由以磁碟作業系統(Disk Operating System；DOS)為基礎的電腦系統實現；所採用之磁碟作業系統可為微軟公司之MS-DOS或其他合適的版本。一個實驗中採用之例子為：以(1)鈦思科技公司(TeraSoft Inc.)開發之「Micro-Box x86 Based即時控制平台」(簡稱Micro-Box)，搭配(2) Math Works公司(The Math Works,Inc.)之Simulink工具軟體作為演算法程序開發工具。

其中，鈦思科技公司型號Micro-Box 3000(PCI Interface[即指Peripheral Component Interconnect interface,周邊元件互連介面])之Micro-Box系統具有以下主要之硬體規格：處理器Celeron M 1GHz；系統記憶體為256MB DDR DRAM；儲存單元可為64MB Compact Flash card；標準PCI擴充匯流排等。換言之，於一實施例中，嵌入式運算主機100之硬體部分可由鈦思科技公司型號Micro-Box 3000所實現。

前述Simulink工具軟體是則是MathWorks公司開發的用於動態系統和嵌入式系統的多領域模擬和基於模型的設計工具。於一實施例中，嵌入式運算主機100之演算法程序乃以Simulink工具軟體進行編寫，並於鈦思科技公司前述Micro-Box系統上之DOS環境中執行，以實現本發明之現地型地震即時分析方法的至少其中一部份。換言之，此實施例之一或多個演算法程序須能在DOS環境中執行；意即，此類嵌入式運算主機100之運算處理器110須執行以DOS為基礎(DOS-based)的演算法程序。

於另一實施例中，嵌入式運算主機之運算處理器可具有內建記憶體，透過特定之韌體(Firmware)編輯平台，可將本發明所需之各個演算法程序編寫於該運算處理器之韌體中，而能以韌體執行方式進行高速運算。換言之，此實施例之一或多個演算法程序須能在該運算處理器之韌體環境中執行；意即，此類嵌入式運算主機100之運算處理器110須在本身韌體中執行所需的演算法程序。一例為採用德國dSPACE公司之DS1103 PPC控制器板(Controller Board)，本發明之各種演算法程序仍可藉由Simulink工具軟體進行編寫，最後轉換成機械語言以植入其運算處理器(1 GHz)PPC 750GX的韌體中，如此即能以韌體執行方式進行高速運算。

有關嵌入式運算主機100所執行之演算法程序、以及整個現地型地震即時分析系統10所執行的現地型地震即時分析方法，請合併參考後續之流程圖與相關說明。

請參閱第3圖，其係本發明另一實施例中現地型地震即時分析方法之流程圖。雖然以下是以具有順序的步驟及流程圖，說明現地型地震即時分析方法之各構成部分；但除非特別予以限定，本發明之方法各構成部分之間並無絕對的前後順序關係。

請一併參考第1圖與第3圖，本發明一實施例中，現地型地震即時分析方法包括以下部分：

步驟S310：對於一偵測地點擷取之一地震的初達波加速度訊號進行硬體預處理。本實施例中硬體預處理包括硬體濾波程序與硬體去除偏移值程序，由訊號預處理模組200之濾波電路210與偏移值去除電路220，分別對偵測地點現地擷取之地震初達波加速度訊號進行處理；於一實施例中，初達波加速度訊號擷取頻率為每秒200次。

前述部分係於現地型地震即時分析系統之訊號預處理模組200執行，下列部分則由嵌入式運算主機100之運算處理器110執行。

步驟S320：將經過硬體預處理之初達波加速度訊號轉換為初達波之地表速度與地表位移。本實施例中需透過嵌入式運算主機100之運算處理器110執行一積分運算程序，以將初達波加速度訊號轉換為初達波之地表速度與地表位移；若以處理每秒200個初達波加速度訊號來計算，初達波之地表速度與地表位移的數據輸出量亦分別約為每秒200個數值。

步驟S330：得到第一時窗內之一峰值地表位移(Peak Ground Displacement；PGD)。由於以最少時間找出峰值地表位移PGD至關重要，因此第一時窗定義為包含至少一個峰值地表位移所需的時間；而初達波P波之速度為6-7km/s(即初達波週期約6-7秒)，此處所謂第一時窗即可定義約為3-3.5秒，換言之，第一時窗可定義為該初達波的1/2週期。當然時間越長時數據越完整，第一時窗可定義為該初達波的完整週期，以找到更準確的峰值地表位移PGD。

步驟S340：以第二時窗內之地表速度與地表位移計算一地震破裂時間參數τc。在現地型地震即時分析系統具有充足運算能力之前提下，步驟S330與步驟S340並不需區分先後，而可以被平行處理。地震破裂時間參數τc之計算方式為：

其中v為地表速度，u為地表位移，二者均為時間t之函數；t1與t2分別為納入計算的起迄時間。此公式參考2008年Sensors期刊，文章名稱「Development of an Earthquake Early Warning System Using Real-Time Strong Motion Signals」，作者Yih-Min Wu與Hiroo Kanamori。於一實施例中，現地型地震即時分析系統及方法是設定為不斷地計算地震破裂時間參數τc，而能不待任何地震事件的判斷、節省分析與預警的時間。基本上，第二時窗(即t1與t2的時間間隔)越長，越境算出越精確的數值，但同時也會延後地震預警時間、並減少人民疏散時間。其中一個權衡的時間間隔為t2-t1=6-7秒，第二時窗即t2與t1之差等於初達波之一個完整週期。上述公式一之意義為，取t1-t2之時間間距，計算地表速度平方值與地表位移平方值，再將兩者相除、開平方根做為分母，乘以2π即得地震破裂時間參數τc。

步驟S350：計算該地震之一地震規模(Magnitude)。一個例子是以地震破裂時間參數τc計算，公式為：

M=3.088*log(τc)+5.300　(公式二)

將步驟S340中算出之地震破裂時間參數τc代入公式二，即可得到地震規模M。公式二之來源同樣參考Yih-Min Wu與Hiroo Kanamori於Sensors 2008年期刊發表之「Development of an Earthquake Early Warning System Using Real-Time Strong Motion Signals」，但下列原公式經長期與大量實驗後，修正如公式二。

M _w =3.373logτ _c +5.787±0.412　(原公式)

步驟S360：根據該峰值地表位移與該地震規模計算一震央距離。震央距離(R)定義為前述偵測地點(即上述強震儀所在位置)與震央間之距離。於一實施中，震央距離R之計算參考之迴歸公式如下，參考自Yih-Min Wu發表之公式。代入步驟S330取得之峰值地表位移PGD及步驟S350公式二求得之地震規模M，即可得到震央距離R：

log(PGD)=-3.801+0.722M-1.444*log(R)　(公式三)

步驟S370：根據該地震規模M與該震央距離R，計算地震之剪切波在該偵測地點之峰值地表加速度PGA(Peak Ground Acceleration)。參考簡文郁之衰減曲線法，本實施例採用以下公式四計算峰值地表加速度PGA，只要將及步驟S350公式二求得之地震規模M、步驟S360求得之震央距離R代入即可。

PGA=0.00284exp(1.73306M)[R+0.09994exp(0.77185M)]^(-2.06392)　(公式四)

根據所計算出峰值地表加速度PGA數值，可直接判斷是否發出偵測地點現地之地震警報，亦可求得偵測地點之震度。例如依我國震度分級，峰值地表加速度PGA之數值若落於80-250 gal範圍內，即表示該地震的剪切波到達偵測地點時，偵測地點現地將發生震度五級之地震；若為250~400 gal即為震度六級。

請參閱第4圖，其係本發明另一實施例中現地型地震即時分析方法之流程圖。本實施例中，步驟S430、S440、S450、S460、S470與第3圖中之步驟S330、S340、S350、S460、S370相同，差異處在於，因積分運算程序屬於運算量高、耗時且最耗損運算資源之過程，因此將原本方在嵌入式運算模組100計算的積分運算程序去除，而在步驟410中於訊號預處理模組200進行硬體積分程序，由第2圖中訊號預處理模組200之積分電路230執行。如此，可進一步加快整體訊號與數據處理速度。

請參閱第5圖，其係本發明另一實施例中現地型地震即時分析方法之流程圖。本實施例中，步驟S510、S520、S530、S540、S550、S560、S570與第3圖中之步驟S310、S320、S330、S340、S350、S460、S370相同，差異處在於：第5圖多了步驟S580與步驟S590；步驟S570進行一地震預判邏輯以初步判斷此地震是否為一地震事件，步驟S520則執行預設之早期動作。在不同之實施例中，步驟S580可設定為早於或平行於所有嵌入式運算模組100之其他步驟來執行。亦即，其他步驟可視步驟S580之結果，再決定要不要進行；或者不論步驟S580結果如何，其他步驟仍然平行進行，畢竟以既有技術，步驟S580並非百分之百準確。但是，步驟S580仍有其早期預警的效果，其執行仍可收到一定的效益。

步驟S580中之地震預判邏輯可為一優化長短時窗平均值比值法(Optimized STA/LTA Method；Optimized Short Term Averaging over Long Term Averaging Method)。

以下介紹該優化長短時窗平均值比值法。首先令三軸向地震數位信號序列分別為UD _n (垂直向加速度訊號)、NS _n (南北向加速度訊號)與EW _n (東西向加速度訊號)，數據取樣時間為dT，該時間內之短時窗平均值STA(Short Term Averaging)定義如公式五所示：

其中

α=[(UD _n -UD _{n -1})²+(NS _n -NS _{n -1})²+(EW _n -EW _{n -1})²]^1/2

m為該短時窗內所包含的數據量；k為UD _n 、NS _n 與EW _n 三軸加速度訊號取平均後之數據量(n 1)；此短時窗的數據取樣時間長度T _m 為m*dT。

長短時窗平均值LTA(Long Term Averaging)定義如公式六所示：

其中

β=[(UD _n -UD _{n -1})²+(NS _n -NS _{n -1})²+(EW _n -EW _{n -1})²]^1/2

l為該長時窗內所包含的數據量

k為UD _n 、NS _n 與EW _n 三軸加速度訊號取平均後之數據量(n 1)；該長時窗的時間長度T _l 為l*dT。

實際做法為分別擷取長時窗(假定T _l 為10秒)、短時窗(假定T _m 為0.4秒)三軸向之地震加速度訊號，然後取各軸向之取樣點與其鄰近單位取樣點的加速度差值，將其平方加總後並開平方根，依長時窗與短時窗之時間長度求得短時窗信號平均值(STA)與長時窗信號平均值(LTA)。當兩者之比值達到某設定門檻值並持續超出監測時間(假定0.05秒)，即可判定此地震為地震事件；若地震事件發生當下，比值小於前述設定門檻值並持續超出監測時間(假定0.05~10秒)，即判定地震事件結束。

相較於傳統的長短時窗平均值比值法，本實施例之優化長短時窗平均值比值法已根據台灣本島地震觀測經驗數據進行最佳化。

在步驟S580進行地震預判邏輯以初步判斷此地震是否為一地震事件後，步驟S520則執行預設之早期動作。此為預設之早期動作可能包括：進行後續之演算步驟、於系統上顯示早期警示等。

請參考第6A-6B圖，第6A圖係本發明另一實施例中現地型地震即時分析方法之流程圖；第6B圖係第6A圖實施例中初達波與剪切波之傅立葉振幅-頻率曲線圖。為方便說明，第6B圖中各曲線之細部波動被予以平直化。由於剪切波之預估地震主頻對於建築物或結構物之受震分析頗有幫助，本實施例中之現地型地震即時分析系統與方法，能進一步輸出剪切波之預估地震主頻，作為建築物或結構物之受震分析用途。

第6A圖中，步驟S610-S680與第3圖之步驟S310-S380相同，主要差異點在於本實施例中，不論地表速度與地表位移是以硬體(積分電路)或軟體(積分運算程序)方式進行，現地型地震即時分析方法可進一步包含將第一時窗之加速度訊號補足一完整初達波週期所需數據量以進行傅立葉轉換(Fourier Transform)(步驟S690)，並修正初達波之傅立葉振幅-頻率曲線而得到剪切波之預估地震主頻(Estimated Seismic Main Frequency)(步驟S695)。此二步驟由現地型地震即時分析系統中嵌入式運算主機100之運算處理器110執行。

將第一時窗之加速度訊號補足一完整初達波週期所需數據量之方法如下。若初達波加速度訊號擷取頻率為每秒200次、第一時窗為3-3.5秒，累積數據量僅約600-700個；而初達波P波之週期為6-7秒，所需數據量即為1200-1400個。其中一個補足數據量的方法為將第一時窗之加速度訊號予以鏡像處理，即能得到一個完整初達波波形週期；為便於進行傅立葉轉換，於另一實施例中，數據量補足1024個即可進行。

修正初達波之傅立葉振幅-頻率曲線而得到剪切波之預估地震主頻之方法為：將初達波之傅立葉振幅-頻率曲線修正為1/2頻率之初達波傅立葉振幅-頻率曲線，並以1/2頻率之初達波傅立葉振幅-頻率曲線作為預估之剪切波S波之傅立葉振幅-頻率曲線，即可得到剪切波之預估地震主頻。此作法之可靠依據來自長期與大量的實驗驗證，請參考第6B圖，以本發明前述各實施例所述之系統與方法取得之訊號或數據進行分析，以虛線表示的、實測的初達波之傅立葉振幅-頻率曲線，在修正為1/2頻率之初達波傅立葉振幅-頻率曲線後，與實測的剪切波傅立葉振幅-頻率曲線有相近的變化趨勢。因此，可以藉由以1/2頻率之初達波傅立葉振幅-頻率曲線作為預估之剪切波S波之傅立葉振幅-頻率曲線，以得到剪切波之預估地震主頻。

綜合上述實施例，本發明提供一種現地型地震即時分析方法，即時分析某地震於某偵測地點之偵測到之初達波，此方法包含：對於偵測地點擷取之加速度訊號進行硬體預處理；轉換加速度訊號為初達波之地表速度與地表位移；得到第一時窗內之峰值地表位移；以第二時窗內之地表速度與地表位移計算地震破裂時間參數，並藉以計算地震規模；根據峰值地表位移與地震規模計算震央距離；及根據地震規模與震央距離，計算地震之剪切波在偵測地點之峰值地表加速度。

於本發明另一實施例中，提供一種電腦可讀取之儲存媒體，例如為資料光碟、硬碟、快閃記憶體、記憶卡等，其內儲存有多個電腦可執行指令；當這些電腦可執行指令被一現地型地震即時分析系統讀取且執行時，執行前述實施例所說明之現地型地震即時分析方法。此現地型地震即時分析系統包括訊號預處理模組與嵌入式運算模組。此方法包含：對於偵測地點擷取之加速度訊號進行硬體預處理；轉換加速度訊號為初達波之地表速度與地表位移；得到第一時窗內之峰值地表位移；以第二時窗內之地表速度與地表位移計算地震破裂時間參數，並藉以計算地震規模；根據峰值地表位移與地震規模計算震央距離；及根據地震規模與震央距離，計算地震之剪切波在偵測地點之峰值地表加速度。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

10．．．現地型地震即時分析系統

100．．．嵌入式運算模組

110．．．運算處理器

120．．．系統記憶體

130．．．儲存單元

140．．．訊號介面

150．．．匯流排

200．．．訊號預處理模組

210．．．濾波電路

220．．．偏移值去除電路

230．．．積分電路

第1圖係本發明一實施例中現地型地震即時分析系統之系統架構方塊圖；

第2圖係本發明另一實施例中另一現地型地震即時分析系統之系統架構方塊圖；

第3圖係本發明另一實施例中現地型地震即時分析方法之流程圖；

第4圖係本發明另一實施例中另一現地型地震即時分析方法之流程圖；

第5圖係本發明另一實施例中另一現地型地震即時分析方法之流程圖；

第6A圖係本發明另一實施例中另一現地型地震即時分析方法之流程圖；及

第6B圖係第6A圖實施例中初達波與剪切波之傅立葉振幅-頻率曲線圖。

10．．．現地型地震即時分析系統

100．．．嵌入式運算模組

110．．．運算處理器

120．．．系統記憶體

130．．．儲存單元

140．．．訊號介面

150．．．匯流排

200．．．訊號預處理模組

210．．．濾波電路

220．．．偏移值去除電路

230．．．積分電路

Claims (20)

1. 一種現地型地震即時分析系統，即時分析一地震於一偵測地點之偵測到之一初達波(Primary Wave)，以預測該地震於該偵測地點之一剪切波(Shear Wave)，該系統包含：一訊號預處理模組，接收於該偵測地點擷取該初達波之複數加速度訊號，並對其進行一硬體預處理(hardware pre-processing)；及一嵌入式運算主機，接收來自該訊號預處理模組之該等加速度訊號，以計算該剪切波之一峰值地表加速度(Peak Ground Acceleration)；其中，經該硬體預處理之該等加速度訊號被轉換為該初達波之複數地表速度與複數地表位移，以得到一第一時窗內之一峰值地表位移(Peak Ground Displacement)；該嵌入式運算主機更以一第二時窗內之該等地表速度與該等地表位移計算一地震破裂時間參數(Seismic Fracture Time Parameter)，並藉以計算該地震之一地震規模(Seismic Magnitude)；該嵌入式運算主機根據該峰值地表位移與該地震規模計算一震央距離(Epicentral Distance)，並根據該地震規模與該震央距離，計算該地震之該剪切波在該偵測地點之該峰值地表加速度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之現地型地震即時分析系統，其中該嵌入式運算主機根據一地震預判邏輯判定該地震是否為一地震事件。
3. 如申請專利範圍第1項所述之現地型地震即時分析系統，其中該訊號預處理模組包含一濾波電路與一偏移值去除電路，該濾波電路對該等加速度訊號執行該硬體濾波程序，該偏移值去除電路對該等加速度訊號執行該硬體去除偏移值程序。
4. 如申請專利範圍第1項所述之現地型地震即時分析系統，其中該訊號預處理模組包含一積分電路，該積分電路對該等加速度訊號執行一硬體積分程序，以將該等加速度訊號轉換為該初達波之該地表速度與該地表位移。
5. 如申請專利範圍第1項所述之現地型地震即時分析系統，其中該嵌入式運算主機執行一積分運算程序，以將該等加速度訊號轉換為該初達波之該地表速度與該地表位移。
6. 如申請專利範圍第1項所述之現地型地震即時分析系統，其中該嵌入式運算主機包含至少一運算處理器，該運算處理器在本身之一韌體中、或在一磁碟操作系統(Disk Operating System)環境中執行至少一演算法程序以分析該地震。
7. 如申請專利範圍第1項所述之現地型地震即時分析系統，其中該第一時窗定義為該初達波之週期或1/2週期。
8. 如申請專利範圍第1項所述之現地型地震即時分析系統，其中該第二時窗定義為該初達波之週期。
9. 一種現地型地震即時分析方法，即時分析一地震於一偵測地點之偵測到之一初達波，該方法包含：對於該偵測地點擷取之複數加速度訊號進行一硬體預處理；轉換該等加速度訊號為該初達波之複數地表速度與複數地表位移；得到一第一時窗內之一峰值地表位移；以一第二時窗內之該等地表速度與該等地表位移計算一地震破裂時間參數，並藉以計算該地震之一地震規模；根據該峰值地表位移與該地震規模計算一震央距離；及根據該地震規模與該震央距離，計算該地震之一剪切波在該偵測地點之一峰值地表加速度。
10. 如申請專利範圍第9項所述之現地型地震即時分析方法，其中更包含根據一地震預判邏輯判定該地震是否為一地震事件。
11. 如申請專利範圍第10項所述之現地型地震即時分析方法，其中該地震預判邏輯包含一優化長短時窗平均值比值法(Optimized STA/LTA Method；Optimized Short Term Averaging over Long Term Averaging Method)。
12. 如申請專利範圍第9項所述之現地型地震即時分析方法，其中該硬體預處理包含一硬體濾波程序與一硬體去除偏移值程序。
13. 如申請專利範圍第9項所述之現地型地震即時分析方法，其中該硬體預處理包含一硬體積分程序，以將該等加速度訊號轉換為該初達波之該地表速度與該地表位移。
14. 如申請專利範圍第9項所述之現地型地震即時分析方法，其中更包含執行一積分運算程序，以將該等加速度訊號轉換為該初達波之該地表速度與該地表位移。
15. 如申請專利範圍第9項所述之現地型地震即時分析方法，其中更包含將該第一時窗之該加速度訊號補足該初達波之一完整週期所需數據量，以修正該初達波之一傅立葉振幅-頻率曲線而得到該剪切波之一預估地震主頻。
16. 如申請專利範圍第15項所述之現地型地震即時分析方法，其中更包含將該第一時窗之該加速度訊號予以鏡像處理，以補足該初達波之完整週期所需數據量。
17. 如申請專利範圍第15項所述之現地型地震即時分析方法，其中更包含以該初達波1/2頻率之該傅立葉振幅-頻率曲線作為該剪切波之一預估傅立葉振幅-頻率曲線，以得到該剪切波之該預估地震主頻。
18. 如申請專利範圍第9項所述之現地型地震即時分析方法，其中該第一時窗定義為該初達波之週期或1/2週期。
19. 如申請專利範圍第9項所述之現地型地震即時分析方法，其中該第二時窗定義為該初達波之週期。
20. 一種電腦可讀取之儲存媒體，儲存有複數電腦可執行指令，當該等電腦可執行指令被一現地型地震即時分析系統讀取且執行時，執行一現地型地震即時分析方法，以即時分析一地震於一偵測地點之偵測到之一初達波；其中，該現地型地震即時分析系統包括一訊號預處理模組與一嵌入式運算模組；其中，該方法包含：對於該偵測地點擷取之複數加速度訊號進行一硬體預處理，轉換該等加速度訊號為該初達波之複數地表速度與複數地表位移，得到一第一時窗內之一峰值地表位移，以一第二時窗內之該等地表速度與該等地表位移計算一地震破裂時間參數，並藉以計算該地震之一地震規模，根據該峰值地表位移與該地震規模計算一震央距離，以及根據該地震規模與該震央距離，計算該地震之一剪切波在該偵測地點之一峰值地表加速度。