地震预警设计中的若干系统工程问题研究

摘要

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10km的地震，预警盲区的极值是21km，所能预警的震级下限为5.6级。兼顾效率与建设成本，10-20km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(Departmentof 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设架构计相比，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它方面的成果，系统工程对整体设计的启发，其本身也需要与实际相结合。在借鉴其它系统成果的同时，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。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1引言

1．2地震预警的概念

1．3地震预警系统的发展与现状

1．4 地震预警研究现状

1．5选题的背景和意义

1．6 本文的主要工作

第二章地震预警系统建设的几个关键问题

2．1地震预警系统的局限与争议

2．1．1预警盲区与预警震级下限

2．1．2影响地震预警系统效能的关键因素

2．1．3地震预警系统的局限与争议

2．2地震预警系统设计的关键问题

2．2．1地震预警区域选择标准

2．2．2我国地震预警的重点区域选择

2．2．3地震预警系统架构设计的关键

2．2．4地震预警系统的社会风险

2．3地震预警关键技术指标分析

2．3．1中国地震台网现状

2．3．2地震预警关键技术指标

2．3．3我国地震台网密度及数据延时

2．3．4我国地震台网建设的改进方向

2．4本章小结

第三章基于人口和GDP的地震预警系统效能评估

3．1地震预警效能评估的基本要素

3．1．1地震预警有效区域的确定

3．1．2影响地震预警效能的基本因素

3．2九寨沟地震的预警假定情形

3．2．1九寨沟地震基本情况

3．2．2地震预警盲区和影响区域

3．2．3人口及GDP情况

3．3地震预警系统效能评估

3．3．1九寨沟地震预警效能评估

3．3．2九寨沟地震预警的另3种假定情形

3．3．3九寨沟地震假定情形的合理性

3．3．4汶川地震的假定情形

3．4本章小结

第四章以DoDAF设计地震预警系统顶层框架

4．1顶层设计与体系结构概述

4．1．1项层设计的概念及常用方法

4．1．2体系结构方法概述

4．1．3 DoDAF概述

4．1．4基于DM2核心概念的词汇表驱动开发方法

4．2地震预警系统顶层框架

4．2．1全景视点

4．2．2标准视点

4．3本章小结

第五章地震预警系统业务架构与信息化服务

5．1地震预警系统业务架构分析

5．1．1能力视点

5．1．2任务视点

5．1．3系统视点

5．2地震预警信息化与服务分析

5．2．1数据和信息视点

5．2．2服务视点

5．2．3项目视点

5．3 DoDAF对地震预警系统建设的启示

5．4本章小结

第六章地震预警技术成熟度评估

6．1．1技术成熟度的起源与演进

6．1．2技术成熟度在我国的发展

6．1．3技术成熟度评估的几种方法

6．2基于TRL的地震预警技术成熟度评估模型

6．2．1 TRL评价标准

6．2．2地震预警技术分类

6．2．3地震预警技术成熟度评估模型

6．3地震预警技术成熟度评估与讨论

6．3．1我国地震预警技术成熟度评估

6．3．2技术成熟度对工程建设的影响

6．4本章小结

第七章总结、讨论及展望

7．1．研究工作总结

7．2．分析与讨论

7．3．未来展望

附件

参考文献

致谢

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