Спосіб попередження об’єктів критичної інфраструктури та населення україни про небезпечні землетруси

Реферат: Спосіб попередження об'єктів критичної інфраструктури та населення України про небезпечні землетруси полягає у розрахунку часових затримок для акселерометрів, що знаходяться поблизу епіцентру землетрусу, із врахуванням глибини та просторового розміщення можливих осередків. Після порівняння із еталонними значеннями приймається рішення про необхідність подання сигналу тривоги. Час спрацювання системи мінімальний і достатній для оповіщення прикордонних областей. Після досягнення сейсмічної хвилі акселерометрів на території України, проводиться додаткова перевірка відповідності фактичної амплітуди розрахунковим значенням та визначається ступінь затухання інтенсивності. UA 114322 U (12) UA 114322 U UA 114322 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі сейсмічного контролю та систем безпеки. Вона може бути використаною для безперервного моніторингу сейсмічної безпеки з автоматичним оповіщенням персоналу потенційно небезпечних виробництв про наближення сейсмічної загрози та попередженням про небезпеку населення, з метою їх завчасної підготовки та забезпечення мінімізації наслідків. Згідно з ДБН В.1.1-12:2014 та картами загального сейсмічного районування ЗСР-2004-А, прогнозована максимальна інтенсивність сейсмічних подій на території України може сягати 9 балів (за шкалою MSK-64). При цьому близько 20 % території знаходяться в зоні впливу 6-9 бальних сейсмічних подій. Загалом до 40 % території України може бути охоплено безпосереднім впливом небезпечних сейсмічних подій і до 70 % спільним впливом землетрусів і підтоплень, зсувів, осідань та інших інженерно-геологічних процесів, які негативно впливають на стійкість споруд [1-4]. Відчутні в Україні землетруси відбуваються в глибокофокусній осередковій зоні Вранча, пов'язаній з вигином Карпатської дуги - областю тектонічного поєднання літосфери Східних та Південних Карпат. Особливістю землетрусів, що виникають у цьому районі, є сильний сейсмічний вплив на великих відстанях від епіцентру. При цьому спостерігається специфічна орієнтація потоку сейсмічної енергії еліпсовидна направленість ізосейст у північно-східному напрямку [5-7]. За останні 200 років відбулося сім сейсмічних подій з інтенсивністю струшувань в епіцентрі, що перевищує 8 балів (І0 = 8,5-10 балів). При землетрусах магнітудою М>7 відчувались струси силою 5-6 балів у Києві, 3-4 бали у Москві і трохи слабше у СанктПетербурзі [5, 8-11]. Наявність на території України великої кількості об'єктів критичної інфраструктури вимагає створення систем раннього оповіщення про потужні землетруси з метою мінімізації негативних впливів на потенційно небезпечні об'єкти. Загалом система попередження про землетруси - система акселерометрів, комунікаційного устаткування, обчислювальних засобів і програмного забезпечення для регіонального оповіщення про сильні землетруси в перші миті після поштовху. Основою для створення таких систем служить різниця в швидкості поширення Р і S хвиль. Руйнівний ефект мають хвилі S, що приходять пізніше Р хвиль, а тому можуть бути попереджені. Інформація про землетрус надходить в обробку для розрахунку ймовірної сили землетрусу і очікуваних наслідків. Якщо в результаті розрахунку виявлено небезпечний землетрус, негайно вмикаються системи оповіщення і тривоги, що часто є достатнім для відключення небезпечних об'єктів та укриття населення. Існує декілька основних способів розміщення вимірювальної частини в системах раннього оповіщення про землетруси. Згідно з одним [патент № CN202886616 (U) - 2013-04-17], розміщення сейсмічних датчиків передбачається безпосередньо біля об'єктів критичної інфраструктури [12-16]. Спосіб оповіщення включає розрахунок граничних значень прискорення Р хвилі у заданих спектрах частот, для формування сигналу тривоги до приходу руйнівної хвилі S. Згідно з іншим [патент № CN101587626 (А) - 2009-11-25], що вибраний як найближчий аналог, мережа сейсмічних датчиків розташовується у безпосередній близькості до сейсмонебезпечного регіону [17-22]. Для швидкого розрахунку енергетичних параметрів осередків землетрусів, об'єднання конфліктуючих вимог швидкодії та надійності інтенсивності використовуються алгоритми на нейронних та Байєсовських мережах [23-25, патенти №№ CN103675914 -12.09.2012, US6169476(B1 - 18.02.1997, ЕР2284576 (В1) - 31.06.2009]. Недоліками розглянутих систем є малий час на оповіщення та складність проведення розрахунків (навчання мереж), яких позбавлений заявлений спосіб. Розрахункова інтенсивність надзвичайно залежна від місцевих умов, що повинно обов'язково враховуватися в розробці моделі для конкретного регіону та забезпечувати низький рівень хибних тривог. В основу корисної моделі поставлено задачу вдосконалення способу раннього оповіщення про землетруси з використанням даних сейсмічних датчиків (акселерометрів), що розміщені в безпосередній близькості до сейсмонебезпечного регіону, та датчиків (акселерометрів і сейсмометрів), віддалених від джерела, шляхом швидких локалізації джерела та визначення інтенсивності. Поставлена задача вирішується тим, що в способі, згідно з яким визначають ступінь небезпеки землетрусу, введено нові суттєві ознаки, а саме критерій глибини та затухання інтенсивності з відстанню. Для оцінки ступеня загрози від сейсмічних джерел з району Вранча в автоматичному режимі необхідно провести локацію джерела (визначити географічні координати та глибину), обчислити енергетичні характеристики джерела (магнітуду та інтенсивність). 1 UA 114322 U 5 10 15 Проаналізувавши всі найбільші землетруси за час інструментальних спостережень (Фіг. 1), встановлено умовний район з координатами +(45,65-45,85)° Пн. Ш. та +(26,2-26,9)° Сх. Д. На площині цей район можна описати у вигляді еліпса, довжини осей якого становлять 8 та 50 км. Центр еліпса знаходиться у точці з координатами +45,75° Пн. Ш. та +26,71° Сх. Д.. Глибини найбільш потужних землетрусів складають діапазон 80-150 км. Таким чином виокремлюється конкретна область у просторі, відносно якої проводяться подальші процедури для оповіщення. Разом з тим відсікаються усі землетруси регіону Вранча, що не несуть загрози території України (райони Фокшани - Бузеу, Галац - Браіла та ін.). (Фіг.6) Маючи набір акселерометрів, розташованих максимально близько до епіцентру визначеної області, можливо визначити інтервали часу, протягом яких будуть закономірними вступи сейсмічної хвилі Р. Вказані інтервали, та розраховані значення прискорень для кожної станції достатні для швидкої початкової оцінки небезпеки землетрусу. При цьому будуть виключені помилкові спрацювання при потужних землетрусах з інших регіонів. Оцінку інтенсивності землетрусу з району Вранча можна зробити за кореляційними співвідношеннями між сейсмічними балами  та піковими прискореннями α, отриманими за фактичними даними:  20 1     lg  . 0,5247  0,039  Передбачається, що макросейсмічні поля описуються моделлю Блейка-Шебаліна з параметром загасання інтенсивності, що залежить від азимута напрямку «епіцентр - пункт-бал» [26, 27]. Взаємовідношення між інтенсивністю сейсмічних коливань в джерелі та інтенсивністю на певній відстані наступне [28]:         lg  , h 25 30 35 40 45 50 55 (1) (2) де  та  - інтенсивності сейсмічних коливань в джерелі та на відстані  від джерела, h глибина джерела,  - коефіцієнт функції азимута. Наявність у виразі (2) глибини, робить його придатним до використання в системі попередження про сейсмічну загрозу. Критерій глибини виступає у ролі селектора, що спрацьовуватиме лише у разі дійсно небезпечних глибинних землетрусів. Згідно з макросейсмічними даними, визначено середнє значення глибин небезпечних для території України сейсмічних джерел з району Вранча, що складає 100 км, при цьому значення коефіцієнта  = 6,4 [29, 30]. Прийнявши відстань до місця розміщення акселерометрів на кордоні з Україною 140 км, отримаємо:  =  - 0,929, (3) тобто, затухання інтенсивності для потужних землетрусів на кордоні буде складати біля одного бала. При іншій різниці (більш швидкому затуханні) вважається, що сигнал дрібно фокусний, та не несе загрози. Порівнюючи показники точності та часу найближчого аналога та заявленого способу шляхом розрахунку різниці часу генерації сигналу тривоги та часу приходу руйнівної сейсмічної хвилі, отримаємо, що заявлений спосіб забезпечує суттєве збільшення оперативності та достовірності передачі тривожної інформації для попередження про землетрус, що є технічним результатом заявленого способу. Суть способу пояснюється кресленнями. Перелік креслень: На Фіг. 1 представлено просторовий розподіл землетрусів регіону Вранча із каталогу ГЦСК за 2000-2015 pp. На Фіг. 2 представлено ізосейсти потужних землетрусів регіону Вранча за даними ГЦСК На Фіг. 3 представлено ізосейсти потужних землетрусів регіону Вранча за даними Інституту геофізики НАНУ На Фіг. 4 представлено розташування на місцевості найбільш віддалених акселерометрів на території Румунії, та акселерометру, розташованого безпосередньо над гіпоцентром. На Фіг. 5 представлено хвильові форми сейсмічного запису акселерометрів Румунії та сейсмічного датчика ГЦСК в Україні від глибокофокусного землетрусу з регіону Вранча На Фіг. 6 представлено візуалізацію часових і просторових параметрів для румунських акселерометрів На Фіг. 7 представлено алгоритм прийняття рішення щодо належності сейсмічної події до небезпечної зони за даними румунських акселерометрів На Фіг. 8 представлено загальний алгоритм системи оповіщення 2 UA 114322 U 5 10 15 20 25 30 35 На Фіг. 9 представлено приклади спрацювання системи оповіщення про виникнення сейсмічного джерела на території Румунії, район гір Вранча з використанням програмного забезпечення для румунських акселерометрів та усієї системи в цілому. Заявлений спосіб реалізується наступним чином. При виникненні землетрусу і досягненні Рхвилею найближчого акселерометра, проводиться оцінка амплітуди сигналу та її порівняння з граничними завчасно розрахованими значеннями, що можуть становити загрозу. При перевищенні встановленого порогу подається попереджувальний сигнал про землетрус. Під час подальшого розповсюдження сейсмічної хвилі та досягненні нею інших акселерометрів, що розташовані безпосередньо біля епіцентру, розраховуються часові затримки приходу Р-хвилі на пункти спостереження. У випадку, коли визначені часові інтервали та виміряні амплітуди відповідають заданим умовам, формується сигнал тривоги для прикордонних територій України. Після досягнення сейсмічної хвилі акселерометрів на території України, проводиться додаткова перевірка відповідності фактичної амплітуди встановленим значенням та визначається ступінь затухання інтенсивності. При позитивному результаті подається сигнал тривоги на об'єкти критичної інфраструктури, при негативному - відбій тривоги. Для набору статистичних даних, визначення відповідності амплітуд акселерометрів інтенсивності та магнітуді, проводиться паралельна обробка сигналів від сейсмометрів (для М