• Сегодня: Суббота, Июнь 24, 2017

Сейсмическая защита протяженных объектов

Последствия Великого восточно-японского землетрясения 11 марта 2011 года. Магнитуда Mw = 9,1. Глубина гипоцентра 32 км

Авторы:

Константин Кислов
Старший научный сотрудник ИТПЗ РАН, к.ф.-м.н.,

Валентин Гравиров
Старший научный сотрудник ИТПЗ РАН, к.ф.-м.н.


Аннотация

Система раннего предупреждения — один из самых действенных инструментов по снижению ущерба от землетрясений. Даже за несколько секунд до сильного сотрясения можно автоматически принять меры для защиты объектов и жизни людей. Все населенные районы Земли со временем будут покрыты сетями раннего предупреждения. В России первым шагом будет развитие таких систем для защиты важных объектов, для сейсмоопасных районов и для протяженных объектов. Задача — разработать принципы создания минимально достаточной системы с возможностью дальнейшей модернизации и интеграции.


Для целей настоящего исследования под протяженными объектами (ПО) понимаются инженерно-строительные объекты с технологическими устройствами, составляющими с ними единое целое или законченное функциональное единство, предназначенные для транспортирования жидкостей, газов, иных объектов, передачи энергии, сигнала. Т.е. имеются в виду автомобильные дороги, линии электропередач и связи, нефте-, газо- и иные трубопроводы, железнодорожные линии, сети инженерно-технического обеспечения и другие подобные сооружения.

Стратегия экономического развития России подразумевает увеличение нагрузок на ПО, повышения скоростей движения транспорта, ввод в эксплуатацию новых ПО [1, 2, 3]. В настоящее время в России протяженность автомобильных дорог общего пользования составляет около миллиона километров, в том числе автомобильных дорог федерального значения свыше 50 тыс. километров. Длина железных дорог около 90 тыс. км. Протяженность нефтепроводных магистральных трубопроводов составляет почти 50 тыс. км.

В большинстве регионов России катастрофические землетрясения маловероятны на местном уровне, но тем не менее, к сожалению, они происходят. Многие районы России сейсмически опасны [4]. Помимо территорий с высокой естественной сейсмичностью в спокойных районах возможны изменения сейсмического режима, в т.ч. связанные с человеческой деятельностью (выработка месторождений, наполнение водохранилищ, взрывы). С учетом 6- и 7-балльных зон сотрясений доля сейсмоопасных территорий России превышает 20%. При этом во всех сейсмоопасных районах есть ПО. Автомобильные и железные дороги часто проходят по долинам крупных рек и другим местам, соотносимым с активными или потенциально активными разломами. Крупные землетрясения продолжают вносить в нормативные строительные документы свои трагические коррективы [5].

Последствия Великого восточно-японского землетрясения 11 марта 2011 года. Магнитуда Mw = 9,1. Глубина гипоцентра 32 км. (Фото: Yukie Nomura)
Рис. 1. Последствия Великого восточно-японского землетрясения 11 марта 2011 года. Магнитуда Mw = 9,1. Глубина гипоцентра 32 км. (Фото: Yukie Nomura)

Современные технологии позволяют обрабатывать сейсмический сигнал и передавать данные на значительные расстояния быстрее, чем распространяются волны от эпицентра землетрясения. Современные системы раннего предупреждения о землетрясении (СРП) в состоянии генерировать сигнал о том, что сейсмическое событие произошло, таким образом, на защищаемом объекте появляется определенный промежуток времени для экстренных мероприятий до прихода разрушительных волн от землетрясения. В основе СРП лежит более или менее плотная сейсмическая сеть (рис. 1). Осуществляемый мониторинг позволяет получать оперативную информацию о сейсмических событиях. При этом информация может быть получена до сильного сотрясения. При получении тревожного сигнала можно путем автоматических отключений (остановка поездов, включение запрещающих сигналов светофоров, отключение электроэнергии, снижение давления в нефте-, газопроводах и т.д.) значительно снизить материальные и людские потери, избежать экологических катастроф. После события информация мониторинга позволит предварительно оценить объем разрушений, определить необходимые меры спасения и средства восстановления работоспособности протяженного объекта (на рис. 2–5 показаны последствия землетрясений для ПО). Помимо этого СРП может и должна быть задействована в системе сейсмического мониторинга состояния объектов.

Состав системы раннего предупреждения
Рис. 2. Состав системы раннего предупреждения
Разрушения на шоссе №5. Землетрясение в Нортридж 17 января 1994. Магнитуда Ms = 6,7. Глубина гипоцентра 18 км. (Фото: Robert A.)
Рис. 3. Разрушения на шоссе №5. Землетрясение в Нортридж 17 января 1994. Магнитуда Ms = 6,7. Глубина гипоцентра 18 км. (Фото: Robert A.)

Первое вступление землетрясения – P-фаза – обычно волны низкой амплитуды, не наносящие ущерба. После этой фазы от эпицентра приходят более медленные волны S, L и R. Они и являются причиной большей части повреждений. Определив величину землетрясения и расположение его гипоцентра по P-волне с помощью сейсмического датчика, расположенного вблизи эпицентра, мы получаем время для автоматического принятия мер – от нескольких секунд до пары минут. Время предупреждения оценивается на основе годографов для волн S (см. рис. 4).

Время для автоматического реагирования
Рис. 4. Время для автоматического реагирования на тревожный сигнал (слева); годографы волн P и S – зависимость времени прибытия волны от расстояния до объекта (в центре); сейсмограмма землетрясения (справа)

При организации СРП надо учитывать специфику ПО. Зачастую ПО проходят по районам с разным административным подчинением. При этом сейсмические сети тоже могут иметь разных хозяев. А между тем повреждение одного элемента или участка ПО может привести к полной неработоспособности всего объекта или к экологической катастрофе, захватывающей соседние районы. Разные участки и сооружения ПО могут обладать различной сейсмостойкостью, при этом ПО проходит по территориям с разной сейсмичностью. Еще одна особенность СРП ПО состоит в том, что она должна интегрировать данные мониторинга собственной сейсмической сети и региональных сетей, а также использовать сигналы от других служб (Тихоокеанская система предупреждения о цунами, Гидрометцентр, несейсмические системы мониторинга ПО).

Сейчас СРП ПО успешно применяются в Японии (для безопасности на железных дорогах, на автодорогах, для защиты инженерных сетей), Калифорнии (метро в Сан-Франциско и Лос-Анджелесе), Турции и некоторых других местах [6, 7]. Защита других ПО находится на стадии разработки [8]. Помимо этого защита отдельных участков ПО может осуществляться с помощью региональных СРП. Например, в Японии в случае сейсмической опасности водители автобусов получают сигнал к остановке от региональных СРП.

В России системы сейсмического мониторинга, направленные на защиту ПО, развиты слабо. После землетрясения магнитудой 7.3, происшедшего 14 августа 2012 года в Охотском море, решено организовать систему сейсмического мониторинга на участке железной дороги Беркакит–Томмот–Якутск [9]. После землетрясения в Нефтегорске, магнитудой около 7.6, происшедшего 28 мая 1995 года, приведшему к множественным разрывам нефтепровода, на нефтеперекачивающих станциях нефтепровода Восточная Сибирь–Тихий океан (ВСТО) организуется сеть сейсмического мониторинга из 13 станций [10]. Однако подобные системы можно лишь условно причислить к СРП. Для остановки быстро идущего поезда требуется около 1 минуты, для сброса давления в нефтепроводе и того больше. Подобные системы не могут чаще всего обеспечить такой запас времени. Однако факты организации СРП ПО показывают возрастающую актуальность таких систем в России [11].

Организация сетей СРП ПО

Рассмотрим пример Японии (рис. 5). Начало работ по раннему предупреждению относится к 1850-м годам, а начала действовать первая система в 1964 году. СРП была разработана для остановки или замедления скоростных поездов до подхода сильных волн землетрясения. Был использован подход единичных датчиков, т.е. тревога на участке (400 км) железнодорожной линии объявлялась, если на одном из датчиков сейсмической сети станций сигнал превышал пороговое значение (40 см/с2).

Сейсмические сети для защиты ПО
Рис. 5. Сейсмические сети для защиты ПО (железных дорог) в Японии. Расположение сейсмостанций СРП UrEDAS и Compact UrEDAS [12]

Существует две стратегии организации СРП ПО. По первой сейсмические станции устанавливаются вдоль объекта с определенным шагом. Изначально в Японии сейсмометры были установлены через каждые 20–25 км вдоль железнодорожных линий. Эта стратегия позволяет, во-первых, равно контролировать все участки объекта, равновероятно отслеживать не только землетрясения, но и другие стихийные и техногенные катастрофы. Подобные системы удобны еще и тем, что вдоль ПО проще налаживать передачу данных от станций к центрам обработки и сигналов автоматического реагирования на чрезвычайную ситуацию. Также проще осуществлять диагностику повреждений и объем работ по восстановлению работоспособности объекта, мониторинг состояния объекта. Однако этот подход не обеспечивает наиболее быструю оценку параметров землетрясений.

Вторая стратегия рассчитана, прежде всего, на защиту от землетрясений. В этом случае сейсмические станции устанавливаются вблизи эпицентров возможных землетрясений, угрожающих объекту. В этом случае тревожный сигнал может быть передан быстрее, чем распространяются сейсмические волны. Преимущество этой стратегии в том, что значительно уменьшается количество сейсмостанций. К тому же близость станции к эпицентру и удаление ее от объекта обеспечивает дополнительное время для реагирования на тревожный сигнал (рис. 6).

Наилучший вариант – это объединение обеих стратегий.

На сегодняшний день наиболее приемлемой для России является вторая стратегия как первый этап развертывания СРП ПО. Она более дешевая. При этом частично выполняются и функции первой стратегии – определение источника колебаний, определение интенсивности колебаний на различных участках объекта и, следовательно, масштаба разрушений. Очень важно, что предоставляется больше времени до прихода разрушительных волн землетрясения для принятия мер. В системах электропередач предусмотрены системы аварийного отключения, срабатывающие за доли секунды. В газо- и нефтепроводах также предусмотрены автоматические системы аварийного снижения давления. Подключить эти системы к СРП не сложно. Таким образом, увеличение времени для принятия мер особенно актуально для таких протяженных объектов, как железные дороги и скоростные автодороги. Особенно автодороги. На железных дорогах обычно задействованы системы постоянной связи с бригадами поездов, и даже системы автоматического торможения. Например, Комплексное локомотивное устройство безопасности (КЛУБ). На автодорогах об автоматическом торможении приходится забыть. Возможно лишь включение красных сигналов светофоров и организация дополнительных информационных табло, объявления по радио и радиосвязь с водителями рейсовых автобусов.

Расстановка сейсмостанций

В идеале сеть сейсмических станций СРП должна обеспечить мониторинг всего объекта и обеспечить максимально возможное время для действий. Как сказано выше, для этого надо объединить первую и вторую стратегии. На первом этапе в СРП должно быть минимально возможное количество сейсмостанций, установленных по второй стратегии.

Для этого необходимо определить потенциально опасные участки объекта, на которых может сказаться даже относительно небольшое землетрясение (мосты, тоннели, высокие насыпи, лавинные места и т.д.). Выясняется опасная для этих объектов интенсивность землетрясения. Затем следует составить уточненную карту возможных очагов землетрясений [13]. На основании этих данных рассчитывается сеть. В СРП должны быть задействованы и существующие сейсмостанции региональных сетей, даже имеющие датчики разных типов. В этом случае придется исправлять данные, учитывая характеристики приборов. Это затрудняет обработку сигнала и увеличивает затраты времени, но на первом этапе это оправданный шаг.

Кроме землетрясений существуют другие природные катаклизмы, приводящие к повреждениям объектов. Если они могут быть выявлены системой сейсмомониторинга, в опасном районе сеть должна быть организована по первой стратегии.

Бывает, что различные ПО расположены параллельно на небольшом расстоянии друг от друга. В этом случае СРП может обслуживать их одновременно при несущественном изменении конфигурации сейсмической сети.

Если сеть сейсмических станций СРП очень разрежена, то ее работоспособность очень зависит от сейсмического шума [8]. Станции региональных сейсмических сетей, как правило, расположены в местах, по возможности удаленных от любой человеческой деятельности. Тем не менее движение автомобильный и железнодорожных составов, промышленность, горнодобывающая и карьерная деятельность, интенсивно эксплуатируемые сельскохозяйственные районы и многие другие источники искусственного сейсмического шума вокруг сейсмических станций наряду с природными источниками могут приводить к потере данных и нестабильности работы СРП, т.к. при редкой сети, потеря информации даже только одной станции, может вызвать полный отказ системы.

Существует методика обнаружения полезного сигнала (P-волны) в зашумленном сигнале. Она основана на использовании вейвлет-преобразования и искусственных нейронных сетей [14]. Если сейсмическая станция расположена в шумном месте, необходимо применить эту методику.

При правильно расположенных сейсмостанциях СРП ПО может обеспечить:

  • через 4 сек. – тревожный сигнал, если землетрясение представляет опасность;
  • через 12 сек. – расчет интенсивностей сотрясений на разных участках ПО;
  • через 5 мин. – карту возможных повреждений, включая повреждения, вызванные вторичными эффектами (оползнями, лавинами и др.).

Функции

Точность и надежность информации о землетрясении имеет первостепенное значение и может значительно снизить потери от землетрясения. Основные функции СРП ПО – это оценка магнитуды сейсмического события и расположения его гипоцентра, оценка уязвимости объекта и генерация предупреждения в течение нескольких секунд после детектирования начального участка волны Р на одной станции. По первым секундам в режиме реального времени рассчитываются такие параметры, как азимут, преобладающая частота, отношение вертикальной и горизонтальной составляющей; затем оцениваются параметры землетрясения: магнитуда, эпицентральное расстояние, направление на очаг и его глубина. Параметры землетрясения определяются с помощью искусственной нейронной сети. После этого рассчитывается карта интенсивности сотрясений и время до прибытия S-волны для разных участков ПО.

Современные СРП ПО должны обеспечивать:

  • интеллектуальный анализ данных;
  • оперативность и достоверность получения информации при надежных каналах связи;
  • выявление фактов развития деструктивных процессов;
  • автоматический режим оперативного реагирования и генерации предупреждающих сигналов, возможность своевременного принятия управленческих решений;
  • возможность работы в автономном режиме, устойчивость работы во время и после сильных сотрясений;
  • возможность развития, наращивания и интеграции с другими системами.

Системы передачи данных

Эффективная СРП нуждается в эффективной и надежной системе связи, особенно во время катастрофы. Должно быть обеспечено взаимодействие между основными участниками раннего предупреждения, такими как сейсмическая сеть СРП, системы аварийного отключения, лица, принимающие решения, общественность и средства массовой информации.

Избыточность систем связи имеет большое значение при борьбе со стихийными бедствиями. Для их эффективной и надежной работы во время и после стихийного бедствия, чтобы избежать перегрузки сети, частоты и каналы должны быть защищены. В Японии системы оповещения СРП используют общественные коммуникации. Сразу после катастрофического землетрясения 11 марта 2011 года сети трех крупнейших японских операторов связи (NTT DoCoMo, KDDI, Softbank) пострадали, особенно в прибрежных районах. СРП должна опираться на собственную систему связи и использовать общественные коммуникации только для дублирования оповещения.

Передача данных, например, может осуществляться беспроводной системой, построенной на специальных устройствах, которые позволяют передавать трафик Ethernet в частотных диапазонах 2,4-2,7 ГГц и 4,9-6,0 ГГц и обеспечивать пропускную способность трафика до 48 Мбит/с. В таких системах передача данных возможна на расстояния до 80 км, а контроллеры должны сообщаться друг с другом для исключения помех от соседних антенн при помощи синхронизирующего устройства. При построении таких систем обеспечивается более низкая стоимость по сравнению с альтернативными решениями на выделенных и оптоволоконных линиях.

Вся информация о событиях должна сохраняться как фундамент для дальнейших корректировок и тестирования системы.

Автономное питание

Аварийные источники питания и резервные системы имеют решающее значение для обеспечения работоспособности сейсмостанций, систем связи, всей СРП при катастрофических сотрясениях.

Места, в которых необходимо разместить сейсмостанции, далеко не всегда электрифицированы. Строительство системы электроснабжения каждой автономной станции или постоянная замена и подзарядка элементов питания предполагают значительные материальные затраты. Поэтому актуальным будет использование возобновляемых источников энергии, таких как ветер, солнце. Обеспечение автономного энергоснабжения особенно важно для участков ПО, пролегающих вне густонаселенных районов России.

Принимаемые меры

Краткосрочные предупреждения включают автоматизированные системы, которые могут использовать несколько секунд, чтобы остановить или замедлить поезда, включить красные сигналы светофоров, отключить электроэнергию, закрыть газовые вентили и линейные задвижки на нефтепроводах, оповестить широкие слои населения и т.д.

СРП рассчитывает интенсивность землетрясения в каждой точке ПО. По интенсивности определяется возможный ущерб и организуются аварийно-спасательные и восстановительные работы.

Использование нейросетевого классификатора позволяет по сейсмическим сигналам идентифицировать такие процессы, как оползни, обвалы, сели, просадки, схлопывание карстовых полостей, абразия морских берегов, лавины, мерзлотные явления, взрывы. Каждое из этих явлений может нарушить работу ПО.

Заключение

Раннее предупреждение помогает уменьшить людские и экономические потери, избежать экологических катастроф путем предоставления информации о стихийном бедствии. Общая мировая тенденция состоит в том, что все населенные районы Земли будут покрыты сетями СРП [15]. Первым шагом в этой работе в России будет развитие СРП для защиты критически важных объектов для сейсмоопасных районов и для ПО. Бывает, что различные ПО расположены параллельно на небольшом расстоянии друг от друга (рис. 6). В этом случае СРП может обслуживать их одновременно.

Основные ПО на фрагменте карты периода повторяемости сейсмического эффекта ОСР-97D
Рис. 6. Основные ПО на фрагменте карты периода повторяемости сейсмического эффекта ОСР-97D

Большая часть территории России имеет сейсмичность, которая с глобальной точки зрения является низкой, но не является ничтожно малой. Землетрясения происходят повсеместно и влекут за собой разрушения и жертвы. Важно, чтобы СРП разрабатывались как начальная стадия общей программы, чтобы отдельные системы имели возможность модернизации и интеграции в общую систему. СРП нуждается в соответствующем стандартизированном решении.

СРП не начинает работать по мановению волшебной палочки. После построения системы несколько лет уходит на ее обучение, наладку и тестирование. При этом очень важно как можно раньше начать накопление данных и апробацию методов. Существует метод обучения системы с помощью синтетических сейсмограмм, но обучение и тестирование системы на реальных данных всегда дает более качественный результат.

Другая цель СРП – предварительная оценка разрушений для принятия мер по помощи и восстановлению объекта. Важно иметь четкое представление о возможных убытках вскоре после события.

Наконец, сейсмическая сеть СРП применяется для постоянного мониторинга ПО, что помогает избежать работ по капитальному ремонту, обнаруживая критические нарушения на ранней стадии.

Система должна быть применима к другим видам стихийных бедствий и использоваться в защите других видов инфраструктуры, таких как точечные объекты и территории.

Необходимо, чтобы вся система работала в полностью автоматическом режиме и была максимально надежной, особенно во время и после сильных сотрясений, несмотря на минимальную плотность сети. Но необходимо признать возможность ложной тревоги и пропуска события. Организации, которые используют систему, должны понимать этот риск.

Наша работа основана на крупных достижениях в области сейсмометрии, информационно-коммуникационных и компьютерных технологий. Цель нашей работы – разработка научно-технического задела по перспективным технологиям в области СРП ПО, разработка «типовых» интеллектуальных систем мониторинга состояния ПО, позволяющих анализировать их состояние и принимать своевременные решения по обеспечению безопасности. Тем не менее многие пробелы в технологии раннего предупреждения все еще существуют, и многое еще должно быть сделано, чтобы разработать, построить, внедрить и полностью наладить такую систему.


Литература

  1. Национальная программа модернизации и развития автомобильных дорог Российской Федерации до 2025 года.
  2. Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года (утв. распоряжением Правительства РФ от 17.06.2008 № 877-р).
  3. Энергетическая стратегия России на период до 2020 года (утв. распоряжением Правительства Российской Федерации от 28 августа 2003 года № 1234-р).
  4. Природные опасности России / Под ред. В. И. Осипова, С. К. Шойгу. Т. 2. Сейсмические опасности. М.: Крук, 2000. 295 с.
  5. Уломов В.И. Сейсмическая опасность и «синдром» землетрясений // Медицина катастроф. 1996. № 1 (13). С. 72–80.
  6. Nakamura Y. & Saita J. UrEDAS, the Earthquake Warning System: Today and Tomorrow // In P. Gaspsrini, G. Manfredi, J. Zschau (eds) Earthquake Early Warning Systems. 2007. Berlin; Heidelberg: Springer. P. 249–281.
  7. Erdik M., Şeşetyan K., Demircioğlu M.B., Zülfikar C., Hancılar U., Tüzün C., Harmandar E. Rapid Earthquake Loss Assessment After Damaging Earthquakes // Chapter 2 in Perspectives on European Earthquake Engineering and Seismology (ed. A. Ansal), V.1. 2014, Springer, 650 p.
  8. Hilbring D., Titzschkau T., Buchmann A., Bonn G., Wenzel F., Hohnecker E. Earthquake early warning for transport lines // Nat Hazards., Springer Science+Business Media B.V. 2010. 31p.
  9. Научная сессия в Минтрансе Республики Саха (Якутия), 2012 http://sakha.gov.ru/node/84468
  10. Коломейцев С. Дрожь земли //Амурская правда. 13 июня 2014.
  11. Система контроля сейсмических воздействий // ZETLAB, ЗАО «Электронные технологии и метрологические системы» http://www.zetlab.ru/support/articles/seismo/pipe.php
  12. Nakamura Y. UrEDAS, Urgent Earthquake Detection and Alarm System, Now and Future, in 13th World Conference on Earthquake Engineering (Vancouver, B.C., Canada, 1–6 August 2004). Paper No 908. 9 p.
  13. Кислов К.В., Гравиров В.В., Новикова О.В. Раннее предупреждение о землетрясениях и других природных и техногенных бедствиях для России // XIII Научно-практическая конференция «Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций». Доклады и выступления. 2014. С. 309–316.
  14. Gravirov V., Kislov K., Gravirova L., Vinberg F. The Use of Wavelet Transformation Techniques in Structure of an Artificial Neural Network for Recognition of Early Arrival of Earthquakes on Strongly Noisy Seismic Records // Book of Abstracts CTBT: Science and Technology, 2013, T3-P132. Р.139.
  15. Kislov K.V., Gravirov V.V., and Novikova O.V. Seismic early warning for Russia // Proceedings of the 10th Intl Conf. «Problems of Geocosmos» (Oct 6–10. 2014. St. Petersburg, Russia) / Ed. by V. N. Troyan, N. Yu. Bobrov, A. A. Kosterov, A. A. Samsonov, N. A. Smirnova, and T. B. Yanovskaya, St. Petersburg State University, St. Petersburg, Petrodvorets, 2012. Р. 194–199.
Константин Кислов

Старший научный сотрудник ИТПЗ РАН, к.ф.-м.н.