第三章 城市灾害极早期预警技术综述

第一节 城市灾害极早期预警技术的现状

尽管国际上对城市灾害极早期预警没有明确的定义，但是面对各种城市灾害各国还是在一些领域开展了极早期预警技术方面的研究。

一、日本地震预警系统[10]

日本经济发达、人口密集，同时又是地震多发国家，长期遭受地震的严重威胁。在37万平方千米的国土面积上，居住1.3亿人口，探测查明活动断层有300多条，发生的7级以上地震约占全球的11%。

日本为实现地震预警和烈度速报两大功能，建设用于地震预警的专业台站1000多个，用于烈度速报的烈度计站点4000多个，台站平均密度108个/万平方千米，其中预警台网平均台间距18.7千米，烈度速报台网平均台间距10千米。

日本从20世纪90年代初，着手建设基于地震动观测数据的地震烈度速报系统，已经建成了由4384个烈度观测站组成的全国地震烈度速报台网。1996年，开始全部实现计测烈度，依靠烈度速报台网，日本可以在中强地震发生后2～3分钟给出日本各地的仪器烈度和地震动峰值等，并通过网络、电视、广播等向政府有关部门和公众发布。日本地震烈度观测站点的平均间距为10千米，即使不进行理论插值也能给出比较详细的烈度分布。日本“3·11”特大地震发生后2 ·33·分钟，日本气象厅即在其网站上发布了仪器烈度速报图，并在7分钟、15分钟时给出了更详细的烈度分布，使政府在第一时间内快速把握了灾情分布和重灾区位置，为政府应急救援决策和行动实施提供了重要的科学依据。

日本是世界上最早建立地震预警系统的国家，也是目前地震预警工作应用最广泛、取得减灾实效最多的国家。在20世纪50年代后期即开始有关研究和系统建设。从2003年开始，日本利用约800个Hi-net台网台站和200余个JMA台站，着手研究建设全国性地震预警系统“紧急地震速报系统”。该系统自2004年2月起开始在线测试运行，并于2006年8月开始向特定用户团体（如煤气公司等）提供预警，2007年10月1日起向普通国民提供预警信息。日本公共预警发送方式多种多样。NHK通过其9个电视台与广播台发布预警，同时有122个私营电视台和59个广播台发布预警信息。日本全国瞬时警报系统（J-Alert）也对市政当局发布预警，目前有226个市政当局安装J-Alert接收器。102个机构利用公众扩音系统发布地震预警信息，3个移动电话公司为其用户提供免费预警信息服务，估计有2100万人能通过手机接收到预警信息。除了公共预警外，大批单位用户接收预警并将信息引入自动控制与应急反应系统中。部分铁路公司、工厂、建筑工地、大型公寓、学校、商场、医院等均能获得预警信息。2011年，日本“3·11”特大地震发生后，紧急地震速报系统运行良好，在地震发生后而破坏性地震波尚未传播到陆地时及时发出了警报信息。

二、瑞士ASD535吸气式空气采样极早期火灾预警系统

瑞士Securitas安全集团下属公司Securiton公司的ASD535吸气式空气采样极早期预警系统采用主动探测方式，将采样空气通过吸气泵吸入探测器进行分析。由于探测器采用了高能红外LED光源，其灵敏度相当于普通烟感的1000倍，低温使用达到-30℃；探测器分析的空气样品由传统的被动方式采样改为主动管道吸气输送的方式。其双通道探测器ASD535-4的探测管长度最长可达400米，可开60个满足中、高灵敏标准的采样孔（依据GB15631-2008要求）；单通道探测器ASD535-3可开30个满足中、高灵敏标准的采样孔。因此，可以在火灾极早期迅速探测到火情，以便安全人员及时采取相应措施，以降低各种损失和人民生命安全危险。ASD535可以在火灾的最初期发现火情。

传统的火灾报警装置通常在可见烟阶段才能探测到烟雾，发出报警信息。而此时的火情已造成了巨大的经济损失。如果使用ASD535就可以在不可见烟阶段极早探测到险情，并有效利用不可见烟到产生可见烟这段时间，及时控制火灾的发生和延续。还可根据需要设置，在探测器达到火警的时候启动自动灭火装置，从而在火灾初期遏制火灾的进程。

ASD535可以在火灾的最初期发现火情。图3-1说明了过程。它可以在不可见烟阶段提供多达三级的预警信息。可根据需要设置，在探测器达到火警的时候启动自动灭火装置，从而在火灾初期遏制火灾的进程。

ASD535吸气式空气采样极早期预警系统由采样管网和探测器主机两大部分组成：

（1）采用高能红外LED光源，既有非常高的灵敏度，又具有宽广的环境适应性和经济性。其灵敏度范围为0.002% 10% obs/m；而其工作环境为-30℃ 60℃。

（2）每个探测器对应一个独立的空气流量传感器。各种气流故障可得到监控。采样管的破裂或堵塞都会产生气流故障报警，而对气流故障的报警阈值可以通过监控软件进行自由设置。

（3）系统采用瑞士独有的专利技术“Lint-Filter”灰尘粒子抑制技术，可以有效地避免灰尘对烟雾探测器的误报等困扰。

对于重要的通信和数据交换设施，尽早发现火情是避免和减少损失的最直接、最重要的手段。吸气式感烟火灾探测技术可以在火灾的阴燃阶段持续、可靠地进行探测，从而提供极早期的烟雾探测报警。传统通信设施如大型通信中心、网络数据中心以及公司的数据中心或其他服务于社会或重要程序的关键场所都采用了这种技术。

显然瑞士Securiton公司的ASD535吸气式空气采样极早期预警系统，就是利用火灾发生早期微量烟雾粒子识别技术实现火灾极早期预警。

用于设备监控时，采用REK511对每个机柜或者每一排机柜进行监控定位，这样ASD535-3的30个采样孔可以监控15个左右的机柜（或者15排机柜）;ASD535-4的60个采样孔可以监控30个左右的机柜（或者30排）。具体见图3-3。

三、法国基于光谱分析的极早期预警系统

法国开发出一款基于光谱分析的红外超光谱成像设备，可以对敏感区域进行24小时固定式或移动式独立监视，视角80°，监控距离超过2.5千米。

实际上法国开发的基于光谱分析的红外超光谱成像设备，是本书“第五章城市灾害极早期基于光谱分析的预警技术”中介绍的极早期预警中光谱分析的一个应用。

这种设备可应用在下述方面：

（1）地面远程监测，对敏感区域进行24小时固定式或移动式独立监测。

（2）机载远程监测，挂载在直升机、无人机或固定翼飞机上对偏远地区、无人区进行快速监测。

在工业应用上，设备主要用于工业烟囱废气排放、危害气体泄漏监控和地质光谱研究。系统的红外超光谱探头可以工作在长波段（8μm 12μm）和中波段（3μm 5μm），可以实现100多个光谱点的数据采集。

该设备的核心技术在于巧妙地采用多个工作在不同波段的中远红外传感器实现宽频段的气体吸收光谱识别，可适应于对多种不同气体的识别。另外，在2.5千米远距上需要考虑大气中氮、氧、二氧化碳、水蒸气等气体对提取泄漏气体红外吸收光谱的影响，建立了相应的处理数学模型。

对厂区的甲烷、二氧化碳和臭氧含量的监视图像，见图3-4。

系统前端成像仪工作在3个波段，每个场景分解出不同波长的图像，见图3-5。