[發明專利]一種用于手機地震預警的大批量生成手機記錄的地震數據的方法

在審

• 申請號: 202011383122.5
• 申請日: 2020-12-01
• 公開（公告）號: CN112649841A
• 公開（公告）日: 2021-04-13
• 發明（設計）人: 鄭增威;石利飛;孫霖;趙莎;侯建民;董霖;方毅;劉杰;李石堅;潘綱
• 申請（專利權）人: 浙大城市學院;浙江大學;中國地震臺網中心;每日互動股份有限公司
• 主分類號: G01V1/24
• 分類號: G01V1/24;G01V1/28
• 代理公司: 杭州九洲專利事務所有限公司 33101
• 代理人: 張羽振

1.一種用于手機地震預警的大批量生成手機記錄的地震數據的方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、使用振動臺來模擬地震,構造TMAP所需數據集；

步驟2、設計TMAP轉換方法；

步驟3、使用振動臺實驗中固定場景采集的數據來驗證有限脈沖響應模型；

步驟4、使用振動臺實驗中自由場景采集的數據來驗證滑移模型；

步驟5、在多種地震情況下測試步驟2設計的TMAP轉換方法的性能。

2.根據權利要求1所述用于手機地震預警的大批量生成手機記錄的地震數據的方法，其特征在于，步驟1具體包括如下步驟：

步驟1.1、選出多個原始地震站記錄的地震數據和多個手動生成的數據作為振動臺模擬實驗的輸入數據；振動臺根據振動臺模擬實驗的輸入數據來模擬地震；

步驟1.2、在振動臺上固定兩個強震儀，將兩個強震儀放置在振動臺上距離最遠的兩個對角位置，將強震儀記錄的振動數據認為是振動臺的真實振動；

步驟1.3、開發適用于智能手機的地震動采集軟件，地震動采集軟件使智能手機分別在固定場景和自由場景下以固定采集頻率收集自己的三軸加速度數據；當振動臺運行時：在自由場景下，多部智能手機被自由擺放在振動臺上；在固定場景下，多部智能手機被固定在振動臺上；

步驟1.4、在自由場景下，將振動臺模擬實驗的輸入數據模擬兩遍；在固定場景下，將振動臺模擬實驗的輸入數據模擬一遍，通過固定場景下采集的自身三軸加速度數據來分析由于智能手機的精度造成的差異。

3.根據權利要求1所述用于手機地震預警的大批量生成手機記錄的地震數據的方法，其特征在于，步驟2具體包括如下步驟：

步驟2.1、設在t時刻，強震儀的垂直加速度為a_av(t)，智能手機的垂直加速度為a_pv(t)，強震儀的水平加速度為a_ah(t)，強震儀的速度為v_ah(t)，智能手機的水平加速度為a_ph(t)，智能手機的速度為v_ph(t)；其中a_av(t)和a_pv(t)均為標量，a_ah(t)、v_ah(t)、a_ph(t)和v_ph(t)均為二維向量；設：

A_av＝(a_av(1),a_av(2),…,a_av(T))

A_ah＝(a_ah(1),a_ah(2),…,a_ah(T))

A_pv＝(a_pv(1),a_pv(2),…,a_pv(T))

A_ph＝(a_ph(1),a_ph(2),…,a_ph(T)) (1)

(A^TMAP_pv,A^TMAP_ph)＝TMAP(A_av,A_ah) (2)

設(A_av,A_ah)為強震儀記錄，將(A_pv,A_ph)記為智能手機記錄；(A_av,A_ah)和(A_pv,A_ph)都包含T個時刻的加速度信息；將使用TMAP轉換方法轉換后的數據(A^TMAP_pv,A^TMAP_ph)記為TMAP記錄，TMAP記錄就是生成的智能手機質量數據；

步驟2.2、構造有限脈沖響應模型：使用有限脈沖響應模型來獲得智能手機記錄數據和強震儀記錄數據之間的差異；將智能手機的每個軸都視為一個動態系統，并將實際地面運動數據作為該動態系統的輸入，將智能手機記錄數據作為該動態系統的輸出；根據強震儀記錄數據和智能手機記錄數據，為智能手機的三個軸分別訓練一個有限脈沖響應模型：

(A^TMAP_pv,A^TMAP_ph)＝FIR(A_av,A_ah) (3)

上式中，(A^TMAP_pv,A^TMAP_ph)為生成的智能手機質量數據(TMAP記錄)，FIR()包含智能手機的三個軸各自的有限脈沖響應模型，每個有限脈沖響應模型僅處理其對應軸的數據；

步驟2.3、構造滑移模型：智能手機在垂直方向上的移動不受智能手機滑動狀態的影響，智能手機的垂直加速度始終等于地面的加速度：

a_pv(t)＝a_av(t) (4)

上式中，a_pv(t)為智能手機的垂直加速度，a_av(t)為強震儀的垂直加速度；假設地面與智能手機之間的靜態摩擦系數和動態摩擦系數分別為μ_s和μ_d，重力加速度為g，智能手機的質量為m，智能手機加速度傳感器的采樣時間為Δt，手機相對于地面處于靜止狀態；在這種情況下，智能手機記錄(A_pv,A_ph)和強震儀記錄(A_av,A_ah)相同,滿足：

a_ph(t)＝a_ah(t) (5)

上式中，a_ph(t)為智能手機的水平加速度，a_ah(t)為強震儀的水平加速度；

步驟2.3.1、當a_ah(t)μ_s(g+a_av(t))時，下式(6)不再成立：

m·a_ah(t)μ_sm(g+a_av(t)) (6)

上式中，m為智能手機的質量，a_ah(t)為強震儀的水平加速度，μ_s為地面與智能手機之間的靜態摩擦系數，g為重力加速度，a_av(t)為強震儀的垂直加速度；智能手機將開始相對于地面滑動，在水平方向上，智能手機僅受智能手機與地面之間的動態摩擦力影響；智能手機的水平加速度a_ph(t)向量的方向始終與動摩擦力的方向相同，并且智能手機的水平加速度a_ph(t)的大小始終等于動摩擦力的絕對值：

|m·a_ph(t)|＝|μ_dm(g+a_av(t))| (7)

推導得：

上式(7)至式(8)中，m為智能手機的質量，a_ph(t)為智能手機的水平加速度，μ_d為地面與智能手機之間的動態摩擦系數，g為重力加速度，a_av(t)為強震儀的垂直加速度，

步驟2.3.2、將時間t處的地面相對于智能手機的速度和加速度分別表示為Δv(t)和Δa(t)：

Δv(t)＝v_ah(t)-v_ph(t) (9)

Δa(t)＝a_ah(t)-a_ph(t) (10)

根據地面相對于智能手機的加速度和速度之間的關系，近似得出以下方程：

Δv(t+Δt)≈Δv(t)+Δa(t)·Δt (11)

上式中，Δv(t)為地面相對于智能手機的速度，Δa(t)為地面相對于智能手機的加速度，Δt為時間變化量；由于智能手機的動態摩擦力方向與Δv(t)的方向相同，則智能手機的水平加速度a_ph(t)的方向也與地面相對于智能手機的速度Δv(t)一致；則在時間t+Δt內的智能手機水平加速度為：

上式中，μ_d為地面與智能手機之間的動態摩擦系數，g為重力加速度，a_av(t+Δt)為時間t+Δt內強震儀的垂直加速度，Δv(t+Δt)為時間t+Δt內地面相對于智能手機的速度；因此：

Δa(t+Δt)＝a_ah(t+Δt)–a_ph(t+Δt) (13)

上式中，Δa(t+Δt)為t+Δt內地面相對于智能手機的加速度；a_ah(t+Δt)為時間t+Δt內強震儀的水平加速度；a_ph(t+Δt)為時間t+Δt內的智能手機水平加速度；

步驟2.3.3、將式(9)中Δv(t)和Δa(t)的初始值都設置為0，已知在任何時間t處的a_ah(t)和a_av(t)的值，然后根據式(9)至式(13)，進一步從Δv(t)和Δa(t)得到Δv(t+Δt)和Δa(t+Δt)，然后通過反復迭代獲得任何時間t的Δv(t)和Δa(t)；

步驟2.3.4、通過以下等式獲得智能手機的加速度：

a_ph(t)＝a_ah(t)-Δa(t) (14)

上式中，a_ph(t)為智能手機的水平加速度，a_ah(t)為強震儀的水平加速度，Δa(t)為地面相對于智能手機的加速度。