创新科技 保障人类生命安全

刘岩松+舒鹏

侬建新，1954年6月生于云南省西畴县，法学学士，2007年进修完所有课程，成绩合格结业于清华大学继续教育学院计算机应用技术硕士课程研究生班。高级讲师、云南省特级教师，中国共产党党员。首届中国金榜技术与产品博览会金奖获得者。由于看到地震给人类的生命和财产安全造成极大的威胁，于是下定决心研制一种能够及时预报地震的仪器，经过潜心研究，“地震测控仪”终于问世了。

地震突发性强，猝不及防，是瞬时突发性的社会灾害，一次地震持续的时间往往只有几十秒，在如此短暂的时间内造成大量的房屋倒塌、人员伤亡。可以在几秒或者几十秒内摧毁一座文明的城市，能与一场核战争相比。地震灾害破坏性大，成灾广泛、伤亡惨重、经济损失巨大，它所造成的社会影响也比其他自然灾害更为广泛、强烈，往往会产生一系列的连锁反应，对于一个地区甚至一个国家的社会生活和经济活动会造成巨大的冲击。它波及面比较广，对人们心里上的影响也比较大，这些都可能造成较大的社会影响。

1976年的唐山大地震，现在提起来都让人心有余悸，里氏7.8级，又是发生在深夜，市区80%的人来不及反应，被埋在瓦砾之下，所有的建筑物均几乎都荡然无存。地震共造成24.2万人死亡，16.4万人受重伤；毁坏公产房屋1479万平方米，倒塌民房530万间；直接经济损失高达54亿元。全市供水、供电、通讯、交通等生命线工程全部破坏，所有工矿全部停产，所有医院和医疗设施全部破坏。

2008年5月12日，一场毁灭性的大灾难突然而至，四川省汶川县发生里氏8.0级地震，造成69，227人遇难，374，643人受伤，17，923人失踪。是中华人民共和国成立以来破坏力最大的地震，也是唐山大地震后伤亡最惨重的一次。专家称汶川地震相当于几百颗原子弹的能量，可见地震威力之大，造成的伤害是不可挽回的。

为何在科技如此发达的今天，我们还是对地震束手无策呢？最主要的原因是地震灾害的防御难度非常大。与洪水、干旱和台风等气象灾害相比，地震的预测要困难得多，地震的预报已经成为一个世界性的难题，攻克这一难题刻不容缓。

攻克技术难关，寻找研究关键点

在我国，除了唐山和汶川的大地震，还有河北邢台、云南的玉溪、丽江等全国其它地区发生多次强烈的地震。这些地震不仅造成了重大的人员伤亡和经济损失，还给经历过地震的人们的心理留下了阴影，严重影响了人们的心理健康。

这些被云南省文山市圣翔电子科技有限公司总工程师侬建新看在眼里，想在心里。一股强烈的责任感迫使他下决心一定要为人民的幸福安康做出一点事业来，并发誓一定要研究地震预警装置。

有想法很简单，但是真正实施起来就相当的困难。要研究地震监测预警装置，首先要了解地震发生的现象和发生的原理。侬建新介绍说地震的现象可以总结为三方面：

第一，地震发生的范围太广，范围大到有些地方简直无法去直接监测。

第二，地震的震源在地表的下面很深，一般都在地下几公里到几十公里。而几公里到几十公里下面究竟发生了什么？根本无法直接了解到。

第三，从地震监测装备的技术水平来讲，以往的设备技术水平，和地震监测要求存在着很大的差距。

地震震源造成在地震波传播路径上的地表物体运动加速度与距离的平方成反比。也就是说，我们大致可以这样认为：假如距离震源二十公里处地表物体运动的加速度为每秒十米，那么到距离震源四十公里处，物体运动的加速度将减弱为每秒十厘米。照此推算到距离震源八十公里处地表物体运动的加速度将减弱为每秒一毫米。

我们也可以大致这样理解：发生6～7级震中烈度为Ⅸ度的地震，震中距50公里，水平峰值加速度将达到约每秒十厘米。如果要在初始段作预警，根据侬建新等人对2013年四川雅安芦山地震数据所做的分析计算，震中距30公里初始段加速度平均值每秒31.02299624厘米占峰值的0.031023。震中距50公里每秒十厘米乘以0.031023等于每秒0.31023厘米。而根据他们实际检测日常生活中汽车、拖拉机等机械经过时，在三十米距离上，造成的地表物体运动的加速度大约每秒两毫米。要在这两种强度相当并混杂在一起的微弱信号中把地震信号分离出来，就是作地震预警面临的难题。如果使用达不到这个指标的技术装备，就谈不上地震预警。我们能用GPS卫星定位来做地震的监测预警吗？答案是否定的。GPS卫星定位精度约10米左右。而我们需要检测出几个毫米的位移，显然这种手段是不可取的。

攻克难关，得出重要理论依据

侬建新说，要研制地震预警装置，首先要攻克地震预警的技术难关，于是他们开始了艰苦的攻关历程。以往地震检波器本身具有固有的技术特征。常用的地震检波器大致有这样几类。第一类，机械式地震检波器；第二类，半导体式地震检波器；第三类，电磁式地震检波器。

机械式的地震检波器没有电信号输出，不适合用来做实时地震数据的分析计算。

半导体式的检波器由于它本身存在较大的热噪声，在地震信号微弱时容易造成设备的分辨率降低而无法工作。一般半导体加速度传感器的灵敏度为两到八个g。灵敏度两个g十位的传感器，每个单位灵敏度LSB为0.002g（大约为每秒19毫米）。在常温下这种传感器的热噪声大约为百分之五，即固有（2g×5%=0.1g）的热噪声信号。这个（0.1g/0.002g=50LSB）热噪声信号是直接输出的，可以用数字电路读出；它比需要监测的（每秒0.31023厘米以下）地震信号大得多，可以直接把有用的地震信号淹没掉。

电磁式地震检波器的基本原理是在检波器里放置一个磁铁，在磁铁的磁回路上安置一个弹性连接并且能和磁铁做相对运动的线圈。当电磁式地震检波器受到振动时，线圈感应输出信号电流，这就是电磁动圈式地震检波器，它在地质勘探上得到了广泛的应用。电磁式地震检波器的这种结构已经沿用了一百多年。

为了使电磁式地震检波器能够适应地震波的低频特点，人们想了很多办法来增加线圈和线圈架的质量。但是，另一方面根据牛顿第二运动定律可知物体运动的加速度跟物体受到的作用力成正比，跟物体的质量成反比。在地震检波器线圈受到的作用力不变时，它运动的加速度与它的质量成反比。地震检波器线圈质量越大检波器输出的信号就越小。在电磁动圈式地震检波器中兼顾地震波的低频特点和提高检波器的灵敏度是相互矛盾的。能做出灵敏度提高几倍的电磁动圈式地震检波器算是很不错的技术了。这种思维模式也困扰了科学家很多年。经过多年的探索，侬建新用逆向思维思考，如果在电磁式地震检波器中让线圈固定，让质量大得多的磁铁相对线圈做运动。这就是动铁式地震检波器。这样一来电磁式地震检波器的缺点就变成了优点。

地震的震源释放出来的能量最终要以它周围的物体做功的形式来消耗掉。在震中距为特定值的一个点上，物体做的功等于力乘上距离，力等于质量乘以加速度。在特定的点上地震造成某物体的加速度是一个定值。它的质量越大所做的功也就越大。在动铁式地震检波器中质量越大的磁体，它所做的功也越大，这部分功最后转换为信号电流输出也就越大。动铁式地震检波器这种能量的转化输出现象，与原来的动圈式地震检波器刚好相反。这样就可以很容易的增加动铁式地震检波器磁体的质量和线圈的尺寸。将电磁式地震检波器的灵敏度和信噪比提高几十倍。这是一个划时代的进步，使地震波的监测和分析在复杂的环境中实现；使我们能在地震的起始阶段作出预警，更有意义的是“小震闹，大震到”，凭借高灵敏度和高信噪比，可以在大震数天前就作出预警。

创新发明，攻克世界性难题

有了专业的理论依据，侬建新带领研究团队潜心研究，2009年，国内首台地震临震报警仪模型问世。为了让它能够用工厂批量生产，他们一方面成百上千次的修改设计图纸，另一方面跑云南各地以及上海、深圳等地有关的工厂，反复协商、修改、制作，同时他们自己动手研发各种零部件样品。终于开发出了全新的“地震测控仪（又名：新型地震临震报警仪）”，获得了中华人民共和国国家知识产权局的认定，获得中国发明专利（专利号：ZL 2011 1 0258852.7）、中国实用新型专利（专利号：ZL 2011 2 0328635.6）和部件外壳结构设计专利（专利号：ZL 2012 2 0570671.8）等三项专利证书。地震测控仪的诞生，标志着我国地震提前预警工作迈上了新的台阶，在地震科学界谱写了新的历史篇章。

地震测控仪应用“高灵敏动铁式地震纵波检波器”尖端科学技术原理，对地震进行测控。分为模拟通道和数字通道两类。分别叫做地震临震报警仪和数字式地震测控仪。模拟通道直接应用监测信号控制报警系统；数字通道将监测信号数字化后，可准确鉴别普通震动与地震波。该仪器具有灵敏度高、抗干扰能力强，能够准确及时地发出危险信息预警信号。同时，该装置还具有防盗报警功能，因此在日常的生活中也具有一定的作用。

发明了地震测控仪后，侬建新又开始考虑可以用它检测出的地震信号控制供电、供水、石油液化气、医院给氧管道等设施以降低地震造成的次生灾害。从混杂在一起的微弱电信号中把地震信号分离出来。他们的地震测控仪对检测出的电信号每秒钟采样300个数据，实时的对这些数据进行分析评判它们是否地震信号，需要进行每秒一千万次以上的运算，这个要求对现代的计算机来讲简直是轻而易举的。

地震测控仪的设防要求，按照中国国家地震标准（GB/T 17742-1999） ，对发生地震进行预警设防。设防标准按《中国地震烈度表》中规定的六度至七度设防（相当于距离震中30公里范围内的里氏五级至六级地震进行设防）。设防后，当人们的住所将要发生危险的时候，该仪器会发出危险预警信息，让人们快速逃生避险。

“高灵敏动铁式地震纵波检波器”尖端科学技术，通过了“重庆交通科研设计院桥梁工程结构动力学国家重点实验室”、“云南省工程抗震研究所”的严格检验鉴定。该仪器的各项技术指标达到了《中国地震烈度表》的六度（一档）和七度（二档）的设防标准。应用该机的测控功能，可有效地抑制电力、供水、石油煤气管道等因地震引发的次生灾害。

地震测控仪的各项技术指标：

地震触发控制烈度：当地≥6度（地震波水平峰值加速度≥0.05g）

非地震波抗干扰烈度：当地≤8度（非地震波水平峰值加速度≤0.15g）

控制方式一：直流低压，带负载能力DC12V/1A.

控制方式二：交流220V，带负载能力AC220V/2A.

控制方式三：发射输出0.5秒433兆赫兹带编码无线控制信号，控制半径200米。在有效距离内控制对象只需配置433兆赫兹带编码无线遥控接收开关即可， 控制对象不受位置与数量限制。

利国利民，为生命安全护航

与以往的任何一种地震测报设备相比较，侬建新带领团队发明的地震测控仪具有体积小、灵敏度高、测报准确、抗干扰、小型化、民用化等新特性。其最主要的特点是地震临震前预警。

该仪器适用范围广泛，特别适用于机关办公室、家庭、学校、医院、商店、电力供电系统、石油煤气管道、 自来水供水系统等重点防范目标。尤其适用于地震易发地区，能够让人们及时知道地震来临，加强预防措施，最大程度减少损失和保障生命安全。

2014年5月14日，地震测控仪、地震临震报警仪在北京第十七届中国北京国际科技产业博览会亮相。圣翔电子科技有限公司经理高显文介绍说，该仪器采用高灵敏动铁式地震纵波检波器检测地震波，为被检测环境提供安全保障。它对地震波进行分析研判依据的是波形而不是信号强度，这就为地震监测预警城镇复杂环境应用打通了道路。该仪器是功在当代、利在千秋的创新发明，不仅利国利民，而且市场前景广阔，具有极高的经济价值和社会价值。