基于加速度传感器的地震预警技术系统可提高预警的可靠性和精度
8月6日凌晨，山东德州市平原县发生5.5级地震，包括济南、天津、北京在内的多个城市有震感。许多网友表示在手机和电视上看到了地震预警信息，预警时间最长可达70秒。据了解，当前华为、小米、荣耀、OPPO、vivo等主流国内智能手机厂商已在手机中预设地震预警功能，用户可自行开通。苹果、三星等海外厂商手机可通过下载APP开通该功能。
记者在开通手机地震预警功能时发现，除开通地震预警接收提醒之外，有的小米手机还可为用户提供成为“地震监测志愿者”功能，并称可采用手机通过低功耗传感器感应到地震波。看来，在地震预警过程中，手机发挥的作用正在从单纯的信息接收端向地震预警监测仪转变。
用户的手机收到预警信息
监测地震最常用MEMS加速度计
在现行的地震预警监测系统中，手机是最后一个环节——接收预警信息。
安装地震监测仪器监测地震波—将监测数据返回地震预警中心—地震预警中心将地震信息发送至受地震波及地区的个人终端。这是我国当前地震预警监测系统的运行机制。手机发挥的是接收预警信号、提醒居民的作用。此次德州地震中，有的居民表示收到了预警提醒，就是靠这套系统。
基于加速度传感器的地震预警技术系统
但记者在试用手机端的地震预警功能时发现了一个申请成为地震监测志愿者的通道，注册志愿者后，记者看到了这样一个页面，页面上显示着：“地震监测是手机通过低功耗传感器感应到地震波。”
记者注册成为地震监测志愿者
在一般认知中，地震监测靠的是专业的地震监测仪。记者在这里看到“手机通过低功耗传感器感应地震波”，难道小小手机也可以替代专业设备进行地震预测了吗？
监测地震，是现行地震预警系统的第一个环节。该环节由地震局等专业部门负责管理，应用的地震监测仪也是专业设备，据王暾介绍，单个地震监测仪价格在1万元左右。
地震监测仪的作用，就是通过监测地动的位移、速度和加速度等物理量，将地面扰动情况呈现出来。当前，市面上地震仪种类多样，包括应变地震仪、惯性地震仪、力平衡加速度计、速度宽带地震仪、MEMS加速度计等多种类型。其中，MEMS加速度计能够比较直观地记录地震波在地球内部传播时所引起的振动信号。ADI 亚太区微机电产品线总监赵延辉表示：“它可以准确地记录所在位置的振动信号波形，而后通过多个地震台站组网，就可以准确分析出震源、震级和震时等信息。”
现行的地震预警系统已经发挥了显著作用。以平原地震为例，中国地震预警网成功预警此次地震，实现了德州市提前3秒预警、济南市提前17秒预警、北京市提前70秒预警。从地震监测仪接收到地震波信号到居民接受到地震预警，所需的时间最快可控制在4秒。
而之所以要调用手机作为地震监测设备，还是因为现行采用专业地震监测仪布网的方式存在一定的局限性。
手机辅助有望缩小地震预警盲区
截至今年六月，我国已建成15391个地震预警站、3个国家级中心、31个省级中心和173个地市级信息发布中心。全球规模最大的地震预警网主体工程已经完工，并在京津冀、川滇闽等地区开展试点服务。
但即便是这样的地震预警网规模，也难逃该技术路径本身难以避免的地震盲区问题。
地震预警是在震后发布预警信息，依靠的是通信信号比地震波传播速度快这一基本原理。地震发生后产生两种波，纵波传播速度快，但能量小、破坏力弱，横波传播速度慢，但能量大、破坏力强。地震台网通过接收先到的纵波数据，快速估计地震基本参数，并预测对周边地区的影响，从而抢在破坏力强的横波到达之前，向可能受灾的区域发布预警信息。
但因为监测仪放置在地表，所以严格意义上来说，靠近震源的位置是没有预警时间的：以震源为中心以20公里为半径的面积内难以在感受到地震之前收到预警信号。这个以震源为中心，半径为20公里的圆形地域，就是“地震盲区”。越靠近震源的地方，越难以争取预警时间，而这个范围恰恰是震感最强、受灾可能性最大的地方。
如果手机能够被用作地震监测设备，监测设备密度将大大增加。当前每两台地震监测设备之间间隔的距离约为18公里。而如果采用手机作为监测设备，地震监测仪之间的距离将更短，预警盲区也将缩小。王暾表示，如果接入预警系统的手机足够多，将有希望将预警盲区半径从现在的20公里缩小到15公里。
这样一来，地震预警所需要的响应时间也有望进一步缩短。王暾表示，采用手机作为地震监测设备，有望将预警响应时间从当前的4秒降至3秒甚至3秒以内。
用手机作为地震监测设备，就是通过调用手机中的加速度计，获知地面震动情况。加速度计当前在走路计步和个别重力传感游戏中常用。
但用手机中的加速度计代替专业设备监测地震，真的可行吗？
面对记者的疑问，赵延辉给出了这样的回应：2.5~3.4级的地震，一般的峰值加速度是0.08-0.25m/sec²，也就是8mg~25mg，这对于大部分手机用加速度计来说还有一定的挑战。但对于5.0~5.4级的地震而言，一般的峰值加速度是1.4~2.5 m/sec²，也就是140mg ~250mg，大部分手机用加速度计均可监测到。也就是说对于破坏性较强的地震来说，手机用加速度计是有机会监测并报警的。
至少需要100万台手机接入
将手机作为地震监测仪的技术路线，还在探索过程中。在推广应用的道路上，当前还存在两大难题。
首先最突出的是手机设备接入数量的问题。在使用小米手机注册成为地震监测志愿者时，记者注意到当前编号为445809。这意味着该手机监测地震系统已经有44万台次设备接入。王暾表示，这个数量是自2021年到现在累计的结果。
而要想使手机地震监测功能真正投入应用，接入的手机数量需要达到100万台。
当前，国内主要手机品牌都已经内置了地震预警功能，全国有近8亿台手机设备出厂预装了该功能。但考虑到担心用户可能认为该功能会带来打扰或隐私泄露等问题，该功能为默认关闭状态，需要用户手动开启该功能。这是预警接收端的情况。
对于预警监测端而言，这个过程对用户配合程度的要求就更高些。作为预警监测设备，手机内的加速度计需要被调用，且系统需要获知用户地理位置等数据，还需要确保地震发生时位于震源附近的手机处于通信开启状态。因为地震预警就是要与地震波传播抢时间，全程无人参与，所以要让手机监测系统真正发挥作用，就需要相当大体量的手机处于随时待机状态。这就需要有更多的手机厂商推广该技术，也需要有更多的志愿者加入到该计划中来。
其次是软件算法优化问题。手机与专业地震监测设备收集到的数据类型有所不同。当前使用的地震监测设备，监测到震动信息后，首先要做端侧边缘计算，判断是否发生了地震。如果使用手机监测，这个工作就需要在手机端进行。而当前既有的算法是基于专业监测设备开发的，因此要调用手机，首先需要对既有算法进行优化。以此提高预警的可靠性和精度。
王暾表示，当前专业地震预警响应时间已经逼近极限，采用手机这样的移动终端作为辅助有机会将地震预警时间再次降低。
对于手机这样的移动设备是否会出现数据误差或者误触等问题，赵延辉表示：手机设备俯拾皆是，数量巨大，一旦监测到在某一区域一起振动，基本是由地震引起，不太可能被其他事件误触发。他同时对未来地震预警技术趋势做出预测：未来地震预警将会是低密度专业地震监测设备与高密度辅助地震设备的融合，也就是用专业设备解决监测精度问题，用辅助设备解决误触发问题。
责任编辑：彭菁
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原文标题：手机MEMS加速度计如何助力地震监测？
文章出处：【微信号：MEMSensor，微信公众号：MEMS】欢迎添加关注！文章转载请注明出处。
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