YÜKSEK HIZLI TRENLERDE DEPREM ERKEN UYARI SİSTEMİ

Hamza Birinci1 ve Ali Osman Öncel1,2,3

1İstanbul Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, Jeofizik Mühendisliği Bölümü2İstanbul Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Mühendislik Bilimleri Bölümü

3İstanbul Üniversitesi, Açık ve Uzaktan Eğitim Fakültesi, Acil Durum ve Afet Yönetimi Programı

GİRİŞ Shinkansen, Japonyadaki 2387 km uzunluğundaki yüksek hızlı demiryolu ağının adıdır. Bu çalışma, ortalama hızı 300 km/saat olan Shinkansen trenlerinin, hasar ve can kaybını azaltmak amacıyla, deprem anında durdurulmaları için yapılmıştır. 2004 Mid-Niigata depremi (Mw=6.8) esnasında bir Shinkansen treni raydan çıkmıştır (Şekil-1). 1995 Kobe depremi (M7.3) esnasında bir demiryolu viyadüğü çökmüştür. 2011 Tohoku depremi (M9.0) de demiryoluna ağır hasarlar vermiştir. Bu vakalardan anlıyoruz ki depremler, demiryolu sistemleri için ciddi birer tehlikedirler. Bu nedenle büyük depremler gerçekleştiğinde bu trenler, mümkün olan en kısa sürede durdurulmalıdırlar. EEW, bu uygulama için en etkili yol olarak görülmektedir. Shinkansen demiryolu ağı tarihinde Japonya’da bir kaç deprem gerçekleşmiş olmasına ragmen, EEW sistemi sayesinde bu depremlerin doğurduğu kazalar sonucunda Shinkansen yolcularından ölen olmamıştır (Kaynak: Noda, S., Yamamoto, S., 2011, Improvement of Seismic Parameter Estimation for the Earthquake Early Warning System, RTRI Report, Vol. 25, No. 7, pp. 7-12)

Şekil 1. Shinkansen treninin deprem esnasında raydan çıkışı

YÖNTEM

Shinkansen EEW sisteminin tarihi

Shinkansen erken uyarı sisteminin tarihi üç nesle ayrılmaktadır:

1. Nesil (1960-1980) : 2 adet sismometre yer alıyor. Mekanik ve görüntü sismometreleri.

Mekanik sismometre (1. Nesil); basit bir ters sarkaç yapısı tarafından yatay genlikleri mekanik olarak saptayabiliyor. (Yalnızca S dalgaları için geçerli.) Maksimum genlik ölçülemiyor. Basit yapısı nedeniyle güvenilirliği oldukça yüksektir. Bu yüzden, 1964 üretimli olmasına rağmen mevcut sismometrelerde destek ekipman olarak hala kullanılmaktadır (Şekil-2).

ÖZET

Shinkansen, sık sık deprem yaşayan Japonya’daki yüksek hızlı tren ağıdır. Shinkansen trenlerinin deprem anında durdurulmalarını sağlamak amacıyla belirli lokasyonlara track-side ve distance-track sismometreleri yerleştirilmiştir. Bu sismometreler gerekli parametreleri deprem anında hesaplamakta ve belirlenen eşik aşıldığında S dalga alarmı vermektedirler. Merkez sunucu alarmı aldığında sismometrelerin çevrelerindeki trenler otomatikman durdurulmaktadır. Sistem, Tohoku depreminde 44 saniyelik bir sürede alarm vermeyi başarmıştır. Raporda kullanılan fotoğraflar, bu araştırmayı yapan USGS bilim adamı Shunta Noda’nın seminerinden alınmıştır.

Anahtar kelimeler : Shinkansen, Deprem Erken Uyarı Sistemi, EEW

Şekil 2. Mekanik sismometrenin görünümü

Görüntü sismometre (1. Nesil); her istasyonda maksimum ivme görünürdü. Maksimum ivme, operasyona başlanması için olabildiğince çabuk bir şekilde demiryolunun merkezi sistemine taşınır. Dalga biçimi verisi kayıt edilebilir (Şekil-3).

Şekil 3. Görüntü sismometresinin görünümü

2. Nesil (1980-200) : Acil deprem saptaması ve alarm sistemi (UrEDAS), P ve S dalgalarıyla çalışıyor.

UrEDAS (2. Nesil); S dalga alarmına ek olarak P dalga alarmını da uygular. Çalışma ortamı (sıcaklık ve nem gibi) ölçülebiliyordu. Bu sistemin önemi, P dalgası alarmınıda kullanarak EEW için öncü bir sistem olmasıdır.

3. Nesil (2000>) : Mevcut sistemdir. Mevcut sistemde P-dalgası ve S-dalgası alarmları yer alır.

P-dalgası alarmı; deprem parametrelerini (episentır lokasyonu ve magnitüd) hesaplamak için ilk 1-2 saniyedeki dalga verisini kullanır. Magnitüd, P dalgasının ilerki

saniyelerindeki daha yüksek genliklere göre güncellenebiliyor (Şekil-4).

S dalgası alarmı; sarsıntı seviyesinin (ivme gibi), önceden tanımlanmış olan sınırı aşıp aşmadığını görüntüler. Büyük bir depremde sarsıntı seviyesi, S dalga başlangıcından önce de sınırı aşabilir (Şekil-4).

Şekil 4. P dalgasının parametre hesabı için kullanıcalacak 1-2 saniyelik dalga zarfının ve S dalgasının eşiğinin gösterimi

P-dalga alarmından deprem parametreleri (episentır lokasyonu, magnitüd) nasıl hesaplanır?

Mevcut sistemde yalnızca “Tek İstasyon Algoritması” na bağlıdır. Bu algoritma episentıral uzaklık, geri-azimut ve magnitüdü hesaplamak için 3 farklı metoda dayanır.

1- B-Δ Metodu (episentıral uzaklık için) : Buradaki fonksiyon, en küçük kareler yöntemi yardımıyla ilk 1-2 saniyedeki P-dalga zarfına uygun tasarlanmıştır.(10-20 Hz arası band-pass filtre uygulanmış)

Şekil 5. P dalgasının ilk 1-2 saniyedeki dalga zarfı ve formülasyonu

(Şekil-5) Buradaki B katsayısı, P dalgasının başlangıcındaki artış oranını gösteriyor. Bu durumda B katsayısının Δ (episentıral uzaklık) ile iyi bir ilişki içinde olduğunu söyleyebilir. Bir dizi veri analizini kullanarak B ve Δ arasındaki ilişkiyi gösteren bir formül (log Δ=0.498*logB+1.965) elde edilmiştir.

2- Asıl Bileşen Analizi Metodu (geri-azimut için) : Geri-azimut, P başlangıcından itibaren 1.1 saniyedeki başlangıç P-dalgası (1-2 Hz) 1. asıl bileşeninin yönünden belirlenir. (Malesef bu yöntem, odak derinliği hesabında daha az doğruluk gösterir.)

2

3- Sönümlenme Bağıntısı Yöntemi (magnitüd hesabı için) : Bir dizi veri analizi sonucu bu formül (M=0.7387 log10 (D) – 1.*2 log10(B) + 7.07) elde edilerek magnitüd hesabı yapılmaktadır. Burada D: (1-2 Hz) band-pass çıkarımının maksimumunu gösteriyor. B ise: B-Δ metodunda gördüğümüz katsayıdır.

Bu 3 yöntem yardımıyla bizler episantıral uzaklık, geri-azimut ve magnitüd parametrelerini hesaplayabiliyoruz. UrEDAS ve mevcut sistem algoritmaları arasındaki en önemli fark, hesaplama sırasıdır. UrEDAS’ta önce M (magnitüd), sonra Δ (episantıral uzaklık) hesaplanıyorken mevcut sistemde ise önce Δ, daha sonra M hesaplanır.

Sistem Ekipmanları

Şekil 6. Sistem ve ekipmanların gösterim şeması

Şekil 6’te görüldüğü gibi mevcut sistem, 4 adet ekipmandan oluşuyor. Bunlar; iki farklı sismometre, merkez sunucu ve görüntüleme bilgisayarı. Sismometreler track-side ve distance-track olmak üzere iki çeşittir. Bu sismometreler merkezi sunucuya bağlıdırlar. Bu sunuculardaki veriler de sunuculara bağlı bir bilgisayar ile görüntülenmektedir. Her sismometre bağımsız olarak P ve S-dalga alarmlarını yayımlar. Ayrıca bu sismometreler kendi alarmlarına veya diğer sismometrelerin alarmlarına göre bulundukları lokasyonların hasar görüp görmeyeceğine de karar verir.

2 Tip Sismometre1- Track-side Sismometre (Şekil-7)

- Genellikle Shinkansen ağının ikincil güç istasyonlarına yerleştirilir.

- Sismometrenin lokasyonu bir deprem tarafından tehlikeye girdiğinde güç istasyonuna sinyali durdurma komutu gönderir. Güç istasyonu bu komutu aldığında, güç desteği anında kesilir ve istasyon çevresindeki Shinkansen trenleri acil fren yaparlar.

- Deprem sarsıntı sonrası operasyonu başlatmak için merkez sunucuya bilgi verir.

- S-dalga alarmının sınırı (eşiği), genellikle 40 galdir. Bunun üzerine çıktığında alarm devreye girer.

Şekil 7. Track-side (hat-kenarı) sistemometresinin yerleştirildiği kulübenin görünümü

2- Distance-track Sismometre (Şekil-8)

- Bu sismometreler, depremleri mümkün olan en kısa sürede saptamak için Shinkansen raylarından uzak yerlere yerleştirilir.

- Alarmlar, merkez sunucu yoluyla track-side sismometrelere taşınır.

- S-dalga alarm eşiği genellikle 120 galdir.

Şekil 8. Distance-track (hat-mesafeli) sistemometrenin yerleştirildiği kulübenin görünümü

Hat-mesafeli Sismometrenin Konfügrasyonu

Şekil 9’te gösterildiği üzere sismometre sisteminin beş farklı ünitesi vardır. İşlem ünitesi, merkezi sunucuya bağlıdır ve alarm bilgisini hesaplar. Termometre ve higrometre (nem ölçer) de yerleştirilmiştir. Üst kısmında bir ağ anahtarı ve altta, kesintisiz güç kaynağı yer alır. Hat-mesafeli (track-side) sismometre, bunlara ek olarak sisteme durdurma sinyali gönderen bir aygıta da sahiptir. Arkada bulunan mekanik sismometre ise bağımsız olarak durdurma sinyali verebilmektedir.

3

Şekil 9. Distance-track (hat-mesafeli) sismometrenin görünümü

Sismometrelerin Dağılımı

Şekil 10. Japonya’daki erken uyarı sismometrelerinin dağılımı

Şu anda Japonya üzerinde, 200’ün üzerinde sismik istasyon kuruludur. Şekil 10’daki kareler hat-kenarı (track-side) sismometrelerini gösterirken üçgenler, hat-mesafeli (distant-track) sismometrelerini gösteriyor. Kinkazan hat-mesafeli sismometresi, 2011 Tohoku depreminin hiposentırına en yakın sismik istasyondur ve bu deprem de önemli bir rol oynamıştır.

Hangi trenlerin durdurulacağı nasıl belirlenir?

1- Sabit alan kontrolü : Durdurma bölgesi S-dalga alarmlarına göre önceden tanımlanmıştır.

Eğer bir hat-kenarı sismometresi S-dalga alarmı verirse, o sismometre güç istasyonuna durdurma sinyali gönderir. Güç kaynağı anında kesilir ve sismometrenin yakınındaki trenlerin acil durum freni devreye girer (Şekil-11).

Şekil 11. Hat-kenarı sismometresinin sisteme durdurma alarmı göndermesi ve yakındaki trenlerin durdurulması

Eğer bir hat-mesafeli sismometre S-dalga alarmı verirse, o sismometre için önceden tanımlanmış olan ve ona yakın olan hat-kenarı sismometreleri güç istasyonuna durdurma sinyali gönderirler. Güç kaynağı anında kesilir ve sismometrenin yakınındaki trenlerin acil durum freni devreye girer.

2- Değişken alan kontrolü : İstasyon alanları magnitüd, (P-dalga alarmından) episentır lokasyonu ve M- Δ diyagramı yardımıyla belirlenir.

4

Şekil 12. M- Δ diyagramı ile hasarlı alan tespiti

M- Δ diyagramı : Şekil-12, geçmiş depremlerin demiryolu yapısına verdiği hasarları gösteriyor. Bu geçmiş depremlerin oluşturduğu hasar alanı, gelecek depremler için de potansiyel bir hasar alanı olarak sayılıyor. Değişken alan kontrolü metodunda, eğer daha büyük bir deprem gerçekleşirse daha geniş alandaki trenler durdurulmalıdır (Şekil-13). Hat-mesafeli sismometreler için de aynı durum söz konusudur.

Şeki 13. Değişken alan kontrolü yönteminde depremin büyümesi durumunda, durdurulacak alanin da büyümesinin gösterimi

Eew Sisteminin 2011 Tohoku Depremindeki Performansı

Şekil 14. Kinkazan istasyonunun Tohoku depremini (A-L) arası hat-kenarı sismometrelerine iletmesi ve episantır yerinin hesaplanması

2011 Tohoku Depremi, Japonya yerel saatiyle (2:46:18) ‘de gerçekleşti.

- Kinkazan İstasyonu :

Depremi 2:46:38 ‘de algıladı.

Episentırı ve magnitüdü (5.5) 2:46:40 ‘da hesapladı.

46:41’de Mw=5.8 olarak güncelledi. (İleri saniyelerdeki genlik artışına göre)

46:43’de Mw=6.1 olarak güncelledi.

46:48’de Mw=6.9 olarak güncelledi.

S-dalga alarmını 47:02 ‘de verdi. (JR-PGA 120 gal aşıldığında)

(A-L arası) Hat kenarı sismometreleri, Kinkazan’dan gelen S-dalga alarmı üzerine durma sinyali üretti. Tohoku Shinkansen trenlerinin acil durum frenleri, büyük sarsıntıdan yaklaşık 10-20 saniye önce harekete geçiyor. Nihayetinde, (max. hızı 270 km/saat olan) 27 tren, güvenli bir şekilde durduruldu. Deprem sonucu bu trenlerdeki hiç bir yolcu ve personel ne öldü ne de yara aldı.

Shinkansen Eew Sisteminin Geleceği

5

Tek İstasyon Algoritmasının Yeni TeknikleriC-Δ metodu (episentır uzaklığı hesabı için) : Klasik metotta P dalgasının ilk 1-2 saniyesi kullanılırken yeni metotta ilk 0.5 saniyesi kullanılmaktadır ve fonksiyon (y=C*t) şeklinde basitleştirilmiştir.

Şekil 15. Yeni C-Δ metodu

Şekil 15’de alttaki grafikte dikey eksen, gerçek ve hesaplanan episentıral uzaklık arasındaki hata değerini gösteriyor. Yeni C-Δ metodunun 0.5 saniyesindeki hata değeri minimum olduğu için o saniyedeki veri kullanılıyor. Bunu kullanarak daha doğru bir sonuç bulunmasına imkan sağlıyor. Burada, daha basit fonksiyon ve daha düşük saniyedeki veri kullanımının grafikteki başlangıç eğiminin karakteristiğini daha düzgün bir şekilde yansıtacağı düşünülmektedir.

Değişken-uzunluk zaman penceresi (geri-azimut hesabı için) : Bir önceki yöntemde geri-azimut hesabı için sinyal uzunluğu olarak 1.1 saniye seçilirken bu yeni yöntemde,

ortalama 0.7 saniyelik değişken bir zaman penceresi seçiliyor. Bunun sonucu olarak RMS hata değeri 67.9’dan 49.0’a düşüyor. Değişken-uzunluk zaman penceresi sayesinde doğruluk %28 oranında ve hız %36 oranında geliştirilebilmektedir (Şekil-16).

Şekil 16. Yeni, değişken-uzunluk zaman penceresi metodu ve doğruluk derecesindeki artış

SONUÇ

Mevcut EEW sistemi, hat-kenarı ve hat-mesafeli olmak üzere iki farklı sismometreye sahiptir. Sismometrelerde P ve S-dalga alarmları bulunur. P dalgası yardımıyla deprem parametreleri hesaplanmakta ve S dalgaları yardımıyla alarm sistemi devreye sokulmaktadır. Mevcut sistem, 2011 Tohoku depremi esnasında, depremin başlangıcından 44 sn sonra Shinkansen trenlerini durdurma alarmını verdi. USGS’deki Demiryolu Teknik Araştırmalar Enstitüsü, EEW’nin 4. nesli için bu yeni teknikleri içinde barındıran yeni bir EEW sismometresi geliştirmeye çalışmaktadırlar.

KAYNAK

USGS, Shunta Noda’dan derlenerek yazılmıştır.

USGS SEMİNERLERİhttp:// www.youtube.com/watch? v=ljyA7CNa3Zw&index=22&list=WL(03.11.2014)

6

Tek İstasyon Algoritmasının Yeni TeknikleriC-Δ metodu (episentır uzaklığı hesabı için) : Klasik metotta P dalgasının ilk 1-2 saniyesi kullanılırken yeni metotta ilk 0.5 saniyesi kullanılmaktadır ve fonksiyon (y=C*t) şeklinde basitleştirilmiştir.

Şekil 15. Yeni C-Δ metodu

Şekil 15’de alttaki grafikte dikey eksen, gerçek ve hesaplanan episentıral uzaklık arasındaki hata değerini gösteriyor. Yeni C-Δ metodunun 0.5 saniyesindeki hata değeri minimum olduğu için o saniyedeki veri kullanılıyor. Bunu kullanarak daha doğru bir sonuç bulunmasına imkan sağlıyor. Burada, daha basit fonksiyon ve daha düşük saniyedeki veri kullanımının grafikteki başlangıç eğiminin karakteristiğini daha düzgün bir şekilde yansıtacağı düşünülmektedir.

Değişken-uzunluk zaman penceresi (geri-azimut hesabı için) : Bir önceki yöntemde geri-azimut hesabı için sinyal uzunluğu olarak 1.1 saniye seçilirken bu yeni yöntemde,

ortalama 0.7 saniyelik değişken bir zaman penceresi seçiliyor. Bunun sonucu olarak RMS hata değeri 67.9’dan 49.0’a düşüyor. Değişken-uzunluk zaman penceresi sayesinde doğruluk %28 oranında ve hız %36 oranında geliştirilebilmektedir (Şekil-16).

Şekil 16. Yeni, değişken-uzunluk zaman penceresi metodu ve doğruluk derecesindeki artış

SONUÇ

Mevcut EEW sistemi, hat-kenarı ve hat-mesafeli olmak üzere iki farklı sismometreye sahiptir. Sismometrelerde P ve S-dalga alarmları bulunur. P dalgası yardımıyla deprem parametreleri hesaplanmakta ve S dalgaları yardımıyla alarm sistemi devreye sokulmaktadır. Mevcut sistem, 2011 Tohoku depremi esnasında, depremin başlangıcından 44 sn sonra Shinkansen trenlerini durdurma alarmını verdi. USGS’deki Demiryolu Teknik Araştırmalar Enstitüsü, EEW’nin 4. nesli için bu yeni teknikleri içinde barındıran yeni bir EEW sismometresi geliştirmeye çalışmaktadırlar.

KAYNAK

USGS, Shunta Noda’dan derlenerek yazılmıştır.

USGS SEMİNERLERİhttp:// www.youtube.com/watch? v=ljyA7CNa3Zw&index=22&list=WL(03.11.2014)

6