現地型地震預警系統的設置實務與績效驗證

前言

台灣地處歐亞大陸板塊、菲律賓海板塊交界處，屬於環太平洋地震帶一部份，板塊活動頻繁，因此經常發生地震。根據中央氣象局的資料，台灣每年發生超過18,000起地震，其中大約有1,000起是有感地震(0.8gal以上，或稱規模一級以上)，而芮氏規模6以上的大地震每年平均也發生3次。而台灣地狹人稠，人口居住密集，若大規模的地震震央發生在都市或都市周遭，就容易造成極嚴重的生命、財產損失，如2016/02/06高雄美濃規模6.6地震造成117人死亡、1999/09/11南投集集規模7.3地震造成2,415人死亡，都再再提醒國人必須正視建築物耐震性能與災害緊急應變的重要性。

而半導體機台因製程相當精密，得處於極低振動的環境才能正常生產，因此每每發生地震，都會影響產能與良率，甚至造成產品、機台損壞，而機台也因相當精密，一旦當機要再重新恢復正常生產，得花費相當多時間。

因此，若能開發一套能預估地震的系統，在地震發生時立刻得知，並即時預估出地震到達工廠時的規模，透過自動化系統，立即通報人員緊急應變及暫停生產，勢必可減少生命及財產的損失。

地震預警系統的發展歷史

最早的地震預警概念在1868年由Cooper博士在San Francisco Daily Evening Bulletin提出：“A very simple mechanical contrivance can be arranged at various points from 10 to 100 miles from San Francisco, by which a wave of the earth high enough to do damage, will start an electric current over the wires now radiating from this city, and almost instantaneously ring an alarm bell, which should be hung in a high tower near the center of the city…, This bell should be very large, of peculiar sound, and known to everybody as the earthquake bell. Of course nothing but the distant undulation of the surface of the earth should ring it. This machinery would be self-acting and not dependent on the telegraph operators.” ，但是在那個年代，尚無技術可以實現他的構想。 圖1是Cooper博士所提概念的示意圖。

圖1、Cooper 所提的地震預警概念示意圖

日本地震災害防治的研究人員Hakuno等人於1972年提出〝 Strong earthquake alarm system 10 seconds before〞，雖然概念類似於Cooper的想法，卻是首先將Cooper概念付諸實行的例子。而直至1982年，世界上第一個地震預警系統〝A Coastline Detection System〞才安裝於日本東北新幹線。墨西哥隨後於1991建立類似於日本東北新幹線的地震預警系統SAS（Sistema de Alerta Sísmica）。

台灣則自1992年開始逐步建立及整合全台地震觀測網，1998年開始發展地震速報系統，2004年開始發展地震預警系統，而於2016年5月開始提供民眾申請，以簡訊的方式提供地震預警。

隨著偵測儀器及通訊技術的精進，以及電腦運算能力的提升，目前有建立地震預警系統的國家包含台灣、中國、美國、日本、義大利、土耳其及墨西哥。同時也由發展初期主要是應用於鐵路、高速鐵路、核能電廠、學校等和公共安全有關之設施，逐漸開放給一般大眾及民間企業使用。

地震預警系統的理論及種類

以現今的技術能力，並無法事先預測地震何時會發生，所謂的地震預警系統(Earthquake Early Warning System，EEW)是指在地震發生後、破壞性的震波到達前預先告警，雖然只有數秒到數十秒的時間的預警時間，但已足以讓高鐵列車減速、中斷供應危險性物質、人員疏散、電梯停至固定樓層等措施，以降低生命及財產損失。

既然是地震發生後才能提出預警，為了爭取更多的預警時間，如何在地震發生後在最短時間內計算出地震規模和震央位置變成是主要關鍵。Nakamura^[1]首先提出計算方法大幅縮短計算時間，Wu和Kanamori^[4]則修正Nakamura的公式，提出利用地震波前3秒的資料計算τc (predominant frequency)及Pd (peak displacement)兩個參數，再利用這兩個參數預估地震規模，目前台灣、日本、及美國的地震預警系統都是根據上述理論發展。

地震預警系統主要分成區域型及現地型兩類，區域型是利用散佈於各地的地震測站，最接近震央的測站會先偵測到地震波，經由計算數個最接近震央的測站的最初幾秒的地震波參數，即可決定地震規模、震央位置及震央深度，然後根據和震央的距離依據衰減公式計算震波隨距離的衰減程度，最後再考慮不同土壤造成震波放大效果差異的場址效應，就可推估出距離震央不同遠近的地震震度並發出預警訊息。

區域型地震預警系統的第一個步驟是偵測到地震，通常須至少3個測站的資料方能確定是地震並估算震央位置，所以區域型地震預警系統的計算時間，取決於震央位置附近地震儀布設的密度，當計算完成時地震波已傳遞一段距離，此距離稱為盲區，表示在盲區範圍內是沒有預警效果的；通常盲區範圍約60~70公里。

為了降低盲區的範圍，現地型地震預警系統乃應運而生，其原理是利用P波速度(6~7km/s)比S波速度(3~4km/s)快的原理 圖2，當測站先收到P波(破壞力小)時，利用P波的地震內涵，預估出S波(破壞性強)震度，由於不需考慮地震規模、震央位置、場址效應，不只計算時間較短，同時因考慮變數變少，準確率也較高。現地型地震預警系統較知名的是由Nakamura所創立的公司SDR (System and Data Research Co.)所出產的FREQL與AcCo系統， Nakamura於1998年提出DI (Destructive Intensity)，2003年再提出RI (Realtime Seis-mic Intensity)，以此二指標作為預警的基準；台灣的國家地震中心則考慮P波前3秒的6個參數(最大加速度Pa、最大速度Pv、最大位移Pd、主要周期Tc、累積的絕對速度CAV、整體的速度能量IV2)以支撐向量迴歸法(Support vector regression method)^[8]預估S波的震度，目前已於21所學校架設主機作為緊急疏散用(每個主機視區域地質條件可涵蓋一定範圍，主機附近學校只要連動廣播系統即可)。

圖2、P 波傳遞速度接近S 波速度的兩倍，離震央越遠，爭取秒數越多（圖片取自國家地震中心）

以中央氣象局的區域型地震預警系統(eBEAR, The Earthworm Based Earthquake Alarm Reporting System)^[10]和國家地震中心的現地型地震預警系統比較如 表1所示。

台積公司地震預警系統的演進

半導體機台普遍受到震度三級以上的地震就會造成不同程度的影響，敏感性機台如scanner更時常受到小於二級地震甚或無感地震就當機。因工廠都是自動化生產，若能引進地震預警系統，在地震發生時立刻得知，並即時預估出地震到達工廠時的震度，透過自動化電腦，立即暫停生產、將wafer放回foup內等保護動作，那麼就可大幅減少損失。

2013時因氣象局的區域型地震預警系統尚未開放給民間使用，我們與國家地震中心合作，利用地震中心於全台33個即時測站（2014年增加中央研究院地球物理所17個寬頻地震網即時測站BATS: Broadband Array in Taiwan for Seismology）開發出「tsmc區域型地震預警系統」。

不過受限於測站密度不足，再加上預估震央、地震規模震波隨距離衰減、因地質條件不同的場址效應均是由歷史地震回歸而來的經驗公式，因為須考慮變數較多，造成其準確率較低，例如同樣震央、規模的地震，光只是震央深度不同，預估到工廠的PGA就可能天差地遠。統計tsmc區域型地震預警系統預估廠區震度準確率(+/- 1級）32.1%，其不準確性來自震央規模(+/-0.5)預測正確率42.4%太低。因預測準確率不佳造成工廠困擾，經評估由國家地震中心所研發的現地型地震預警系統，其離線分析91,142筆歷史地震預估震度在+/-1級的準確率高達96.9%如 圖3所示^[8]，再加上從2013年開始線上實測累計的+/-1級的準確率高達95%以上，所以我們於2015引進國家地震中心的現地型地震預警系統。

圖3、國震中心現地型地震預警系統離線分析預估準度落在+/- 1 級內高達96.9%^[8]

現地型EEW的建置挑戰、警報機制、機台連動與維護

所有的量測技術，都得仰賴收到的訊號品質，訊號品質越好，計算結果越能接近真值，所以氣象局所安裝的地震偵測站，都是在較低環境振動、噪音的地方，盡可能確保收訊號不受干擾。

地震預警系統(EEW)有和工廠的自動化控制伺服器做連結，這樣發生地震時才能做自動化警報、自動化暫停機台等動作。但若將EEW設置在廠區範圍外，則會有駭客(hacker)透過網路進行資訊偷竊或破壞產線運作等風險，因此EEW受限只能裝在廠區範圍內。又因為回歸公式是由自由場地震儀求得，所以測站只能裝在戶外；在如此眾多需要考慮的條件下，我們只能利用廠區內少數未被利用的景觀區架設測站。十二廠測站位置如 圖4。

圖4、竹科廠區地震預警系統架設於十二廠七期與四期之間的草皮區

因資訊安全關係，EEW測站受限只能安裝在工廠圍牆內，我們可以從各廠上空圖發現，圍牆內扣除建築物所剩的土地，幾乎都是道路，能架設測站的草皮區周遭一定有道路，因每天都會有重車進廠，會使地表產生些微振動，我們在規劃階段即已苦惱此問題，在與國震中心多次討論後，為了避免誤報的情形，決定加裝「深井地震儀」與「建築物地震儀」做為確認地震事件用。

也就是說，現地型EEW的構成，是由架設在地表下1.5m的「淺井地震儀」、地表下50m的「深井地震儀」、裝在建築物內的「建築物地震儀」這三組地震儀所構成。這三組地震儀都有設定門檻，24小時持續記錄，當這三顆記錄到最新紀錄的0.4秒的加速度值平均(Short Time Average，STA)都超過各自的前10秒的加速度值(Long Time Average，LTA)的2倍時 圖5，系統就認定為地震事件，並利用淺井地震儀前3秒的訊號去計算預估後續的S波最大的加速度值，當預估的S波加速度值超過警報設定值，就發出該等級的警報訊號給工廠製造自動化伺服器(MITD server)，和機台連動進行自動化應變。

圖5、三顆地震儀的STA 都要大於2 倍的LTA 才會認定為地震事件進行預估S 波震度

同時，該警報訊號我們也同步傳給公司整合通訊管理部伺服器(IT/ICMD server)，以自動發警報簡訊與電子郵件通知需要接收的人員（表2、圖6）。 

圖6、EEW alarm 流程

與機台連動及維護的部分，反而是這個計畫裡最困難重重的地方，因EEW得與工廠的伺服器連線(IT/MITD server)，但是IT/CCD認為EEW主機裝在CUP而非在工廠內，直接與MITD server連線會有資安的疑慮。我們找到負責資安管理的IT/ITSP (IT security)告訴我們的計畫內容，並在ITSP IT security committee定期召開的會議中報告需求，最後取得同意，才能將alarm code傳給MITD server。在維護的部分，因EEW運算主機分散在各廠區，要進行參數調整、檢查系統、取得地震資料等等必須仰賴遠端操作才會方便，但IT/ITSP認為跨廠遠端連線也會有資安疑慮因此退回申請，使得初期在系統維護上花費非常多不必要的時間在往返各廠區的交通上，後來陳培宏資深廠長在了解這套系統後大力幫忙，才得以順利遠端操作EEW，這也使系統調整加速了不少(因得發生真實地震才能了解地震觸發門檻是否恰當)。

現地型EEW的實戰紀錄和應用

F12-EEW是最早建置好的(2015年7月底)，在後續的3個月，新竹區域共發生5次有感地震，EEW皆成功偵測到，並都能落在+/-1級的準度內。同時我們也把握每一次地震，將系統陸續調校到最佳狀態。

也因為這樣優異的成績，我們在2015年11月初得到長官們的支持，在2015年12月31日前，也在F15、F14完成建置現地型EEW，並也在後續3個月內，陸續將系統調校到最佳狀態。 圖7是EEW到2016年12月20日止的實戰紀錄，總計25次地震事件的預估值均在+/-1級的準度內。 圖8則是預警時間和震央距離的關係，可以看出預警時間基本上和震央距呈線性關係，2筆預警時間偏短者為P波不明顯致觸發時間較晚。

圖7、預估PGA 與實際PGA 比較

圖8、預警時間與震央距離之關係

在實際應用方面，目前200mm Fabs的scanner已與EEW連動，其中六廠在今年10月6日的地震中成功預警停機，F6 Central Warehoue亦已與EEW連動；300mm Fabs則均已接收EEW訊號，目前正由F14A整合測試機台停機準則，AMHS系統亦已開始評估EEW應用的可行性。

結論與後續發展計劃

現地型EEW因測站在工廠現場，所以較區域型EEW更能準確預估S波的震度，但缺點就是因為得收到P波才能預估S波，所以從地震發生當下，就得犧牲掉P波從震央傳遞到工廠的這段時間，所以當震央距離較遠時，預警的時間較區域型少。目前現地型EEW的準度幾乎是100%，如何爭取更多的預警時間是下一步的課題，因為氣象局的區域型EEW已開放供民間使用，國家地震中心在教育部的支持下也已於全省21所學校設立現地型EEW，如何結合這些資源以使地震預警系統更準、更快是後續發展計畫所需努力的。不管是氣象局區域型或地震中心EEW，訊號是從外部傳進內部，IT認為會有資安風險，所以仍有賴IT協助排除資安疑慮並開放，才能實現。

目前的EEW都是預估建築物外自由場的震度，因為震波傳至建築物時會因建築物的結構特性而有不同的反應及高樓層放大效應，所以同樣震度的震波在不同的建築物會有不同的反應，但是目前的EEW並無法依照建築物特性提出各自的預警資訊；因為300 mm Fab在Fab每一層樓都有裝設地震監控系統，如何利用這些地震儀發展出每棟Fab特有的預警系統，是值得深入研究的課題。