東海道新幹線早期地震警報システムにおける統合検知
点処理装置の開発

Development of integrated single and multi–site earthquake estimation unit for theTokaido shinkansen EaRthquake Rapid Alarm System（TERRA–S）
下野 五月＊

奥冨 剛史＊ 安孫子 一敏＊Satsuki Shimono, Takeshi Okutomi, Kazutoshi Abiko

東海道新幹線では、地震発生を早期に検知し、沿線が強く揺れるより前に被害を推定し、列車を減速・停止させることを目的に、東海旅客鉄道株式会社が整備・運用する東海道新幹線早期地震警報シ
ステム（以下「テラス」という）が利用されている。テラスでは、沿線から離れた場所で発生する地震に対して、沿線を取り囲むように設置された地震観測網を用いて震源位置やマグニチュードを推定する手法が利用されている。本稿では、地震観測網を構成する単一の地震計が単独で推定を行う従来の手法における精度向上の課題を挙げる。次に、課題を達成するために三菱スペース・ソフトウエア
株式会社が開発に携わった、複数の地震計の観測情報をベイズ統計の手法で統合する統合検知点処理と統合検知点処理装置を紹介する。
The Tokaido Shinkansen uses the Tokaido shinkansen EaRthquake Rapid Alarm System（TERRA–S）developed and operated by Central Japan Railway Company to detect earthquakes
at an early stage, estimate the damage before the railway line is strongly shaken, and slow
down or stop the trains. The TERRA–S system uses a method to estimate the hypocenter location and magnitude of earthquakes that occur far from the railway line by using a seismic
observation network that surrounds the railway line. In this paper, we discuss the challengesof improving the accuracy of the conventional method, in which a single seismometer in aseismic observation network performs the estimation alone. Next, we will introduce the single
and multi–site earthquake estimation method and unit that we were involved in developing toaccomplish the task, which integrates the observation information from multiple seismometers
using Bayesian statistics.

する軟弱地盤である埋立地や湖畔等の沿岸部も走行する

1．
まえがき

必要がある。特に、新幹線は時速 200 km 以上に達する

日本はプレートの密集地帯に位置し地震の多発地域で高速鉄道であり脱線した際の被害が大きいため、地震対ある。世界全体で発生するマグニチュード 6.0 以上の地策は必須となっている。日本の鉄道では地震対策とし震のうち約２割が日本国周辺で発生している⑴。また、て、構造物の耐震設計や耐震補強、レール転倒防止装置⑴

分かっているだけでも約 2,000 の活断層が存在し 、地震や脱線防止ガードの設置、地盤改良による液状化対策等

は日本のどこでも発生する可能性がある（日本各地がのハード面での対策が講じられてきたが⑸、それと同時

大きな揺れに見舞われる確率等の詳細は、国立研究開発にソフト面では 1950 年代以降に地震防災システムの法人防災科学技術研究所（以下「防災科研」という）と導入と改善が進められてきた⑸ ⑹。地震防災システムの当社が構築した、全国地震動予測地図⑵のインターネッ

目的は、地震観測網にて地震発生を早期に検知し、沿線

ト公開システムである「地震ハザードステーション J–

が強く揺れるより前に被害を推定し、列車を減速・停止

SHIS」⑶ ⑷で公開されている）。日本の鉄道はそのようなさせることである。その際、列車は急ブレーキをかけた地震の多発地域を走行するうえ、地震動が大きく増幅としても止まるまでに長時間（時速 270 km で走行する＊つくば事業部 第四技術部
1

MSS 技報・Vol.32

新幹線では約 90 秒かかり約４km 進む）かかるため、後述する海底地震観測網からの観測情報及び緊急地震速

地震発生直後に少しでも早く減速を開始することが重要報を指す。

である。地震防災システムが動作した大地震のケースとこれらの地震観測網で地震波を検知した場合、そのしては、2004 年新潟県中越地震における上越新幹線と情報は転送機能を持つ中継所を介して沿線の各変電所に2011 年東北地方太平洋沖地震における東北新幹線の例設置された沿線処理装置と呼ばれる装置に送信される。

が挙げられる⑺⑻。特に後者の例では、地震発生時に２本

沿線処理装置で被害が発生すると予想されたときは（被の新幹線が仙台エリアを時速約 270 km で走行中だった害の発生を予想することを「警報」という）、変電所からが、地震防災システムが機能して、地震動による揺れのの電力供給を停止してその付近を走行中の列車を緊急

大きさが運転中止基準値を超過する 12 ～ 15 秒前に非常停止させる。新幹線は電力供給が途絶えると自動的に急⑻ブレーキが作動している 。なお、地震防災システムはブレーキが作動する仕組みとなっている。なお、本稿で列車停止後に実被害を推定して点検作業や運転再開のは詳細を述べないが、テラス等が観測・収集した情報は意思決定を支援する機能（被害把握機能）も有するが、在来線の地震防災システムでも利用されている⒂ ⒃。

本稿では主に前者の列車の減速・停止機能を紹介する。

地震防災を目的としたテラス等のシステム自体は自然

東海道新幹線では地震防災システムとして、後述する災害時にも運用を続けられることが肝要であるため、次

遠方地震計を利用するテラスや後述する沿線地震計等をに述べるような対策が講じられている。つまり、地震計

利用するシステムが運用されている⑼ ⑽ ⑾ ⑿ ⒀（これらはの地動センサは地震で被災しにくいように台座に固定さシステムとして一体になっているため本稿では一括してれている。中継所等の装置は同様のものを地域的に離れ「テラス等」という）。テラス等は東海旅客鉄道株式会社た場所に複数設置してあり、１か所が被災しても運用をによって整備・運用されている。地震発生時のテラス等

続けられるようになっている⒁。地震や台風等によっての処理の概略を図１に示す。遠方地震計は、図２に示す

地上の通信回線が断絶した場合に備えて、バックアップ

ように沿線からある程度離れた位置で沿線を取り囲む

回線に衛星電話を利用している⒂。地震計や中継所は電ように計 21 か所設置されている。沿線地震計は、同様に源が途絶えた場合でも機能を維持できるよう無停電電源

東京から大阪までの全沿線に約 10 km 間隔で計 50 か所装置（UPS）が搭載されている⒂。

設置されている。ここで、同図の橙色の線は在来線の第２章では、テラス等で従来から用いられている様々路線であり、参考のため示した。社外地震観測網情報はな警報手法と、遠方地震計を利用した警報の精度に関する課題を述べる。第３章では、前記課題を達成するため

社外地震観測網情報に開発したアルゴリズムである統合検知点処理について

送電停止
列車減速・停止述べる。第４章では統合検知点処理を実装した統合検沿 線 地震 計
沿線処理装置

遠方地震計
中継所
・ ・・

知点処理装置の開発とそのテラス等への導入について・・・・・・述べる。
なお、鉄道向け地震防災システムを含めこれまでのＰ波

当社の地震防災分野への取り組みについては過去の

Ｓ波

図１

MSS 技報⒀⒄⒅で紹介している。

テラス等の処理の概略⒁2．従来の警報手法とその課題
本章では、テラス等で従来から用いられている様々な警報手法と、遠方地震計を利用した警報の精度に関する課題を述べる。
2.1

テラス等における従来の警報手法

従来のテラス等では表１に示すように、ターゲットとする地震の種類に応じて複数の地震観測網と複数の警報名称（凡例）

図２

箇所数

手法を組み合わせて警報を出力している⒂⒆。

① 遠方地震計

21

地震観測網のうち沿線地震計は、第１章で述べたテラ② 沿線地震計

50ス等を構成する地震観測網であり、沿線の直下で発生する地震（以下「直下型」という）を主なターゲットとテラス等を構成する遠方地震計と沿線地震計の配置⒁2MSS 技報・Vol.32

表１近傍を走行する列車を緊急停止させる（③）。ここで、閾

テラス等がターゲットとする地震の一覧

地震観測網
警報手法
閾値超過（S 波）
閾値超過（P 波）

沿線
地震計
直下型
（※）

震源推定

遠方
地震計
非直下型

海底
地震計
海溝型

非直下型
（※）

緊急地震
速報

値は経験を基に実際に被害が発生すると予想される振幅よりも安全を考慮してある程度小さく設定してある。
しかし、閾値超過（S 波）では地震の主要動である S

全地震

波が沿線に到達してからでないと警報を出力できない
ため、精度が高い一方で早期性が低い欠点がある。そのしている。遠方地震計は、同様にテラス等を構成する地

ため、S 波に先行する P 波が沿線地震計に到達した段階

震観測網であり、沿線から離れた位置で発生する地震で警報を出力する閾値超過（P 波）の手法⑿⒂㉑㉒が導入さ（以下「非直下型」という）を主なターゲットとしていれており、その概略図を図４に示す。沿線地震計が地震る。海底地震計は、防災科研が日本海溝沿いに整備する波を観測し（①）、沿線地震計に P 波が到達した段階で日本海溝海底地震津波観測網（S–net）及び南海トラフ沿P 波の振幅があらかじめ設定しておいた閾値を超過したいに整備する地震・津波観測監視システム（DONET）を場合（②）に警報を出力して列車を緊急停止させる

指し、それらの海溝付近で発生する地震（以下「海溝型」（③）。その際、観測した P 波から後に到達するであろうという）を主なターゲットとしている。緊急地震速報

S 波の振幅を予想している。以上のようにすることで、は、地震の発生直後に日本の気象庁が予想して発表する

閾値超過（S 波）に比べて精度は低いが、沿線が大きく

震源位置やマグニチュード等の情報であり、日本付近で揺れるよりも早期に列車を停止させることが可能とな発生する全ての地震をターゲットとしている。緊急地震る。たとえ、震源が正確に沿線の直下であったとしても、速報が利用する地震観測網は、主に気象庁と防災科研が地下で発生した地震（典型的な内陸地殻内地震では深さ

日本全国に整備する、海底地震計を含めた合計約 1,700

約 10 km）の地震波が地表に到達する際の P 波と S 波の点（2020 年３月 24 日現在）の地震計で構成される。

時間差（１～２秒程度）を利用することが可能である。

一方で、警報手法は大きく分類して閾値超過（S 波）、

ところで、沿線から離れた位置で発生した地震（非直閾値超過（P 波）及び震源推定の３種類がある。ここで、下型）に対しては、沿線地震計に地震波が到達するのをP 波とは地震波のうち初期微動を起こす縦波（伝播速度

待つよりも震源により近い遠方地震計を利用した方が早は約５～７km/s）であり、S 波とは主要動を起こす横波期性の点で得策である。そのような目的で、遠方地震計（伝播速度は約３～４km/s）である。P 波は S 波よりもによる震源推定の手法㉓が導入されており、その概略図

速く進むが振幅は一般的に小さい。以下では、主に表１を図５に示す。遠方地震計付近で地震が発生した場合、の（※）印で示した３つの組合せ（沿線地震計による閾

その遠方地震計が地震波を観測する（①）。次に、遠方地

値超過（S 波）、沿線地震計による閾値超過（P 波）及び震計は P 波初動１秒間の地震波の形状を基に C–Δ法⑼ ⑿

遠方地震計による震源推定）について詳細を説明する。

⒆㉓

初めに、沿線地震計による閾値超過（S 波）の手法と呼ばれる手法で震央距離Δを推定する（②）。また、⑿⒂

同時に地震波による地表面の振動方向を基に主成分分析の概略図を図３に示す。沿線付近で地震（直下型）が法⒆ ㉓ と呼ばれる手法で震央方位 Az を推定する（②）。

発生した場合（震源を「★」印で示す）、震源に近い沿線

震央距離Δと震央方位 Az が分かれば測地計算を行うこ

地震計が地震波を観測する（①）
。その時、観測した地震とで震央位置を推定することができる（推定された震源波のうち S 波の振幅があらかじめ設定しておいた閾値をを「★」印で示す）。また、震央距離Δと観測した地震波

超過した場合（②）に、警報を出力してその沿線地震計の振幅から距離減衰式と呼ばれる地震波の減衰を表す

⒇

P波

S波

★

P波

主にS波

震源

列車
停止

S波

予測

震源

P波

列車
停止
閾値

閾値

①沿線地震計による地震波観測②S波の閾値超過
③列車停止

図３

主にS波

①沿線地震計による地震波観測②P波の閾値超過
③列車停止

沿線地震計
観測地震波

沿線地震計による閾値超過（S 波）の概略

図４

3

沿線地震計
観測地震波

沿線地震計による閾値超過（P 波）の概略

MSS 技報・Vol.32

③震央位置とマグニチュードから被害範囲を推定（M-Δ法）

アップとしての役割、トレードオフの関係にある警報の精度と早期性とを複数の手法で補完しあうこと、を目的推定震源としている。

北
Az ★
Δ

列車
停止

④列車停止

図５

S波
P波

2.2

遠方地震計による震源推定の課題

遠方地震計による震源推定は前節で説明したように非①遠方地震計による地震波観測②震央距離Δ、震央方位Az、
マグニチュードMを推定

直下型地震に対して早期に警報を出力できるという利点がある。しかし、震央距離Δを推定するための C–Δ法や震央方位 Az を推定するための主成分分析法には各種ノ
イズや地殻の不均質性等に起因してある程度の推定誤差

遠方地震計による震源推定の概略が含まれる。特に、後述する図８のシミュレーション結
経験式を用いて、地震の規模であるマグニチュード M を果に見られるように、震央から遠く離れた遠方地震計で推定する（②）。次に、震源位置とマグニチュード M を

推定誤差が大きくなる傾向がある。そのため、推定誤差⒇

基に M–Δ法 と呼ばれる手法で鉄道構造物に被害が発生が招く誤警報を抑制するための推定精度向上が課題とする可能性がある範囲を推定する（③）
。M–Δ法はマグなっていた。

ニチュード M の対数に比例する半径を持つ円の内部を

3．
統合検知点処理

被害範囲（図５では青い円の内側）として推定する手法
であり、その半径は過去の地震被害の経験から事前に求

本章では、第 2.2 節の最後に述べた遠方地震計によるめておいたものである。最後に、被害範囲内に警報を出

震源推定の精度に関する課題を達成するために開発した

力して走行する列車を緊急停止させる（④）
。ここで、遠アルゴリズムである、統合検知点処理⑿⒁について述べる。

方地震計には電気的パルスや自動車等による雑振動等で統合検知点処理に対して従来の震源推定の方法を単独

誤って警報が出力されないようにノイズ識別機能が搭載

検知点処理といい、両者の比較の概略図を図６に示す。

されている。複数の遠方地震計が同一の地震による地震

単独検知点処理では、地震波を観測した遠方地震計ごと波を観測した場合は、各遠方地震計が個別に上記の処理に震源推定と警報範囲の推定を行う。そのため、１つでを行い、いずれかの遠方地震計が被害を推定した範囲にも推定精度が悪い遠方地震計があると誤警報につながる警報を出力する。

おそれがある。一方の統合検知点処理では、複数の遠方

他の警報手法として、遠方地震計による震源推定の地震計から得られる観測情報を確率統計の手法で組み合手法では、M –Δ法以外にも日本海溝や南海トラフを震源

わせて１つの震源と警報範囲の推定を行う。図中のとする連動型の超巨大地震に対して確実に警報を出力す「×」印は遠方地震計ごとに推定した震源位置であり、⒂ることを目的に特別な配慮を加えた連動型地震警報 が単独検知点処理の場合と同じ位置であるが、統合検知点

利用されている。また、遠方地震計では震源推定よりも処理では１つの震源位置「★」に統合される。

より確実に警報を出力する目的で閾値超過の手法⒂㉔

統合検知点処理は、IPF 法㉗と呼ばれる緊急地震速報のも内部処理で使われている手法を参考にしているが、テラ利用されている。
なお、沿線地震計では P 波のみ到達した段階での警報ス等の特性に応じて改良している。例えば、遠方地震計

手法として震源推定を採用していない。その理由は、沿による地震観測網の密度や地震計の数は緊急地震速報の線では列車通過等のノイズ源が多く、地震動とノイズが場合に比べて小さいが、テラス等では沿線付近のみを重なったときに推定精度が劣化する場合があるからである。そのため、同様に P 波段階で利用でき、よりノイ【単独検知点処理】【統合検知点処理】

ズへの耐性が高い閾値超過（P 波）の手法が採用されている。
社外地震観測網情報については、海溝型地震をターゲットとする海底地震計を利用した閾値超過の手法⑼ ⑿⒆㉕、日本全国全ての地震をターゲットとする緊急地震速報を利用した震源推定の手法⒂ ⒆ ㉖が利用されている。
１種類の地震に対して上記のように複数の手法を利用する冗長構成としているのは、万が一に備えたバック

図６

4

単独検知点処理と統合検知点処理との比較

MSS 技報・Vol.32

警報の対象とすればよく、小規模地震で推定誤差が大き
範囲が沿線から離れた場所であれば誤警報につながらず

全ての観測情報の集合である。確率分布 𝑃𝑃𝑃𝑃(𝜽𝜽𝜽𝜽|𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫) は観測述べた被害把握機能を利用して速やかに運転再開が可能

情報 𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫 が得られた後の 𝜽𝜽𝜽𝜽 の確率分布（事後確率分布）でであることを考慮し、トレードオフの関係にある警報のある。 𝑃𝑃𝑃𝑃S (𝜽𝜽𝜽𝜽) は観測情報が何も与えられていない状態で精度と早期性のバランスを調整している。

の 𝜽𝜽𝜽𝜽 の確率分布（事前確率分布）であり、過去約 90 年間

以下では、統合検知点処理の手法の概略とシミュレーに発生した地震の震源分布から事前に求めておいた固定

ションによる効果の検証について述べる。

値である。 ℒ(𝜽𝜽𝜽𝜽|𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫) は震源位置 𝜽𝜽𝜽𝜽 を変数とする尤度関数

であり、震源位置を 𝜽𝜽𝜽𝜽 と仮定した場合に観測情報 𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫 が得られる確率を表す。尤度関数 ℒ(𝜽𝜽𝜽𝜽|𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫) は数式 ⑶ に示

手法

地震が発生した際における一連の統合検知点処理の手すように、５種類の尤度関数の積で構成される。

順は以下のとおりである。
(1)

𝑁𝑁𝑁𝑁

ある遠方地震計が最初の地震波の到達を検知し、統合検知点処理を開始する。

(2) 遠方地震計からの新しい観測情報が得られるたびに、



𝑁𝑁𝑁𝑁

𝑗𝑗𝑗𝑗

𝑗𝑗𝑗𝑗=1𝑁𝑁𝑁𝑁

𝑗𝑗𝑗𝑗

× � ℒ 𝑎𝑎𝑎𝑎 (𝜽𝜽𝜽𝜽|𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫) × � ℒ𝑡𝑡𝑡𝑡 (𝜽𝜽𝜽𝜽|𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫)
𝑗𝑗𝑗𝑗=1
𝑁𝑁𝑁𝑁の推定を行う。観測情報は、いずれかの遠方地震計

𝑗𝑗𝑗𝑗

× � ℒ𝑚𝑚𝑚𝑚 (𝜽𝜽𝜽𝜽|𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫)が観測した地震波の到達時刻、震央距離、震央方位、

𝑗𝑗𝑗𝑗=1

地震波の振幅のいずれかであり、それぞれ異なるタ
イミングで得られる場合もある。特に地震波の振幅

𝑗𝑗𝑗𝑗ℒ(𝜽𝜽𝜽𝜽|𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫) = ℒ 𝜐𝜐𝜐𝜐 (𝜽𝜽𝜽𝜽|𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫) × � ℒ 𝑑𝑑𝑑𝑑 (𝜽𝜽𝜽𝜽|𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫)

逐次精度の良い震源（震源位置とマグニチュード）

𝑗𝑗𝑗𝑗=1⑶ℒ 𝜐𝜐𝜐𝜐 (𝜽𝜽𝜽𝜽|𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫) はテリトリ法による尤度関数であり、地震は時間の経過と共に大きくなるに伴い、逐次新しい波が遠方地震計に到達した順番が震源位置を 𝜽𝜽𝜽𝜽 と仮定す

観測情報として得られる。

ることで実現される確率を表す。
𝑗𝑗𝑗𝑗(3) 地震動の終息を判定し、統合検知点処理を終了する。

ℒ 𝑑𝑑𝑑𝑑 (𝜽𝜽𝜽𝜽|𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫) は震央距離による尤度関数であり、推定し手順 ⑵ において、観測情報から震源位置を推定する

た震央距離が震源位置を 𝜽𝜽𝜽𝜽 と仮定することで実現される流れの概略図を図７に示す。ここで、震源の位置はベイ確率を表す。ここで、 𝑗𝑗𝑗𝑗 は１から 𝑁𝑁𝑁𝑁 = 21 までの値をと

ズ統計的に確率変数として扱う。つまり、震源の位置をる遠方地震計の識別番号であり、観測情報が得られてい確率分布 𝑃𝑃𝑃𝑃(𝜽𝜽𝜽𝜽) で表現する。 𝜽𝜽𝜽𝜽 は数式 ⑴ に示すように震る遠方地震計についてそれぞれ尤度関数を計算して掛け合わせる（以降の他の尤度関数でも同様である）。また、源の緯度 𝜑𝜑𝜑𝜑 、経度 𝜆𝜆𝜆𝜆 、深さ 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 を成分とした３次元ベク

震源からの距離が大きくなるに従ってその遠方地震計にトルである。

𝜽𝜽𝜽𝜽 = (𝜑𝜑𝜑𝜑, 𝜆𝜆𝜆𝜆, 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑)⑵

ここで、 𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫 はそれまでに全ての遠方地震計が観測した許容できる。また、誤警報が発生したとしても第１章で

3.1



𝑃𝑃𝑃𝑃(𝜽𝜽𝜽𝜽|𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫) = ℒ(𝜽𝜽𝜽𝜽|𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫) × 𝑃𝑃𝑃𝑃s (𝜽𝜽𝜽𝜽)

かったりノイズで誤推定したとしても、推定された被害

よる震央距離の推定精度が下がることを考慮して尤度⑴

への影響が小さくなるように調整している（以降の他の確率分布 𝑃𝑃𝑃𝑃(𝜽𝜽𝜽𝜽) の値が大きくなる 𝜽𝜽𝜽𝜽 ほど、そこに震源が尤度関数でも同様である）。

分布 𝑃𝑃𝑃𝑃(𝜽𝜽𝜽𝜽|𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫) を求める。

確率を表す。ここで、遠方地震計が 180 度逆向きに誤推

𝑗𝑗𝑗𝑗

存在する確率が高い。遠方地震計から観測情報が得られℒ 𝑎𝑎𝑎𝑎 (𝜽𝜽𝜽𝜽|𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫) は震央方位による尤度関数であり、推定しると、まず数式 ⑵ に示すベイズ推定式で条件付き確率

遠方
地震計

た震央方位が震源位置を 𝜽𝜽𝜽𝜽 と仮定することで実現される

定した場合にもテリトリ法等と組み合わせて正しい方位

統合検知点処理を推定できるように、180 度逆方向にも一定割合の尤度を与えている⒁。
𝑗𝑗𝑗𝑗×ℒ 𝑡𝑡𝑡𝑡 (𝜽𝜽𝜽𝜽|𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫) は地震波の到達時刻による尤度関数であり、地震波の到達時刻が震源位置を 𝜽𝜽𝜽𝜽 と仮定することで実現

尤度関数

観測情報
・地震波の到達時刻
・震央距離
・震央方位
・地震波の振幅

＝

・・・

21か所

事前確率

ベイズ
推定

される確率を表す。その際、震央距離と地震波の理論的

震源な到達時間の関係を表す走時関数㉘を利用している。

・震源位置

𝑗𝑗𝑗𝑗

ℒ 𝑚𝑚𝑚𝑚 (𝜽𝜽𝜽𝜽|𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫) は振幅による尤度関数であり、現時点まで

事後確率

MAP推定

図7

に観測した地震波の振幅が震源位置を 𝜽𝜽𝜽𝜽 と仮定することで実現される確率を表す。その際、遠方地震計までの統合検知点処理による震源位置の推定の概略

5

MSS 技報・Vol.32

震央距離に応じた地震波の減衰を表す経験式である距離の遠方地震計がメンテナンスや故障等で運用を停止して減衰式を利用している。

いる場合にも残りの遠方地震計で運用を続ける機能で震源位置の最終的な推定結果は、数式 ⑵ のベイズ推ある⒁。通信量抑制機能は、テラス等を構成する装置や定 式 で 計 算 し た 事 後 確 率 𝑃𝑃𝑃𝑃(𝜽𝜽𝜽𝜽|𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫) が 最 大 と な る 位 置

通信回線が過負荷に陥らないように、数が膨大になり得𝜽𝜽𝜽𝜽𝐌𝐌𝐌𝐌𝐌𝐌𝐌𝐌𝐌𝐌𝐌𝐌 とする（最大事後確率推定、MAP 推定）。素朴にる震源推定結果のうち必要最小限なもののみを識別して位置を探索するグリッドサーチの方法が採用できそうで

3.2

利用する機能である。

は、MAP 推定を行う計算アルゴリズムとして震源位置𝜽𝜽𝜽𝜽 をグリッドに分割して事後確率 𝑃𝑃𝑃𝑃(𝜽𝜽𝜽𝜽|𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫) が最大となるシミュレーションによる導入効果の検証

第 2.2 節で挙げた遠方地震計による震源推定の課題があるが、 𝜽𝜽𝜽𝜽 は３次元であるため計算量が多くリアルタイ

ムな利用には向かない。そこで、震源位置 𝜽𝜽𝜽𝜽 の候補を

統合検知点処理で達成されたことを確認するため、2007

ことで事後確率 𝑃𝑃𝑃𝑃(𝜽𝜽𝜽𝜽|𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫) が最大となる位置を探索する

源推定のシミュレーションを行った。その際、第４章で1,000 点程度のサンプル（パーティクル）で代表し、パー年から 2014 年までの間に東海道新幹線において警報のティクルを尤度 ℒ(𝜽𝜽𝜽𝜽|𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫) が大きな場所に逐次移動させる

出力があった 37 地震について、統合検知点処理による震パーティクルフィルタ法を採用している。パーティクル

後述するシミュレータを利用した。その結果、震央距離フィルタ法は、パーティクルの移動にモンテカルロ法をが近い地震については緯度経度共に 0.1 度程度の推定誤利用することで、事後確率 𝑃𝑃𝑃𝑃(𝜽𝜽𝜽𝜽|𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫) をガウス分布等の解差であり、単独検知点処理と比較して警報の精度が向上

高速に計算できる利点がある。

独検知点処理では推定誤差が大きくなることがあった

析的に計算しやすい関数形に仮定したり、震源位置 𝜽𝜽𝜽𝜽 としていることを確認した⒁。特に、遠地で発生したため

また、マグニチュードの推定結果は、単独検知点処理

が、統合検知点処理では同じ地震に対して推定誤差が縮観測情報 𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫 との間に線形性を仮定したりすることなく

沿線の揺れが小さくとどまるような大地震において、単の場合と同様に、推定した震源位置 𝜽𝜽𝜽𝜽𝐌𝐌𝐌𝐌𝐌𝐌𝐌𝐌𝐌𝐌𝐌𝐌 を基に計算し小することを確認した。
例として、
2000 年 10 月６日に発生した鳥取県西部地震

た震央距離と観測した地震波の振幅から距離減衰式を用（マグニチュード 7.3、最大震度６強）についてのシミュ

いて求めている。

なお、地震波を観測した遠方地震計が震源に最も近い

レーション結果を図８に示す⒁。駿河湾の北側に位置す

１点のみの段階では、単独検知点処理でも利用可能なる遠方地震計単独では震源から遠いため震央方位の推定

震央距離と震央方位の推定結果に統合検知点処理特有の誤差が大きく誤って北向きに推定しているが、統合検知

テリトリ法の結果が加わることで、単独検知点処理に比

点処理では他のより震央に近い遠方地震計の観測情報をべて早期性を低下させることなく推定精度の向上が可能

利用して、震央位置をほぼ正確に推定していることがわである。これは、統合検知点処理では地震動の観測情報

かる。また、橙色の領域は前述したテリトリ法による尤だけでなく「観測していない事実」も情報として利用で度が大きな範囲（テリトリ）であり、ある遠方地震計がきることの効果である。

震源をテリトリの外に誤って推定したとしても、最終的手順 ⑶ においては、列車停止後にいち早く点検作業

な震源の推定位置への悪影響を小さく抑えられることがを開始したり運転を再開したりするため、遠方地震計全確認できる。

体における地震動の揺れの終息を早期にかつ正しく判定するよう考慮している。
その他、統合検知点処理には補助機能として、地震同★：実際の震源☆：本手法による推定震源×：遠方地震計単独の推定震源

定機能、地震ノイズ再判定機能、縮退運転機能、通信量抑制機能、を有している。地震同定機能は、異なる複数の地震が同時に発生した場合にそれらを誤って同一の地震と扱ってしまうとマグニチュードの過大推定や震源★

位置の誤推定の原因となるため、観測した地震波がどの地震に対応するのかを同定する機能である㉗。地震ノイ
ズ再判定機能は、遠方地震計単体で地震動を誤ってノイズと誤判定してしまった場合でも、複数の遠方地震計の観測情報を利用して地震と再判定することでノイズ識別の精度を改善する機能である⒁。縮退運転機能は、一部

図８6

統合検知点処理のシミュレーション事例⒁MSS 技報・Vol.32

を実施する必要がある。したがって、統合検知点処理

4．
統合検知点処理装置

装置と遠方地震計間の通信インタフェース仕様には、通本章では、統合検知点処理を実装した統合検知点処理

信データの信頼性と即時性の両方が求められる。通信装置の開発とそのテラス等への導入について述べる。開

データの信頼性の点では通信プロトコルに UDP ではな

発は図９に示す工程で行った。初めに、第３章で述べた

く TCP を用いることとし、即時性の点では通信データ

統合検知点処理のアルゴリズムを記載した「処理手順仕サイズの最適化と第 4.2 節に後述する通信回線の変更を様書」を作成した。次に、「処理手順仕様書」が規定する行った。

処理をパッケージ化した SW ライブラリである「機能モ内部設計では、処理の並列化等のアルゴリズムの最適ジュール」を作成した。その際、「機能モジュール」の化を重視した。統合検知点処理は、多数の遠方地震計

API（Application Programming Interface）等は「ライから非同期的に送信される観測情報をリアルタイムに処

ブラリ仕様書」を作成して規定した。最後に、同一の理することが求められる。そのため、遠方地震計ごとの「機能モジュール」を組込んだ「シミュレータ」及び「統通信は、非同期かつ並列に処理するように設計し、また合検知点処理装置」を開発した。シミュレータは統合

最も負荷のかかる統合検知点処理の演算は他の処理に影検知点処理に関するパラメータの調整や性能の検証等に響しないように独立したプロセスで動作するように設計利用するものである。機能モジュールを作成した目的した。

は、統合検知点処理に関わる機能の開発とそれ以外の機

ハードウェアの選定では、前記リアルタイム処理を実能の開発を分離して作業分担の効率化を図る、統合検知

現できることを重視した。そのため、CPU に高クロック

点処理装置とそのシミュレータとの計算結果の整合性をのマルチコア CPU を採用するとともに、演算処理に関確保する、今後の同様なシステム開発においても再利用

連するファイルの Input ／ Output スループットを向上可能とすることで開発効率の向上を図る、ためである。

させるため補助記憶装置に Solid State Drive（SSD）を

また、統合検知点処理装置をテラス等に組み込むに採用した。また、サーバの部品が故障した時も処理を継あたり、統合検知点処理による改善効果をできる限り引続できるようにするため、冗長性を考慮した部品構成とき出すため、既設のテラス等自体の改良もあわせて実施

した。

した。
4.2

利用

4.1

既設の中継所内に設置した。また、観測情報を受信する
ため遠方地震計と、推定結果を送信するため沿線処理装実装

置と通信回線で接続した。
利用
統合検知点
処理装置

シミュレータ

図９

システム構成図を図 10 に示す。統合検知点処理装置は

ライブラリ
仕様書

実装
機能モジュール（SWライブラリ）

テラス等への導入

テラス等に対して、統合検知点処理装置を導入した

処理手順
仕様書

遠方地震計

・ ・・

・・・

・ ・・

統合検知点処理装置の開発工程

統合検知点
処理装置

装置の開発

統合検知点処理装置⑿ ⒁は、汎用計算機上に統合検知点（中継所内）

処理を実装したものであり、遠方地震計からの観測情報を基に震源の位置とマグニチュードを推定する。本節
では、統合検知点処理装置の開発において、外部設計と内部設計で重視した点、ハードウェアの選定で特に重視・・・した点を述べる。

・ ・・

外部設計では、ネットワーク負荷を考慮したインタ

・ ・・

沿線処理装置

フェース設計を重視した。統合検知点処理装置は、遠方

光回線

地震計の観測情報を漏れなく集約して遅滞なく推定処理

図 10

7

統合検知点処理装置等のシステム構成⒁MSS 技報・Vol.32

導入するにあたっては特に次の対策を講じた。１点目

今後は、第 4.3節で述べた稼働実績の更なる蓄積を行い、は、地域的に離れた複数の中継所内に同様の統合検知点

効果の検証や課題の分析を進めていきたい。また、今回処理装置を設置する構成としたことである。これは、は震源推定の次の処理段階である被害推定に利用されて自然災害等による装置の破損や、電力喪失による停止等

いる M–Δ法には手を加えなかったが、よりきめ細やかのリスクに備えて DR（Disaster Recovery）対応を行う

な警報範囲の特定のため、地域的な表層地盤の違いによためである。

る地震波の増幅特性の違いを考慮可能な距離減衰式を用

２点目は、従来の銅線を用いた回線（デジタル専用

いた手法㉔ ㉙ ㉚の検討も今後の課題である。これらの課題

線、アナログ専用線）から光ファイバーを用いた回線を念頭に、当社は今後も地震防災システムの更なる発展（閉域 VPN）に変更したことである。これは、中継所からと鉄道の安全・安定輸送の確保に貢献できるよう努めるの距離が区々な遠方地震計の観測情報を統合検知点処理所存である。

装置に集約して演算する都合上、回線の伝送速度や伝送

最後に、統合検知点処理装置の開発にあたり、処理手

遅延のばらつきを低減し、統合検知点処理装置による推順やシステム仕様の検討等についてご指導・ご助言いた

定の速度と精度に悪影響を及ぼさないようにするためでだいた東海旅客鉄道株式会社、ジェイアール東海コンサ

ある。

ルタンツ株式会社、ジェイアール東海情報システム株式

３点目は、第 3.1 節の最後に述べた縮退運転機能を実会社、株式会社 ANET の関係者様に感謝いたします。

現するため、遠方地震計故障時にテラス等の設定を自動

参考文献

的に変更するようにしたことである⒁。テラス等は常時稼働を前提に設計されているが、自然災害による停電や(1) 内閣府：平成 25 年版防災白書（2013）

通信回線の切断、構成部品の故障等の不測の事態によ(2) 地震調査研究推進本部：全国地震動予測地図 2020年版

り、遠方地震計の観測情報が統合検知点処理装置に届かなくなる障害事象の発生が予想される。そのような場合(3) 早川 俊彦，高橋 真理，成田 章：地震ハザードスに統合検知点処理装置が障害事象を検知できないと、テーション J–SHIS の構築，MSS 技報，23（2013）

地震動を「観測していない事実」も情報として利用する

https://www.mss.co.jp/technology/report/pdf/23-04.pdf

統合検知点処理が適切に動作しないリスクがある。この(4) 藤原 広行，森川 信之，河合 伸一，青井 真，先名 重リスクに対処するため、統合検知点処理装置は、遠方地

樹，前田 宜浩，東 宏樹，はお 憲生，岩城 麻子，若震計の状態を定期的に確認し、障害の有無を自動的に検松 加寿江，井元 政二郎，長谷川 信介，奥村 俊彦，

知して、正常な遠方地震計のみで統合検知点処理を行う

早川 俊彦，高橋 真理：東日本大震災を踏まえた地機能を実装している。

震動ハザード評価の改良，防災科学技術研究所研究
資料，No.399（2015）

4.3(5) 久保村 圭助，菅原 操，仁杉 巌（監修）：鉄道を巨大稼働実績

統合検知点処理装置の運用を開始した 2020 年９月末

地震から守る―兵庫県南部地震をふりかえって，山から 2021 年１月までに発生した５地震において、従来の海堂（2000）

単独検知点処理と比べて震源の推定精度が向上している(6) 山中 浩明，武村 雅之，岩田 知孝，香川 敬生，佐藤ことを確認した⒁。

俊明：地震の揺れを科学する―みえてきた強震動の姿，東京大学出版会（2006）

5．
むすび(7) 国土交通省 航空・鉄道事故調査委員会：鉄道事故調

本稿では、地震の多発地域である日本で運行される

査報告書（RA2007–8–I）東日本旅客鉄道株式会社

鉄道におけるソフト面での地震対策として地震防災シス

上越新幹線浦佐駅～長岡駅間 列車脱線事故（2007）

テムを紹介した。その目的の１つは、地震発生を早期に(8) 東日本旅客鉄道株式会社：東日本大震災の被害状況

検知し、沿線が強く揺れるより前に被害を推定し、列車と復旧・復興に向けた取り組み，JR 東日本グループ

を減速・停止させることである。次に、地震防災システ

社会環境報告書，８（2011）

ムの例として、東海道新幹線で運用されているテラス等(9) 下鳥 桂，庄司 朋宏，新海 英昌：東海道新幹線におのシステム構成と従来の警報手法を紹介し、遠方地震計

ける地震防災システムの取替・機能向上について，を利用した手法における震源の推定精度を向上する課題

土木学会第 73 回年次学術講演会概要集，VI–807を挙げた。最後に、その課題を達成するために開発した（2018）(10) 他谷 周一：東海道新幹線地震防災システムについ統合検知点処理と統合検知点処理装置を紹介した。

8

MSS 技報・Vol.32

(24) 他谷 周一，岡本 弘，下野 五月，松林 弘智：地震諸て，情報処理学会研究報告，2007，No.86（2007–

元推定と閾値超過監視を併用した地震警報判断処

MPS–66），87 ～ 90（2007）

理，土木学会第 71 回年次学術講演会概要集，I–312(11) 他谷 周一：東海道新幹線の地震防災システム，土木（2016）

技術，69，No. ９，28 ～ 34（2014）(12) 西山 裕之，松岡 亮介：東海道新幹線地震防災シス(25) 岡本 弘，他谷 周一，丹羽 健友，下野 五月：海底地

テムの機能強化，日本鉄道施設協会誌，59，No. ７，

震計データを利用した早期地震警報判断手法の検546 ～ 547（2021）

討，土木学会第 71 回年次学術講演会概要集，I–327（2016）(13) 渡辺 篤，本間 芳則，大庭 健太郎，奥冨 剛史：新幹線地震防災システムの開発，MSS 技報，19（2008）(26) 下野 五月：緊急地震速報の機能強化と応用理学部(14) 児玉 聡，西山 裕之，松岡 亮介：東海道新幹線早期門の技術士としての役割，月刊技術士，600 号記念，
48 ～ 49（2016）

地震警報システムにおける統合検知点処理手法の導(27) 溜渕 功史，山田 真澄，Wu，S.：緊急地震速報のた入，土木学会第 76 回年次学術講演会概要集，IV–88

めの同時多発地震を識別する震源推定手法，地震第（2021）

２輯，67，No. ２，41 ～ 55（2014）(15) 東海旅客鉄道株式会社：東海道新幹線 地震防災シ(28) 上野 寛，畠山 信一，明田川 保，舟崎 淳，浜田 信

ステムの機能強化について，報道発表資料（2012 年

生：気象庁の震源決定方法の改善―浅部速度構造と４月 23 日）重み関数の改良―，験震時報，
65，123 ～ 134（2002）(16) 東海旅客鉄道株式会社：地震防災システムの機能強(29) 是永 将宏，岩田 直泰，山本 俊六，野田 俊太，下野化等について，報道発表資料（2017 年３月２日）

五月，小野 友也：早期地震情報の利用を念頭に置い(17) 古瀬 慶博，成田 章，和田 安司：地震防災分野への取り組み，MSS 技報，20（2009）

た距離減衰式の提案，土木学会第 66 回年次学術講演

https://www.mss.co.jp/technology/report/pdf/20-04.pdf

会概要集，I–481（2011）(30) 下野 五月，岩田 直泰，是永 将宏，野田 俊太，小野(18) 古瀬 慶博，成田 章，和田 安司：地震防災分野への取り組み，MSS 技報，22（2012）

友也，山本 俊六：利用目的に応じた地震動指標の距

https://www.mss.co.jp/technology/report/pdf/22-04.pdf

離減衰式を作成するための一般化手法の提案，土木(19) 東海旅客鉄道株式会社：東海道新幹線における地震学会第 66 回年次学術講演会概要集，I–482（2011）

検知の早期化について，報道発表資料（2017 年 10

執筆者紹介

月 30 日）(20) 中村 洋光，岩田 直泰，芦谷 公稔：地震時運転規制

下野 五月に用いる指標と鉄道被害の統計的な関係，鉄道総研

2005 年入社。つくば事業部第四技術部所属、技術士（応報告，19，No.10，11 ～ 16（2005）

用理学部門）。主として鉄道事業者を対象とした地震防災分野に携わる。

(21) 他谷 周一，中嶋 繁，下野 五月：単独観測点での早期震度予測手法，日本地震学会秋季大会概要集，

奥冨310（2008）

剛史

2004 年入社。つくば事業部第四技術部所属。主として(22) 他谷 周一，児玉 聡，中嶋 繁，下野 五月，大庭 健

鉄道事業者を対象とした地震防災分野に携わる。

太郎，中村 浩：震源近傍域における早期地震警報判
断手法の検討，日本地球惑星科学連合 2011 年大会，
HDS030–03（2011）

安孫子 一敏2010 年入社。つくば事業部第四技術部所属。主として(23) 岩田 直泰，山本 俊六，是永 将宏，野田 俊太：早期

鉄道事業者を対象とした地震防災分野に携わる。

地震警報のための地震諸元推定とノイズ識別の機能向上，鉄道総研報告，29，No. ３，5 ～ 10（2015）

9

MSS 技報・Vol.32