COVER STORY: LESSONS FROM DISASTERS
THE APPLIANCE OF SCIENCE
A Hayabusa Shinkansen train running on the Tohoku Shinkansen line. Hayabusa trains will run at a top speed of 320 km/h from March 16.
Credit: COURTESY OF JR EAST JAPAN
The Tohoku Shinkansen Line connects Fukushima, Sendai, Morioka and other major cities of the Tohoku region, traveling a distance of 713 km. The Great East Japan Earthquake devastated many train lines in the Tohoku and Kanto regions, and destruction of stations, snapping of overhead wires and other damage resulted. Nineteen Tohoku Shinkansen trains with passengers on board were in operation when the earthquake struck, but all of them stopped without derailing, and no human injury was incurred.
The East Japan Railway Company (JR East Japan) operating the Tohoku Shinkansen has implemented antiseismic measures focusing on the three points of quickly bringing trains in operation to a halt, preventing destruction of structures, and minimizing damage after derailing. For quickly stopping trains in operation, the Earthquake Early Warning System for Shinkansen (“Earthquake Warning System”) has been adopted. The system has been put into place on other Shinkansen lines in Japan as well.
“The Earthquake Warning System aims at having the brakes work securely and as fast as possible to safely bring the train to a halt,” says Reiko Seki of the Facilities Department of JR East Japan.
The Earthquake Warning System detects earthquakes (seismic waves), automatically terminates power transmission from transformer substations to trains, and automatically activates the train’s emergency brake. Seismographs for detecting seismic waves are installed at a total of 127 locations within the area managed by JR East Japan, along the Pacific coast and Japan Sea coast, in inland areas and along Shinkansen lines.
The Earthquake Warning System also ensures that a warning is issued and Shinkansen trains are brought to a halt when seismographs have detected seismic waves (S-wave) larger than the set level, even when a P-wave was not detected or when a warning was not issued despite detection of P-waves.
“In the past, the warning system only detected S-waves, but since 1998, after the Great Hanshin-Awaji Earthquake, systems that detect P-waves were also put into place,” Seki says. “The system that detects both P- and S-waves helped a great deal in safely halting trains during the Great East Japan Earthquake.”
When the quake struck, the seismograph located along the Pacific coast in Miyagi Prefecture that was closest to the epicenter detected the S-wave at a scale that exceeds the set level. This led to issuance of a warning, and power transmission was halted over about 170 km along the Tohoku Shinkansen Line. It only took about three seconds to activate the emergency brake after halting power transmission. Two trains were in operation in the section, running at about 270 km/hr. The emergency brake was activated about 10 seconds before the arrival of the tremors that supposed to halt the train. By about 70 seconds before arrival of the strongest tremors, the Shinkansen trains that had been traveling at about 270 km/hr had decelerated to about 100 km/hr. Power transmission was from that point halted sequentially at other sections as well, bringing all Shinkansen trains safely to a halt.
To further enhance antiseismic measures after the earthquake, JR East Japan incorporated emergency earthquake notices issued by the Meteorological Agency, which has installed seismographs for detecting P-waves in larger areas, in the Earthquake Warning System, enabling even more detailed detection of earthquakes.
Outline of the Ocean Bottom Seismic and Tsunami Network along the Japan Trench
A fiber optic cable (pink line) measuring approximately 5,600 km long and having 150 observation points (dots) will be submerged in the inner part of the Japan Trench and in the outer part of the Japan Trench (blue region) from Chiba Prefecture to Hokkaido.
Credit: COURTESY OF NATIONAL RESEARCH INSTITUTE FOR EARTH SCIENCE AND DISASTER PREVENTION
The Pacific plate is sinking westward beneath the North American plate, on which Tohoku and Hokkaido sit, beginning its descent at the Japan Trench that extends from south to north for around 800 km from just off the coast of the Boso Peninsula in Chiba Prefecture on Honshu to just off the coast of southeast Hokkaido. At its deepest, this trench is 8,020 m.
Massive colliding plates in this area have made it the epicenter of not only the Great East Japan Earthquake on March 11, 2011, but of many other large earthquakes that have occurred in the past too. However, the majority of the more than 1,500 seismic observation stations in Japan are on land, with only 55 observation stations in the ocean (both these figures are as of the time of the Great East Japan Earthquake). To compensate for the gap in this network of observation stations in the ocean, in 2011 an improvement project for the “Ocean Bottom Seismic and Tsunami Network along the Japan Trench” was launched.
Toshihiko Kanazawa, professor emeritus at the University of Tokyo and head of the Ocean Bottom Seismic and Tsunami Network Laboratory at the National Research Institute for Earth Science and Disaster Prevention, had the following to say:
“At the time of the Great East Japan Earthquake there were two observation devices installed just off the coast of Sanriku for collaborative research by the Earthquake Research Institute of the University of Tokyo to which I belong and Tohoku University. The land-based station that was installed on the coast was destroyed by the tsunami in the earthquake, interrupting data collection, but the movement and size of the tsunami during the period until it reached the coast had been accurately captured. Although the devices were for research purposes only, some researchers believe that if this real time data had been reflected in the warnings the extent of the damage may have been slightly different.”
While only two observation devices were installed on the ocean floor, their position was optimal for observing the tsunami in the Great East Japan Earthquake, and as such they have yielded precious data.
Illustration shows a section of the fiber optic cable belonging to the Ocean Bottom Seismic and Tsunami Network along the Japan Trench.
Credit: COURTESY OF NATIONAL RESEARCH INSTITUTE FOR EARTH SCIENCE AND DISASTER PREVENTION
The observation node is cylindrical in shape measuring 32 cm in diameter and 2.3 m long, and is divided into an open part that measures water pressure and an airtight part that stores the other devices. The body of the node is made of high strength beryllium copper. Further, the airtight part into which the devices have been placed is sealed using laser beam welding rather than packing, which can age over time allowing seawater to penetrate. Even if trouble were to occur, such as the fiber optic cable breaking at some point, or part of the observation equipment or land-based station being destroyed, it employs redundant design so as to operate continuously.
The observation node is 32 cm in diameter and 2.3 m long.
Credit: COURTESY OF NATIONAL RESEARCH INSTITUTE FOR EARTH SCIENCE AND DISASTER PREVENTION
The data collected in this way is sent in real time not only to the National Research Institute for Earth Science and Disaster Prevention but also to the Japan Meteorological Agency and other bodies, enabling it to be used in a range of disaster prevention scenarios, including earthquake information and tsunami information. It could be also useful for local government evacuation orders, and public transport traffic control.
Previously, when a tsunami was approaching, it could only be estimated from the epicenter or size of the earthquake, but if actual observation data can be obtained offshore using multiple observation devices, highly precise forecasts can be sent out swiftly. Further, since seismic waves can be caught close to the epicenter, an earthquake early warning can be technically circulated as much as about 30 seconds earlier than previously, in the case of an earthquake that occurs on the bottom of the ocean near the Japan Trench.
The construction work for the observation network will begin in April this year at the earliest, starting with the coast off Boso in Chiba Prefecture and the northern part of the coast off Sanriku in Miyagi Prefecture, with partial trial operation beginning around July. Full-scale operation will commence approximately two years later when all the construction work is completed. Not only will it be able to provide accurate and speedy information on earthquakes and tsunamis, but if the collection of highly precise data reveals the mechanism of earthquakes that have occurred deep in the ocean floor, it is expected to help predict earthquakes in the future, as well as contribute to urban planning and disaster damage prevention planning in the Tohoku region.
Displays of Fujinokuni Joint Information System and Network (FUJISAN) in the Shizuoka Prefectural Government Office in Shizuoka City. Officers can see the real-time situation of disasters via electronic maps and cameras.
Credit: YOSHIFUSA HASHIZUME
In the Tokai region facing Suruga Bay in the Pacific Ocean, on the western side of Mount Fuji, massive earthquakes with their epicenter off the coast have struck every 100–150 years, and it is speculated that there is a high possibility of a magnitude 8 earthquake occurring in the near future. Because of this, Shizuoka Prefecture, which is situated in this area, is devoting a great deal of effort to various disaster prevention measures in respect of earthquakes and tsunamis, with local governments in the prefecture at the center of such initiatives.
One such measure is Japan’s first disaster prevention system utilizing cloud computing, which commenced operation in July 2011, the Fujinokuni Joint Information System and Network (FUJISAN). (“Fuji-san” is the Japanese for “Mount Fuji.”)
Prior to introducing FUJISAN, Shizuoka Prefecture had constructed a disaster prevention system using two dedicated servers located in the prefectural office building. Through this system, Shizuoka Prefecture collected information from the municipalities on the extent of damage which was used for rescue and relief activities, as well as being conveyed to the national government. However, there were a number of major problems with this system. Firstly, while the prefectural office building is exceedingly earthquake resistant, if by any chance it were to sustain a level of damage that destroyed the building there was a danger that the system itself would cease to operate. Also, in a prefectural trial run, it became clear that when 800 members of staff access the disaster prevention system at the same time the system stops. What is more, even during normal use the volume of data is large, so the electronic maps displaying various types of information do not work smoothly.
To resolve these problems using independent servers would require the investment of enormous sums of money. So the solution that emerged was to switch to cloud computing. Preparations began in April 2010, and in March 2011, when the construction of the new system was in its final stages, the Great East Japan Earthquake struck. Shizuoka Prefecture was untouched by the disaster. However, in the disaster-affected areas, the destruction of disaster-prevention facilities and the disruption of communications networks caused existing disaster-prevention information systems to cease functioning, making the problem that had been feared in Shizuoka a reality.
By utilizing the Internet to decentralize information processing, cloud computing made it possible to process large volumes of data speedily. As a result, electronic maps work a great deal more smoothly with FUJISAN. Theoretically, simultaneous access too is almost limitless. As a result, various disaster-related data can now be confirmed speedily using electronic maps, and even people unfamiliar with the area or people with little experience of dealing with disasters can now easily comprehend the extent of the disaster. Further, since the data is stored on the cloud, the system would continue to run even if the prefectural office building were damaged.
When building the system, emphasis was placed on the collection and dissemination of information necessary for rescue and relief activities within 72 hours after a disaster occurs. The information handled mainly relates to earthquakes and damage caused by wind or flood, and in addition to information on damage and requests for assistance, four important databases for roads, heliports, evacuation centers, and first-aid stations have been developed. Further, a system was introduced (area e-mail) whereby when a disaster occurs a disaster emergency announcement is delivered simultaneously to mobile phone holders in the entire prefecture through mobile phone companies.
FUJISAN can be used by prefectural government bodies and other municipal agencies within the prefecture, and when a disaster occurs members of staff can use their smartphones or mobile phones from their workplace to view detailed disaster information. Staff who are at the scene of a disaster can now also send photographs and latitude and longitude information, which are instantly reflected on electronic maps.
“This is a specialized system to collect the information that is required by the prefecture and send out requests for assistance without delay to surrounding areas and the national government,” says Takefumi Watanabe of Shizuoka Prefectural Government’s Emergency Management Strategic Division that supervised the building of the FUJISAN system. “As far as uploading information on damage from the scene of the disaster is concerned, detailed rules and regulations have also been put in place regarding who should upload information and when, in order to avoid confusion.”
New initiatives for the future too have already begun. For example, investigations are in progress in order to display information about road restrictions and information about evacuation orders when a disaster occurs on FUJISAN and car navigation systems simultaneously, by linking ITS, the state-of-the-art road information communications system, and FUJISAN via a network. Further, although citizens currently cannot access FUJISAN, in 2013 Shizuoka Prefecture will launch a service on its website enabling the public to check electronic map information in real time. This electronic map will display information on the establishment of emergency response headquarters, damage in each area, opening of evacuation centers, and official evacuation warning announcements.
特集震災からの学び
科学技術で災害に備える（仮訳）
新幹線を安全に止める
東北新幹線は、東京から新青森まで、福島、仙台、盛岡などの東北の主要都市を結び、713キロの距離を走行する。今回の震災では、東北・関東エリアを中心 とした鉄道路線にも甚大な被害が及び、駅の損傷、架線の切断などが生じた。発災時、東北新幹線には19本の営業列車が走行していたが、すべて脱線せずに停 車、人的な被害は発生しなかった。
この東北新幹線の運行を行う東日本旅客鉄道(JR東日本)は、走行している列車を早く止める、構造物が壊れないようにする、脱線後の被害を最小限にすると いう３点を柱にして地震対策を進めてきた。このうち、走行している列車を早く止める対策として、新幹線早期地震検知システム（以下、「地震検知システ ム」）が採用されている。このシステムは、日本の新幹線のほかの路線にも導入されている。
「地震検知システムは、1秒でも早く確実にブレーキを作動させて、列車を安全に停止させることが目的です」とJR東日本設備部の関玲子氏 は言う。
地震検知システムは、地震の揺れ（地震波）を検知し、変電所から列車への送電を自動的に停止し、列車の非常ブレーキを自動的に作動させるというシステム だ。地震波を検知する地震計は、JR東日本管内で、太平洋沿岸、日本海沿岸、内陸、新幹線沿線に合計127カ所、設置されている。
通常、地震の揺れには、伝わる速度は大きいが、小さい縦揺れ(初期微動)であるP波と、伝わる速度は小さいが、大きな横揺れ（主要動）のS波がある。地震 の大きさや震源地からの距離にもよるが、P波の到来後、数秒から数十秒経って、S波が到来する。地震検知システムは、震源の近くの地震計でP波を検知し、 そのデータから、震源からの距離、方位、マグニチュードを地震計が推定し、過去に起きた地震の記録を踏まえ、構造物に被害が発生する可能性がある区間の変 電所に警報を発信、警報を受けた変電所は列車への送電を停止する。
さらに、地震検知システムでは、P波が検知できない、あるいは検知しても警報が発信されない場合でも、ある一定の大きさを超える地震波（S波）を地震計が観測すれば、警報を発信し、新幹線は停止するようになっている。
「以前は、S波のみの検知システムでしたが、阪神・淡路大震災後の1998年からP波も検知するシステムも導入しました」と関氏は言う。「東日本大震災では、P波とS波を二重で検知できるシステムが、新幹線をいち早く停止させることにつながったのです」
東日本大震災では、最初に、震源に最も近い、宮城県太平洋沿岸にある地震計が、ある一定の大きさを超えるS波を観測したことで、警報が発せられ、東北新幹 線の沿線約170kmにわたって送電が停止された。送電停止から非常ブレーキが作動するまでの時間は、わずか約3秒。この区間では、時速約270kmの新 幹線2本が走行していたが、非常ブレーキが作動したのは、列車の運行を中止する基準となる揺れが到達する約10秒前だった。そして、その後、最も強い揺れ が到達する約70秒前には、時速約270kmで走行していた新幹線も、時速約100kmまで減速することが出来ていた。その後、ほかの区間でも、順次、送 電が停止され、全ての新幹線が安全に停止している。
震災後のさらなる地震対策として、JR東日本では、2012年10月から、広い地域にP波を検知する地震計をもつ気象庁が発信する緊急地震速報も、地震検知システムに組み込み、よりきめ細かく、地震を検知する態勢となっている。
より高い精度で津波を予測する
本州の千葉県の房総半島沖から北海道の南東沖まで、南北約800kmにわたって続く日本海溝では、西に向かって移動する太平洋プレートが、東北、北海道が載る北アメリカプレートの下へと沈み込んでいく。この海溝の水深は最大で8020ｍにも達する。
巨大なプレートとプレートがぶつかり合うこのエリアは、2011年3月11日の東日本大震災ばかりでなく、過去に何度も大きな地震の震源地となってきた。 しかし、日本国内にある1500か所以上の地震観測点の大半は陸上にあり、海域の観測点はわずか55か所にすぎない（いずれも東日本大震災当時）。こうし た海域の観測網の空白を補うため、2011年にスタートしたのが日本海溝海底地震津波観測網の整備計画である。
独立行政法人防災科学技術研究所の海底地震津波観測網整備推進室長を務める金沢敏彦・東京大学名誉教授は次のように語る。
「震災当時、私が所属していた東京大学の地震研究所と東北大学は共同で研究用の観測機器を三陸沖に2基設置していました。これらは東日本大震災による津波 で沿岸に設置されていた陸上局が破壊され、データが途中で途切れてしまうのですが、津波が沿岸に到達するまでの間、その動きや大きさを克明に捕らえていま した。あくまで研究用の機器でしたが、このデータがリアルタイムで警報などに反映されていれば、被害状況は少し変わっていたかもしれないと考える研究者も います」
海底に設置されていた観測機器はわずか2基であったが、東日本大震災の津波を観測するのに最適な場所に設置されていたので、この2基からは予想以上の貴重なデータが得られている。
今回、日本海溝海底地震津波観測網で太平洋の海底に設置されるのは地震計、津波計（水圧計）、電源などを収納した「観測ノード」と呼ばれるカプセル、そし て、これらをつなぐ海底ケーブル（光ケーブル）である。これらを、千葉県から北海道の日本海溝の内側(西側)海底と、日本海溝の外側（東側）海底に沈め る。つまり、日本海溝を挟んで内側と外側に観測網を張り巡らせ、日本列島東側の海域を広くカバーしようというのだ。トータルでの観測点は150か所、海底 ケーブルの総延長は約5600kmにもおよぶ。
観測ノードは海底水圧を測る開放部とそれ以外の機器を収納する気密部に分かれていて、全体は直径32cm、長さ2.3mほどの円筒形をしている。ノード本 体は強度の高いベリリウム銅製だ。また、気密部に機器を入れて密封するときに、経年変化による海水侵入の可能性があるパッキン類を用いずに、レーザービー ム溶接で密封している。また、観測網は、光ケーブルが途中で切れる、あるいは一部の観測装置や陸上局が壊れるなどのトラブルが起きても、絶えず稼働できる ように冗長設計されている。
「観測機器の耐用年数は30年以上です」と金沢氏は言う。「耐久性と高い信頼性の確保は防災用のシステムには不可欠と考えられています」
こうして集められたデータは防災科学技術研究所だけでなく、気象庁などにもリアルタイムで送られ、地震情報や津波情報に役立てられる。そのほか自治体による避難勧告、交通機関の運行管理など、さまざまな面から防災に役立てられる可能性がある。
これまで津波の襲来は、震源や地震の規模から推定するしかなかったが、複数の観測機で沖合の実測データが得られれば、きわめて精度の高い予報をスピーディ に発信することができる。また、震源に近いところで地震波をキャッチできるため、沖会い遠くの日本海溝付近の海底で発生する地震のような場合であれば、こ れまでより最大30秒程早く緊急地震速報を流すということも技術的には可能になるはずだという。
観測網の工事はまず千葉県の房総沖と宮城県の三陸沖北部で早ければ今年4月から始まり、7月頃には一部試験運用が始まる。そして、すべての工事が完了し、 本格運用がスタートするのは約2年後だ。正確かつ迅速な地震・津波情報を提供できるようになるばかりでなく、精度の高いデータの集積により、海底深くで発 生する地震のメカニズムが明らかになれば、将来の地震予測、東北地方の都市計画や防災計画にも貢献すると大きな期待が寄せられている。
クラウドを防災に活かす
富士山の西側、太平洋・駿河湾に面する東海エリアでは、沖合を震源とする巨大地震が100〜150年周期で発生しており、近い将来、マグニチュード8クラ スの地震が起こる可能性が高いと推測されている。そうしたことから、このエリアに位置する静岡県では、自治体が中心となり、地震や津波に対する様々な防災 対策に力を注いでいる。
その一つが、2011年７月から運用を開始した、クラウドコンピューティングを利用した日本初の防災システム、「ふじのくに防災情報共有システム（FUJISAN）」だ。(「FUJISAN」は日本語で富士山の意味)
FUJISANを導入する前、静岡県は、県庁舎に2台置かれた専用サーバーで防災シテムを構築しており、静岡県は市町村から得られた被害状況などの情報を 集め、救出・救護活動に役立てる、さらに、それらの情報を国に伝えるというシステムになっていた。しかし、いくつかの大きな問題点があった。まず、県庁舎 は極めて耐震性が高い建物であるが、万が一、建物が破壊されるような被害が発生した場合、システムそのものが稼働しない危険性があった。また、県の実験 で、防災システムに800人程度の職員が同時にアクセスすると、システムがストップすることが判明していた。さらには、平常時の利用でも、データ量が大き いために、様々な情報を表示する電子地図がなめらかに動かないという問題も抱えていた。
これらを自前のサーバーで解決しようとすると巨額の投資費用を要することになる。そこで解決策として持ち上がったのが、クラウドコンピューティングへの切 り替えだった。準備は2010年4月から始め、新たなシステム構築への最終段階に入った2011年3月に東日本大震災が起きた。静岡県では震災の影響はな かったが、被災地では、防災拠点の破壊や通信ネットワークの途絶が原因となり、従来の防災情報システムが機能しなくなるという、静岡で懸念していた問題点 が現実のものとなっていた。
クラウドコンピューティングは、インターネットを用いて、情報処理を分散させることで、大量のデータの迅速に処理することを可能にした。それゆえ、 FUJISANでは、電子地図の動きも格段にスムーズになった。同時アクセスも、理論的にはほぼ無制限で可能だという。結果として、災害に関する様々な データが電子地図上で迅速に確認できるようになり、土地勘のない人や災害対応の経験が少ない人でも容易に災害の状況が把握できるようになった。また、デー タがクラウド上にあるので、仮に県庁舎が被災しても、システムの稼働には問題がない。
システム構築にあたっては、災害の発生後72時間以内の救出・救護活動に必要な情報の収集・発信に重点が置かれた。取り扱う情報は地震と風水害に関するも のが中心で、被害や支援要請などの情報の他に、道路、ヘリポート、避難所、救護所の4つの重要なデータベースが整備されている。また、災害発生時には、携 帯電話会社を通して災害緊急速報メールが県内全エリアの携帯電話保持者に同時一斉配信されるシステム（エリアメール）も導入された。
このFUJISANを利用できるのは県と県内市町村の行政機関で、災害発生時には職員が現場からスマホや携帯電話を使って、詳細な災害情報を見ることもできる。災害現場の職員が写真や緯度経度情報を送信し、瞬時に電子地図上に反映させることも可能になった。
「このシステムは、県として必要な情報を収集し、国や周辺地域にすみやかに支援要請を出すために特化させたものです」とFUJISANのシステム構築を指 揮してきた静岡県庁危機政策課の渡辺岳史氏は言う。「現場からの被害情報のアップに関しても、混乱を避けるために誰がどのタイミングで情報をアップすべき かといった細かい規定も設けています」
今後に向けた新たな取り組みも、すでに始まっている。例えば、最先端の道路情報通信システムであるITSとFUJISANとをネットワークでつなぎ、災害 時の道路通行可能情報や避難勧告情報を、FUJISANとカーナビ上で同時に表示するための検討が進められている。また、現状では市民がFUJISANに アクセスすることはできないが、2013年には静岡県の公開用サイトから、誰もがネットを介してリアルタイムの電子地図情報をチェックできるようになる予 定だ。この電子地図には、災害対策本部の設置情報、各エリアの被害情報、避難所の開設情報、避難勧告の発令情報が表示されることになる。
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