劉愛(ài)春 周振安 劉耀煒 李 闊

(中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所,北京 100085)

地下流體綜合觀測(cè)集成技術(shù)研究＊

劉愛(ài)春 周振安 劉耀煒 李 闊

(中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所,北京 100085)

將地下流體學(xué)科中的水溫、水位、氣溫、氣壓、雨量 5種物理量觀測(cè)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)集成,形成一套綜合觀測(cè)系統(tǒng),探索地震前兆綜合觀測(cè)的集成技術(shù)。

地下流體;綜合觀測(cè);集成技術(shù);水溫;水位

1 前言

地下流體的綜合觀測(cè)研究,在國(guó)內(nèi)外呈發(fā)展趨勢(shì),早在 20世紀(jì) 70年代,蘇聯(lián)就在地震預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)開(kāi)展了地下流體的綜合觀測(cè)研究,觀測(cè)項(xiàng)目包括地下水的物理動(dòng)態(tài)和化學(xué)動(dòng)態(tài);日本在東海地區(qū)地下水觀測(cè)網(wǎng)中的 11口井中全部開(kāi)展地下水的物理動(dòng)態(tài)和化學(xué)動(dòng)態(tài)的綜合觀測(cè)研究;土耳其在伊斯坦布爾國(guó)際地震預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)中以 1口觀測(cè)井為中心開(kāi)展水位、水氧、水溫、土溫、土壤濕度、土氡、氣壓、降雨、氣溫等多項(xiàng)地下流體及與其有關(guān)的動(dòng)態(tài)觀測(cè),而且還有地傾斜、地電等其他前兆的對(duì)比觀測(cè);美國(guó)也曾在帕克菲爾德實(shí)驗(yàn)場(chǎng)等地開(kāi)展了不同前兆項(xiàng)目的綜合對(duì)比觀測(cè)[1],在這些綜合觀測(cè)項(xiàng)目中均采用數(shù)據(jù)采集、處理、通訊等集成技術(shù)。我國(guó)在“九五”期間曾采用公用數(shù)采的方式進(jìn)行綜合觀測(cè)的集成,但由于一些客觀原因,“十五”期間被停用,而采用每種觀測(cè)技術(shù)一種觀測(cè)儀器的方式,造成了資源的浪費(fèi),也對(duì)開(kāi)展地下流體綜合觀測(cè)與研究造成一些不便和影響,因此進(jìn)行綜合化、數(shù)字化、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化的綜合觀測(cè)集成技術(shù)研究是很有必要的[2]。

2 綜合觀測(cè)系統(tǒng)的集成技術(shù)與應(yīng)用

2.1 集成方案與集成技術(shù)

目前,在地下流體觀測(cè)中所采用的傳感器信號(hào)輸出類(lèi)型主要有電壓型、電流型、數(shù)字型、頻率型、開(kāi)關(guān)型等,綜合集成技術(shù)就是將這些不同類(lèi)型的傳感器輸出信號(hào)按照一定的采樣率轉(zhuǎn)化成數(shù)字化數(shù)據(jù),并保存到大容量的存儲(chǔ)設(shè)備中,通過(guò)網(wǎng)絡(luò),按照一定的通訊協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送到臺(tái)網(wǎng)中心的數(shù)據(jù)庫(kù)中[3,4]。

將地下流體中水溫、水位、氣溫、氣壓、雨量 5種主要觀測(cè)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)集成,形成一套綜合觀測(cè)系統(tǒng)。此綜合觀測(cè)系統(tǒng)主要包括主控單元、傳感器、供電系統(tǒng) 3大部分(圖 1)。

圖1 綜合觀測(cè)系統(tǒng)集成原理框圖Fig.1 Principle block diagram of integration of comprehensive observation system

1)主控單元采用高性能、低功耗、DOS操作系統(tǒng)支持的嵌入式工控機(jī)技術(shù),并通過(guò) PC/104總線方式擴(kuò)展相應(yīng)的功能模塊。該工控機(jī)具有 10/100 M高速以太網(wǎng)接口,標(biāo)準(zhǔn) I DE接口 (DOM,普通硬盤(pán))、并口、4個(gè)串口(RS-232和 RS-485)、FDD軟盤(pán)接口、USB接口、DOC接口、PS/2鍵盤(pán)口、RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘、非易失性存儲(chǔ)器、通用 GPI O、和 ISA總線、看門(mén)狗等功能,可直接安裝、運(yùn)行DOS系統(tǒng)軟件,提供完整的 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,可以使用豐富的免費(fèi)資源進(jìn)行開(kāi)發(fā)調(diào)試系統(tǒng)。系統(tǒng)集成了 RTC芯片,具有掉電非易失的實(shí)時(shí)時(shí)鐘,內(nèi)、外部時(shí)鐘均為 100 MHz,即使供電停止,也能通過(guò)后備鋰電池 (3V),使RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘保持運(yùn)行,避免了每次啟動(dòng)都要校對(duì)時(shí)間的麻煩,且時(shí)間精度高,可準(zhǔn)確、方便地識(shí)別事故發(fā)生的真實(shí)時(shí)間,系統(tǒng)的時(shí)鐘可以通過(guò)WEB服務(wù)的手動(dòng)方式與 SNTP網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)方式兩種方式進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)鐘的較時(shí)。

2)傳感器中水溫傳感器為石英晶體傳感器,輸出信號(hào)是頻率信號(hào),為了提高傳感器的精度與穩(wěn)定性,在傳感器前端利用單片機(jī)等數(shù)字化技術(shù)將頻率信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào),因此水溫傳感器的輸出信號(hào)為數(shù)字型,水位傳感器輸出信號(hào)為電流型,氣溫、氣壓傳感器輸出信號(hào)為電壓型,雨量傳感器輸出信號(hào)為開(kāi)關(guān)型,針對(duì)不同的傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行了擴(kuò)展模塊設(shè)計(jì),其中水溫傳感器通過(guò) RS-485接口將數(shù)字信號(hào)輸入到工控機(jī)中,水位傳感器通過(guò)一個(gè)電流轉(zhuǎn)電壓轉(zhuǎn)換電路,通過(guò)信號(hào)變換,經(jīng)多路轉(zhuǎn)換控制輸入到工控機(jī)中,氣溫、氣壓通過(guò)信號(hào)變換后,經(jīng)多路轉(zhuǎn)換控制輸入到工控機(jī)中,電源電壓信號(hào)經(jīng)多路轉(zhuǎn)換控制輸入到工控機(jī)中,用來(lái)監(jiān)控儀器的工作電壓,雨量傳感器通過(guò)信號(hào)變換后,經(jīng)脈沖信號(hào)觸發(fā)器形成脈沖信號(hào),再利用工控機(jī)的 I RQ10中斷源來(lái)進(jìn)行雨量的脈沖計(jì)數(shù),從而進(jìn)行雨量的計(jì)數(shù),同時(shí)還利用工控機(jī)的 I RQ11中斷源對(duì)ADC的校準(zhǔn)電壓進(jìn)行監(jiān)控。

3)供電系統(tǒng)包含交、直流兩種供電模式,可進(jìn)行交、直流自動(dòng)切換,主電源為 12 V,接口擴(kuò)展芯片的供電電壓為 5 V,傳感器供電電壓為 12 V,隔離電源有 +5 V和 -5 V,因此可充分保障綜合觀測(cè)系統(tǒng)的供電環(huán)境[5]。

集成后的綜合觀測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫、水位、氣溫、氣壓、雨量傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集以及進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測(cè)等,并將采集的數(shù)據(jù)保存到具有大容量的 CF卡中,臺(tái)網(wǎng)中心可通過(guò)各種網(wǎng)絡(luò)與綜合觀測(cè)系統(tǒng)聯(lián)接,獲取所需的數(shù)據(jù)。

2.2 集成功能

集成后的綜合觀測(cè)系統(tǒng)除了滿足中國(guó)數(shù)字地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)規(guī)程[6]規(guī)定的一些通訊協(xié)議規(guī)程外,還具有了一些網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化的功能,主要有：

1)WEB服務(wù)功能。系統(tǒng)內(nèi)開(kāi)發(fā)了Web服務(wù)功能,客戶端與儀器通過(guò) HTTP(超文本傳輸)通信協(xié)議進(jìn)行通信,即在客戶端的 IE瀏覽器中輸入相應(yīng)儀器的 IP地址,輸入相應(yīng)的用戶名與密碼即可登錄綜合觀測(cè)系統(tǒng),進(jìn)行儀器信息查看、觀測(cè)數(shù)據(jù)與運(yùn)行日志的查看與下載、儀器參數(shù)配置與修改、系統(tǒng)時(shí)鐘校時(shí)與遠(yuǎn)程復(fù)位等功能。

2)FTP服務(wù)功能。系統(tǒng)內(nèi)開(kāi)發(fā) FTP文件傳輸服務(wù)功能,即在 DOS命令行狀態(tài)下,輸入 ftp IP地址,即可與綜合觀測(cè)儀連接,進(jìn)行儀器參數(shù)的查看、修改,觀測(cè)數(shù)據(jù)與運(yùn)行日志的下載,軟件的升級(jí)等功能[4]。

3)監(jiān)控功能。通過(guò)端口讀取電壓數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)工作電源電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè),通過(guò)命令實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程復(fù)位的程控、AD內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)電壓的校準(zhǔn)、觀測(cè)系統(tǒng)時(shí)鐘的校準(zhǔn)等。通過(guò)擴(kuò)展模塊的 JP24跳針,利用硬件方式來(lái)實(shí)現(xiàn)儀器 IP地址的修復(fù),并將 IP地址恢復(fù)到出廠固定值[7]。

2.3 集成指標(biāo)

1)測(cè)量精度：主機(jī)模擬電壓量測(cè)量誤差：＜0.01%±1;水溫測(cè)量誤差：＜0.05℃,分辨率：0.000 1℃;水位測(cè)量誤差：＜0.2%,分辨率：0.1 mm;溫度測(cè)量誤差：＜±0.1℃,分辨率 0.01℃;氣壓測(cè)量誤差：＜0.2%,分辨率 0.1 hPa;雨量測(cè)量誤差：＜±4%,分辨率 0.1 mm;

2)采樣率：1次/分;

3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量：＞一年;

4)主機(jī)功耗：主機(jī)電流 120 mA。

集成后的綜合觀測(cè)系統(tǒng)具有抗干擾、穩(wěn)定性好,低功耗等特點(diǎn),可滿足高精度傳感器的采集要求,方便多種類(lèi)型傳感器的接入,可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊傳輸與遠(yuǎn)程控制功能。

2.4 集成應(yīng)用

圖 2 海口向榮村臺(tái)綜合觀測(cè)系統(tǒng) 2010-02-05日分鐘值觀測(cè)曲線Fig.2 Curvesminutely value of comprehensive observation system at Xiangrongcun station in Haikou city on Feb.5,2010

圖 2為?？谑邢驑s村臺(tái)綜合觀測(cè)系統(tǒng) 2010年2月 5日的分鐘值觀測(cè)曲線,從圖 2可看出,在一口觀測(cè)井中,安裝集成后的綜合觀測(cè)系統(tǒng),能精確地完成水溫、水位、氣溫、氣壓、雨量 5種不同類(lèi)型傳感器的數(shù)據(jù)采集與存貯,且精度達(dá)到傳感器的設(shè)計(jì)要求;氣溫、氣壓、雨量的變化與觀測(cè)井的環(huán)境變化相對(duì)應(yīng),氣壓與固體潮、水位有一定的相關(guān)性,水位、水溫的變化呈負(fù)相關(guān)性關(guān)系,反映出此觀測(cè)井的水溫、水位變化的特點(diǎn),即水位下降,水溫上升,水位上升,水溫下降,這對(duì)判斷數(shù)據(jù)是否異常有了一定的依據(jù);從數(shù)據(jù)曲線上看,可進(jìn)行數(shù)據(jù)異常與干擾的初步判斷,當(dāng) 5個(gè)通道的數(shù)據(jù)均在同一時(shí)間出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時(shí),可認(rèn)為是綜合觀測(cè)系統(tǒng)的故障造成的干擾,可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)登錄儀器WEB頁(yè)面,查看頁(yè)面上的電壓監(jiān)測(cè)值來(lái)初步判斷故障的原因,當(dāng)某一通道出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常或多個(gè)通道在不同時(shí)間出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時(shí),可以初步判斷并非儀器故障,在排除環(huán)境干擾等的因素下,可與此觀測(cè)井的背景值進(jìn)行比較來(lái)確定是否為震前異常,這樣可方便儀器維修人員對(duì)儀器故障的判斷與檢修以及資料分析人員對(duì)數(shù)據(jù)的可靠性的判斷與分析;此觀測(cè)井中水位、水溫的觀測(cè)數(shù)據(jù)變化不大,比較穩(wěn)定,是進(jìn)行地下流體綜合觀測(cè)的理想觀測(cè)井。因此在同一口觀測(cè)井安裝此綜合觀測(cè)系統(tǒng)具有儀器是否運(yùn)行正常的監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)可靠性的判斷、觀測(cè)環(huán)境優(yōu)劣的判斷等優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

將水溫、水位、氣溫、氣壓、雨量 5種主要觀測(cè)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)集成,形成一套綜合觀測(cè)系統(tǒng),從而提高了地震前兆信息的獲取能力。

通過(guò)安裝在?？谑邢驑s村臺(tái)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè),說(shuō)明綜合觀測(cè)系統(tǒng)工作正常,運(yùn)行可靠,獲得了真實(shí)、可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù),符合中國(guó)地震局《中國(guó)數(shù)字地震觀測(cè)系統(tǒng)建設(shè)》總體技術(shù)要求,達(dá)到了綜合化、數(shù)字化、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化的綜合觀測(cè)的目的。

1 車(chē)用太,朱清鐘,地下流體綜合觀測(cè)與研究[J].國(guó)際地震動(dòng)態(tài),1994,7：5-7.(Che Yongtai and Zhu Qingzhong. Study on comprehensive observation of subsurface fluid, 1994,7：5-7)

2 車(chē)用太,等.試論“十五”期間我國(guó)地震地下流體前兆臺(tái)網(wǎng)的優(yōu)化與建設(shè)問(wèn)題[J].國(guó)際地震動(dòng)態(tài),2001,11：1-8. (Che Yongtai,et al.Discussion on optimization and construction of seismic precursor networks of subsurface fluid in China during the time of the“Tenth Five-Year Plan”[J]. RecentDevelopments inWorld Seismology,2001,11：1-8)

3 中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司.地下流體數(shù)字觀測(cè)技術(shù)[M].北京：地震出版社,2002.(Department ofMonitoring and Prediction,CEA.The digital observing technology of subsurface fluid[M].Beijing：Seismological Press,2002)

4 王秀英,周振安,劉愛(ài)春.“十五”地震前兆觀測(cè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通訊規(guī)程應(yīng)用探討 [J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2008, (4)：131-135.(Wang Xiuying,Zhou Zhen’an and Liu Aichun.Discussion on application of stipulation of net work communication for earthquake precursory observation devices [J].Journalof Geodesy and Geodynamics,2008,(4)：131-135)

5 周振安,等.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].北京：地震出版社,2005.(Zhou Zhen’an,et al.Design and practice of the data acquisition system[M].Beijing：Seis mological Press,2005)

6 中國(guó)地震局編.中國(guó)地震前兆臺(tái)網(wǎng)技術(shù)規(guī)程[M].北京：地震出版社,2005.(China Earthquake Administration.Stipulation on geoscience observatory network in China[M].Beijing：Seis mological Press,2005)

7 王秀英,周振安,劉愛(ài)春.地震前兆設(shè)備動(dòng)態(tài)監(jiān)控報(bào)警功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].地震研究,2009,32(4)：431-435. (Wang Xiuying,Zhou Zhen’an and Liu Aichun.Design and implementation of dynamic monitoring and alerting functions for the earthquake precursory observation devices[J].Journal of Seis mological Research,2009,32(4)：431-435)

STUDY ON INTEGRATED TECHNOLOGY OF COM PREHENSIVE OBSERVATION OF SUBSURFACE FLUID

Liu Aichun,Zhou Zhen’an,Liu Yaowei and Li Kuo
(Institute of Crustal Dynam ics,CEA,B eijing 100085)

A kind of comprehensive observation system which is integrated to observe five physical quantities in subsurface,such as the water temperature,water level,temperature,pressure,rainfallwas studied.Itwillprovide an effective method to explore integration technology of the earthquake precursor comprehensive observation through this system.

subsurface fluid;comprehensive observation;integrated technology;water temperature;water level

1671-5942(2010)05-0156-04

2010-03-24

中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所中央公益性基本科研業(yè)務(wù)專(zhuān)項(xiàng)基金(ZDJ2009-12)

劉愛(ài)春,男,1974年生,碩士,助研,主要從事前兆儀器開(kāi)發(fā)與研制工作.E-mail：liuaich@126.com

P315.72+3

A