朱永莉，賴 敏，孫澤濤

(四川省地震局 地震監(jiān)測中心，四川成都 610041)

1 四川省數(shù)字強震動臺網(wǎng)概況和技術系統(tǒng)問題

為了獲取地面地震加速度數(shù)據(jù)并且用于工程地震需要，建設了四川省數(shù)字強震動臺網(wǎng)，于2007年12月投入運行。四川省數(shù)字強震動臺網(wǎng)由211個自由場臺站組成，觀測設備使用強震動記錄器和加速度計，采用電話有線傳輸網(wǎng)絡作為數(shù)據(jù)傳輸方式，用220V交流電源為儀器供電，并配有在線式UPS作為后備電源?！?.12”汶川特大地震中，四川省數(shù)字強震動臺網(wǎng)獲取了主震產(chǎn)生的記錄401條，其中，臥龍臺記錄到我國大陸地區(qū)迄今為止最大的數(shù)字強震動值。同年“8.30”會理—攀枝花6.1級地震，也獲取了108條主震數(shù)字強震動記錄值。但是，地震發(fā)生之后部分地方通信中斷，這些珍貴的強震記錄大部分是技術人員到現(xiàn)場收取的，且耗時較長，影響了對于地震災害程度的快速確定。在數(shù)字強震動臺網(wǎng)近3年的運行實踐中，在自然和通信環(huán)境不太理想的川西地區(qū)，維護四川省數(shù)字強震動臺網(wǎng)技術系統(tǒng)運行存在較大難度，臺網(wǎng)運行率也難以達到原來預想的程度。為了提高四川省數(shù)字強震動臺網(wǎng)的運行效率，還需要做進一步的分析和工作，以提高四川省數(shù)字強震動臺網(wǎng)的運行效率。

1.1 PSTN臺站通信故障

四川省數(shù)字強震動臺網(wǎng)工作框圖如圖1所示。置于臺站的強震儀由交流電源和1 kVA的UPS(備3個65 AH的電池)作為其電源保障。強震數(shù)據(jù)接收中心通過Modem和電話網(wǎng)遠程登錄強震儀并且進行數(shù)據(jù)收取和其他必要的維護工作。通過近3年的實踐，該技術系統(tǒng)暴露出了一系列的問題。PSTN臺站技術系統(tǒng)采用的通信方式是人工直接操控的通信方式。從圖1可見，臺站強震儀與臺網(wǎng)中心的遠程通信需經(jīng)過Modem(調(diào)制解調(diào)器)和PSTN通信網(wǎng)絡進行。在這個通信過程中存在四個方面的弊端:①由于PSTN通信線路是針對話音頻率30～4 000 Hz范圍內(nèi)設計的，使得通過模擬電話線路的數(shù)據(jù)傳輸速率被限制在33.4 kbps以內(nèi)，所以該通信方式相對于互聯(lián)網(wǎng)通信方式而言，存在通信速度緩慢的弊端，假定臺站的強震儀以及電源設備工作正常，則在臺站與臺網(wǎng)中心通信環(huán)節(jié)中，PSTN通信網(wǎng)絡與臺站Modem的工作質(zhì)量成為至關重要的環(huán)節(jié)。②從OSI七層模型的角度來看，PSTN僅僅可以看成是物理層的一個簡單的延伸，沒有向用戶提供流量控制、差錯控制等重要服務功能，當進行遠程臺站通信時，會發(fā)生多次回收同一臺站的儀器數(shù)據(jù)未果現(xiàn)象，其原因是使用的儀器通信軟件當通過PSTN通信網(wǎng)絡傳輸儀器數(shù)據(jù)發(fā)生3次錯誤時，該軟件就會中斷儀器數(shù)據(jù)的傳輸，同時還存在數(shù)據(jù)傳輸耗時甚至不可靠的弊端。③在進行遠程通信時，若PSTN通信網(wǎng)絡、遠端臺站Modem與臺站觀測儀器其中任一環(huán)節(jié)的工作狀況不正常時，在臺網(wǎng)中心表現(xiàn)出來的通信狀況均為不正常，即不能確定該不正常狀況是由PSTN通信網(wǎng)絡、遠端臺站Modem或觀測儀器哪一環(huán)節(jié)故障造成的，所以，PSTN臺站通信方式存在不能直接判斷故障點位置的弊端。④PSTN臺站通信方式是典型的點對點通信方式，不能實現(xiàn)智能化臺網(wǎng)管理。綜上所述，PSTN臺站通信方式存在數(shù)據(jù)傳輸速度較低、傳輸質(zhì)量不穩(wěn)定、無法確定通信故障具體位置以及不能實現(xiàn)智能化臺網(wǎng)管理方式四個方面的問題。

圖1 技術改進前強震動臺網(wǎng)系統(tǒng)工作框圖

1.2 UPS電源故障的分析

四川省強震動臺站使用的UPS電源均為在線式，UPS按備用時間分類:標準型及長效型;按工作原理可分為后備式、在線式及在線互動式。其中124臺為72小時長效型，其余為15分鐘的標準型設備。強震動臺站使用UPS電源的初衷是改善儀器電源環(huán)境以及在市電中斷條件下能夠為備用電源維持臺站儀器工作的供電設備。三年的臺站使用經(jīng)驗證明，UPS電源不適合無人值守的強震動臺站，特別是不適合管理質(zhì)量欠佳的無人值守強震動臺站，其原因是:①在市電中斷條件下，維持臺站儀器工作的電源由UPS附屬的電池提供，工作時間的長短依UPS電池的容量大小而定，在停電時間過長造成UPS附屬電池過度放電而損壞的情況下，當市電恢復以后UPS仍不能正常啟動，從而導致觀測儀器也不能夠隨著恢復工作，典型的例子發(fā)生在汶川8.0級地震時的都江堰市紫坪臺，該臺站UPS電源由于地震后電源斷開，造成儀器不能工作而漏記了汶川8.0級地震的主震記錄。②UPS電源在逆變狀態(tài)下的功耗約為300 W，地震儀器最大功耗為15 W。對該電源而言，若視在功率=315 W(300+15)，有功功率=15 W，則功率因數(shù)=有功功率/視在功率≌0.048。這表明，在市電中斷情況下，超過95%的電池容量均被UPS設備自己消耗掉了，并且，臺站儀器以及附屬通信設備均在直流電狀態(tài)下工作，在線式UPS電源卻是將附屬電池電壓逆變?yōu)榻涣麟娸敵?，從而造成了不必要的功率消?如圖2中的虛線框所示)。

圖2 UPS電源系統(tǒng)基本原理

1.3 臺網(wǎng)管理軟件分析

四川省強震動臺網(wǎng)在技術系統(tǒng)改進前，尚無臺網(wǎng)管理軟件。臺網(wǎng)管理的所有工作以及地震事件的獲取工作均須采用原始的人工操作，也存在效率低下的弊端。

2 技術系統(tǒng)問題的解決辦法

2.1 通信方式的改進

鑒于PSTN臺站數(shù)據(jù)通信方式的不足，為實現(xiàn)臺網(wǎng)智能化管理以提高臺網(wǎng)管理工作效率，四川省地震局地震監(jiān)測中心對強震動臺網(wǎng)通信方式進行了改進，擯棄了落后的PSTN通信方式，采用了基于GPRS/CDMA/EDGE網(wǎng)絡的無線傳輸技術進行通信。該技術解決了前述臺網(wǎng)遠程數(shù)據(jù)采集與管理的弊端問題。其技術優(yōu)勢在于可最大限度地利用現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡設備，并且通過移動交換中心(MSC)和服務GPRS支持節(jié)點(SGSN)進行數(shù)據(jù)通信，還可以保留現(xiàn)有的網(wǎng)絡接口。事實上，EDGE改進了原來的GSM應用的性能和效率，并且為將來的寬帶服務提供了可能。EDGE技術有效地提高了GPRS信道編碼效率及其高速移動數(shù)據(jù)傳輸標準，它的最高速率可達384 kbit s-1，可以基本滿足強震動臺網(wǎng)通信的需求。并且，可以利用網(wǎng)絡查詢技術來檢查路由器間網(wǎng)絡通信以及遠端(臺站)路由器的工作狀況，從而可以直接判斷出通信環(huán)節(jié)的具體故障點，為提高臺站管理工作質(zhì)量提供了技術支持，而且該通信方式還為智能化臺網(wǎng)管理提供可能。改進后的強震動臺網(wǎng)系統(tǒng)如圖3所示。

2.2 臺站電源設備的改進

鑒于強震動臺站觀測系統(tǒng)使用UPS電源存在的弊端，四川省地震局地震監(jiān)測中心對該電源系統(tǒng)進行了改進。使用了基于AC-DC原理研制的直流電源設備，改進后的臺站電源系統(tǒng)如圖4所示。該電源的特點是，當直流電源設備中的蓄電池電壓大于11.5 V時，該電源蓄電池對觀測儀器供電;當直流電源設備中蓄電池電壓小于10.5 V時，該電源將切斷蓄電池對臺站觀測儀器供電，以保護蓄電池不至于過放電而自己受到損壞。在直流電源設備中蓄電池容量達到12V100AH時，對于由ETNA強震動儀器加上通信設備(Modem)組成的觀測系統(tǒng)，該直流電源設備可維持觀測系統(tǒng)工作17天左右，這比使用UPS電源系統(tǒng)有較大的優(yōu)勢。該設備的功耗為15 W，功率因數(shù)=有功功率/視在功率=0.5。顯然，原來的UPS電源系統(tǒng)在3只12V65AH電池支持觀測系統(tǒng)工作3天，相比之下，該電源的轉(zhuǎn)換效率有了較大提高。

圖3 技術改進后的強震動臺網(wǎng)系統(tǒng)工作框圖

圖4 改進后的臺站直流電源系統(tǒng)框圖

2.3 臺網(wǎng)管理軟件

由于通信方式的改進，使得智能化臺網(wǎng)管理成為可能。四川省地震局數(shù)字強震動臺網(wǎng)使用的智能化強震動臺網(wǎng)管理軟件提供了強震動儀采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)的功能，并將在地震發(fā)生時產(chǎn)生事件文件自動上傳至數(shù)據(jù)接收中心的數(shù)據(jù)服務器，路由器通過專網(wǎng)或internet將數(shù)據(jù)傳到臺網(wǎng)中心，臺網(wǎng)中心能夠和強震動儀進行通信，并且可實時監(jiān)控強震動儀的狀態(tài)。如果有儀器報警或地震事件產(chǎn)生，路由器就自動將報警或事件文件上傳至臺網(wǎng)數(shù)據(jù)接收中心。在進行人工遠程臺站日常檢查工作時，只需向相關臺站發(fā)出檢查指令，遠端臺站路由器將驅(qū)使臺站觀測設備進行自動檢查測試，并在隨后自動將相應測試事件以及形成的日常檢查表格上傳至臺網(wǎng)中心。

3 結語

大規(guī)模的強震動臺網(wǎng)技術系統(tǒng)涉及到硬件、軟條件的支持，如何協(xié)調(diào)該技術系統(tǒng)的軟、硬件以及相應的管理體系是臺網(wǎng)管理的關鍵，四川省地震局地震監(jiān)測中心在此領域進行了一些有益的探索。四川省地震局地震監(jiān)測中心經(jīng)過這些年的工作實踐，目前來看得到了管理應用上的初步成效，而上述的技術系統(tǒng)的改進效果還有待時間的驗證。

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