李 勇 潘志宏 蔡紹平

（中國(guó)昆明650224云南省地震局）

測(cè)震臺(tái)站數(shù)據(jù)傳輸模式改進(jìn)

李 勇 潘志宏 蔡紹平

（中國(guó)昆明650224云南省地震局）

為提高數(shù)字化地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站的數(shù)據(jù)連續(xù)率及可用率，在綜合考慮傳輸成本、建設(shè)難度、運(yùn)維管理等因素基礎(chǔ)上，提出測(cè)震臺(tái)站雙鏈路傳輸方案。經(jīng)驗(yàn)證，該方案能有效提高測(cè)震臺(tái)站數(shù)據(jù)傳輸連續(xù)率及可用率，為測(cè)震臺(tái)站高效穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸提供保障。

測(cè)震臺(tái)站；串口服務(wù)器；DTU；鏈路冗余

0 引言

隨著中國(guó)數(shù)字化地震監(jiān)測(cè)技術(shù)的高速發(fā)展，地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)規(guī)模日益擴(kuò)大，臺(tái)站數(shù)量劇增，臺(tái)網(wǎng)種類日益多元化，導(dǎo)致測(cè)震臺(tái)網(wǎng)中心的實(shí)時(shí)測(cè)震數(shù)據(jù)傳輸量及負(fù)載急劇增加。截至2014年6月，云南數(shù)字化測(cè)震臺(tái)網(wǎng)已建成并正式運(yùn)行的臺(tái)站達(dá)到92個(gè)，包括國(guó)家臺(tái)、省級(jí)區(qū)域臺(tái)、地方臺(tái)及企業(yè)臺(tái)等，相比“十五”網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目建設(shè)完成時(shí)的48個(gè)，數(shù)量增加了將近1倍。在地震臺(tái)網(wǎng)規(guī)模急劇擴(kuò)大的同時(shí)，地震科學(xué)研究、地震預(yù)報(bào)等工作對(duì)數(shù)字化地震臺(tái)站的數(shù)據(jù)連續(xù)率、數(shù)據(jù)可用率等提出越來(lái)越高的要求。受條件所限，地震臺(tái)站運(yùn)行維護(hù)壓力越來(lái)越大。

通過(guò)對(duì)測(cè)震臺(tái)站運(yùn)行及數(shù)據(jù)長(zhǎng)期監(jiān)控及分析，認(rèn)為造成當(dāng)前數(shù)字化測(cè)震數(shù)據(jù)中斷的原因主要包括供電故障、通信鏈路故障、地震儀器自身故障、雷擊、人為損害等，其中供電故障及通信鏈路故障為主要因素，截至2013年1月，在云南測(cè)震臺(tái)網(wǎng)日常運(yùn)行故障中，供電故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)中斷占48.1%，通信鏈路故障導(dǎo)致中斷占39.5%，儀器自身故障導(dǎo)致的數(shù)據(jù)中斷占10.3%，其他因素僅占2.1%。

為了解決當(dāng)前測(cè)震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)非正常中斷問(wèn)題，云南測(cè)震臺(tái)網(wǎng)從2013年起，對(duì)該省境內(nèi)大部分國(guó)家臺(tái)及省級(jí)區(qū)域臺(tái)進(jìn)行供電線路改造，在保留原有供電線路基礎(chǔ)上，增加太陽(yáng)能供電線路，對(duì)老化的UPS及蓄電池進(jìn)行更換，采用市電及太陽(yáng)能雙線路同時(shí)供電，自動(dòng)切換等技術(shù)，較好解決了供電故障導(dǎo)致臺(tái)站數(shù)據(jù)非正常中斷問(wèn)題。

供電改造完成后，通信鏈路故障成為測(cè)震臺(tái)站數(shù)據(jù)中斷的主要原因，當(dāng)前云南省境內(nèi)測(cè)震臺(tái)站大多采用SDH線路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，中斷后由運(yùn)營(yíng)商負(fù)責(zé)檢查及進(jìn)行維修，由于大部分測(cè)震臺(tái)站地處偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村，運(yùn)營(yíng)商在縣級(jí)以下村鎮(zhèn)的運(yùn)維力量薄弱，發(fā)生通信鏈路故障后不能及時(shí)進(jìn)行檢修及恢復(fù)，將嚴(yán)重影響測(cè)震臺(tái)站數(shù)據(jù)連續(xù)率。為解決此問(wèn)題，本文探索采用臺(tái)站雙鏈路傳輸技術(shù)，增強(qiáng)測(cè)震臺(tái)站的可靠性及數(shù)據(jù)連續(xù)率，從而保障測(cè)震臺(tái)站的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

結(jié)合地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站特點(diǎn)及實(shí)際情況，在采用雙鏈路備份技術(shù)對(duì)臺(tái)站進(jìn)行升級(jí)改造過(guò)程中，主要考慮以下設(shè)計(jì)目標(biāo)：①實(shí)施成本。由于測(cè)震臺(tái)站每年運(yùn)維經(jīng)費(fèi)有限，主要用于保障原有系統(tǒng)及SDH鏈路的正常運(yùn)行，在增加備份鏈路時(shí)不能大幅度提高測(cè)震臺(tái)站運(yùn)維成本，應(yīng)控制在原有費(fèi)用的10%以下為宜；②兼容性。增加的鏈路定位為原有鏈路的備份及補(bǔ)充，在實(shí)施過(guò)程中不應(yīng)干擾原有傳輸鏈路及模式，僅在原有SDH鏈路出現(xiàn)故障時(shí)采用，應(yīng)支持當(dāng)前測(cè)震臺(tái)站使用的各種主流數(shù)據(jù)采集器及傳輸設(shè)備，在不更換原有設(shè)備情況下進(jìn)行升級(jí)及擴(kuò)展；③維護(hù)性。增加的鏈路定位為原有鏈路的備份，主要為了減輕臺(tái)站維護(hù)負(fù)擔(dān)，提高數(shù)據(jù)連續(xù)率。

2 實(shí)施方案

2.1 基于3G網(wǎng)絡(luò)的VPDN數(shù)據(jù)傳輸

VPDN（Virtual Private Dial-up Network）又稱虛擬專用（或私有）撥號(hào)網(wǎng)，是虛擬專用網(wǎng)（VPN） 業(yè)務(wù)的一種，以撥號(hào)接入方式上網(wǎng)，在其之上傳輸數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封包和加密的一種網(wǎng)絡(luò)。它是利用IP網(wǎng)絡(luò)的承載功能結(jié)合相應(yīng)認(rèn)證和授權(quán)機(jī)制建立的安全的VPN，是近年來(lái)隨著Internet的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一種技術(shù)。VPDN可以實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)流量強(qiáng)制到特定的目的地，并提供必要數(shù)據(jù)安全支持。3G（the 3rd Generation）技術(shù)，指第三代移動(dòng)通信技術(shù)，是支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動(dòng)通信技術(shù)。3G技術(shù)能夠同時(shí)傳送聲音（通話）及數(shù)據(jù)信息（電子郵件、即時(shí)通信等），其特點(diǎn)是提供高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。地震臺(tái)站備份鏈路采用中國(guó)電信推出的CDMA 2000 3G移動(dòng)通信業(yè)務(wù)，理論帶寬可達(dá)3.1 Mb/s，可以滿足地震實(shí)時(shí)波形數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)需要。

測(cè)震臺(tái)站選用3G網(wǎng)絡(luò)作為備份鏈路進(jìn)行傳輸，可以有效控制臺(tái)站運(yùn)維成本。以“十五”數(shù)字化測(cè)震臺(tái)為例，采用EDAS-24IP數(shù)據(jù)采集器，采樣率100，3通道，采用3G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行24小時(shí)不間斷傳輸，每月產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量約2 GB，地震較多時(shí)可達(dá)3 GB，相比原有固定SDH鏈路，成本增加控制在10%以內(nèi)，可以用較低成本實(shí)現(xiàn)鏈路的實(shí)時(shí)備份，滿足設(shè)計(jì)要求。

在以往基于3G網(wǎng)絡(luò)的流動(dòng)地震監(jiān)測(cè)中，通常采用傳統(tǒng)的VPN方案來(lái)組建虛擬數(shù)據(jù)專網(wǎng)，傳統(tǒng)VPN方案部署困難、維護(hù)量大，需要測(cè)震臺(tái)網(wǎng)自行進(jìn)行整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)，同時(shí)需要維護(hù)人員具有一定網(wǎng)絡(luò)水平和網(wǎng)絡(luò)管理知識(shí)，無(wú)形中增加了臺(tái)網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)負(fù)擔(dān)和工作量。VPDN的出現(xiàn)有效解決了這一問(wèn)題。VPDN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用隧道技術(shù)，在公網(wǎng)上建立虛擬專用網(wǎng)絡(luò)，屬于VPN的一種形式，與普通VPN不同的是，在基于3G撥號(hào)網(wǎng)絡(luò)的情況下，VPN需要進(jìn)行2次撥號(hào)，使用戶能夠接入虛擬專用網(wǎng)，用戶認(rèn)證過(guò)程在臺(tái)網(wǎng)中心服務(wù)器端完成，而VPDN僅需1次撥號(hào)，就可以實(shí)現(xiàn)公網(wǎng)和專線接入，無(wú)縫結(jié)合，用戶認(rèn)證及權(quán)限分配僅通過(guò)撥號(hào)時(shí)使用的用戶名和密碼進(jìn)行控制，同時(shí)用戶認(rèn)證服務(wù)器可以交由鏈路運(yùn)營(yíng)商代為管理和維護(hù)，地震臺(tái)網(wǎng)維護(hù)人員只需監(jiān)控鏈路的通斷狀態(tài)，無(wú)需管理和維護(hù)具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，減輕測(cè)震臺(tái)網(wǎng)中心和臺(tái)站端日常工作負(fù)擔(dān)。

2.2 基于串口服務(wù)器的地震數(shù)據(jù)傳輸

在“十五”數(shù)字化地震臺(tái)網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃中，中國(guó)地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)提出儀器IP化概念，以及網(wǎng)絡(luò)到臺(tái)站，IP到儀器的建設(shè)目標(biāo)，很多公司生產(chǎn)開(kāi)發(fā)了具有IP傳輸功能的地震數(shù)據(jù)采集器（李勇等，2007）。由于儀器自身局限，當(dāng)前中國(guó)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)使用的數(shù)據(jù)采集器只具有單網(wǎng)口輸出，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)接入SDH鏈路進(jìn)行日常地震數(shù)據(jù)傳輸，基于備份鏈路與SDH鏈路相互獨(dú)立，互不影響的原則，備份鏈路與數(shù)據(jù)采集器的網(wǎng)絡(luò)輸出口不能連接，以保證主要數(shù)據(jù)傳輸鏈路的正常運(yùn)行。

當(dāng)前中國(guó)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)使用的主流數(shù)據(jù)采集器配備串口+網(wǎng)口的雙通道輸出，能夠同時(shí)輸出相同無(wú)差別的實(shí)時(shí)地震監(jiān)測(cè)信號(hào)。因此，在備份鏈路中，可采用數(shù)據(jù)采集器串口輸出作為數(shù)據(jù)源，由于VPDN是基于TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸鏈路，需要對(duì)數(shù)據(jù)采集器的串口輸出進(jìn)行IP化后進(jìn)行傳輸，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)及比較，當(dāng)前較為穩(wěn)定的有基于串口服務(wù)器和基于DTU設(shè)備的兩種傳輸方案。

在基于串口服務(wù)器的傳輸方案中，串口服務(wù)器成功實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)串口數(shù)據(jù)的IP化，使得數(shù)據(jù)采集器串口輸出數(shù)據(jù)可以進(jìn)入基于3G網(wǎng)絡(luò)的VPDN鏈路進(jìn)行傳輸，該方案的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟?jiàn)圖1。

圖1 基于串口服務(wù)器的地震數(shù)據(jù)傳輸方案Fig.1 Data transmission using the data stream server

在基于串口服務(wù)器的傳輸方案中，通過(guò)串口服務(wù)器IP化后的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需要接入3G路由器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)串口服務(wù)器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的IP數(shù)據(jù)流，可以適用于當(dāng)前市場(chǎng)上各種3G路由器，適應(yīng)范圍廣。在實(shí)際應(yīng)用中，可以選用具備開(kāi)機(jī)自動(dòng)撥號(hào)、自動(dòng)維護(hù)通信鏈路、掉線自動(dòng)重播、鏈路永遠(yuǎn)在線、自動(dòng)定時(shí)上線和下線、遠(yuǎn)程短信重啟等功能的工業(yè)級(jí)3G路由器，可以收到較好的鏈路備份及傳輸效果。

2.3 基于DTU設(shè)備的地震數(shù)據(jù)傳輸

DTU（Data Transfer unit）設(shè)備是近年來(lái)廣泛采用的專門(mén)用于將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送的無(wú)線終端設(shè)備。DTU設(shè)備提供RS232、RS485、RS422接口或者TTL接口，可以直接與數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)輸出串口連接，并通過(guò)設(shè)備內(nèi)集成的3G路由器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，DTU設(shè)備同時(shí)具備開(kāi)機(jī)自動(dòng)撥號(hào)、自動(dòng)維護(hù)通信鏈路、掉線自動(dòng)重播、鏈路永遠(yuǎn)在線、自動(dòng)定時(shí)上線和下線、遠(yuǎn)程短信重啟等功能，可以較好的實(shí)現(xiàn)測(cè)震臺(tái)站的鏈路備份及數(shù)據(jù)傳輸。該方案的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟?jiàn)圖2。

圖2 基于DTU設(shè)備的地震數(shù)據(jù)傳輸方案Fig.2 Data transmission using the DTU

3 試運(yùn)行

為了測(cè)試雙鏈路備份技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果，云南測(cè)震臺(tái)網(wǎng)選取3個(gè)較為典型的地震臺(tái)站進(jìn)行試運(yùn)行測(cè)試。測(cè)試臺(tái)站為：滄源臺(tái)（YN/CAY）、漫灣臺(tái)（YN/MWT）、拖麻臺(tái)（YN/ L5320）。其中：滄源臺(tái)為無(wú)人值守區(qū)域固定臺(tái)站，采用SDH鏈路進(jìn)行傳輸；漫灣臺(tái)為無(wú)人值守水庫(kù)固定臺(tái)站，采用SDH鏈路進(jìn)行傳輸；拖麻臺(tái)為大震現(xiàn)場(chǎng)流動(dòng)觀測(cè)臺(tái)站，采用CDMA鏈路進(jìn)行傳輸。這3個(gè)臺(tái)站由于數(shù)據(jù)鏈路故障、供電故障、儀器故障等原因，數(shù)據(jù)連續(xù)率較低。

從2015年3月起，云南測(cè)震臺(tái)網(wǎng)對(duì)3個(gè)臺(tái)站按照以上方案進(jìn)行升級(jí)改造，增加了基于3G網(wǎng)絡(luò)的VPDN備份數(shù)據(jù)傳輸鏈路，采用獨(dú)立數(shù)據(jù)流服務(wù)器接收備份鏈路實(shí)時(shí)波形數(shù)據(jù)，截至2015年6月，共90天，運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，3個(gè)臺(tái)站原有傳輸模式運(yùn)行率都不高，但備份鏈路數(shù)據(jù)傳輸運(yùn)行率均99%以上，效果優(yōu)于故障率較高的主傳輸鏈路?？梢?jiàn)，按照以上方案進(jìn)行傳輸方式升級(jí)改造成功。

表1 運(yùn)行統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Statistic results of performance in 3 stations

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)研究，作為傳統(tǒng)固定SDH數(shù)據(jù)傳輸鏈路的備份及補(bǔ)充，基于3G網(wǎng)絡(luò)的VPDN數(shù)據(jù)傳輸鏈路具有成本低廉、安裝部署方便、維護(hù)簡(jiǎn)單、兼容性好等優(yōu)點(diǎn)。將地震數(shù)據(jù)采集器的串口輸出通過(guò)備份鏈路進(jìn)行傳輸，在測(cè)震臺(tái)網(wǎng)中心部署一臺(tái)或多臺(tái)數(shù)據(jù)流服務(wù)器，即可與原有臺(tái)網(wǎng)流服務(wù)器實(shí)現(xiàn)互為備份，同時(shí)各自獨(dú)立，互不干擾，穩(wěn)定運(yùn)行，在數(shù)據(jù)采集器正常工作情況下，即使原有SDH鏈路出現(xiàn)故障，也不會(huì)造成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)非正常中斷，有效避免了通信鏈路故障造成的數(shù)據(jù)中斷，提高了測(cè)震臺(tái)站數(shù)據(jù)連續(xù)率及可用率，為測(cè)震臺(tái)網(wǎng)高效穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸提供保障。

李勇，潘志宏.串口服務(wù)器在地震數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用［J］.地震地磁觀測(cè)與研究，2007，28（2）：73-77.

劉可，張亦梅，等.如何在湖北省地震網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中架構(gòu)VPDN平臺(tái)［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2010，30（Z1）：157-161.

徐建斌，吁亮.基于3G的VPDN技術(shù)在高速公路備份鏈路中的應(yīng)用［J］.中國(guó)交通信息化，2014，（3）：74-77.

The optimization and improvement of data transformation for seismic station

Li Yong，Pan Zhihong and Cai Shaoping
（Earthquake Administration of Yunnan Province，Kunming 650224，China）

To reduce the interruptions of seismic data transformation，considering the costs，the diffculties of construction and maintenance，a solution based on the technology of network redundancy is provide in this paper.The results indicate that the network redundancy of seismic stations can improve continuity of the seismic data，making the seismic stations work stably and effciently.

seismic station，data stream server，DTU，network redundancy

10.3969/j.issn.1003-3246.2015.05.018

李勇（1980—），男，工程師，主要從事地震臺(tái)網(wǎng)維護(hù)及地震監(jiān)測(cè)技術(shù)研究工作。E-mail： yneq@qq.com

云南省地震局青年基金項(xiàng)目（201308）和云南省地震局傳幫帶項(xiàng)目聯(lián)合資助

本文收到日期：2015-07-22