安徽省地震局 黃顯良

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能臺(tái)站技術(shù)簡(jiǎn)介

Brief introduction to intelligent station technique based on Internet of Things

安徽省地震局 黃顯良

物聯(lián)網(wǎng)指的是將無(wú)處不在的末端設(shè)備和設(shè)施，包括具備“內(nèi)在智能”的傳感器、移動(dòng)終端、工業(yè)系統(tǒng)、樓控系統(tǒng)、家庭智能設(shè)施、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等，通過(guò)各種無(wú)線或有線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，在內(nèi)網(wǎng)、專網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，采用適當(dāng)?shù)男畔踩Ｕ蠙C(jī)制，提供安全可控乃至個(gè)性化的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、報(bào)警聯(lián)動(dòng)、調(diào)度指揮、預(yù)案管理、遠(yuǎn)程控制、安全防范、遠(yuǎn)程維保、統(tǒng)計(jì)報(bào)表與決策支持等管理和服務(wù)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)萬(wàn)物的互聯(lián)互通。

隨著“十五”數(shù)字地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目的啟動(dòng)和發(fā)展，現(xiàn)階段我國(guó)已建成了大量的無(wú)人值守臺(tái)站，然而其中很多臺(tái)站的運(yùn)行維護(hù)工作受人力和經(jīng)濟(jì)等方面制約而不能得到及時(shí)有效的解決，從而造成臺(tái)站數(shù)據(jù)的利用率不高，臺(tái)站效能無(wú)法正常發(fā)揮。近年來(lái)，中國(guó)地震局和各省局已經(jīng)充分意識(shí)到上述問(wèn)題，并逐步拓展思路、采取多種創(chuàng)新方法解決無(wú)人值守臺(tái)站出現(xiàn)的各種問(wèn)題。中國(guó)地震局相繼成立了華東、西南、華南等17個(gè)片區(qū)儀器維修中心，提供相應(yīng)備機(jī)備件，旨在縮短臺(tái)網(wǎng)故障恢復(fù)時(shí)間，提高臺(tái)網(wǎng)運(yùn)行率。同時(shí)片區(qū)地震儀器維修中心不定期組織片區(qū)內(nèi)臺(tái)網(wǎng)技術(shù)人員進(jìn)行技術(shù)交流，加強(qiáng)協(xié)作，共同提高臺(tái)網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)能力。部分省局依托有人值守臺(tái)站，采用中心臺(tái)模式，充分利用中心臺(tái)所在地域優(yōu)勢(shì)和人員優(yōu)勢(shì)，分散省局傳統(tǒng)儀器維護(hù)中心所承擔(dān)的壓力。

無(wú)人值守臺(tái)站由于其觀測(cè)環(huán)境的限制，基本都建于位置偏遠(yuǎn)或環(huán)境復(fù)雜的地區(qū)，地震系統(tǒng)有限的儀器維護(hù)人員和定時(shí)、定點(diǎn)的維護(hù)管理模式已不能保證工作的及時(shí)性和有效性，而且在一定程度上極大浪費(fèi)了人力、物力和財(cái)力，無(wú)法滿足發(fā)展需求。另一方面，臺(tái)站內(nèi)部包含供配電、開(kāi)關(guān)電源、消防等在內(nèi)的動(dòng)力環(huán)境設(shè)備一旦出現(xiàn)故障，將會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，造成數(shù)據(jù)采集和傳輸中斷，甚至?xí)l(fā)臺(tái)站主要設(shè)備的損毀。

因此，如何結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)這些無(wú)人值守地震臺(tái)站進(jìn)行遠(yuǎn)程、統(tǒng)一、有效的維護(hù)和管理，已經(jīng)成為了一項(xiàng)亟待解決的問(wèn)題。安徽省地震局充分總結(jié)多年來(lái)從事儀器維護(hù)工作的經(jīng)驗(yàn)，深入調(diào)研、拓展思路，依托中國(guó)地震局地震科技星火計(jì)劃項(xiàng)目，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)理念和技術(shù)，在無(wú)人值守臺(tái)站增設(shè)部分硬件設(shè)備，并研發(fā)了一套“地震臺(tái)站綜合智能監(jiān)控系統(tǒng)”（見(jiàn)圖1），實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)人值守臺(tái)站的遠(yuǎn)程監(jiān)控、維護(hù)和管理，儀器維護(hù)人員便可輕松完成對(duì)臺(tái)站遠(yuǎn)程的管理和維護(hù)。

智能臺(tái)站的功能設(shè)計(jì)

智能臺(tái)站技術(shù)主要包括臺(tái)站硬件設(shè)備和臺(tái)網(wǎng)中心軟件兩大部分。在臺(tái)站端，通過(guò)增設(shè)一些硬件設(shè)備以及對(duì)原有部分設(shè)備進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，完成臺(tái)站的智能化改造；在臺(tái)網(wǎng)中心端，通過(guò)研發(fā)“地震臺(tái)站綜合智能監(jiān)控系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人值守臺(tái)站動(dòng)力環(huán)境參數(shù)和儀器運(yùn)行狀態(tài)、故障實(shí)時(shí)報(bào)警、遠(yuǎn)程故障診斷、遠(yuǎn)程故障自動(dòng)處理和交互處理及安全防護(hù)等功能。

無(wú)人值守臺(tái)站的智能化改造

圖1 地震臺(tái)站綜合智能監(jiān)控系統(tǒng)

圖2 智能臺(tái)站的UPS工作狀態(tài)監(jiān)控

為實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守臺(tái)站的智能化改造，需在臺(tái)站增設(shè)攝像頭、煙霧報(bào)警器、溫濕度傳感器等硬件設(shè)備。360°可旋轉(zhuǎn)高分辨率網(wǎng)絡(luò)攝像頭的安裝，可清晰顯示臺(tái)站內(nèi)數(shù)據(jù)采集器、路由器和光纖收發(fā)器的指示燈狀態(tài)，便于臺(tái)網(wǎng)人員在臺(tái)站數(shù)據(jù)中斷后排查故障原因，實(shí)現(xiàn)了臺(tái)站的遠(yuǎn)程維護(hù)和管理；通過(guò)API接口調(diào)用獲取UPS工作狀態(tài)等方法，實(shí)現(xiàn)了交/直流電源工作狀態(tài)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、UPS運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)獲取及地震數(shù)據(jù)采集器的遠(yuǎn)程硬重啟等功能（見(jiàn)圖2）；煙霧報(bào)警器、溫濕度傳感器的布設(shè)，可遠(yuǎn)程查看臺(tái)站內(nèi)的煙霧狀況和溫濕度信息，保證了臺(tái)站運(yùn)行環(huán)境的安全，同時(shí)“地震臺(tái)站綜合智能監(jiān)控系統(tǒng)”會(huì)對(duì)溫濕度傳感器、煙霧報(bào)警傳感器等設(shè)備的信息進(jìn)行采集并入庫(kù)，儀器維護(hù)人員可隨時(shí)調(diào)取歷史信息并作出相應(yīng)處理，如某一臺(tái)站長(zhǎng)期處于濕度過(guò)高狀態(tài)，維護(hù)人員會(huì)考慮放置木炭等相應(yīng)措施改善環(huán)境；音響、門磁技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)攝像頭的結(jié)合，能對(duì)非法闖入者進(jìn)行震懾并留下相關(guān)證據(jù)，有效實(shí)現(xiàn)了臺(tái)站的安全管理。

基于智能臺(tái)站的實(shí)際需要，項(xiàng)目組開(kāi)發(fā)完成了“安徽省地震臺(tái)站綜合智能監(jiān)控平臺(tái)”，并研制了數(shù)據(jù)采集器（見(jiàn)圖3），可以匯集臺(tái)站的燈光、煙霧、溫濕度、UPS電源、交流電源、數(shù)采電源、門磁等信息，并集成了短信控制器，能夠接收和發(fā)送短信，從而實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中斷情況下的數(shù)據(jù)通信。此外，臺(tái)網(wǎng)中心“地震臺(tái)站綜合智能監(jiān)控系統(tǒng)”還可通過(guò)數(shù)據(jù)采集器發(fā)送控制信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)臺(tái)站的遠(yuǎn)程控制和維護(hù)。

圖3 綜合數(shù)據(jù)采集器

地震臺(tái)站綜合智能監(jiān)控系統(tǒng)

為了對(duì)智能臺(tái)站進(jìn)行綜合、一體化的管理，項(xiàng)目組開(kāi)發(fā)了“地震臺(tái)站綜合智能監(jiān)控系統(tǒng)”，該系統(tǒng)采用C/S模式，能集中管理臺(tái)站的軟硬件設(shè)備，真實(shí)模擬臺(tái)站場(chǎng)景（見(jiàn)圖4），做到臺(tái)站管理的自動(dòng)化、智能化與科學(xué)化，實(shí)現(xiàn)包括安徽省現(xiàn)有各類數(shù)字測(cè)震臺(tái)站儀器的遠(yuǎn)程監(jiān)控、電源智能管理、測(cè)震擺房的防盜監(jiān)控和溫濕度監(jiān)控、煙霧報(bào)警等主要功能，并匯集于測(cè)震臺(tái)網(wǎng)的綜合控制顯示平臺(tái)。

圖4 地震臺(tái)站擺房實(shí)景模擬

智能臺(tái)站技術(shù)的完善

“智能臺(tái)站試驗(yàn)性研究”項(xiàng)目以安徽省地震局白山無(wú)人值守臺(tái)站作為試點(diǎn)，在臺(tái)站增設(shè)了溫濕度計(jì)、煙霧報(bào)警器、門磁、市電檢測(cè)器、UPS檢測(cè)器、雙電源管理器、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、DZJK-01數(shù)據(jù)采集器等硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控，能夠異地操作臺(tái)站電源及觀測(cè)設(shè)備，解決了電源故障和網(wǎng)絡(luò)故障等難以辨別的難題，大大減少了儀器維護(hù)人員進(jìn)行臺(tái)站設(shè)備維護(hù)的工作量和難度，并可以對(duì)臺(tái)站的觀測(cè)設(shè)備進(jìn)行有效保護(hù)。安徽臺(tái)網(wǎng)智能臺(tái)站的建設(shè)，不僅提高了臺(tái)站連續(xù)運(yùn)行率，同時(shí)也節(jié)約了維護(hù)成本，而且為地震預(yù)報(bào)和地震科研工作提供了更連續(xù)、更可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

鑒于智能臺(tái)站技術(shù)所取得的重要成效，該項(xiàng)目驗(yàn)收結(jié)束后，項(xiàng)目組從軟硬件方面著手進(jìn)一步完善了智能臺(tái)站技術(shù)，拓展智能臺(tái)站的適用范圍以滿足不斷發(fā)展的形勢(shì)需求。其中一項(xiàng)改善工作是對(duì)“地震臺(tái)站綜合智能監(jiān)控系統(tǒng)”進(jìn)行了升級(jí)，目的是為臺(tái)站后續(xù)增設(shè)各類設(shè)備奠定基礎(chǔ)。同時(shí)還創(chuàng)新性地利用了“所見(jiàn)即所得”的界面設(shè)計(jì)思想（見(jiàn)圖5），用戶可根據(jù)需要添加多種監(jiān)控元素，如圖5中紅色方框所示，一旦臺(tái)站增設(shè)某種硬件設(shè)備，用戶便可通過(guò)選取方框中的對(duì)應(yīng)圖標(biāo)，在監(jiān)控系統(tǒng)界面的相應(yīng)位置進(jìn)行添加，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理。

另一方面，本項(xiàng)智能臺(tái)站建設(shè)在前期主要針對(duì)測(cè)震觀測(cè)的無(wú)人值守臺(tái)站而設(shè)計(jì)，后期對(duì)其硬件支持進(jìn)行了部分拓展，使其能夠適應(yīng)前兆觀測(cè)的無(wú)人值守臺(tái)站。

智能臺(tái)站技術(shù)的應(yīng)用與推廣

智能臺(tái)站建成后獲取了顯著成效，在建設(shè)智能臺(tái)站之前，因?yàn)閮x器維護(hù)、故障判斷等原因，儀器維護(hù)人員出差至每個(gè)無(wú)人值守臺(tái)站的次數(shù)平均為4～5次，其中絕大多數(shù)是故障無(wú)法判斷或判斷錯(cuò)誤而造成的無(wú)效出差。臺(tái)站智能化改造完成后，一旦臺(tái)站數(shù)據(jù)中斷，臺(tái)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)便通過(guò)外置音響發(fā)出相應(yīng)報(bào)警信息，值班人員在第一時(shí)間就能遠(yuǎn)程精確地判斷出數(shù)據(jù)中斷原因，避免了停電等所造成的不必要出差，節(jié)省了大量的人力和經(jīng)濟(jì)成本。另一方面，智能臺(tái)站建成后，安徽臺(tái)網(wǎng)無(wú)人值守臺(tái)站的數(shù)據(jù)連續(xù)率得到明顯提高，根據(jù)中國(guó)地震局業(yè)務(wù)運(yùn)行評(píng)價(jià)系統(tǒng)顯示，進(jìn)行智能化改造后臺(tái)站的平均連續(xù)率平均提高了約1個(gè)百分點(diǎn)。

圖5 智能臺(tái)站用戶定制頁(yè)面

鑒于智能臺(tái)站在無(wú)人值守臺(tái)站管理中取得了較為明顯的成效，2013年安徽省地震局追加經(jīng)費(fèi)30萬(wàn)元，對(duì)全省六安臺(tái)、爛泥坳臺(tái)、豹子崖臺(tái)、石家河臺(tái)、含山臺(tái)、舒城臺(tái)、定遠(yuǎn)臺(tái)、淮南臺(tái)、廣德臺(tái)、樅陽(yáng)臺(tái)等10個(gè)無(wú)人值守臺(tái)站進(jìn)行了智能化改造，并將這10個(gè)臺(tái)站作為監(jiān)控點(diǎn)添加到“安徽地震臺(tái)站綜合智能監(jiān)控系統(tǒng)”進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控，取得了較為明顯的成效。

2015年，安徽省地震局繼續(xù)追加經(jīng)費(fèi)50萬(wàn)元，對(duì)全省懷寧、潛山、岳西、太湖、望江、東至、池州、蕪湖、歙縣、黃山區(qū)、績(jī)溪、石臺(tái)、霍山井、阜南井、五河、蕭縣等測(cè)震和前兆無(wú)人值守臺(tái)站進(jìn)行智能化改造，目前項(xiàng)目即將實(shí)施完畢。中國(guó)地震局陰朝民副局長(zhǎng)蒞臨安徽臺(tái)網(wǎng)考察指導(dǎo)工作后，充分肯定了智能臺(tái)站所取得的成效，并現(xiàn)場(chǎng)指示要推廣到全國(guó)。

結(jié)語(yǔ)

安徽省地震局在智能臺(tái)站技術(shù)研究上進(jìn)行了全新的嘗試，其相關(guān)研究方法和技術(shù)達(dá)到了國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，所得研究成果以先進(jìn)的監(jiān)控和自動(dòng)化技術(shù)為實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守臺(tái)站建設(shè)和管理的正規(guī)化、實(shí)用化、智能化提供了標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)地震局牛之俊副局長(zhǎng)在2015年全國(guó)地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作會(huì)議上指出：要打造新型以臺(tái)站為主體的觀測(cè)體系運(yùn)維模式，新建臺(tái)站要進(jìn)行良好的設(shè)計(jì)，地震臺(tái)站運(yùn)維將實(shí)施“有人看護(hù)、無(wú)人值守、遠(yuǎn)程維護(hù)、多維產(chǎn)出”的新模式。安徽省地震局智能臺(tái)站的建設(shè)便是應(yīng)運(yùn)而生的產(chǎn)物，而且日后將會(huì)隨著技術(shù)的成熟而逐步完善，我們相信，其將在未來(lái)的防震減災(zāi)工作中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。