孫藝玫，查 楠，任 雪，張 麗，李 俏

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽，110034）

0 引言

地震臺站是整套地震觀測臺網(wǎng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，其主要的目標是獲取完整、連續(xù)且不失真的地震波數(shù)據(jù)記錄，容易受到臺站觀測技術(shù)系統(tǒng)性能、穩(wěn)定性以及臺站觀測環(huán)境等多方面的影響[1]。

得益于計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及數(shù)據(jù)庫技術(shù)的快速發(fā)展，無人值守臺站在國內(nèi)得到迅速的推廣，它具有低投資、低運維成本、低占地、高效率、高建設(shè)速度的優(yōu)勢[2]；自“十五”項目以來，全國各地集中建設(shè)了一大批數(shù)字臺站，極大地提高了地震監(jiān)測效率和質(zhì)量[3]。這部分數(shù)字臺站一般還會配套供電、網(wǎng)絡(luò)通信等輔助設(shè)備，這對臺站的日常管理提出了新的要求，迫切需要新的管理技術(shù)和思路來對規(guī)模越來越大的無人數(shù)字臺站進行系統(tǒng)化管理[4]。

數(shù)字臺站智能管理系統(tǒng)一般分為設(shè)備管理、數(shù)據(jù)采集及傳送等多個方面，通過集成化的系統(tǒng)精準定位臺站故障點，可以及時高效的配置運維資源保障專事專辦，提高運維效率、高效處理設(shè)備故障，從而保障臺網(wǎng)的高效、不間斷運行[5]。

1 數(shù)字地震臺設(shè)計方案

數(shù)字臺站智能管理系統(tǒng)主要分成兩部分：一是智能監(jiān)控綜合平臺、一是臺站監(jiān)控系統(tǒng)[6]，如圖 1 所示[7]。

圖1 數(shù)字臺站智能管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of intelligent management system of digital seismic station

數(shù)字智能臺站建設(shè)中，最核心的就是智能監(jiān)控綜合平臺的開發(fā)，這是整個監(jiān)控系統(tǒng)的核心組成部分，把遠程遙控系統(tǒng)、電源管理系統(tǒng)、溫濕度控制系統(tǒng)等集成到統(tǒng)一的平臺，從宏觀層面進行全方位的監(jiān)控；臺站監(jiān)控系統(tǒng)主要由各種類型的傳感器及采集器組成，負責(zé)監(jiān)控個體臺站的實時相關(guān)參數(shù)，并把這些數(shù)據(jù)上傳到綜合監(jiān)控平臺[8]。

數(shù)字地震臺站智能管理系統(tǒng)一般分為以下幾個層次：

硬件層：整個系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)設(shè)施，主要包括平臺數(shù)據(jù)運行的服務(wù)器、數(shù)據(jù)傳輸通道的網(wǎng)關(guān)、臺站監(jiān)控設(shè)備等；

數(shù)據(jù)層：系統(tǒng)運行的實質(zhì)，主要包括相關(guān)地圖數(shù)據(jù)、臺站設(shè)備監(jiān)測和報警數(shù)據(jù)、使用者的相關(guān)值班日志等留痕信息等；

終端應(yīng)用層：根據(jù)地震觀測工作的實際需要，運用相應(yīng)的信息傳送系統(tǒng)和終端用戶使用[9]。

2 數(shù)字地震臺的故障類型及原因

對以往觀測系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)進行研究分析可知：通過總結(jié)常見故障特征，有效的分解不同種類故障的原因，并系統(tǒng)歸納對應(yīng)的解決方案，形成完備的故障及解決方案數(shù)據(jù)庫，不僅可以為技術(shù)人員提供技術(shù)支撐，還可以提高臺站的運維效率[10]。

數(shù)字地震臺站的組成部分一般有：專業(yè)地震計、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、通信傳輸設(shè)備、輔助電源設(shè)備、溫濕度控制設(shè)備等。相應(yīng)的故障類型[11]主要包括：①供電系統(tǒng)故障，比如市電中斷故障、UPS 不間斷電源故障；②通訊鏈路或者設(shè)備故障，如通訊設(shè)備死機，數(shù)據(jù)采集器死機等。據(jù)統(tǒng)計，供電故障占了當前臺站故障的絕大部分：比如，2011 年遼寧省地震局地震臺故障報修數(shù)據(jù)顯示：85%以上的故障是由于電源故障造成的，占比最高，這其中不僅包含電源故障，還包括含因電源故障導(dǎo)致的其他設(shè)備故障[12]。

李松華等[13]通過統(tǒng)計江蘇測震臺網(wǎng) 2013—2017 年的故障實例，得到以下幾點共性：首先，專業(yè)儀器自身及其供電裝置上的故障，占比大概在83%左右；第二，在地震觀測系統(tǒng)中，設(shè)備方面，故障率最高的是數(shù)據(jù)采集器，其中以數(shù)據(jù)采集器的PCB 電路板故障最多；第三，在地震計故障中，開鎖擺故障能占一半左右；第四，供電系統(tǒng)故障中，相比UPS 不間斷電源故障，穩(wěn)壓電源故障偏多。

此外，還有一些其他的故障類型，值得關(guān)注：我國維度跨度大，南北溫差十分大，北方地區(qū)尤其是東北地區(qū)冬季溫度存在-30℃以下的情況；但一般情況下，地震觀測臺站設(shè)備的工作溫度一般在-30℃以上，這種低溫對地震臺觀測設(shè)備的正常運行造成了巨大挑戰(zhàn)[14]。2016 年在對遼寧地區(qū)的新建基準站進行測試時發(fā)現(xiàn)一個現(xiàn)象：由于冬季氣溫偏低，導(dǎo)致地震計垂直向溫度漂移較為嚴重，測試前期數(shù)據(jù)大部分失效，為此相關(guān)人員對地震計進行了保溫防護處理，才得到有效的觀測數(shù)據(jù)。另據(jù)實測觀察，一季度的北方，受低溫影響，拾震器在此期間會大批出現(xiàn)零漂現(xiàn)象，嚴重時甚至?xí)霈F(xiàn)靠擺等機械故障。

許多臺站會出現(xiàn)因雷電造成設(shè)備損壞的事故，部分臺站抗雷擊設(shè)計存在缺陷，防雷等級很低[15]。雷電災(zāi)害對地震臺站的影響不僅是設(shè)備遭雷擊損壞而帶來的經(jīng)濟損失，還有因此而造成的觀測數(shù)據(jù)資料不連續(xù)的問題。因此，防雷工作已成為地震臺站建設(shè)的重要工作之一[16]。

3 應(yīng)對措施和解決方案

3.1 供電故障

長續(xù)航能力和低故障率是衡量地震觀測臺站供電系統(tǒng)完善性的兩個重要指標。只有保證低故障率下的長續(xù)航持續(xù)輸出電源，才能保障監(jiān)測設(shè)備穩(wěn)定工作，保持監(jiān)控數(shù)據(jù)的連續(xù)性，輸出高質(zhì)量的監(jiān)測數(shù)據(jù)[17]。目前地震觀測臺站供電主要包含市電、太陽能、蓄電池等多種形式的供電手段。

臺站使用的電源形式暫時只有這幾種，目前為止還沒有革新性的研究出現(xiàn)，不考慮市電情況下，太陽能電源是一個應(yīng)用方向，但只靠太陽能電源無法滿足地震觀測臺站的實際需求，比如受天氣影響較大[18]，導(dǎo)致其可靠性有一定的局限，容易造成記錄數(shù)據(jù)的斷記和丟失甚至觀測設(shè)備故障。另外，如果臺站位于偏遠地區(qū)，即便是市電電網(wǎng)也存在不穩(wěn)定的可能，容易出現(xiàn)頻繁停電現(xiàn)象。如果臺站采用的是市電+蓄電池的供電模式，這種情況下很容易出現(xiàn)蓄電池過放損壞及后端設(shè)備反復(fù)重啟損壞的情況[19]。

目前可以通過設(shè)置通用電源控制器解決該問題。它可以檢測臺站供電電源輸出、蓄電池工作狀態(tài)等重要參數(shù)信息，實時監(jiān)測和預(yù)判供電系統(tǒng)的運營狀況，優(yōu)化臺站供電系統(tǒng)，可有效減少因蓄電池過度放電而無法重新充電的問題，并且可以有效防止后端采集設(shè)備因反復(fù)重啟導(dǎo)致的觀測數(shù)據(jù)不連續(xù)現(xiàn)象，降低運維成本、提高供電質(zhì)量、延長蓄電池壽命、提高系統(tǒng)的可靠性[19]。

現(xiàn)在普遍認為，可以從現(xiàn)有的供電模塊入手，優(yōu)化升級，保障觀測系統(tǒng)核心部件——地震計與數(shù)據(jù)采集器高效、長期穩(wěn)定運行，比如使用工業(yè)級的智能電源、防護性能好和輸出電壓穩(wěn)定的智能設(shè)備、地震計和數(shù)據(jù)采集器單獨供電管理、采用光纖連接數(shù)據(jù)采集器與地震計、使用專業(yè)級的UPS 電源等[20]。

王曉峰等[21]研發(fā)了一種關(guān)于地震臺站智能電源的設(shè)計，可以實現(xiàn)對臺站的供電系統(tǒng)和通信系統(tǒng)進行集中管理，并通過遠程監(jiān)控來檢測環(huán)境變量：一方面以嵌入式計算機為底層架構(gòu)，搭建以地震臺站為基礎(chǔ)的管理服務(wù)器，實現(xiàn)對供電電源、儀器工作環(huán)境、通信系統(tǒng)狀況的監(jiān)控及對信道冗余切換的控制；另一方面，在地震臺站和智能監(jiān)控綜合平臺間搭建獨立的通信通道，綜合監(jiān)測中心可以通過這個專用通道實時監(jiān)控臺站設(shè)備運行，遠程監(jiān)測地震臺站各參數(shù)信息，并實現(xiàn)遠程控制操作。

通過對北京測震臺網(wǎng)智能電源系統(tǒng)的實際運維狀況進行分析[22]，得出以下幾點結(jié)論：在測震臺網(wǎng)的運行管理中，智能電源系統(tǒng)發(fā)揮了重要作用，實現(xiàn)了提效和降費兩方面的目標，而且解釋了蓄電池開始放電時出現(xiàn)的短暫電壓下降然后回升的現(xiàn)象：蓄電池初始放電時，正極活性物質(zhì)反應(yīng)的速度高于硫酸的流動速度[23]。

針對雷擊的弊端，有學(xué)者[15]從無線電能傳輸技術(shù)開發(fā)新思路，形成了一款隔離電源控制器系統(tǒng)：運用無線電能傳輸技術(shù)，輔助電源傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)已經(jīng)在樣機測試中有一定的現(xiàn)實成果，下一步，將會在大功率以及中遠距離無線充電進行試驗，如果能夠順利的實施，這將會是地震臺站觀測設(shè)備防雷的有益探索。

從需求角度分析，野外觀測臺站電源管理系統(tǒng)的研發(fā)具有十分重要的現(xiàn)實意義，有學(xué)者提出一款穩(wěn)壓電源浮充電源后備電池的供電方式，可以在一定程度上保證臺站電源的安全性[24]。

另外，為了防止雷擊破壞設(shè)備，可以通過手機模塊研發(fā)的遙控電源開關(guān)，對市電進行遠程開關(guān)，自主切換市電和蓄電池電源，提高臺站的運轉(zhuǎn)連續(xù)率和工作質(zhì)量[25]。

3.2 臺站設(shè)備故障

受材料特性和生產(chǎn)工藝的影響，地震計內(nèi)部彈性部件受環(huán)境的溫濕度影響較大，特別是在溫差較大的季節(jié)，環(huán)境溫度急劇變化，經(jīng)常會發(fā)生地震計零位漂移的狀況[26]，為此，袁順等人[29]研發(fā)了地震計零位自動監(jiān)控設(shè)備：該設(shè)備利用地震計斷電重啟后會自動進行零位調(diào)整的特點，監(jiān)控并判斷超出監(jiān)控設(shè)備預(yù)設(shè)電壓閥值的地震計零位漂移情況，以地震計斷電重啟代替人工調(diào)整。

針對設(shè)備死機情況，有學(xué)者[27]應(yīng)用無線遠程控制技術(shù)研發(fā)一款多功能智能設(shè)備控制終端，該技術(shù)應(yīng)用廣泛，例如在安防報警系統(tǒng)中的應(yīng)用[12]和LED 顯示系統(tǒng)中的應(yīng)用[28]?？梢詼蚀_的控制遠端設(shè)備的工作狀態(tài)，具備適用范圍廣、維護費用極低、安全性高等優(yōu)勢。

針對溫控問題，遼寧省法庫地震臺投入使用一套地震計智能恒溫設(shè)備[28]，該設(shè)備是一種恒溫系統(tǒng)保溫罩，可以讓地震計長期保持在10～20℃的溫度環(huán)境，可以有效解決地震計的機械故障。在發(fā)生非設(shè)備損壞類故障時，可通過遠程遙控方式，對相關(guān)設(shè)備進行重啟，解決非設(shè)備損壞等故障；經(jīng)統(tǒng)計顯示，大多數(shù)故障可以在處理后的10 分鐘內(nèi)恢復(fù)正常。

數(shù)字地震臺網(wǎng)一旦建成，就必須要保證相關(guān)設(shè)備連續(xù)正常運行，這樣才會有高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)；設(shè)備宕機，會影響觀測信息的連續(xù)性，進而降低了觀察記錄的質(zhì)量。一旦設(shè)備出問題，這時候就需要派專門的維修人員到現(xiàn)場，實時實地解決故障，既浪費時間又損耗經(jīng)費。針對這種情況，有學(xué)者[28]設(shè)計開發(fā)了一套電源監(jiān)控管理系統(tǒng)，與數(shù)據(jù)采集器配套，可以準確、可靠地監(jiān)控每個地震臺站的供電情況，使地震臺網(wǎng)中心更好地掌握各臺站電源現(xiàn)狀，并且能對地震數(shù)據(jù)采集器實施遠程控制。

常見的無人值守臺站中，大多配備大量蓄電池作為冗余設(shè)計，在這種背景下，如何保障蓄電池的不間斷運行變得至關(guān)重要。UPS 電池組是由多個蓄電池組成，單個蓄電池出問題，會對整個電池組的運行效率造成影響，導(dǎo)致UPS 電源在市電斷電時無法正常供電使用。有時候，萬用電表無法測出蓄電池的這種性能下降。針對這個問題。馬士振[22]等人通過對鳳河營臺蓄電池放電數(shù)據(jù)的處理分析，發(fā)現(xiàn)放電電壓階梯變化的3 段現(xiàn)象，與蓄電池個體差異性和工作環(huán)境有關(guān)系，其中電壓階梯變化的3 段現(xiàn)象可以用作判斷蓄電池是否老化，由此可以解決上面提到的問題。

4 結(jié)語和討論

智能地震臺站的建設(shè)，具有較高的推廣價值：首先，可以節(jié)約成本，偏遠地區(qū)可以設(shè)置無人值守臺站，在有限增加成本的前提下完善臺站監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)；第二，臺站工作人員可以異地遠程遙控臺站的基本運行，通過智能系統(tǒng)維護設(shè)備的有效運行，在第一時間發(fā)現(xiàn)故障、解決故障，縮短故障處理時間，有效地保證臺站觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性。