關(guān)冬曉， 李曉東， 斯 琴， 雷 晴， 顏 龍， 郭春生， 王 斌

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011)

鉆孔傾斜儀是用來(lái)測(cè)量地殼微量?jī)A斜和記錄地球傾斜固體潮的儀器，相對(duì)于傳統(tǒng)的洞體形變儀器，鉆孔傾斜儀對(duì)臺(tái)基的要求不高，基巖、破碎帶、土層甚至海底都能正常觀測(cè)，因儀器安裝在地下幾十米到幾百米的鉆孔內(nèi)，可以避免人類活動(dòng)和氣象因素的干擾。經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化等多次改進(jìn)升級(jí)，已成為中國(guó)地形變臺(tái)網(wǎng)的主要儀器之一。臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)運(yùn)行評(píng)價(jià)必須以準(zhǔn)確可靠的觀測(cè)資料為基礎(chǔ)，觀測(cè)儀器運(yùn)行是否穩(wěn)定、故障處理是否及時(shí)，將直接影響地球物理臺(tái)網(wǎng)整體運(yùn)行質(zhì)量及觀測(cè)資料的連續(xù)率和完整率[1]，如果故障周期較長(zhǎng)，觀測(cè)數(shù)據(jù)不可用，將對(duì)觀測(cè)資料產(chǎn)生不可逆的影響，觀測(cè)資料的使用價(jià)值就會(huì)降低很多[2-5]。

新疆區(qū)域目前運(yùn)行鉆孔傾斜儀共28套，儀器長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中會(huì)不可避免的出現(xiàn)各種問(wèn)題和故障，據(jù)新疆地球物理臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)跟蹤分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果，2017～2020年共記錄到鉆孔傾斜儀觀測(cè)系統(tǒng)事件125條，其中數(shù)據(jù)采集器故障57條，傳感器故障53條，供電故障14條，網(wǎng)絡(luò)通訊故障1條，且故障頻次呈逐年遞增的趨勢(shì)，嚴(yán)重影響了觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)率和完整率[6]。本文中針對(duì)近年鉆孔傾斜儀運(yùn)行中出現(xiàn)的典型故障現(xiàn)象和原因進(jìn)行分析總結(jié)，為今后觀測(cè)中儀器故障的快速判定以及日常運(yùn)維提供參考，從而縮短儀器維護(hù)時(shí)間和提高儀器的運(yùn)行率。

1 鉆孔傾斜儀觀測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

鉆孔傾斜儀系統(tǒng)由豎直擺鉆孔傾斜儀傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換機(jī)、數(shù)據(jù)分析軟件和智能防雷系統(tǒng)等組成。

目前臺(tái)站使用的數(shù)據(jù)采集器型號(hào)是THDCC-1412型冗余數(shù)采。其處理器以ATMEL的ARM9為核心，采用24位高精度Δ-∑A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)豎直擺傾斜儀的NS向和EW向電壓信號(hào)進(jìn)行采集，每個(gè)方向被分為濾波值和實(shí)時(shí)值，可以同一時(shí)刻純硬件、無(wú)延時(shí)、高準(zhǔn)確度的采集4路電壓信號(hào)，并對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)傳輸。

井下傳感器核心部分是一個(gè)豎直懸掛的重力擺[7]，全部元件裝在一個(gè)耐壓的密封不銹鋼鋼筒內(nèi)，擺盒下方有2個(gè)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的調(diào)整機(jī)構(gòu)，用來(lái)調(diào)整擺體以使平行板電容傳感器處于最佳工作位置，擺盒內(nèi)還裝有靜電標(biāo)定或電磁標(biāo)定裝置，用來(lái)標(biāo)定儀器并計(jì)算格值。擺的下部設(shè)有檢測(cè)擺位移量的電容測(cè)微器，當(dāng)?shù)貧ぎa(chǎn)生傾斜時(shí)，自由懸掛的擺體相對(duì)于與地表連接的支撐架發(fā)生相對(duì)位移，數(shù)據(jù)采集器將此微小位移量轉(zhuǎn)換成電壓變化，經(jīng)專用電纜傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器再把電壓轉(zhuǎn)變成數(shù)字量記錄并存儲(chǔ)。

2 典型故障及故障處理

2.1 數(shù)采故障

根據(jù)數(shù)據(jù)跟蹤分析結(jié)果顯示，2017～2020年，新疆區(qū)域鉆孔傾斜儀數(shù)據(jù)采集器故障在觀測(cè)系統(tǒng)故障中占比為45%。數(shù)采故障的類型包括內(nèi)部電源故障、主板故障、網(wǎng)絡(luò)模塊故障、內(nèi)存卡故障、程序死機(jī)、設(shè)置參數(shù)錯(cuò)誤等[8]，數(shù)采故障會(huì)造成原始數(shù)據(jù)缺失(圖1a)、觀測(cè)數(shù)據(jù)脈沖(圖1b)、產(chǎn)出錯(cuò)誤數(shù)據(jù)(圖1c)或噪聲大(圖1d)等情況。

圖1 數(shù)采故障典型曲線(a) 數(shù)據(jù)采集中斷 (b) 數(shù)采輸出故障 (c) 主板故障 (d) 重啟后采集程序錯(cuò)誤Fig.1 Typical curves of data acquisition fault

通過(guò)查閱臺(tái)站工作日志，結(jié)合日常運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，數(shù)采故障可分為三類：即數(shù)據(jù)采集故障、數(shù)據(jù)傳輸故障和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)零標(biāo)定故障。

① 數(shù)據(jù)采集故障中一類是數(shù)據(jù)采集中斷，即數(shù)采不能正常工作；另一類是數(shù)采正常工作，但采集數(shù)據(jù)偏大、偏小，甚至為無(wú)效值。此類故障多為數(shù)采自身輸出故障，線路連接故障、主板故障或程序出現(xiàn)問(wèn)題。遇到這類故障時(shí)，需要檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行情況、電流輸出是否正常、線路連接是否牢固、驅(qū)動(dòng)程序是否正常運(yùn)行，判斷是否為數(shù)采故障[9-10]。

② 數(shù)據(jù)傳輸故障表現(xiàn)為數(shù)采正常，但服務(wù)器或冗余數(shù)采中無(wú)數(shù)據(jù)。此類故障出現(xiàn)在數(shù)采到服務(wù)器傳輸過(guò)程中，在確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)通訊正常后，故障出現(xiàn)的原因可能是數(shù)據(jù)傳輸模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊故障。處理此類故障應(yīng)首先檢查數(shù)據(jù)傳輸模塊供電是否正常、主板到數(shù)據(jù)傳輸模塊間的連接線是否牢固、設(shè)置的端口是否正確等。通過(guò)對(duì)以上設(shè)備的故障排查，判斷故障是否來(lái)自于數(shù)據(jù)傳輸模塊。

③ 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)零標(biāo)定故障一般情況下無(wú)法進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)控制模式或調(diào)零標(biāo)定按鍵不可用，若現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法進(jìn)行調(diào)零標(biāo)定，但上位機(jī)軟件可以啟動(dòng)調(diào)零標(biāo)定，可使用萬(wàn)用表測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)控制按鍵和控制板上的PD7是否連通，連通則按鍵正常，檢查按鍵連接線是否正常連接和控制板的X9是否插好，是否連通，若非以上問(wèn)題，可能是主板出現(xiàn)問(wèn)題，需返廠維修；若調(diào)零標(biāo)定按鍵不可用，檢查繼電器反應(yīng)是否正常，如果按鍵小燈正常，說(shuō)明按鍵沒(méi)有問(wèn)題，繼電器沒(méi)有問(wèn)題，需要返廠。

一般情況下，數(shù)采故障持續(xù)時(shí)間短，通過(guò)更換備用電路板或備機(jī)即可恢復(fù)正常工作。

2.2 傳感器故障

傳感器故障在觀測(cè)系統(tǒng)故障中占比為42%，傳感器故障包括擺系故障、信號(hào)板故障和電路故障，傳感器故障一般由套管生銹、與大地耦合不佳、儀器老化或雷擊造成的[11]。傳感器故障表現(xiàn)為數(shù)據(jù)畸變、臺(tái)階、數(shù)據(jù)超限、無(wú)法正常調(diào)零等(圖2)。

圖2 傳感器故障典型曲線(a) 線路故障 (b) 電路板、信號(hào)板損毀 (c) 擺系故障 (d) 傳感器耦合滑動(dòng)Fig.2 Typical curves of sensor failure

因傳感器故障造成的數(shù)據(jù)不規(guī)則變化分為兩類，一類是傳感器本身故障造成的[12]，一般情況下，可通過(guò)冗余數(shù)采信號(hào)表、按鈕等判斷傳感器故障位置：① 正常情況下，受地脈動(dòng)影響，NS、EW 2個(gè)指示表表針在工作區(qū)并有晃動(dòng)，如果表針靠邊或在零點(diǎn)并靜止不動(dòng)，調(diào)零無(wú)反應(yīng)，說(shuō)明傳感器損壞；② 數(shù)采屏幕顯示數(shù)值應(yīng)該信號(hào)指示表電壓一致，如果二者相差很大說(shuō)明有源濾波器故障；③ 撥動(dòng)標(biāo)定開(kāi)關(guān)，信號(hào)表針無(wú)變化，說(shuō)明傳感器故障；④ 電機(jī)電流監(jiān)視表判斷傳感器是否正常，正常情況下，傳感器工作電流20～30 mA，如果工作電流超過(guò)50 mA，判斷為傳感器電路損壞；⑤ 調(diào)整井下電機(jī)時(shí)，電機(jī)工作電流正常在10 mA以下，如果超過(guò)30 mA說(shuō)明電機(jī)卡死；此類故障多由儀器老化和雷擊造成，一般需要提擺維修，更換相應(yīng)的電路板，信號(hào)板等，維修后一段時(shí)間數(shù)據(jù)漂移較大，需要1～3個(gè)月甚至更長(zhǎng)時(shí)間才能穩(wěn)定，嚴(yán)重影響觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。

另一類是因井孔套管生銹、泥沙、儀器與井管耦合不佳造成的數(shù)據(jù)變化。鉆孔傾斜儀是一種非常精密的儀器，地基和井孔的任何不穩(wěn)定因素都會(huì)反映到將來(lái)的觀測(cè)數(shù)據(jù)之中，直接影響觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，因儀器耦合不佳造成的數(shù)據(jù)變化，可打開(kāi)井口，甩動(dòng)電纜使波動(dòng)傳到儀器，或經(jīng)一個(gè)機(jī)械沖擊，看信號(hào)表晃動(dòng)范圍，如果井下探頭已經(jīng)與井壁結(jié)合緊密,電壓指針基本不動(dòng)，若表針變化幅度大，說(shuō)明未固定緊，需要加固；井底或井壁附著的泥沙、鐵銹都會(huì)造成儀器和井孔耦合失效，甚至造成儀器被埋無(wú)法取出維修。因儀器耦合不佳造成的臺(tái)階畸變，維修時(shí)可將傳感器稍微提起后重新放置，以改變其耦合狀態(tài)，但此方法并不能從根本上解決問(wèn)題，需要在臺(tái)站勘選，井孔施工時(shí)嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行相關(guān)工作。

2.3 供電故障

供電系統(tǒng)是臺(tái)站正常運(yùn)行的基本保障，臺(tái)站供電方式主要有交流電供電和太陽(yáng)能供電2種方式，太陽(yáng)能供電故障頻次遠(yuǎn)高于交流電。交流電供電故障主要是受市電斷電和供電線路故障影響，太陽(yáng)能供電故障主要是太陽(yáng)能電池板故障、供電線路某一段開(kāi)路或接線松動(dòng)、控制器模塊故障和UPS超過(guò)使用年限。供電系統(tǒng)發(fā)生故障后，觀測(cè)曲線一般表現(xiàn)為缺數(shù)，突跳或者臺(tái)階。

目前，新疆大多數(shù)地球物理臺(tái)站供電系統(tǒng)，在儀器的前端加載有UPS電源，以備停電后能繼續(xù)連續(xù)監(jiān)測(cè)[13]，從而獲取完整觀測(cè)資料。但是從統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于對(duì)UPS電源維護(hù)不到位或者電瓶老化等原因，發(fā)生停電后，UPS電源不能長(zhǎng)時(shí)間供電，造成數(shù)據(jù)缺測(cè)，供電恢復(fù)后會(huì)產(chǎn)生脈沖，或者出現(xiàn)短時(shí)漂移現(xiàn)象。同時(shí)在交直流切換過(guò)程中數(shù)據(jù)容易產(chǎn)生臺(tái)階、突跳，鋸齒形震蕩等變化，影響觀測(cè)數(shù)據(jù)的觀測(cè)質(zhì)量(圖3)。

圖3 供電故障典型曲線(a) 電壓不穩(wěn) (b) 供電不足Fig.3 Typical curves of power supply failure

針對(duì)供電系統(tǒng)的維護(hù)管理手段包括：① 安裝供電設(shè)備時(shí)，嚴(yán)格按照產(chǎn)品說(shuō)明，依次連接供電設(shè)備各個(gè)組成部分，蓄電池保持水平、正立放置，太陽(yáng)能板朝南安裝; ② 檢查設(shè)備機(jī)箱防水條密封性，機(jī)箱散熱口通暢性，確保蓄電池在適宜環(huán)境下工作;③ 定期對(duì)備用電池進(jìn)行一次容量恢復(fù)性充放電試驗(yàn)，活化蓄電池內(nèi)的活化物質(zhì)，保證備用蓄電池有足夠的容量; ④ 檢修時(shí)檢測(cè)控制器模塊、蓄電池充電電壓、充電電流。具體流程見(jiàn)圖4。

圖4 太陽(yáng)能供電系統(tǒng)故障檢修維護(hù)方法流程Fig.4 Troubleshooting and maintenance methods of solar power supply system

2.4 網(wǎng)絡(luò)通訊故障

儀器所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)需要穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，網(wǎng)絡(luò)通訊故障(包括計(jì)算機(jī)與服務(wù)器、服務(wù)器與數(shù)采之間的通訊)，直接導(dǎo)致計(jì)算機(jī)和服務(wù)器連接失敗，數(shù)據(jù)無(wú)法轉(zhuǎn)換和預(yù)處理。因網(wǎng)絡(luò)通信涉及通信環(huán)境是否穩(wěn)定、光纜、鏈路是否通暢、網(wǎng)線、站點(diǎn)路由、分中心路由、交換機(jī)等設(shè)備是否運(yùn)行正常、通信基站等關(guān)鍵設(shè)備是否正常供電、分中心協(xié)議轉(zhuǎn)換器、光電轉(zhuǎn)換器等設(shè)備是否老化等問(wèn)題[14]。在傳輸路徑上，網(wǎng)絡(luò)通訊中斷的因素有通信光纜遭到破壞，一些偏僻的通信基站因太陽(yáng)能無(wú)法正常供電而導(dǎo)致的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)中斷，網(wǎng)線、路由器、交換機(jī)等設(shè)備老化造成的通訊中斷等。臺(tái)站運(yùn)行中，發(fā)生的通信故障多為無(wú)線傳輸鏈路，供電、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商及硬件自身問(wèn)題影響較大[15]。新疆區(qū)域地球物理臺(tái)站一半以上是無(wú)人值守臺(tái)站，傳輸通信設(shè)備出現(xiàn)故障對(duì)無(wú)人值守臺(tái)站數(shù)據(jù)的連續(xù)率有較大影響，尤其是3G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)呐_(tái)站。網(wǎng)絡(luò)通訊故障發(fā)生后，要及時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢查，排除故障，直到建聯(lián)為止。

3 結(jié)語(yǔ)

鉆孔傾斜儀運(yùn)維中首先要保障觀測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行正常，觀測(cè)系統(tǒng)故障處理的及時(shí)與否直接關(guān)系到地球物理觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)系統(tǒng)的整體運(yùn)行，如何降低儀器故障率，保障數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量，需要從根本上解決問(wèn)題。

(1) 觀測(cè)場(chǎng)地勘選。觀測(cè)臺(tái)站選址應(yīng)按照“地震前兆數(shù)字觀測(cè)技術(shù)規(guī)范”地殼形變觀測(cè)規(guī)定進(jìn)行。臺(tái)站盡量選在活動(dòng)斷裂帶附近，但要離開(kāi)破碎帶，臺(tái)基巖性堅(jiān)硬完整，致密均勻(如花崗巖、石英砂巖、石灰?guī)r等)，避開(kāi)風(fēng)口、山洪匯流處和泥石流、滑坡、溶洞發(fā)育地帶，避開(kāi)江、湖、河、水庫(kù)、深層抽水注水、溫泉、自流井、大型倉(cāng)庫(kù)、鐵路、主干公路和爆破等干擾源；觀測(cè)井孔是鉆孔傾斜儀的工作環(huán)境，井孔的好壞直接影響以后產(chǎn)出的數(shù)據(jù)質(zhì)量，井孔盡量選在結(jié)構(gòu)完整的基巖(花崗巖、石灰?guī)r等)上，套管孔徑和材質(zhì)符合相關(guān)技術(shù)要求。

(2) 保障供電的連續(xù)性及穩(wěn)定性。臺(tái)站人員需定期對(duì)UPS進(jìn)行放電維護(hù)，及時(shí)檢查供電系統(tǒng)及線路，對(duì)出現(xiàn)隱患的供電線路及早更換。

(3) 完善防雷接地系統(tǒng)。儀器安裝時(shí)雖在鉆孔傾斜儀交流電源入口和信號(hào)輸入處都增加了防雷器，但只能減少一般雷電對(duì)儀器的損害，在雷電較強(qiáng)的地區(qū)建議對(duì)觀測(cè)臺(tái)站布設(shè)完善的防雷措施，防雷裝置也應(yīng)做好周期性和日常維護(hù)。

(4) 加強(qiáng)臺(tái)站人員維修能力的培養(yǎng)。目前新疆區(qū)域鉆孔傾斜儀故障很大程度依靠?jī)x器廠家進(jìn)行維修，造成維修周期不可控。加強(qiáng)對(duì)維護(hù)人員及臺(tái)站人員維修能力的培養(yǎng)，可以最大可能縮短故障時(shí)間，保障數(shù)據(jù)的連續(xù)率。

(5) 增加備用儀器。新疆區(qū)域幅員遼闊，片區(qū)維修中心應(yīng)適當(dāng)增加備機(jī)備件，備用設(shè)備應(yīng)當(dāng)經(jīng)常檢查、通電維護(hù)，保證在儀器出現(xiàn)故障時(shí)能夠盡快恢復(fù)觀測(cè)，縮短維修周期。

感謝河南震安科技有限公司張喜振工程師在臺(tái)站升級(jí)改造和現(xiàn)場(chǎng)維修中給予的指導(dǎo)與幫助！