徐建權(quán) 高峰 高東輝 李繼業(yè) 張思萌 張永剛 張雁翔

（中國(guó)哈爾濱150090 黑龍江省地震局）

0 引言

故障診斷、預(yù)測(cè)和系統(tǒng)健康管理是在實(shí)際應(yīng)用條件下對(duì)產(chǎn)品或系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)估的方法。其包括：使用保險(xiǎn)或預(yù)警裝置進(jìn)行可靠性評(píng)估；基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)對(duì)故障征兆進(jìn)行監(jiān)測(cè)和推理；基于系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境和壽命周期載荷開(kāi)展失效物理建模（派克·邁克爾等，2010）。對(duì)于數(shù)字化系統(tǒng)來(lái)說(shuō),其自身精密性、精確性要求較高,同時(shí)系統(tǒng)大多數(shù)是由光、機(jī)、電元件所組合而成,每一環(huán)節(jié)都是具備著自身特點(diǎn)和相關(guān)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的（黃圣棕，2019）。高業(yè)欣等（2022）通過(guò)匯集SSY 型伸縮儀維修知識(shí)開(kāi)發(fā)了故障診斷指導(dǎo)系統(tǒng)，進(jìn)而融合推理機(jī)平臺(tái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)。陶志剛等（2021）對(duì)流體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其輔助系統(tǒng)的主要故障按功能進(jìn)行了分類(lèi)與統(tǒng)計(jì)，在整理歷史故障的基礎(chǔ)上分析典型故障并給出了處理建議。本文以分析黑龍江測(cè)震系統(tǒng)的可靠度及故障類(lèi)型為目的，對(duì)黑龍江全省測(cè)震及相關(guān)方面故障進(jìn)行系統(tǒng)分析。從外部通信、外部供電、內(nèi)部測(cè)震、綜合系統(tǒng)等多角度研究故障的誘因、分類(lèi)、發(fā)生時(shí)段、時(shí)長(zhǎng)、維修周期等，進(jìn)而提出解決問(wèn)題的辦法，以提升測(cè)震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠度。

1 臺(tái)網(wǎng)概況

1.1 地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境

黑龍江省面積47.3 萬(wàn) km2，地理緯度較高。山地海拔300—1 000 m，占總面積的58%。平原占總面積的28%（黑龍江省地震局，2004）。黑龍江省極端最高氣溫為龍江縣41.1℃。最低氣溫出現(xiàn)在漠河及呼中之間高海拔地區(qū)，可低至-55.1℃（蔣慧亮等，2022）。

黑龍江31 個(gè)地震速報(bào)監(jiān)測(cè)站包括9 個(gè)國(guó)家直屬臺(tái)站、22 個(gè)區(qū)域直屬臺(tái)站。其中，山洞觀測(cè)12 個(gè)；地面觀測(cè)17 個(gè)；井下觀測(cè)2 個(gè)。均采用市電供電，4 M 移動(dòng)專(zhuān)線與接收端通信，監(jiān)測(cè)站平均間距70 km，中部區(qū)域分布相對(duì)密集，五大連池北部、望奎西部監(jiān)測(cè)站數(shù)量較少且間距較遠(yuǎn)，該區(qū)域也是設(shè)備維護(hù)、供電、通信較不便利的地帶。黑龍江地震監(jiān)測(cè)站分布如圖1 所示。

圖1 黑龍江地震速報(bào)監(jiān)測(cè)站分布Fig.1 Basic distribution of quick earthquake observation stations in Heilongjiang Province

1.2 地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

監(jiān)測(cè)站內(nèi)部系統(tǒng)可分為專(zhuān)業(yè)設(shè)備、輔助設(shè)備2 類(lèi)。專(zhuān)業(yè)監(jiān)測(cè)設(shè)備包括數(shù)據(jù)采集器和地震計(jì)，二者用來(lái)采集地脈動(dòng)信號(hào)；輔助監(jiān)測(cè)設(shè)備是以地震監(jiān)測(cè)為最終目的的具有其他功能的設(shè)備，包括交直流供電、網(wǎng)絡(luò)通信、避雷設(shè)施等。監(jiān)測(cè)站內(nèi)部技術(shù)系統(tǒng)連接如圖2 所示。

圖2 監(jiān)測(cè)站內(nèi)部技術(shù)系統(tǒng)連接示意圖Fig.2 Internal technical system connection of observation station

外部市電的輸電線普遍懸空架設(shè)，因相距遠(yuǎn)、路況差等原因，另有部分監(jiān)測(cè)站使用風(fēng)光互補(bǔ)供電方式。外部通信方面，運(yùn)營(yíng)商接入端采用雙線路、雙路由模式接入，區(qū)域中心至運(yùn)營(yíng)商上聯(lián)基站采用雙線路、雙路由模式上聯(lián)至2 個(gè)不同的運(yùn)營(yíng)商基站，經(jīng)由市級(jí)傳輸網(wǎng)上聯(lián)至骨干傳輸網(wǎng)（圖3）（方瑤等，2022）；臺(tái)站端采用單線路、單路由模式接入，經(jīng)市級(jí)傳輸網(wǎng)上聯(lián)至骨干傳輸網(wǎng)。

圖3 監(jiān)測(cè)站外部網(wǎng)絡(luò)通信示意圖（據(jù)方瑤等，2022）Fig.3 External network communication diagram of observation station（Fang et al,2022）

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障分析

2.1 設(shè)備故障分類(lèi)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障即在工作過(guò)程中因某種原因?qū)е略O(shè)備功能失效或不能達(dá)到預(yù)定技術(shù)指標(biāo)，繼而影響相關(guān)系統(tǒng)正常運(yùn)行。地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障可分為2 大類(lèi)：①臨時(shí)性故障。此類(lèi)故障包括間歇性故障，通常由停電、機(jī)械作業(yè)、風(fēng)動(dòng)干擾等外部原因?qū)е略O(shè)備產(chǎn)出數(shù)據(jù)不能達(dá)到預(yù)定技術(shù)指標(biāo)。當(dāng)干擾消除，設(shè)備可自行恢復(fù)正常工作，但臨時(shí)故障也可能導(dǎo)致永久性故障。②永久性故障。此類(lèi)故障又可進(jìn)一步按時(shí)間、發(fā)展過(guò)程、故障原因、嚴(yán)重程度等進(jìn)行分類(lèi)（圖4）。永久性故障無(wú)法自行恢復(fù)，必須進(jìn)行維修或更換。

圖4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障分類(lèi)Fig.4 Fault classification of monitoring system

2.1.1 按時(shí)間分類(lèi)。①早發(fā)性故障：由儀器正常工作前存在的問(wèn)題所引起的故障，如設(shè)備內(nèi)部虛焊、運(yùn)輸時(shí)的振動(dòng)、錯(cuò)誤的調(diào)試安裝等。②突發(fā)性故障：受各種不利因素或偶然外界因素的影響而發(fā)生的故障。此類(lèi)故障的特點(diǎn)是具有偶然性、突發(fā)性，一般與使用時(shí)間無(wú)關(guān)，事先無(wú)任何征兆，難以預(yù)測(cè)，如信號(hào)線遭破壞所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)中斷、插口松動(dòng)所導(dǎo)致的相應(yīng)功能失效、遭到雷擊等。③漸進(jìn)性故障：由設(shè)備技術(shù)參數(shù)劣化所導(dǎo)致的故障，包括長(zhǎng)期的不良因素影響和設(shè)備自身零件、接線的老化。此類(lèi)故障會(huì)導(dǎo)致設(shè)備工作狀態(tài)或產(chǎn)出數(shù)據(jù)長(zhǎng)期不正常，并逐步惡化。通過(guò)定期檢查設(shè)備輸出數(shù)據(jù)及標(biāo)定結(jié)果、設(shè)備使用年限等可預(yù)測(cè)此類(lèi)故障。

2.1.2 按發(fā)展過(guò)程分類(lèi)。①潛在故障：是一種預(yù)示功能故障即將發(fā)生的可鑒別狀態(tài)。故障逐漸發(fā)展，但尚未在功能方面表現(xiàn)出來(lái)，卻又接近萌發(fā)的階段。當(dāng)這種情況能夠被鑒別時(shí)，認(rèn)為也是一種故障現(xiàn)象。對(duì)于潛在故障，可以嘗試通過(guò)獲取設(shè)備參數(shù)、信息，校驗(yàn)設(shè)備標(biāo)定結(jié)果來(lái)鑒別。②功能故障：在無(wú)外界因素干擾的情況下，設(shè)備不能達(dá)到功能預(yù)定的工作要求或狀態(tài)，設(shè)備應(yīng)有的工作能力明顯降低，甚至不能工作。這類(lèi)故障可通過(guò)操作者的感受及輸出的參數(shù)、數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行判斷。

2.1.3 按故障原因分類(lèi)。①人為故障：由于在制造、維修、使用、運(yùn)輸、管理等方面存在問(wèn)題，使設(shè)備過(guò)早喪失了其應(yīng)有功能，或其他作業(yè)影響及人為故意破壞所導(dǎo)致的故障；②自然環(huán)境故障：設(shè)備在其使用期內(nèi)，因受周?chē)匀灰蛩赜绊懚霈F(xiàn)的故障，如雷擊、低溫、潮濕、腐蝕、動(dòng)物等；③自身故障：儀器內(nèi)部程序故障、儀器或線路硬件自然老化、標(biāo)定結(jié)果偏離基準(zhǔn)值等影響到儀器功能，導(dǎo)致儀器無(wú)法正常運(yùn)行、產(chǎn)出數(shù)據(jù)。

2.1.4 按嚴(yán)重程度分類(lèi)。①臨界故障：即潛在故障，是危及設(shè)備正常工作的故障誘因；②輕度故障：影響設(shè)備不常用功能，如不接受標(biāo)定命令或指示燈損壞等故障，此類(lèi)故障不影響設(shè)備日常監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)傳輸；③嚴(yán)重故障：影響設(shè)備日常工作，需及時(shí)修復(fù)的故障，如插口損壞、內(nèi)部電路板損壞等影響監(jiān)測(cè)系統(tǒng)日常監(jiān)測(cè)、供電、通信的故障。

2.2 歷史故障匯總與分析

為研究測(cè)震系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠度，在不考慮人為主動(dòng)中斷信號(hào)的前提下對(duì)2018—2021 年黑龍江31 個(gè)監(jiān)測(cè)站3 套子系統(tǒng)故障進(jìn)行分析（表1）。

表1 2018—2021 年黑龍江省測(cè)震系統(tǒng)故障統(tǒng)計(jì)Table 1 Fault Statistics of Seismic system in Heilongjiang Province from 2018 to 2021

2.2.1 外部通信系統(tǒng)故障分析。外部通信系統(tǒng)故障是指監(jiān)測(cè)站所在地的通信系統(tǒng)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)站信號(hào)無(wú)法上傳至運(yùn)營(yíng)商骨干網(wǎng)，繼而造成對(duì)省臺(tái)傳輸信號(hào)的中斷。由于架設(shè)位置偏遠(yuǎn)、缺乏養(yǎng)護(hù)、損耗老化等原因，長(zhǎng)期連續(xù)工作的通信設(shè)備會(huì)出現(xiàn)工作不穩(wěn)定、傳輸數(shù)據(jù)丟包等功能性故障，進(jìn)而影響整套通信系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。這類(lèi)故障對(duì)于通信設(shè)備、通信系統(tǒng)而言是漸進(jìn)性的。通信設(shè)備的故障次數(shù)占外部通信系統(tǒng)故障總次數(shù)的87.31%，時(shí)長(zhǎng)占比為77.87%。

為屏蔽干擾，通常對(duì)信號(hào)傳輸光纜進(jìn)行埋地鋪設(shè)，但光纜質(zhì)量、鋪設(shè)長(zhǎng)度、凍土、施工等因素都會(huì)對(duì)其可靠度造成影響，黑龍江省光纜故障最主要的原因是人為誤操作，在農(nóng)耕、修路、地下管網(wǎng)施工等作業(yè)時(shí)會(huì)出現(xiàn)誤將光纜挖斷、刮破，影響信號(hào)傳輸?shù)那闆r。所以，光纜故障對(duì)于通信系統(tǒng)而言既有漸進(jìn)性的也有突發(fā)性的。光纜故障次數(shù)占通信系統(tǒng)故障總次數(shù)的11.13%，時(shí)長(zhǎng)占比為20.33%。

露天架設(shè)的通信設(shè)備除日常損耗及老化外，也容易受到自然災(zāi)害的影響和破壞，2018—2021 年通信鏈路4 次被凍雨、大風(fēng)等自然力破壞。自然災(zāi)害引起的故障對(duì)于通信系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)講都是突發(fā)性故障。自然災(zāi)害導(dǎo)致的故障占外部通信系統(tǒng)故障總次數(shù)的0.78%，時(shí)長(zhǎng)占比為1.35%。

2022 年黑龍江省測(cè)震通信系統(tǒng)優(yōu)化改造之前，外部通信系統(tǒng)故障具有連鎖反應(yīng)，如負(fù)責(zé)信息中轉(zhuǎn)的基站出現(xiàn)故障，不僅會(huì)使當(dāng)?shù)匦盘?hào)中斷，還會(huì)使下層地區(qū)基站和監(jiān)測(cè)站的信號(hào)無(wú)法通過(guò)，而中斷原因就是中轉(zhuǎn)基站的問(wèn)題，與下層地區(qū)系統(tǒng)無(wú)關(guān)，但對(duì)于省局接收端或地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)講兩地信號(hào)屬于同時(shí)中斷，所以，將下層監(jiān)測(cè)站信號(hào)無(wú)法通過(guò)中轉(zhuǎn)基站的次數(shù)與時(shí)長(zhǎng)算作外部通信系統(tǒng)的間接故障來(lái)統(tǒng)計(jì)。2018—2021 年有4 次5 個(gè)監(jiān)測(cè)站受到此類(lèi)影響出現(xiàn)信號(hào)中斷。間接故障次數(shù)占外部通信系統(tǒng)故障總次數(shù)的0.78%，時(shí)長(zhǎng)占比為0.45%。

2.2.2 外部供電系統(tǒng)故障分析。此處的外部供電系統(tǒng)是指地震監(jiān)測(cè)站外部的相關(guān)供電設(shè)施。供電線路的鋪設(shè)與通信系統(tǒng)一樣，路途遠(yuǎn)，路況差，相對(duì)于市區(qū)缺乏維護(hù)保障，同時(shí)變壓器及供電線等設(shè)施裸露室外，易受外界因素影響，如電壓不穩(wěn)定的臨時(shí)性故障。監(jiān)測(cè)站外部供電中斷后，由4 只100 A·H 蓄電池供應(yīng)黑龍江省地震監(jiān)測(cè)站所配備的設(shè)備，可連續(xù)供電4—7 d（賈軍等，2012 年）。但直接使用市電且自身無(wú)蓄電功能的設(shè)備在市電停電后則會(huì)立刻斷電并停止運(yùn)行。如果蓄電池虧電，智能電源會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟虧電保護(hù)，全部設(shè)備停止運(yùn)行，這時(shí)遠(yuǎn)程才可能發(fā)現(xiàn)信號(hào)出現(xiàn)問(wèn)題。另一種情況是當(dāng)?shù)厥须姽收蠈?dǎo)致當(dāng)?shù)鼗就ｋ姡诠╇姴块T(mén)恢復(fù)供電或通信部門(mén)恢復(fù)通信之前也會(huì)發(fā)生信號(hào)中斷，即通信中斷不會(huì)影響市電，而市電中斷有可能影響通信。外部供電設(shè)備故障次數(shù)占外部供電系統(tǒng)故障總次數(shù)的88.95%，時(shí)長(zhǎng)占比為88.2%。

向監(jiān)測(cè)站供電的電纜普遍架設(shè)在空中，到達(dá)監(jiān)測(cè)站周邊才可能埋地鋪設(shè)，而多數(shù)監(jiān)測(cè)站地處山區(qū)，架空的電纜會(huì)面臨雷擊、風(fēng)擾、線桿老化等問(wèn)題，埋地的電纜也遭到過(guò)人工作業(yè)的誤傷。供電線路故障次數(shù)占外部供電系統(tǒng)故障總次數(shù)的4.07%，時(shí)長(zhǎng)占比為3%。

12 次自然災(zāi)害導(dǎo)致的故障中雷擊2 次，大風(fēng)9 次，大雪1 次。外部供電系統(tǒng)故障中自然災(zāi)害次數(shù)占總次數(shù)的6.98%，時(shí)長(zhǎng)占比為8.8%。

2.2.3 監(jiān)測(cè)站測(cè)震系統(tǒng)故障分析。潮濕、雷擊、設(shè)備老化是影響監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的主要因素，監(jiān)測(cè)站密閉不通風(fēng)，溫差會(huì)導(dǎo)致墻體返潮及設(shè)備、接線表面結(jié)露、結(jié)冰，甚至造成短路、腐蝕等傷害。雷擊會(huì)使硬件失去全部或部分功能以及產(chǎn)出數(shù)據(jù)的失效，即雖有信號(hào)，但波形沒(méi)有地脈動(dòng)，屬無(wú)效數(shù)據(jù)。黑龍江省31 個(gè)監(jiān)測(cè)站在用設(shè)備中2004—2010 年生產(chǎn)的地震計(jì)19 臺(tái)，數(shù)據(jù)采集器13 臺(tái)，智能電源22 臺(tái)。設(shè)備現(xiàn)處在浴盆曲線的損耗故障期，已屬于超期服役，在面臨極端環(huán)境時(shí)其承受能力遠(yuǎn)不如前。外部震動(dòng)可能導(dǎo)致波形無(wú)法識(shí)別，加速硬件損耗，而正常的地脈動(dòng)波形周期小且均勻，雖有地震計(jì)零漂現(xiàn)象，但波形形態(tài)沒(méi)有特殊變化。觀測(cè)房電瓶受潮如圖5 所示。雷擊、震動(dòng)及正常情況下120 s 波形形態(tài)對(duì)比如圖6 所示。

圖5 電瓶受潮濕影響Fig.5 The battery is affected by humidity

圖6 120 s 記錄波形形態(tài)對(duì)比（a）數(shù)據(jù)采集器受雷擊波形；（b）地震計(jì)受震動(dòng)干擾波形；（c）正常波形Fig.6 Comparison of recorded waveforms for 120 s

2018—2021 年數(shù)據(jù)采集器故障21 次，其中，自身故障18 次，雷擊3 次。雷電會(huì)通過(guò)供電線路、GPS 天線擊中數(shù)據(jù)采集器，若只有數(shù)據(jù)采集器遭雷擊，未殃及其他用電設(shè)備，則為GPS 引雷；若雷電經(jīng)市電進(jìn)入沒(méi)有防雷措施的監(jiān)測(cè)站會(huì)破壞連接交流電的設(shè)備，還可能陸續(xù)擊傷、擊毀其他相關(guān)聯(lián)設(shè)備。專(zhuān)業(yè)監(jiān)測(cè)設(shè)備故障次數(shù)占監(jiān)測(cè)站測(cè)震系統(tǒng)總故障次數(shù)的44.68%，時(shí)長(zhǎng)占比46.25%。

對(duì)于遠(yuǎn)程接收端，內(nèi)部輔助通信系統(tǒng)與外部通信系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)信號(hào)狀態(tài)相同，都是網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不穩(wěn)定或中斷，但故障點(diǎn)不同，相應(yīng)的維修人員、方式、周期也不同。由環(huán)境影響造成的監(jiān)測(cè)站內(nèi)部通信系統(tǒng)故障3 次，其中，雷擊2 次、洪水1 次，其他5 次為通信設(shè)備自身故障。輔助通信系統(tǒng)故障次數(shù)占監(jiān)測(cè)站測(cè)震系統(tǒng)總故障的19.15%，時(shí)長(zhǎng)占比36.62%。

若監(jiān)測(cè)站供電出現(xiàn)問(wèn)題，遠(yuǎn)程接收端很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)，通常只有電量耗盡導(dǎo)致數(shù)據(jù)中斷時(shí)才會(huì)報(bào)警，內(nèi)部供電與外部供電的停電狀態(tài)都是瞬時(shí)的。監(jiān)測(cè)站供電系統(tǒng)故障中智能電源自身故障7 次，室內(nèi)交流供電故障6 次，環(huán)境影響導(dǎo)致室內(nèi)總開(kāi)關(guān)跳閘3 次。輔助供電系統(tǒng)故障占監(jiān)測(cè)站測(cè)震系統(tǒng)總故障的36.17%，時(shí)長(zhǎng)占比17.13%。

外部通信、外部供電、監(jiān)測(cè)站測(cè)震等3 套子系統(tǒng)故障在整套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障中占比情況如表2 所示。

表2 3 套子系統(tǒng)故障次數(shù)及時(shí)長(zhǎng)占比Table2 Proportion of failure times and duration of three sets of subsystems

由表2 可計(jì)算出外部通信、外部供電、監(jiān)測(cè)站測(cè)震等3 套子系統(tǒng)平均單次故障維修周期分別為14.96 h、18.43 h、133.79 h，綜合系統(tǒng)平均單次故障維修周期為23.42 h。其原因是地方監(jiān)測(cè)人員維護(hù)能力較弱，手段較少，沒(méi)有固定的巡檢、維修流程，發(fā)現(xiàn)故障時(shí)主要由省地震臺(tái)人員前往維修或郵寄更換故障設(shè)備，各中心臺(tái)即使有維修水平，也沒(méi)有備機(jī)備件，所以出現(xiàn)反應(yīng)不夠迅速、路程較遠(yuǎn)、維修周期較長(zhǎng)的結(jié)果。外部通信、供電故障不是省內(nèi)總部工作人員前往維修，而是故障設(shè)備所在地的供電或通信運(yùn)維機(jī)構(gòu)及時(shí)反應(yīng)，有效維修的結(jié)果。測(cè)震設(shè)備的優(yōu)勢(shì)是儀器性能、工作環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，所以長(zhǎng)期保持在浴盆曲線的偶然故障期，但漫長(zhǎng)的維修周期也較大程度上降低了監(jiān)測(cè)站測(cè)震系統(tǒng)的可靠度。

2.3 月故障累計(jì)及分析

黑龍江省監(jiān)測(cè)站主用的EDAS-24 型數(shù)據(jù)采集器極限工作溫度為-20℃、55℃，所以低溫對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行不利。每年從4 月開(kāi)始，人、牲畜等各類(lèi)活動(dòng)逐漸開(kāi)展，甚至野生動(dòng)物結(jié)束冬眠也會(huì)直接或間接影響外部通信、供電系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。除溫差外，從4 月開(kāi)始的降雨、雷電等因素可導(dǎo)致外部設(shè)備、線纜潮濕或受到雷擊，這對(duì)觀測(cè)房?jī)?nèi)、外部系統(tǒng)運(yùn)行也產(chǎn)生了一定影響。下面以月為單位對(duì)2018—2021 年故障在外部通信、外部供電、監(jiān)測(cè)站測(cè)震系統(tǒng)等3 個(gè)方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。月故障柱狀圖如圖7 所示。

由圖7 可見(jiàn)，外部通信系統(tǒng)每年1—3 月故障次數(shù)較少，同時(shí)也較穩(wěn)定，因?yàn)樵谠摃r(shí)段黑龍江空氣干燥且濕度變化小，人畜活動(dòng)較少，這在很大程度上減少了對(duì)外部通信系統(tǒng)的干擾和破壞，通信和供電的用量也相對(duì)較少且穩(wěn)定。4 月初溫差、潮濕、人畜活動(dòng)、降雨等問(wèn)題開(kāi)始出現(xiàn)，故障增加較明顯。從5 月開(kāi)始，隨著生產(chǎn)生活的恢復(fù)及降雨次數(shù)的增加，系統(tǒng)故障次數(shù)激增，5—8 月降雨較頻繁，雷雨直接影響通信基站等設(shè)施正常運(yùn)行，該時(shí)段成為外部通信系統(tǒng)故障高發(fā)期。9—12 月通信系統(tǒng)故障次數(shù)相比故障高發(fā)期均有減少，且2018—2021年這4個(gè)月的月累積故障數(shù)穩(wěn)定在47次左右。外部通信系統(tǒng)除設(shè)備故障外，較常見(jiàn)的是光纜線路故障，2018—2021 年光纜直接故障57 次，間接故障2 次。黑龍江每年12 至來(lái)年2 月處于嚴(yán)冬，凍土堅(jiān)硬，非必要情況是不進(jìn)行野外作業(yè)及道路、管網(wǎng)整修的，因此，該時(shí)段通信光纜基本不受溫差及人為干擾，運(yùn)行較穩(wěn)定，2018—2021 年這3 個(gè)月光纜故障共3 次。而10 月光纜故障較其他月份頻繁，有17 次，占全部光纜故障次數(shù)的29.83%，通信光纜都是埋地鋪設(shè)，10 月雨水、溫度對(duì)其影響有限，主要是人工作業(yè)中的誤操作使光纜損傷嚴(yán)重。4—9 月的雨季并沒(méi)有過(guò)多的光纜故障，同樣是人工作業(yè)失誤所致，歷次光纜故障均源于光纜被挖斷?？傮w來(lái)講，每年1—4 月是外部通信系統(tǒng)故障低谷期，5—8 月為高峰期，9—12 月為平穩(wěn)期。

監(jiān)測(cè)站外部供電系統(tǒng)普遍裸露在室外，所以雷雨、溫差、潮濕、人畜等因素對(duì)室外供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行有直接影響。每年進(jìn)入5 月，采礦、建筑、旅游等行業(yè)用電量激增，外部供電故障次數(shù)隨之增加并達(dá)到頂峰，6 月末用電量趨于穩(wěn)定，故障有所減少?？傮w來(lái)講，每年5—9 月是外部供電系統(tǒng)故障高發(fā)期，1—4 月為低谷期，10—12 月為平穩(wěn)期。

由圖7 可見(jiàn)，2018—2021 年設(shè)備故障次數(shù)明顯小于室外通信、供電設(shè)備故障，這說(shuō)明對(duì)設(shè)備進(jìn)行針對(duì)性防護(hù)很有必要且效果顯著。但若監(jiān)測(cè)站因雷擊跳閘，即斷開(kāi)市電，那么在蓄電池電量低于保護(hù)電量或監(jiān)測(cè)站有直接連接市電的設(shè)備時(shí)，觀測(cè)系統(tǒng)將出現(xiàn)相關(guān)故障。雨季期間，尤其是那些為了優(yōu)良基巖質(zhì)量及較小臺(tái)基噪聲而地處山洞或背靠巖體的監(jiān)測(cè)站會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重返潮、滲水問(wèn)題，而設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)自身帶有一定溫度，這種環(huán)境下在設(shè)備縫隙及線纜接口處更容易受潮、結(jié)露，從而引發(fā)設(shè)備故障。觀測(cè)設(shè)備故障高發(fā)期為6—7 月，恰巧也是雨季，其他時(shí)段故障次數(shù)較均衡。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可靠度計(jì)算

4 年為35 040 h，將每1 h 的波形數(shù)據(jù)看作1 個(gè)產(chǎn)品，那么整套系統(tǒng)工作到35 040 h，根據(jù)下式（李良巧，2012）

及表 1 數(shù)據(jù)可以計(jì)算4 年中3 套系統(tǒng)自行運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠度，即N0=35 040 h，外部通信、外部供電、監(jiān)測(cè)站測(cè)震系統(tǒng)的可靠度計(jì)算結(jié)果分別為

綜合測(cè)震系統(tǒng)的可靠度為

2018—2021 年監(jiān)測(cè)站內(nèi)部系統(tǒng)故障總數(shù)僅為47 次，占整體系統(tǒng)故障總數(shù)的6.43%，但其故障時(shí)長(zhǎng)占總故障時(shí)長(zhǎng)的36.74%。由此可見(jiàn)，測(cè)震設(shè)備從發(fā)現(xiàn)故障到維修再到恢復(fù)運(yùn)行是較長(zhǎng)的過(guò)程，而外部通信、供電故障次數(shù)則分別占整體系統(tǒng)故障總次數(shù)的70.04%、23.53%，但二者故障時(shí)長(zhǎng)依次占故障總時(shí)長(zhǎng)的44.74%、18.52%，

根據(jù)下式（李良巧，2012）

得到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平均故障間隔時(shí)間

4 故障的處理建議

4.1 外部通信系統(tǒng)

為監(jiān)測(cè)站設(shè)置雙流傳輸模式，使用有自動(dòng)切換信道功能的H3 三層12 V 交換機(jī)，在光纖與無(wú)線傳輸之間進(jìn)行智能切換。此方法要注意交換機(jī)與映翰通的網(wǎng)絡(luò)地址設(shè)置需在同一網(wǎng)段且IP 不能沖突。傳輸方式如圖8 所示。

圖8 雙信道自動(dòng)切換傳輸模式Fig.8 Dual channel automatic switching transmission mode

4.2 外部供電系統(tǒng)

對(duì)監(jiān)測(cè)站相關(guān)供電系統(tǒng)進(jìn)行了解和備案，如供電源、線路架設(shè)、中轉(zhuǎn)設(shè)備等情況。將每次供電故障情況進(jìn)行咨詢(xún)和記錄，統(tǒng)計(jì)嚴(yán)重故障點(diǎn)或環(huán)節(jié)。在此基礎(chǔ)上，由地震相關(guān)部門(mén)與當(dāng)?shù)仉姌I(yè)部門(mén)進(jìn)行有針對(duì)性的交涉以提升供電系統(tǒng)可靠性。針對(duì)監(jiān)測(cè)站內(nèi)部供電，在必要情況下安裝風(fēng)光互補(bǔ)供電設(shè)備，由當(dāng)?shù)嘏_(tái)站人員視情維護(hù)。對(duì)于某些臺(tái)站光電轉(zhuǎn)換器使用交流電的情況，應(yīng)酌情采用UPS 供電，或改為直流供電設(shè)備并由智能電源供電，以此應(yīng)對(duì)短時(shí)間的市電中斷。

4.3 監(jiān)測(cè)站測(cè)震系統(tǒng)

雷擊將設(shè)備硬件損毀后，通常只能返廠更換，但可以早作預(yù)防，如啟動(dòng)智能電源隔離供電模式、傳輸線纜埋地及安裝避雷箱、避雷地網(wǎng)、GPS 避雷器、避雷針等，但黑龍江省監(jiān)測(cè)站尚無(wú)安裝避雷針的先例。GPS 具有引雷的隱患，為監(jiān)測(cè)站安裝避雷針并連接地網(wǎng)或圈梁，可以避免GPS 遭雷擊。h為避雷針高度；p為影響因數(shù)；hp為被保護(hù)物高度；Rp為避雷針在hp水平面上的保護(hù)半徑；當(dāng)h≤30 m時(shí)，p=1；當(dāng)hp≥0.5 h時(shí)，Rp=（h-hp）p=hap，ha為避雷針有效高度（盧偉輝等，2005 年）。假設(shè)GPS 接收器距地面高度為3 m，避雷針距地面高度為4 m 或比GPS 接收器位置高1 m，將避雷針安置在距GPS 接收器1 m 以?xún)?nèi)就可以對(duì)GPS 天線起到有效的避雷保護(hù)作用。

目前，黑龍江監(jiān)測(cè)站防潮方式為通過(guò)苯板或防潮涂層對(duì)監(jiān)測(cè)站內(nèi)墻進(jìn)行隔潮，地震計(jì)的防潮措施是在泡沫箱內(nèi)使用泡沫顆粒吸濕。以上做法成本高，針對(duì)性不強(qiáng)，容易出現(xiàn)防潮能力降低，且所有監(jiān)測(cè)站無(wú)法隔絕地面返潮。可有針對(duì)性地研制防潮裝置以保護(hù)測(cè)震設(shè)備，降低費(fèi)效比?？茖W(xué)有效的防護(hù)可提高設(shè)備保養(yǎng)水平、減少環(huán)境問(wèn)題造成的故障率，從而提高地震臺(tái)站數(shù)據(jù)質(zhì)量、觀測(cè)質(zhì)量等（徐建權(quán)等，2017）。

針對(duì)設(shè)備老化問(wèn)題，可以通過(guò)PHM 進(jìn)行預(yù)估。PHM 方法允許在系統(tǒng)的實(shí)際生命周期條件下對(duì)其可靠性進(jìn)行評(píng)估，以預(yù)測(cè)將發(fā)生故障的時(shí)間、地點(diǎn)，從而消除系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)（派克·邁克爾等，2010）。利用此方法，也可對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行主動(dòng)維護(hù)，即通過(guò)對(duì)設(shè)備反饋狀態(tài)或產(chǎn)出數(shù)據(jù)的檢查、計(jì)算、對(duì)比，分析設(shè)備或系統(tǒng)的當(dāng)前正常狀態(tài)，或存在的故障隱患。

針對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)維修問(wèn)題，省地震臺(tái)或地震中心站可以從歷次維修中報(bào)廢設(shè)備里拆除一些未損壞的零件，替換出現(xiàn)相應(yīng)故障的設(shè)備，可以較大程度降低維護(hù)成本及周期，但需要了解設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功能，具備維修理論基礎(chǔ)，且設(shè)備保質(zhì)期內(nèi)應(yīng)酌情拆卸。

5 結(jié)論

在整體地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，外部通信系統(tǒng)故障次數(shù)較多，故障時(shí)間較長(zhǎng)，外部供電系統(tǒng)故障次數(shù)位列第2，但故障時(shí)長(zhǎng)遠(yuǎn)比監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)短。從平均單次維修周期來(lái)看，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比其他2 套系統(tǒng)反應(yīng)慢，路程遠(yuǎn)，手段不多，所以導(dǎo)致故障時(shí)長(zhǎng)遠(yuǎn)大于外部通信、供電系統(tǒng)。

從時(shí)間段來(lái)看，每年1—3 月運(yùn)行環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，所以監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障較少，4 月冬春交替時(shí)節(jié)系統(tǒng)故障有明顯上升趨勢(shì)，5—9 月雷雨及人畜活動(dòng)對(duì)系統(tǒng)影響較嚴(yán)重，是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障高發(fā)期，10 月光纜故障次數(shù)較多且均為人工作業(yè)中誤操作所致，10—12 月總體故障相對(duì)高發(fā)期有所減少且較穩(wěn)定。

通過(guò)計(jì)算得到，黑龍江地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可靠度僅為0.51，平均故障間隔時(shí)間為47.93 h，這對(duì)于常年自行運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)及不間斷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)講，故障過(guò)于頻繁，應(yīng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更有針對(duì)性的維護(hù)，并由被動(dòng)維護(hù)向主動(dòng)維護(hù)轉(zhuǎn)變，以提高系統(tǒng)可靠度。