地震地磁場野外觀測同步控制系統研制與應用

地震地磁場野外觀測同步控制系統研制與應用

閆計明1，2， 王新勝1，2， 楊世英1，2

(1.山西省地震局太原基準臺，山西 太原030025； 2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原030025)

摘要：針對地震地磁野外觀測的需求，開發研制了一種基于無線網絡的野外同步觀測系統。該系統主要由接口單元、采集控制(CPU)單元、無線單元、傳輸網絡、計算機控制中心等組成。該系統操作簡單，實用性強，具有遠程喚醒及休眠、校時等服務功能，也可應用到地磁臺陣的數據傳輸與同步工作中。

關鍵詞：地磁觀測； 系統研制； 數據傳輸

收稿日期：*2014-06-09

基金項目：山西省科技基礎條件平臺計劃項目(20120910050103)

作者簡介：閆計明(1968-)，男(漢族)，天津寶坻人，高級工程師，主要從事臺站管理及地震電磁觀測資料的應用研究.E-mail：jimiyan@163.com

中圖分類號:P318.6文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.01.0280

DevelopmentandApplicationofaSynchronousControl

SystemtoSeismo-geomagneticFieldObservations

YANJi-ming1，2，WANGXin-sheng1，2，YANGShi-ying1，2

(1.Taiyuan Reference Seismological Station，Earthquake Administration of Shanxi Province，

Taiyuan，Shanxi030025，China； 2.State Key Observatory of Shanxi Rift System，Taiyuan，Shanxi030025，China)

Abstract：The application of geomagnetic measurements is mainly focused in two areas.The first is scientific research，national defense，and national economic and social development，such as mineral exploration.The second is to serve earthquake monitoring and prediction.Seismo-geomagnetic field measurements are regularly repeated measurements at several points in the field using a high-precision magnetometer.The purpose behind taking such measurements is to research the temporal change and spatial distribution of the local geomagnetic field before and after earthquakes.In the field，a survey grid or line is used for obtaining geomagnetic observations，the spatial coverage of which is generally not less than 150 km×150 km for a survey grid and not less than 200 km for a survey line.In addition，the distance between measuring points is usually 5～40 km.For the measurement of total local geomagnetic intensity using mobile observations，two survey pegs (main and vice) were installed at field observation points.These observations were synchronized with a station that records the diurnal geomagnetic variation using a specialized instrument installed under the same conditions as for high-precision magnetic measurements.The purpose of this was to reduce or eliminate short-period and diurnal variations (Sq) of the geomagnetic field.After the Xingtai Earthquake (1966)，mobile seismo-geomagnetic observations were initiated.Different from global geomagnetic measurements，the observation stations were generally set in earthquake regions or around active faults.Moreover，the repeated period of measurement was relatively short，i.e.，usually four times per year.However，irrespective of the form of measurement，a manual method for synchronizing the observations from the measuring stations in the field with the diurnal stations is necessary.Single independent magnetometers in the field cannot transmit data from the diurnal stations to the scene of the field observations in real time；therefore，the final data processing cannot proceed in a timely manner.Furthermore，data observed in the field and at the diurnal stations cannot be highly synchronized，which greatly affects the precision of the results and the efficiency of the fieldwork.In the current circumstances，the observation results and the report of the seismic regime are generally submitted 1～3 days after an earthquake，following which，many more days are required to obtain the observational data and to generate the reports.This is far from adequate for meeting the requirements of observations and field monitoring in the case of an emergency.Therefore，the development of a synchronous control system of seismo-geomagnetic measurement in the field is of great significance.A synchronous observation system with a wireless network was developed according to the requirements of seismo-geomagnetic field observations.The system consisted of an interface unit，data acquisition control unit (CPU)，wireless unit，transport network，and computer control terminal.This system is easy to operate，practical，and will in time transfer data measured by the mobile geomagnetic diurnal stations and the field measuring points.The system has service functions such as remote wake-up，hibernating，and time correction.Overall，the system could reduce the field workload of observers，increase the working efficiency of field measurements，and could be used for the transmission of observations from the geomagnetic array.

Keywords：geomagneticobservation；systemdevelopment；datatransmission

0引言

地磁學是一門觀測科學，沒有大量的、長期的、連續的觀測資料，地磁研究就是無源之水，無本之木[1]。地磁測量的應用主要有兩個方面：一是用于科學研究、國防以及國民經濟和社會發展。二是服務于地震監測預報。流動地震地磁觀測開始于1966年邢臺地震之后，其不同于全球地磁的測量，主要是其測量布點方式更具有特殊性和局部性，觀測點一般布設于地震多發區及斷裂帶周圍，復測周期相對短，一般為每年4期。但無論是服務于哪種形式的測量，都停留在野外測點和日變站同步觀測的人工方式上。由于觀測數據的傳輸和數據處理方法的問題，研究人員往往是數天乃至數月才可以看到全部的觀測數據，遠遠不能適應地震預報和科學研究的需要。對于處于地震危險區的加密觀測或者地震后的余震監測工作來說，數據的及時處理及迅速提交分析報告則顯得尤為重要。

1地磁場野外觀測

地震地磁野外測量是應用高精度磁力儀在野外對多個測點進行定期的重復測量，其目的是研究局部地區的地磁場在地震發生前后的空間分布與時間變化等特征。地磁野外觀測測點布局采用測線或測網的方式，測線總長度一般不小于200km，測網空間覆蓋范圍一般不小于150km×150km，測點間距一般為5～40km。以局部地區的地磁場總強度為觀測對象，目前流動地磁觀測方式是在野外觀測點設主副2個測樁與日變站同時進行觀測。日變站是觀測地磁場全天變化(地磁日變)，用來降低或消除地磁觀測數據中所包含的地磁短周期變化及地磁日變化(Sq)成分。觀測設備一天內禁止挪動，然后每隔一定時間與野外測點同步進行觀測。野外地磁日變觀測站觀測得到的日變資料可供半徑200km范圍內野外磁測做日變改正用[2]。

現有的用于野外觀測的磁力儀都是單臺獨立工作模式，觀測儀器無法將日變站的通化數據實時傳輸到野外觀測現場，現場等待時間長，數據不能及時處理，同時野外和日變站數據觀測時間無法高度同步，極大影響觀測精度和野外工作效率。一般情況下，觀測結果及震情分析報告要在全部野外工作結束1～3天后才可以提交。

由于數據實時傳輸的問題，研究人員往往是數天后才可以得到全部的觀測數據，遠遠不能適應震情緊張時的加密觀測和震后應急現場監測對觀測資料時間要求，因此，研制地震地磁場野外觀測同步控制系統具有十分重要的意義。

2系統組成及其主要功能

2.1系統組成

地磁場野外觀測同步控制系統主要由接口單元、采集控制(CPU)單元、無線單元、傳輸網絡、計算機控制中心等組成(圖1)。

圖1　地磁場野外觀測同步控制系統組成 Fig.1　Construction of the synchronous control system used in seismo-geomagnetic field observation

接口單元主要完成與磁力儀協議的對接、命令解釋等任務。

采集控制單元模塊主要完成設備側應用層面的任務，由單片機、外圍電路、采集控制程序、遠程通信程序等軟硬件組成。

2.2系統主要功能

(1) 完成與遠程設備的鏈接，形成物理鏈路。

每臺遠程設備都編有一個固定的端口號，可通過板上的撥碼開關來設定，每臺設備可以通過無線網絡與中心控制軟件保持聯系。有多種軟件機制使鏈接可靠。

(2) 模擬手動所有操作，并提供批命令快捷操作。

可以實現鍵的一般的按壓與壓下保持，實現儀器的多鍵復合操作，并提供常用功能的批命令快捷方式，減少操作人員的工作，同時也減少了誤操作。

(3) 實現全部接入設備的同步操作。

實現同步操作，進入同步方式后，每個控制命令，將同時廣播發送給每臺鏈接的設備。

(4) 可以顯示實時觀測結果。

(5) 支持儀器休眠與遠程喚醒。在測量結束后，自動進入休眠狀態，節約電池電量。

2.3系統操作使用

系統軟件主菜單界面主要分為2部分，上部是顯示區，下部是鍵盤及命令操作區(圖2)。

顯示區由3個窗口組成，最左邊為命令的實時顯示窗口，每次按鍵都會顯示在該區域，便于追溯操作是否有誤，包括快捷命令的分解操作及網絡控制命令；中間是網絡接收顯示窗口，主要用來顯示接收實時測量數據或采集測量文件；最右邊是鏈接顯示窗口，顯示已接入設備的信息。

圖2　系統軟件主菜單界面 Fig.2　Main menu of the system software

命令操作區也是由3個窗口組成，最左邊是儀器設置窗口，用來設置采集控制單元的參數，如IP地址，端口號等，以及啟動偵聽，開始同步，停止等等；中間是磁力儀鍵盤控制窗口，這部分同手工操作磁力儀一樣，完全是對應的；最右邊是快捷命令控制區，這是常用命令的功能組合，主要是方便操作，常用功能基本都可以一鍵完成。

系統操作步驟如下：

(1) 開啟采集控制單元；

(2) 運行計算機側軟件，并啟動偵聽；

(3) 鏈接成功后，如果是操作單臺設備，在“當前操作設備”中選擇磁力儀，如果操作多臺設備，則點擊“同步”；

(4) 點“開機”，則打開磁力儀，待遠程返回信息后，點擊“開始測量”，在文本區顯示實時的測量值；

(5) 測量完成后點擊“關機”，以節約磁力儀電池電量。

3系統框架結構及其實現

GPRS無線單元是一個GPRS網絡終端設備，它可以通過uart與采集控制單元通訊，同步觀測系統采用wavecom公司的無線模塊構建無線公共網絡，其主控單片機是ARM9，內置TCP/IP協議棧，減輕了控制單元的工作量。為了保證數據安全，通過VPN進入系統內網(圖3)。

圖3　系統框架結構示意圖 Fig.3　Sketch map of system structure

傳輸網絡主要是指承擔數據傳輸任務的GPRS網絡與其后的工作網絡。

計算機控制中心，完成各種采集與控制等用戶層面的任務。

采集控制單元是整個系統實現的關鍵，起到承上啟下的作用，一方面要控制接口部分實現同觀測儀器的鏈接，同時控制GPRS單元，以便與中心計算機傳遞信息。

為滿足數據安全性的要求，在采集控制部分和計算機控制中心中都包含相應的數據管理模塊，以備萬一網絡中斷或計算機控制中心出現故障時不至丟失數據。

部分程序：

(1) 命令發送：

Command1(Index).BackColor= &HFF&

Command1(Index).Tag= 1

send(0) = 13

send(1) = 10

send(2) = 64

send(3) = 97

send(4) =Index

send(5) = 98

send(6) = 13

send(7) = 10

Ifguanbo= 100Andc<> 0Then

Fork = 0Toc - 1

Ac_center(Val(Combo1.List(kk))).SendDatasend

addtext(“-->壓下” &keyval(Index) & “鍵”)

Nextkk

EndIf

(2)接口單元：

if(UART_p< 27)

{

ipptemp[UART_p]=Byte; //Storecharacter

UART_p++； //Updatecounter

}

if(UART_p>= 27)

{

if(ipptemp[0]>0x40)

{

UART1_tBuffer_Size=27;

for(j=0；j<27；j++)

{UART_outBuf[j]=ipp[j]；}

SBUF1=UART_outBuf[0]；

UART_p=0；

}

else

{

for(j=0；j<27；j++)

{ipp[j]=ipptemp[j]；}

UART_p=0；

write_en=100;

}

}

4結語

地震地磁場野外觀測同步控制系統的研制使用，能夠減少野外觀測人員的數量，同時系統提供了校時服務，可以保證野外和日變站觀測時間的一致性，提高觀測數據的精度。通過使用該系統有效地縮短野外觀測時間，提高流動地磁觀測的工作效率。觀測結果及分析報告的提交時間也大為縮短，為震前地震預測預報和震后地震形勢判定及時提供相關依據。此外，今后在地震多發地區或地震危險判定區布設地磁總場臺陣時，可以依托本系統進行數據的實時傳輸與處理。

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