基于物聯網的智能臺站技術簡介

安徽省地震局 黃顯良

基于物聯網的智能臺站技術簡介

Brief introduction to intelligent station technique based on Internet of Things

安徽省地震局 黃顯良

物聯網指的是將無處不在的末端設備和設施，包括具備“內在智能”的傳感器、移動終端、工業系統、樓控系統、家庭智能設施、視頻監控系統等，通過各種無線或有線通信網絡實現互聯互通，在內網、專網或互聯網環境下，采用適當的信息安全保障機制，提供安全可控乃至個性化的實時在線監測、報警聯動、調度指揮、預案管理、遠程控制、安全防范、遠程維保、統計報表與決策支持等管理和服務功能，實現對萬物的互聯互通。

隨著“十五”數字地震觀測網絡項目的啟動和發展，現階段我國已建成了大量的無人值守臺站，然而其中很多臺站的運行維護工作受人力和經濟等方面制約而不能得到及時有效的解決，從而造成臺站數據的利用率不高，臺站效能無法正常發揮。近年來，中國地震局和各省局已經充分意識到上述問題，并逐步拓展思路、采取多種創新方法解決無人值守臺站出現的各種問題。中國地震局相繼成立了華東、西南、華南等17個片區儀器維修中心，提供相應備機備件，旨在縮短臺網故障恢復時間，提高臺網運行率。同時片區地震儀器維修中心不定期組織片區內臺網技術人員進行技術交流，加強協作，共同提高臺網運行維護能力。部分省局依托有人值守臺站，采用中心臺模式，充分利用中心臺所在地域優勢和人員優勢，分散省局傳統儀器維護中心所承擔的壓力。

無人值守臺站由于其觀測環境的限制，基本都建于位置偏遠或環境復雜的地區，地震系統有限的儀器維護人員和定時、定點的維護管理模式已不能保證工作的及時性和有效性，而且在一定程度上極大浪費了人力、物力和財力，無法滿足發展需求。另一方面，臺站內部包含供配電、開關電源、消防等在內的動力環境設備一旦出現故障，將會影響整個系統的正常運行，造成數據采集和傳輸中斷，甚至會引發臺站主要設備的損毀。

因此，如何結合物聯網技術，對這些無人值守地震臺站進行遠程、統一、有效的維護和管理，已經成為了一項亟待解決的問題。安徽省地震局充分總結多年來從事儀器維護工作的經驗，深入調研、拓展思路，依托中國地震局地震科技星火計劃項目，結合物聯網理念和技術，在無人值守臺站增設部分硬件設備，并研發了一套“地震臺站綜合智能監控系統”（見圖1），實現了對無人值守臺站的遠程監控、維護和管理，儀器維護人員便可輕松完成對臺站遠程的管理和維護。

智能臺站的功能設計

智能臺站技術主要包括臺站硬件設備和臺網中心軟件兩大部分。在臺站端，通過增設一些硬件設備以及對原有部分設備進行二次開發，完成臺站的智能化改造；在臺網中心端，通過研發“地震臺站綜合智能監控系統”，實現了遠程實時監控無人值守臺站動力環境參數和儀器運行狀態、故障實時報警、遠程故障診斷、遠程故障自動處理和交互處理及安全防護等功能。

無人值守臺站的智能化改造

圖1 地震臺站綜合智能監控系統

圖2 智能臺站的UPS工作狀態監控

為實現無人值守臺站的智能化改造，需在臺站增設攝像頭、煙霧報警器、溫濕度傳感器等硬件設備。360°可旋轉高分辨率網絡攝像頭的安裝，可清晰顯示臺站內數據采集器、路由器和光纖收發器的指示燈狀態，便于臺網人員在臺站數據中斷后排查故障原因，實現了臺站的遠程維護和管理；通過API接口調用獲取UPS工作狀態等方法，實現了交/直流電源工作狀態的遠程實時監控、UPS運行參數的實時獲取及地震數據采集器的遠程硬重啟等功能（見圖2）；煙霧報警器、溫濕度傳感器的布設，可遠程查看臺站內的煙霧狀況和溫濕度信息，保證了臺站運行環境的安全，同時“地震臺站綜合智能監控系統”會對溫濕度傳感器、煙霧報警傳感器等設備的信息進行采集并入庫，儀器維護人員可隨時調取歷史信息并作出相應處理，如某一臺站長期處于濕度過高狀態，維護人員會考慮放置木炭等相應措施改善環境；音響、門磁技術和網絡攝像頭的結合，能對非法闖入者進行震懾并留下相關證據，有效實現了臺站的安全管理。

基于智能臺站的實際需要，項目組開發完成了“安徽省地震臺站綜合智能監控平臺”，并研制了數據采集器（見圖3），可以匯集臺站的燈光、煙霧、溫濕度、UPS電源、交流電源、數采電源、門磁等信息，并集成了短信控制器，能夠接收和發送短信，從而實現了網絡中斷情況下的數據通信。此外，臺網中心“地震臺站綜合智能監控系統”還可通過數據采集器發送控制信息，實現對臺站的遠程控制和維護。

圖3 綜合數據采集器

地震臺站綜合智能監控系統

為了對智能臺站進行綜合、一體化的管理，項目組開發了“地震臺站綜合智能監控系統”，該系統采用C/S模式，能集中管理臺站的軟硬件設備，真實模擬臺站場景（見圖4），做到臺站管理的自動化、智能化與科學化，實現包括安徽省現有各類數字測震臺站儀器的遠程監控、電源智能管理、測震擺房的防盜監控和溫濕度監控、煙霧報警等主要功能，并匯集于測震臺網的綜合控制顯示平臺。

圖4 地震臺站擺房實景模擬

智能臺站技術的完善

“智能臺站試驗性研究”項目以安徽省地震局白山無人值守臺站作為試點，在臺站增設了溫濕度計、煙霧報警器、門磁、市電檢測器、UPS檢測器、雙電源管理器、網絡攝像頭、DZJK-01數據采集器等硬件設備，實現了臺站觀測環境的遠程監控，能夠異地操作臺站電源及觀測設備，解決了電源故障和網絡故障等難以辨別的難題，大大減少了儀器維護人員進行臺站設備維護的工作量和難度，并可以對臺站的觀測設備進行有效保護。安徽臺網智能臺站的建設，不僅提高了臺站連續運行率，同時也節約了維護成本，而且為地震預報和地震科研工作提供了更連續、更可靠的基礎數據。

鑒于智能臺站技術所取得的重要成效，該項目驗收結束后，項目組從軟硬件方面著手進一步完善了智能臺站技術，拓展智能臺站的適用范圍以滿足不斷發展的形勢需求。其中一項改善工作是對“地震臺站綜合智能監控系統”進行了升級，目的是為臺站后續增設各類設備奠定基礎。同時還創新性地利用了“所見即所得”的界面設計思想（見圖5），用戶可根據需要添加多種監控元素，如圖5中紅色方框所示，一旦臺站增設某種硬件設備，用戶便可通過選取方框中的對應圖標，在監控系統界面的相應位置進行添加，實現統一管理。

另一方面，本項智能臺站建設在前期主要針對測震觀測的無人值守臺站而設計，后期對其硬件支持進行了部分拓展，使其能夠適應前兆觀測的無人值守臺站。

智能臺站技術的應用與推廣

智能臺站建成后獲取了顯著成效，在建設智能臺站之前，因為儀器維護、故障判斷等原因，儀器維護人員出差至每個無人值守臺站的次數平均為4～5次，其中絕大多數是故障無法判斷或判斷錯誤而造成的無效出差。臺站智能化改造完成后，一旦臺站數據中斷，臺網監控系統便通過外置音響發出相應報警信息，值班人員在第一時間就能遠程精確地判斷出數據中斷原因，避免了停電等所造成的不必要出差，節省了大量的人力和經濟成本。另一方面，智能臺站建成后，安徽臺網無人值守臺站的數據連續率得到明顯提高，根據中國地震局業務運行評價系統顯示，進行智能化改造后臺站的平均連續率平均提高了約1個百分點。

圖5 智能臺站用戶定制頁面

鑒于智能臺站在無人值守臺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費30萬元，對全省六安臺、爛泥坳臺、豹子崖臺、石家河臺、含山臺、舒城臺、定遠臺、淮南臺、廣德臺、樅陽臺等10個無人值守臺站進行了智能化改造，并將這10個臺站作為監控點添加到“安徽地震臺站綜合智能監控系統”進行統一監控，取得了較為明顯的成效。

2015年，安徽省地震局繼續追加經費50萬元，對全省懷寧、潛山、岳西、太湖、望江、東至、池州、蕪湖、歙縣、黃山區、績溪、石臺、霍山井、阜南井、五河、蕭縣等測震和前兆無人值守臺站進行智能化改造，目前項目即將實施完畢。中國地震局陰朝民副局長蒞臨安徽臺網考察指導工作后，充分肯定了智能臺站所取得的成效，并現場指示要推廣到全國。

結語

安徽省地震局在智能臺站技術研究上進行了全新的嘗試，其相關研究方法和技術達到了國內先進水平，所得研究成果以先進的監控和自動化技術為實現無人值守臺站建設和管理的正規化、實用化、智能化提供了標準。中國地震局牛之俊副局長在2015年全國地震監測預報工作會議上指出：要打造新型以臺站為主體的觀測體系運維模式，新建臺站要進行良好的設計，地震臺站運維將實施“有人看護、無人值守、遠程維護、多維產出”的新模式。安徽省地震局智能臺站的建設便是應運而生的產物，而且日后將會隨著技術的成熟而逐步完善，我們相信，其將在未來的防震減災工作中發揮越來越重要的作用。