當前數字臺站智能管理系統的應用研究綜述

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的基礎結構，其主要的目標是獲取完整、連續且不失真的地震波數據記錄，容易受到臺站觀測技術系統性能、穩定性以及臺站觀測環境等多方面的影響[1]。

得益于計算機網絡技術以及數據庫技術的快速發展，無人值守臺站在國內得到迅速的推廣，它具有低投資、低運維成本、低占地、高效率、高建設速度的優勢[2]；自“十五”項目以來，全國各地集中建設了一大批數字臺站，極大地提高了地震監測效率和質量[3]。這部分數字臺站一般還會配套供電、網絡通信等輔助設備，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和思路來對規模越來越大的無人數字臺站進行系統化管理[4]。

數字臺站智能管理系統一般分為設備管理、數據采集及傳送等多個方面，通過集成化的系統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、高效處理設備故障，從而保障臺網的高效、不間斷運行[5]。

1 數字地震臺設計方案

數字臺站智能管理系統主要分成兩部分：一是智能監控綜合平臺、一是臺站監控系統[6]，如圖 1 所示[7]。

圖1 數字臺站智能管理系統結構圖Fig.1 Structure diagram of intelligent management system of digital seismic station

數字智能臺站建設中，最核心的就是智能監控綜合平臺的開發，這是整個監控系統的核心組成部分，把遠程遙控系統、電源管理系統、溫濕度控制系統等集成到統一的平臺，從宏觀層面進行全方位的監控；臺站監控系統主要由各種類型的傳感器及采集器組成，負責監控個體臺站的實時相關參數，并把這些數據上傳到綜合監控平臺[8]。

數字地震臺站智能管理系統一般分為以下幾個層次：

硬件層：整個系統運行的基礎設施，主要包括平臺數據運行的服務器、數據傳輸通道的網關、臺站監控設備等；

數據層：系統運行的實質，主要包括相關地圖數據、臺站設備監測和報警數據、使用者的相關值班日志等留痕信息等；

終端應用層：根據地震觀測工作的實際需要，運用相應的信息傳送系統和終端用戶使用[9]。

2 數字地震臺的故障類型及原因

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

數字地震臺站的組成部分一般有：專業地震計、數據采集設備、通信傳輸設備、輔助電源設備、溫濕度控制設備等。相應的故障類型[11]主要包括：①供電系統故障，比如市電中斷故障、UPS 不間斷電源故障；②通訊鏈路或者設備故障，如通訊設備死機，數據采集器死機等。據統計，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據顯示：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致的其他設備故障[12]。

李松華等[13]通過統計江蘇測震臺網 2013—2017 年的故障實例，得到以下幾點共性：首先，專業儀器自身及其供電裝置上的故障，占比大概在83%左右；第二，在地震觀測系統中，設備方面，故障率最高的是數據采集器，其中以數據采集器的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，供電系統故障中，相比UPS 不間斷電源故障，穩壓電源故障偏多。

此外，還有一些其他的故障類型，值得關注：我國維度跨度大，南北溫差十分大，北方地區尤其是東北地區冬季溫度存在-30℃以下的情況；但一般情況下，地震觀測臺站設備的工作溫度一般在-30℃以上，這種低溫對地震臺觀測設備的正常運行造成了巨大挑戰[14]。2016 年在對遼寧地區的新建基準站進行測試時發現一個現象：由于冬季氣溫偏低，導致地震計垂直向溫度漂移較為嚴重，測試前期數據大部分失效，為此相關人員對地震計進行了保溫防護處理，才得到有效的觀測數據。另據實測觀察，一季度的北方，受低溫影響，拾震器在此期間會大批出現零漂現象，嚴重時甚至會出現靠擺等機械故障。

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

3 應對措施和解決方案

3.1 供電故障

長續航能力和低故障率是衡量地震觀測臺站供電系統完善性的兩個重要指標。只有保證低故障率下的長續航持續輸出電源，才能保障監測設備穩定工作，保持監控數據的連續性，輸出高質量的監測數據[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，不考慮市電情況下，太陽能電源是一個應用方向，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]，導致其可靠性有一定的局限，容易造成記錄數據的斷記和丟失甚至觀測設備故障。另外，如果臺站位于偏遠地區，即便是市電電網也存在不穩定的可能，容易出現頻繁停電現象。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蓄電池過放損壞及后端設備反復重啟損壞的情況[19]。

目前可以通過設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、蓄電池工作狀態等重要參數信息，實時監測和預判供電系統的運營狀況，優化臺站供電系統，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備因反復重啟導致的觀測數據不連續現象，降低運維成本、提高供電質量、延長蓄電池壽命、提高系統的可靠性[19]。

現在普遍認為，可以從現有的供電模塊入手，優化升級，保障觀測系統核心部件——地震計與數據采集器高效、長期穩定運行，比如使用工業級的智能電源、防護性能好和輸出電壓穩定的智能設備、地震計和數據采集器單獨供電管理、采用光纖連接數據采集器與地震計、使用專業級的UPS 電源等[20]。

王曉峰等[21]研發了一種關于地震臺站智能電源的設計，可以實現對臺站的供電系統和通信系統進行集中管理，并通過遠程監控來檢測環境變量：一方面以嵌入式計算機為底層架構，搭建以地震臺站為基礎的管理服務器，實現對供電電源、儀器工作環境、通信系統狀況的監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控綜合平臺間搭建獨立的通信通道，綜合監測中心可以通過這個專用通道實時監控臺站設備運行，遠程監測地震臺站各參數信息，并實現遠程控制操作。

通過對北京測震臺網智能電源系統的實際運維狀況進行分析[22]，得出以下幾點結論：在測震臺網的運行管理中，智能電源系統發揮了重要作用，實現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的短暫電壓下降然后回升的現象：蓄電池初始放電時，正極活性物質反應的速度高于硫酸的流動速度[23]。

針對雷擊的弊端，有學者[15]從無線電能傳輸技術開發新思路，形成了一款隔離電源控制器系統：運用無線電能傳輸技術，輔助電源傳輸系統，該系統已經在樣機測試中有一定的現實成果，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的研發具有十分重要的現實意義，有學者提出一款穩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備，可以通過手機模塊研發的遙控電源開關，對市電進行遠程開關，自主切換市電和蓄電池電源，提高臺站的運轉連續率和工作質量[25]。

3.2 臺站設備故障

受材料特性和生產工藝的影響，地震計內部彈性部件受環境的溫濕度影響較大，特別是在溫差較大的季節，環境溫度急劇變化，經常會發生地震計零位漂移的狀況[26]，為此，袁順等人[29]研發了地震計零位自動監控設備：該設備利用地震計斷電重啟后會自動進行零位調整的特點，監控并判斷超出監控設備預設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整。

針對設備死機情況，有學者[27]應用無線遠程控制技術研發一款多功能智能設備控制終端，該技術應用廣泛，例如在安防報警系統中的應用[12]和LED 顯示系統中的應用[28]。可以準確的控制遠端設備的工作狀態，具備適用范圍廣、維護費用極低、安全性高等優勢。

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備[28]，該設備是一種恒溫系統保溫罩，可以讓地震計長期保持在10～20℃的溫度環境，可以有效解決地震計的機械故障。在發生非設備損壞類故障時，可通過遠程遙控方式，對相關設備進行重啟，解決非設備損壞等故障；經統計顯示，大多數故障可以在處理后的10 分鐘內恢復正常。

數字地震臺網一旦建成，就必須要保證相關設備連續正常運行，這樣才會有高質量的觀測數據；設備宕機，會影響觀測信息的連續性，進而降低了觀察記錄的質量。一旦設備出問題，這時候就需要派專門的維修人員到現場，實時實地解決故障，既浪費時間又損耗經費。針對這種情況，有學者[28]設計開發了一套電源監控管理系統，與數據采集器配套，可以準確、可靠地監控每個地震臺站的供電情況，使地震臺網中心更好地掌握各臺站電源現狀，并且能對地震數據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計，在這種背景下，如何保障蓄電池的不間斷運行變得至關重要。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據的處理分析，發現放電電壓階梯變化的3 段現象，與蓄電池個體差異性和工作環境有關系，其中電壓階梯變化的3 段現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 結語和討論

智能地震臺站的建設，具有較高的推廣價值：首先，可以節約成本，偏遠地區可以設置無人值守臺站，在有限增加成本的前提下完善臺站監測網絡；第二，臺站工作人員可以異地遠程遙控臺站的基本運行，通過智能系統維護設備的有效運行，在第一時間發現故障、解決故障，縮短故障處理時間，有效地保證臺站觀測數據的連續性。