地磁秒采樣數據智能分析系統(tǒng)軟件

郅紅魁 趙彥旭 謝佳興 侯博文 劉慶華 宋建鎖

（中國河南 471023 洛陽地震臺）

0 引言

近年來，隨著我國社會經濟全面、快速的發(fā)展，城市規(guī)模迅速擴大，導致地磁觀測環(huán)境日趨惡化，干擾日益增多，如車輛影響、基建干擾、地鐵輕軌影響、高壓直流輸電影響等（陳俊等，2010a）。目前，全國在運行200 多套地磁秒采樣儀器，觀測精度高，產出數據量大。觀測儀器主要是磁通門磁力儀FGM01、GM4、GM3 和FHDZ-M15 等相對記錄儀，靈敏度高，易受到各種干擾，并在一定程度上影響地磁觀測數據質量（陳俊等，2010b），同時，若儀器出現故障，易產出錯誤數據，不利于數據的正確使用。

在地磁日常觀測中，一些干擾具有臨時性、不固定性、突發(fā)性等特點，而地磁儀器和觀測環(huán)境不易被監(jiān)控，干擾發(fā)生時不能及時發(fā)現并處理，無法有效確定干擾源及成因，造成地磁觀測資料處理困難、日志不易填寫。同時，磁暴、磁擾、儀器故障等時有發(fā)生，異常數據和錯誤數據相互疊加，增加了干擾識別和處理的難度，這就對地磁觀測人員資料處理水平提出了更高要求。為此，統(tǒng)計并分析地磁觀測中的各類干擾現象，尋找每種干擾造成的數據異常特征，利用現有編程技術開發(fā)智能分析系統(tǒng)，對地磁各分量進行實時智能分析，發(fā)現數據異常及時報警并提示相關原因，實現對儀器狀態(tài)和觀測環(huán)境的實時監(jiān)控，應對日益復雜的各類干擾，為地震研究等提供有效的基礎數據。

1 系統(tǒng)設計思路與實現

地磁秒采樣數據智能分析系統(tǒng)軟件于2020 年由河南省洛陽地震臺自主研發(fā)，并應用于多個地磁臺站。該軟件由實時數據智能監(jiān)控軟件和多臺對比智能分析軟件2 部分組成，主要應用于數據異常報警、當天高壓直流輸電干擾及線路判別等，以便為臺站值班人員提供干擾信息參考，提高工作效率。

1.1 設計思路

該系統(tǒng)利用Visual studio 2013 開發(fā)環(huán)境中的C#語言進行編程，通過通信協(xié)議與秒采樣儀器建立通信，實時獲取地磁秒采樣儀器數據記錄，分析異常數據變化特征，據此識別相應干擾，并進行報警提示，同時，監(jiān)控儀器工作狀態(tài)，進行數據曲線繪制、時間檢查和實時數據備份等操作，對于復雜的異常數據，通過多個臺站數據對比，智能分析并識別干擾。

1.2 數據采集、監(jiān)控、智能分析的實現

1.2.1 與秒采樣儀器建立連接并通信獲得數據。建立socket 網絡通信接口，利用Connect函數與服務端建立TCP/IP 連接。根據前兆數據庫標準通信協(xié)議，向儀器發(fā)送實時指令（get/42+“+儀器ID +”+lin+“+用戶名+”+“+密碼+”/http/1.1），若回復“ack”則表示與儀器通信成功，返回“error”則表示失敗。通信成功后向儀器發(fā)送實時回傳指令get/21+“+儀器ID +”+dat+0“+”/http/1.1，儀器將向請求方每秒發(fā)送1 組數據。代碼如下

1.2.2 數據分離和備份的實現。系統(tǒng)軟件接收到數據后，利用msg.Split(‘ ’)分離出時間、H、Z、D、T等數據，按照2 種格式進行文件存儲，即排列式文件（方便數據查看）和前兆數據入庫標準格式文件。排列式以“時間+空格+H+空格+D+空格+T”按行排列，其中時間通過北京時間授時軟件對計算機授時而獲得。入庫標準格式以“年月日+空格+臺站代碼+空格+儀器ID+空格+02（秒）+空格 +測項總數+空格+H+空格+D+空格+Z+空格+T+空格+H+空格+D+空格+Z+空格 +T…”依次排列。通過StreamWriter類，將2 種格式的字符串分別實時寫入2 個文件。

1.2.3 數據實時繪圖、數據時間監(jiān)控的實現。將各分量數據實時存儲在數組變量中，調用Graphics 類中DrawLine 方法，結合Pen 對象繪制直線，利用for 循環(huán)依次取出數組中的數據，對前后2 s 數據按一定繪圖坐標繪制直線，最終形成曲線。在繪圖的同時，對每個分量秒數據進行差值對比，該分量超過設定值即報警，同時存入LOG 日志文件。通過DateTime 函數獲取當前系統(tǒng)授時，利用AddHours（-8）函數獲得世界時，與接收的每一組數據時間做對比，超過設定時間則表示GPS 授時無效，報警并將該信息存入LOG 日志文件。

1.2.4 多臺對比智能分析實現。利用socket 和TCP/IP 協(xié)議，與本臺及相鄰兩地震臺儀器建立連接，依次發(fā)送當天回傳指令，如“get/21+儀器ID+dat+0/http/1.1”，利用socket.Receive 函數接收數據并保存，接收完畢使用socket.Close()函數關閉通信連接。使用StreamReader 函數讀取每個臺站的地磁秒數據文件，利用Split 函數分離存入數組，采用高斯濾波公式計算，轉換成分鐘值。設計算第i分鐘（imin）的分鐘值，則取imin00 s 及其前后各45 s 共91 s 的秒采樣數據，進行高斯濾波計算。公式如下

式中，Bi是第i分鐘的分鐘值，bi, j是第i分鐘第j秒的秒采樣數據，i、j的取值范圍為：00—59，Cn=C-n。

利用多臺對比差值法來實現干擾智能分析，依據相鄰相近臺站的地球磁場變化相近為原則，也就是，其中一臺數據與其他兩臺變化不同步即判定為干擾，可較好識別每個臺站的異常數據。差值法選取第1 個臺站H分量第1 分鐘和第3 分鐘的差值，然后選第2 個臺站H分量第1 分鐘和第3 分鐘的差值，得到2 個臺差值之差，同樣得到第1 和第3 個臺站的差值之差。若第1個臺站與第2、第3個臺站的差值之差均較大，說明第1個臺站數據異常；若第1 和第2 個臺站差值之差較大，第1 和第3 個臺站的差值之差接近零，則第2 個臺站數據異常；同理，可得出第3 個臺站數據異常。通過循環(huán)語句，將當天所有數據進行差值分析，利用Bitmap 類中的DrawRectangle 函數，將異常數據用方框標出。

高壓直流輸電對臺站產生的干擾，可通過多臺Z分量干擾幅度對比來實現智能分析。根據高壓直流輸電線路中段區(qū)和離線路近的臺站，Z分量變化遠大于H分量幅度（蔣延林等，2014）。利用高壓直流輸電線路位置不變、臺站位置不變、干擾距離不變，干擾幅度比就不會變的原則，實現此類干擾的自動識別。通過“地磁臺網高壓直流輸電判別處理系統(tǒng)”網站，找到相鄰相近的3 個臺站同一時間某條線路最大干擾幅度，換算成幅度比，如：第1 個臺/（第1+第2+第3）=幅度比，依次計算另外2 個臺的幅度比，計算并保存3 個臺站相關線路的干擾幅度比，用于日后數據對比。用第1 個臺站的Z分量做3 min 值差值幅度計算，超過設定值為高壓直流干擾，調取另外2 個臺站的相應差值幅度，3 個臺站幅度相加獲得總幅度，與已知各線路幅度比做比較，一致或接近即為那條線路的干擾。選臺距離以≤300 km 為宜，以洛陽、信陽、?？h3 個臺站為例，統(tǒng)計高壓直流輸電對各臺的干擾幅度比，結果見表1。

表1 高壓直流輸電線路對臺站的干擾幅度比Table 1 The comparison table of interference amplitude of HVDC transmission lines at seismic stations

2 系統(tǒng)軟件工作原理

系統(tǒng)軟件向磁通門磁力儀GM4、FGM01、FHDZ-M15 發(fā)送實時數據回傳指令，獲取數據記錄，進行數據實時繪圖、備份和分析等，從中識別各種干擾、磁暴、儀器故障等，并自動彈出報警提示框，提醒工作人員進行現場檢查并及時處理。若無法準確判定復雜干擾、磁暴或高壓直流干擾，自動調取3 個臺站的地磁儀器進行智能對比分析，標示干擾位置和類型，對于高壓直流輸電干擾，可提示干擾類型、線路名稱、干擾數據位置等。智能分析系統(tǒng)工作流程見圖1。

圖1 地磁秒數據智能分析系統(tǒng)工作流程Fig.1 Workflow chart of intelligent analysis system of geomagnetic second sampling data

3 系統(tǒng)軟件功能

該系統(tǒng)軟件具有智能報警、數據實時監(jiān)控、數據備份和多臺智能分析等功能，對儀器工作狀態(tài)、磁場變化及人為干擾等，具有一定監(jiān)控和智能分析能力。

3.1 智能報警功能

利用地磁秒采樣數據智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件，實時監(jiān)控磁通門磁力儀工作狀態(tài)及儀器時間錯亂、數據走直線、網絡中斷、死機等現象。軟件內部設置報警參數，超過設定值即報警，如：儀器時間和世界時差值超過設置時間，自動報警并提示“GPS 授時可能出現故障，建議檢查”；儀器內部數據連續(xù)記錄不變被視為走直線，提示“數采故障，建議檢查數據線或儀器重啟”。對于各分量出現的數據異常變化，針對相應干擾特征，能夠簡單識別出入車輛和施工、磁暴、高壓直流輸電等干擾，并報警提示。

該軟件根據干擾幅度大小判定是否需要報警，以臺站標準化改造過程中的人為干擾為例，干擾曲線見圖2，圖中干擾系工人進入磁房測量尺寸時造成，軟件即時發(fā)出報警信息，彈出“請檢查儀器和磁房周圍環(huán)境是否變化”。根據工作經驗，無干擾情況下地磁觀測數據相對穩(wěn)定，前后秒差值一般在0.2 nT 左右，超過設定值該軟件即發(fā)出報警信息，同時根據H、D分量干擾幅度判定干擾源，若二者均大于Z分量干擾幅度，則為鐵磁物質干擾，即車輛、施工干擾等。

圖2 人為干擾造成地磁秒數據異常變化Fig.2 The abnormal change of second sampling data caused by human interference

由圖2 可知，H、D、Z分量干擾幅度分別為14.5 nT、17 nT、6 nT，可見D、H分量干擾均大于Z分量，系統(tǒng)軟件據此發(fā)出報警信息，提示為人為干擾，值班人員只需現場查看即可判定干擾原因。

3.2 軟件實時監(jiān)控功能

地磁秒采樣儀器每秒鐘產出一組數據，數據變化無法直觀可見，通過系統(tǒng)軟件實時監(jiān)控功能，可查看各分量數據變化曲線，見圖3，還可通過“全天繪圖”功能，查看全天數據曲線，了解當天磁場變化趨勢，對于細微的異常數據變化，可用繪圖放大功能予以查看，實時了解儀器工作狀態(tài)和環(huán)境變化，方便對觀測儀器和環(huán)境的維護。

圖 3 地磁秒采樣數據實時監(jiān)控界面Fig.3 Geomagnetic second sampling data real-time monitoring interface

3.3 數據備份功能

該系統(tǒng)軟件對儀器產出數據具有實時備份功能。若儀器出現故障，導致數據無法實時獲取，可利用備份數據手工入庫，以保證數據資料的正常使用。若儀器授時出現錯誤，可能造成儀器內部數據的丟失，通過系統(tǒng)備份數據入庫，以保證觀測資料連續(xù)、可靠、真實。

3.4 多臺智能分析功能

如何正確識別各種干擾，使預處理后的數據能正確反映磁場的正常變化，成為困擾觀測人員的難題（郅紅魁等，2012）。對于較為復雜或較小而不易識別的干擾，可通過軟件的多臺對比智能分析功能來識別，即利用3 臺差值法尋找異常數據，根據數據特征自動識別并標示。該功能主要用于復雜干擾和高壓直流輸電干擾。在日常地磁數據處理中，諸多小干擾和磁暴、磁擾疊加，難以識別且易漏或錯誤處理，造成預處理數據錯誤，影響數據處理質量。另外，高壓直流輸電對臺站觀測干擾已常態(tài)化，干擾線路多且不易識別。利用該系統(tǒng)軟件多臺智能分析功能，可有效識別以上諸多干擾（圖4）。

圖4 地磁多臺對比智能分析界面Fig.4 Intelligent analysis interface of geomagnetic multiple stations comparison

2020 年6 月，中國新增青海到駐馬店高壓直流供電線路（簡稱海駐線），對河南省地磁臺站均產生影響。選擇洛陽（豫西）、信陽（豫南）、?？h（豫北）3 個地磁臺FGM01 磁通門磁力儀觀測數據，進行多臺干擾幅度對比分析，結果見圖5。由圖5 可見，7—16 時3 個臺站出現多處高壓直流干擾臺階，且均在同一時間，即07:06—07:09。由系統(tǒng)軟件自動獲取洛陽、信陽、浚縣臺Z分量第1 個臺階幅度，分別為1.03 nT、2.376 nT、0.31 nT，將每個幅度除以3個幅度之和，得到幅度比分別為0.28、0.639、0.08，與表1 中結果基本一致，達到干擾自動識別功能。

圖5 海駐線對洛陽、信陽、浚縣臺地磁觀測干擾(a)洛陽臺分鐘值；(b)信陽臺分鐘值；(c)浚縣臺分鐘值Fig.5 Interference of the Hai-Zhu high-voltage DC transmission on the geomagnetic observations at Luoyang,Xinyang and Xunxian stations

4 結束語

隨著社會經濟的建設發(fā)展，越來越多的地磁臺站觀測環(huán)境受到影響，各種不明干擾不斷增多，對地磁正常觀測產生影響，加大了數據資料處理的難度。該系統(tǒng)軟件能夠較好地發(fā)現和識別干擾并快速報警，以便工作人員及時排除干擾，有效提高觀測資料的連續(xù)性、可靠性，對地磁數據日常處理工作起到積極作用。隨著科技創(chuàng)新的進步，各行各業(yè)在大力發(fā)展智能化、自動化設備，而智能化監(jiān)控和分析將是未來發(fā)展的一個方向。