上海地震流動觀測臺綜合伺服系統的研發＊

裴 曉 林航毅

（上海市地震局，上海 200062）

引言

地震流動觀測臺的架設，可以擴展地震監測的空間領域，不再局限于已建有的測震、前兆和強震臺網的臺站。為了收集更多的震例，需要將流動臺架設到野外的多震地帶，以期得到寶貴的流動臺資料。譬如將前兆設備地電儀架設在有前兆異常的地點進行實時監測，可獲得寶貴的震前數據，用采集回來的數據做分析，積累更多的前兆分析經驗。

流動臺架設在野外，能否保證設備正常運轉顯得至關重要。經調查，觀測人員發現流動臺曾有多次、多種類型的不穩定運行情況：①前兆流動臺架設的電磁擾動設備因電壓供電不穩定，燒壞了設備的變壓器，原計劃采集一周的數據，只收集到半天的數據。②前兆流動臺僅采用蓄電池供電，續航能力有限，導致當臺站架設好、觀測人員離開后，無法遠程得知供電情況和數據采集是否連續、完整。③前兆流動設備架設在野外時，一般依靠鉛酸蓄電池供電，鉛酸蓄電池體積大、分量重、攜帶不便，使得流動觀測變成了苦力活，阻礙了流動觀測的鋪設。

針對上述情況，本文介紹了一套針對流動臺觀測的智能伺服系統，能夠為流動臺提供能源、傳輸和監控等服務，確保流動臺在野外順利的運行及鋪展。

1 系統結構及主要功能

本文介紹的針對流動臺觀測的智能伺服系統，能夠為流動臺提供能源、傳輸和監控服務，確保流動臺設備在野外的順利運行。圖1為系統結構，系統采用便攜式太陽能板和鋰電池組合作為能源供給，具備體積小、分量輕、便于攜帶的優勢；系統將流動臺數據傳輸端口與無線傳輸設備的端口對接匹配，通過成熟、穩定的無線技術實現數據流實時傳輸；系統可實時監控流動觀測設備的運行狀態，及時發回狀態信息，以供觀測人員遠程采取相應措施，為流動臺設備保駕護航。

圖1 系統結構Fig. 1 System structure

1.1 供電系統

系統采用便攜式太陽能板和鋰電池組合作為能源供給，這種組合具有體積小、分量輕、便于攜帶等特性，適用于流動觀測臺。

太陽能供電系統由太陽能電池板將太陽能轉換成電能。太陽能板因材質可以分為單晶硅、多晶硅和其他材質。單晶硅的光電轉換效率最高，最高可達到25%左右[1]。本系統采用高轉換效率的單晶硅太陽能板。

鋰電池材質有多種，本系統選用了磷酸鐵鋰電池。該電池具有比能量高，能量密度高，單體電壓高（可以減少串并聯帶來的問題，提高輸出能量和輸出功率），充放電功率大（在最短的時間內充電，同時具有良好的大電流負載性能），自放電率低，循環壽命長，且無重金屬污染等眾多優勢特性。

供電系統為地震觀測設備、傳輸設備、監控系統等設備提供穩定的12 V或者5 V的直流電。按照地電場流動臺觀測的實際功耗進行了供電能力匹配，采用便攜式單晶硅太陽能板（120 W）和磷酸鐵鋰電池（80 Ah、1 200 W）。同時整個系統預留了太陽能板和鋰電池的擴容接口，可按照流動觀測實際需求進行供電能力升級。

1.2 傳輸系統

本系統選取“全網通”通訊設備，可因地制宜地選擇通訊運營商，以便高質量傳輸數據。同時采用動態域名解析方案實現了IP方式中單點對多點的通信，不受限于行業網，觀測人員可隨時隨地通過電腦或者智能手機的瀏覽器對地震儀器進行網頁訪問，并下載數據（圖2和圖3）。

圖2 遠程電腦連接流動臺設備界面Fig. 2 Interface of computer connected remotely to mobile stations

圖3 手機連接流動臺設備界面Fig. 3 Interface of mobile phone connected remotely to mobile stations

1.3 監控系統

遠程監控系統基于無線4G/5G全網通技術，具有電壓監控等更多的功能接口，如測量工作環境溫度、工作環境圖像攝取、告警臺站異常狀態、繼電器動作、遠程重啟設備等[2]。

（1）數據采集模塊。具有數據測量和圖像攝取功能，可以同時測量8道AD數據或圖像數據，包括工作環境的溫度、直流電壓值數據；系統的拍照端口可根據觀測人員的手機短信命令，將攝取的圖片反饋至觀測人員[3]。

（2）告警模塊。由3個功能分模塊組成：①電壓閾值報警模塊，當實時監測的電壓超出閾值時，主動發送告警短信。②溫度報警模塊，實時監測的室溫、儀器溫度超出設置的閾值時，進行溫度告警。③系統還預留了紅外偵測告警模塊接口。

（3）控制模塊。觀測人員可以通過發送短信的方式遠程控制電源的硬件開關，也可以通過設置電壓等測量的閾值，讓繼電器自動開啟切換。

圖4和圖5為電腦和觀測人員手機的操作界面，遠程可以通過客戶端進行實時數據的測量、監測，并聯合繼電器進行繼電器的開關操作。在此例中，觀測人員通過監控裝置設置了以1 800 s的周期定時測量系統的各類電壓數據（太陽能板輸出電壓、蓄電池電壓、傳輸系統電壓），并開啟了告警功能。當電壓值超過或者低于設置的閾值，裝置將給觀測人員發送告警信息。

圖4 監控中心遠程管理系統操作界面Fig. 4 Operating interface of remote management system of monitoring center

圖5 手機短信操作界面Fig. 5 Operating interface of mobile phone SMS

監控系統對傳輸系統和流動觀測儀具有遠程重啟功能。當發生設備死機、堵包等情況時，可通過監控系統遠程管理的操作界面或者手機短信，對相應的設備單獨重啟、恢復。該監控系統也對運行狀況進行實時監控，能夠及時發現設備故障等異常情況，并迅速進行預判，可大幅度提升流動觀測臺的運行質量。

2 系統運行

目前，上海前兆流動臺經常將地電場儀架設在野外，以收集震前、震后的地電場信號，采集的數據成功地為科研工作提供了寶貴的資料，將研制的系統與地電場儀做好供電、接口匹配，不僅滿足供電的需求，也擴展了傳輸和監控的功能。

整個裝置安放在上海市閔行水中心頂樓，太陽能板做了擴充，共240 W。磷酸鐵鋰電池規格為80 Ah—1 200 W，通訊和監控部分安裝在箱體中。箱體有散熱和防水功能，滿足野外工作的要求。流動臺設備選用地電場儀ZD9A，供電輸入端為12 V。

系統搭建后，觀測人員可通過監控模塊對整個系統進行實時監控，定時測量電壓。圖6為野外試運行測得的數據，各端口的電壓和工作環境溫度數據以不同顏色顯示。

從圖6可以看出，裝置內部溫度隨日夜變化顯著，同時裝置的散熱孔可避免長期處于高溫工作。

圖6 系統運行情況Fig. 6 System operation

鋰電池不僅可儲備太陽能能源，同時也給設備供電。鋰電池作為系統中最關鍵的考量指標，可直接反應系統的續航能力。為了直觀體現鋰電池的工作能力，我們將鋰電池的電壓值放大并顯示在如圖7中，鋰電池電壓在這段時間內最低為12.832 V，即使在夜間也能正常供電，說明了鋰電池可以為設備提供長期、穩定的供電。

圖7 鋰電池運行情況Fig. 7 Lithium battery operation

通過對通訊設備online的電壓值實時測量，可判斷通訊設備是否正常工作。當online模塊電壓值為0 V時，通訊設備未接入供電；當online模塊電壓值為3.4 V左右時，說明處于搜尋網絡階段，未正常工作；當online模塊電壓值為2.6—2.7 V時，通訊設備處于正常工作。圖8為運行期監控的online電壓值，3月18日20:42:47發生了1次斷網，其余時間通訊設備工作穩定。

圖8 通訊系統運行情況Fig. 8 Communication system operation

從該系統的運行情況來看，該系統運行穩定，能夠為野外流動觀測提供穩定的供電、傳輸和監控，可滿足野外觀測的需求。

3 結束語

針對流動臺中能源供給難的特征，采用了便攜式太陽能板和磷酸鐵鋰電池，并利用相關領域的前沿技術研制出的流動臺伺服系統，解決了流動觀測的供電、監控難題，成功實現了“一提就走，打開即用”的目標，降低了流動臺的架設難度。

將該系統的研發和應用與監測預報結合起來，能為流動臺獲取寶貴數據提供必要的外圍技術支撐，將架設流動臺由難變易，掙脫了人力、傳輸的束縛，不受地理、空間的局限。該系統不僅能為環境惡劣的流動臺提供伺服功能，還能為條件較好的已建成的臺站提供技術服務，可以將技術服務延伸至臺網所有臺站，以便提升地震監測的能力。