川滇預警示范項目四川地區簡易烈度計臺站數據傳輸效能提升研究

顏 歡，陳碧洪，張正偉，楊志鵬，徐明軍

（四川省地震局西昌地震監測中心站，四川西昌 615000）

地震預警是指在地震發生后，利用地震波傳播速度小于電磁波傳播速度的特點，提前對地震波尚未到達的地方進行預警。地震預警的核心技術是利用最接近震源處的少量臺站的地震初期震動信息快速判定地震并測定地震參數，進而預測尚未傳播開來的地震動大小、烈度分布、影響范圍和影響程度，其技術環節包括從地震監測數據的噪聲和干擾中準確判別地震信號，實時估計地震發生的位置和大小，實時預測地震波的傳播和地震烈度場的分布，實時預測可能的災害。可以看出，地震預警對各個技術環節的實時性要求非常高，預警臺站的數據傳輸效能至關重要，它直接影響了地震預警系統的及時性和有效性。

為了滿足地震預警臺站數據鏈路傳輸時效性、準確性的需求，我國地震工作者圍繞臺站數據傳輸開展了大量研究，如：吳衛遠等（2010）利用CDMA無線傳輸技術實現數字測震臺站數據傳輸和組網；劉春祥（2013）對國內地震臺站數據傳輸通常使用的幾種傳輸方式進行對比，設計了一套適合地震臺站實際情況的數據傳輸系統；諶亮等（2017）利用3G／4G無線通信高帶寬、高覆蓋和高穩定性的技術特點，構建臺站備用通信系統，從而大幅提高臺站的數據運行率；葉世山等（2019）利用基于3G／4G網絡工業無線路由器充當串口服務器和提供上網服務功能，解決了強震動臺站數據傳輸的問題；付琦等（2021）提出了基于4G網絡實現L2TP VPN 備份鏈路的方案，保障數字地震觀測網絡的鏈路暢通。以上研究多針對地震臺站數據傳輸系統設計與實現，對于臺站數據傳輸效能提升的研究較少。因此，開展地震預警臺站數據傳輸效能提升研究工作刻不容緩，也具有顯著的實用價值。本研究結合實踐情況，分析簡易烈度計臺站數據傳輸故障，提出各種技術手段，以提升臺站數據傳輸效能。

1 川滇預警示范項目（四川地區）概況

為加快推進地震預警體系建設，根據中國地震局統一部署，川滇預警示范項目（四川地區）在川滇交界的四川省涼山彝族自治州（以下簡稱四川涼山）地區新建150個簡易烈度計臺站，與原有的測震臺站組成綜合地震預警示范網，臺站布局如圖1所示。在四川涼山地區建設地震烈度速報和地震預警系統主要是為了利用該地區地震頻發的特點，檢驗地震預警系統的有效性，積極探索臺站運行模式，全面積累運行維護經驗，為國家地震烈度速報與預警工程建設提供示范。目前這些簡易烈度計臺站已經正式納入地震預警系統中。

圖1 川滇預警示范臺站（四川地區）分布

川滇預警示范臺網（四川地區）由簡易烈度計地震動觀測系統、網絡通信系統、數據處理系統及信息服務系統構成；簡易烈度計臺站觀測系統由供電系統、烈度儀和通訊系統3個部分組成，圖2為簡易烈度計臺站觀測系統圖。簡易烈度計臺站地震動觀測采用北京港震GL-P2B 型簡易烈度計，該簡易烈度計內置了高靈敏度3 分向微機電Mems加速度計模組，其數據采集部分為EDAS-24GN的小型化版，兩者在ADC、基于ARM9芯片和Linux的嵌入式系統等方面具有相同的設計，具有地震事件自動檢測、烈度計算等功能，能夠輸出連續波形數據。數據通信系統采用3G／4G網絡工業級無線路由器實現數據傳輸，通過JOPENS實現數據實時匯集。截至2021年底，四川省地震局西昌地震監測中心站承擔了川滇預警示范項目（四川地區）100個簡易烈度計臺站的運維保障工作，西昌站運維人員通過各個方面的技術改進和經驗總結，切實提高了臺站數據傳輸效能。

圖2 簡易烈度計臺站觀測系統

2 臺站數據傳輸故障

常見的影響簡易烈度計臺站數據傳輸效能的故障有：太陽能電源控制器損壞、蓄電池虧電、無線路由器死機、3G／4G網絡信號不穩定等。可將這些故障歸納為供電系統故障和通訊系統故障兩種類型，下文將針對這兩種故障類型進行分析，并提出解決方案。

2．1 供電系統故障

四川涼山地區太陽能資源豐沛，年平均日照時間約2 400 h，川滇預警示范項目（四川地區）充分利用該清潔能源優勢，建設了簡易烈度計臺站供電系統。該供電系統主要由太陽能電池板、蓄電池組、太陽能電源控制器組成。造成供電系統故障的主要原因有：太陽能電池板被建筑物或植被等遮擋，導致蓄電池虧電；觀測環境潮濕，導致太陽能電源控制器內部短路故障；蓄電池容量下降等。為提高供電系統運行的可靠性，可采取兩種措施。（1）定期開展臺站巡檢工作，檢查太陽能電池板周邊環境，保證其日照充足。四川涼山地區簡易烈度計臺站大部分都建設在鄉（鎮）政府所在地，均為無人值守臺站。從西昌站運維簡易烈度計臺站的實踐經驗來看，隨著撤鄉設鎮等新型城鎮化建設工作的推進，臺站周邊環境發生了不同程度的變化，太陽能電池板被遮擋的情況時有發生，所以定期開展臺站巡檢工作就顯得十分重要。（2）選用防潮性能較好，且具有充放電智能管理和蓄電池保護功能的MPPT太陽能控制器或PWM 太陽能控制器。目前市場上主流的太陽能電源控制器主要有MPPT和PWM 太陽能控制器兩種，兩種控制器的主要參數見表1。MPPT太陽能控制器是目前較高端的，有優秀的蓄電池管理功能，擁有最大功率追蹤功能，系統充電轉換效率可達97%，但價格通常是PWM 太陽能控制器的幾倍乃至數十倍，在預算充足的情況下，可以選擇。PWM 太陽能控制器同樣擁有不錯的蓄電池管理功能，系統充電轉換效率在80%左右，且價格相對低廉，是性價比較高的設備。

表1 MPPT和PWM 太陽能電源控制器主要參數

2．2 通訊系統故障

簡易烈度計臺站的通訊系統，選擇的是基于3G／4G 網絡的工業無線路由器解決方案。3G／4G 網絡工業無線路由器是一種物聯網無線通信路由器，利用公用CDMA 網絡或LTE網絡為臺站提供無線長距離數據傳輸功能。影響通訊系統運行的主要因素有：工業無線路由器死機；工業無線路由器天線被破壞，接收不到3G／4G網絡信號；基站信號不穩定等。為提高通訊系統運行效能，可以采取3種措施。（1）選用性能較好的工業級4G全網通無線路由器。隨著4G網絡的大規模商用和5G技術的加速推廣，國內各大運營商已逐步開展3G退網工作。因此，支持4G網絡是簡易烈度計臺站無線路由器的首要指標；其次，應選擇功耗低、無線網絡信號接收能力強、有在線保持功能，且支持國內三大運營商的全網通無線路由器。（2）優化無線路由器天線性能和安裝位置。以西昌站的運維經驗來看，無線路由器原則上應使用原裝天線，在原裝天線不能滿足信號傳輸要求時，可選用高增益天線。在相對偏遠的臺站，天線在房間內或機柜內與天線在室外接收到的信號強度相差較大，在確保安全的前提下，應將天線安裝到室外。（3）與運營商建立一個良好的溝通協調機制。無線路由器實現數據傳輸，依托的是運營商提供的網絡服務，臺站人員需要與運營商保持良好的溝通，確保運營商基站無線網絡信號正常。

3 應用效果

從2020年初開始，西昌地震監測中心站逐步開展了提升川滇預警示范項目（四川地區）簡易烈度計臺站數據傳輸效能的工作，主要有以下4類。

（1）每年開展不少于兩次的現場巡檢工作。巡檢工作主要包含：巡查臺站觀測環境，對影響太陽能電池板日照時間的植被進行清理；用萬用表檢查太陽能電源控制器工作狀態；用蓄電池檢測儀檢查蓄電池容量、內阻、壽命等，對狀態較差的蓄電池進行更換。

（2）安裝時控開關，實現無線路由器定時斷電重啟功能。運維人員在日常運維工作中發現，無線路由器長時間運行導致死機的情況時有發生，需要運維人員上臺斷電重啟才能恢復，死機嚴重影響臺站運行率。2020年1月臺站人員選取了西昌市周邊的10個臺站，開展時控開關安裝工作，安裝前后臺站運行率統計見表2。從表2可以看出，2020年1月以前，10個臺站運行率波動較大，平均運行率在92%，從2020年1月開始安裝時控開關以來，10個臺站運行率逐步提升，2020年3月平均運行率達到98%，臺站數據傳輸效能得到明顯提升。

表2 運行率統計

（3）使用防潮性能更好，有充放電智能管理功能的PWM 太陽能電源控制器。運維人員在日常運維工作中發現，個別氣候環境較差的臺站存在太陽能電源控制器故障率高的現象。針對該問題，運維人員從2020年初起，逐步開展了太陽能電源控制器更換工作。通過對2017—2021年西昌站簡易烈度計臺站維修記錄的整理，太陽能控制器年故障次數分別為18、21、16、7和6次。由此可知，2020年以前太陽能電源控制器的年故障次數在16次以上，開展太陽能電源控制器更新工作后，從2020年起太陽能電源控制器的年故障次數在7次以下，臺站供電穩定性得到顯著提升。

（4）更換臺站無線路由器為廈門四信F3A36全網通工業無線路由器，搭建路由器遠程管理平臺（見圖3）。借助于路由器遠程管理平臺可以對所有路由設備進行集中監控、配置、升級，進一步提高遠程故障診斷能力，降低運維成本。

圖3 路由器遠程管理平臺

通過對2020年西昌站運維的100個簡易烈度計臺站的運行率統計可知，自2020年年初開展提升措施以來，臺站總運行率從1月的85%逐漸穩步提升至12月的98%，從2020年8月開始，臺站運行率已滿足中國地震臺網中心《國家地震烈度速報與預警工程觀測站運行管理要求（暫行）》中一般站運行率達到95%以上的要求。川滇預警示范項目（四川地區）簡易烈度計臺站數據傳輸效能得到較為顯著的提升。

4 結束語

近年來，伴隨著地震預警技術的發展，在國家及中國地震局相關重點項目的支持下，建設和改造了一大批地震預警臺站。隨著地震預警信息服務能力不斷提高，對預警臺站數據傳輸的穩定性、時效性等要求也日益增高。文章對影響川滇預警示范項目（四川地區）簡易烈度計臺站數據傳輸效能的關鍵因素進行整理歸納、分析故障原因，并提出解決故障的技術方法。通過西昌地震監測中心站的實踐，較好地提升了川滇預警示范項目（四川地區）簡易烈度計臺站數據傳輸效能，片區地震預警能力得到保障。