地震台站环境监控系统的设计及应用

何寿清 ， 王 挺

(1.广东省地震局，广东 广州 510070；2.中国地震局地震监测与减灾技术重点实验室，广东 广州510070；3.广东省地震预警与重大工程安全诊断重点实验室 （筹），广东 广州 510070）

0 前言

地震台站设备维护和维修的传统做法是派技术人员直接到台站去。此方法成本高，修复时间长，还需多带备用设备以应付可能发生的各种情况。国家“九五”项目之后，加大了地震台站建设的力度，但同时也暴露了很多地震台站维护和管理问题。首先，设备安装仓促导致故障率比较高。主要表现：①安装环境未妥善处理好，有些台站出现湿度大甚至渗水现象，特别是观测设备安装在山洞的地震台和设备低于地面的坑式地震台站；②有些台站由于过于密封，潮汽难于排出，且局部温度过高；③有些台站外部供电不稳定，设备正常工作受到干扰。其次，地震台站选址比较偏僻，出现人为破坏观测环境的现象。再则，设备之间存在兼容问题，个别地震台站的观测设备比较频繁地出现死机现象。这些问题在很长一段时间内困扰着地震台站维护和管理人员。

如何实现快速反应，及时处理并解决故障问题，还节省经费开支，需要一套台站监控系统。在利用窄带无线电台作为地震台站数据传输的年代，由于传输带宽限制，远程控制成本高，难以实现。而今网络带宽已经不是问题，基于网络的远程控制有了良好的实现基础，暴露出来的地震台站维护和管理问题可以借助远程监控来实现。广东省地震台站环境监控系统从2004年开始研发到现在，不断完善。该套系统处理台站问题快速、高效、经济，越来越受到台站维护和管理人员的好评。

1 系统设计

1.1 系统结构

地震台站环境监控系统设计内容包括中心服务系统和台站监控系统两部分。中心服务系统主要由PC机和监控软件服务平台组成，该系统硬件部署在台网中心机房，显示终端则部署在值班室。台站监控系统核心硬件是合广信息技术有限公司（深圳）开发的DW120-V控制模块，在核心模块外围安装红外监控、电源电压监控等各种各样的探头。一般情况下每个需要部署监控的地震台站考虑安装1套台站监控系统。整体结构设计框图见图1。

图1 地震台站环境监控系统结构框图Fig.1 The composition diagram of environmental monitoring system in seismic station

1.2 中心软件服务平台

中心软件服务平台的设计主要包含：安全管理、系统组态、数据报表、日志信息、数据查询以及帮助信息等六部分。其中以系统组态和日志信息为设计重点。系统组态主要是管理各种参数设置，实现节点管理、图形组态、变量定义等三大功能；日志信息是以SQL数据库为基础，主要实现系统日志、登陆日志、操作日志、告警日志和值班日志等五大功能 （见图 2）。

中心软件服务平台是基于互联网络的服务系统，以Windows 2003为操作平台，采用SQL Server 7.0建立数据库。该系统采用独立模块化设计，实现以下功能：

（1）网络服务。中心软件服务平台采用电信或其他通信商的光纤接入，利用路由器做VPN服务，各台站监控服务系统通过VPN隧道与中心服务系统相连接，实现数据交换。

（2）安全管理。台站维护管理人员以及值班人员登陆系统时，需要进行系统登陆认证，并详实记录登陆人所做的工作记录。

图2 中心软件服务平台框图Fig.2 The frame diagram of central service system

（3）系统组态。主要完成各信息节点的管理，设置本地图形输出组态，设置本地变量参数以及远程设备参数。

（4）日志信息。台站监控管理系统主要是警报处理系统，日志信息在本系统中最为重要。系统运行情况如何，由谁在什么时间登陆进系统，登陆后做了那些操作，出现了那些警报信息，对警报信息如何处理等等，这些都真实详尽地反映在日志信息里。

（5）数据报表与查询。在这些警报信息中，涉及到报警数据，作为系统维护和管理者需要报警信息时，可以查询，也可以打印，但不能进行修改。

（6）帮助信息。作为系统设计，针对不同的用户，设计时也考虑了帮助信息，能让使用者更好地了解本系统的功能特点和如何使用本系统。

1.3 台站监控系统

台站监控系统硬件核心是DW120-V控制模块，该模块有8路AI，8路DI，2路DO，4路视频输入，2路RS232以及RTC实时时钟等功能。在本系统中核心模块通过外围探头和控制部件主要实现：外部环境检测、内部环境检测、远程控制、信息发送、设备控制、现场报警以及电源切换等七部分功能（图3）。该系统各部分功能独立，但又有关联。各部分具体功能设计如下：

（1）外部环境检测和内部环境检测。检测内部和外部观测环境，为安全生产提供保障。

（2）信息发送。当出现报警信息，本地监控系统第一时间会将该信息发送到中心服务系统，并同时发出警报信息。

（3）设备控制和远程控制。当警报发生后，监控系统自动判断和处理，如果是监控设备故障，将尝试重启该故障设备，能恢复正常工作则报警自动解除，未能恢复正常工作则报警继续有效，直到远程控制成功或台站维护人员修复了该故障设备。

（4）电源切换。有些台站市电相对不稳定，需要加装UPS电源或太阳能电源。如果是太阳能电源则需要独立的电源切换设备。在本系统设计时考虑了将电源切换融进本系统控制。

（5）现场报警。当监控系统发现有非法入侵时，自动对现场进行声音和光电警告。这主要是提醒现场非法入侵者已经进入监控范围，需要马上退出，同时报警信息和现场视频 （或照片）发送到中心服务系统，让台站维护和管理员能定性地跟踪本次报警信息。

图3 地震台站环境监控系统结构图Fig.3 The frame diagram of environmental monitoring system in seismic station

2 关键技术

信息集中管理和模块化设计是本系统设计的关键。中心软件服务平台采用信息集中管理，能更好地规范日常维护管理工作，也可以让维护管理人员行为更标准、维护更简单、解决问题更快速。模块化设计把各个功能独立起来，互不影响，更好地发挥各自的功能特点。

2.1 信息与数据管理

信息与数据管理是中心软件服务平台的主要组成部分。通过开放数据库互联(ODBC)技术将系统集成SQL数据库与办公自动化和信息管理数据库互联，提供综合全面的信息与数据管理。

2.1.1 信息模块设计原则

（1）以台站为单位组建信息模块。

（2）各信息模块相对独立。

（3）各信息模块按密级管理。

（4）集成数据分级共享。

（5）信息模块的字段名均为英文、拼音或英文词组缩写。

2.1.2 信息模块化设计的思路：

采用安全性能比较强的Windows2003作为操作系统。通信模块采用VPN隧道技术，把台站监控与中心软件服务平台有机地联成一体。所有数据库使用SQL Server 7.0进行建设。本系统基本是按工业系统监控和管理模式进行设计，所建立和集成的系统数据库表单、视图、数据记录等根据网关传来的值进行实时更新。网络中心数据的查询、共享、报表、备份、安全、维护等功能均由数据库系统提供很好的支持。

2.2 设备监控

设备监控主要针对地震观测设备进行监控，如果发现观测设备输出端口没有数据输出时采取相应的措施进行处理。

（1）针对串口设备。首先对串口设置进行检测（基本配置:“19200、N、8、1”，无流控制）。如果发现基本配置不匹配，发出报警；其次检测串口数据流，如果数据流有输出而没变化或者没输出，则判断为设备故障，发出警报，并做相应处理[1]。

（2）针对有报警指示灯的设备。有个别设备很难通过串口或其他端口进行监控，则采用本设备的故障指示灯进行判断。通过引线或者利用感光LED检测，判断该设备是否正常工作。

（3）针对有RJ45端口的设备。主要检测网络端口的特征字节，就可以判断该设备是否正常工作。

例如EDAS24B数据采集器的幀同步标识码为：74 97 13 BF H，如果检测到幀同步标识码不一致[2]，则出现幀不同步，那么数据则是错误数据，因此要做相应处理。

再则，可以采用探测的方法判断设备是否正常。还是以EDAS24B数据采集器为例，可以向数据采集器发送“BF 13 97 74”，这是读取数据采集器GPS时钟信息命令字节，如果返回的时钟信息正确，则可以认为数据采集器正常工作，否则不正常工作。

2.3 环境监控

环境监控主要有台站外部 （大环境）监控和台站内部 （小环境）监控两部分。外部监控主要是安全隐患监控，内部监控主要是观测条件监控。在外部监控中主要实现视频、红外、门禁、断线以及交流供电等环节的监控（见图4）。

图4 外部和内部环境监控处理模块架构示意图Fig.4 The schematic diagram of external and internal environmental monitoring processing module

台站内部是地震观测的小环境。这个环境是否符合观测要求至关重要。在采用短周期地震计观测的地震台站，环境因素对观测影响不明显。但在利用宽频带或甚宽频带地震计进行观测时，环境因素影响特别明显。例如：小环境的温度、湿度、气压以及供电质量等因素直接关系到数据产出质量。因此，我们根据现在的观测环境，对台站的温度、湿度、气压以及供电质量进行监控，发现监控对象不符合观测要求时就对台站环境进行整改，直到达到要求为止。另外，在平时的观测过程中，如果发现地震波形数据有异常，可以通过中心软件服务平台查询该台站的观测小环境，排除受观测环境因素的影响。

环境监控探头（设备）设计思路：

（1）视频监控：拟采用视频序列压缩算法进行连续压缩编码，视频大小满足320×240以上，码流输出采用CTS/RTS硬件流量控制。图像抓拍格式为JPEG编码格式。

（2）红外监控：要求无内部待机电池，在0°～80°之间能连续工作，相对湿度在95%以上无凝结现象，还要有旋转安装支架。

（3）直流电源监控：要与系统电源有物理隔离，检测电压范围0～20V直流。

（4）温、湿度模块：要求测量精度高、恶劣条件读数稳定、不结露、简便而且体积小、耐冲击和抗振动。

（5）水浸监控：要求输出形式为二路干接点，在湿度为100%时能正常工作，警戒时输出开路（短路），报警时输出短路（开路），阻抗小于50欧。

2.4 远程控制

远程控制在设计时，分成自动远程控制和人工远程控制两部分。自动控制主要是根据台站监控数据，判断出故障设备以及故障原因，有针对性地对该设备进行冷启动。而对于比较复杂的问题，需要人工干预和判断，然后对故障设备进行远程启动处理。以数据采集器为例，在软件设置时根据报警进行如下流程处理（见图5）。

图5 故障处理流程图（部分）Fig.5 Flow chart of fault processing（partial content）

在以往的台站故障处理过程中，由于没有故障台站的具体信息，维修维护人员必须做好各种充分的准备，带齐各种各样的备件和零件开赴台站。这种做法具有盲目性，但也很无奈。地震台站环境监控系统，能根据来自台站的环境信息判断故障的原因，做到有备而战。如果只是设备死机，则可以通过远程控制，让故障设备断电后冷启动。如果是因为外部交流电供电问题，我们的维修维护人员可以不必马上到该台站进行维护，而是通过电话告知台站本地的维护人员进行跟踪处理。

3 具体应用

地震台站环境监控系统建成后，首先在广东省遥测地震台网得到应用。在应用初期，台站监控端主要采用2G网络进行测试，实现的功能也相对简单。主要实现了台站的温度和湿度、电源电压、红外、门磁、水浸以及市电等监控功能，同时还实现了远程冷启动设备、远程图片监控等功能。

随着使用过程中问题不断呈现，先后多次对该系统进行了更新和升级。后期在台站监控端采用电信的3G网络实现数据传输，收到良好的测试效果。在系统测试过程中，也曾经采用地震台站数据传输链路（有光纤、卫星、3G等专线）实现监控数据传输，后来发现这种传输方式也有缺陷：通信链路或通讯设备故障时无法实现远程控制修复或做更深一步的故障判断。因此，后来一直采用独立的通信链路作为台站监控通信。采用独立的传输方式最大的好处是能实现互补、节约开支，更重要的是让台站数据最大限度地保持连续性。例如：当监控链路故障无法自行修复而地震监测数据传输正常时，可以等到地震观测数据传输链路或设备有故障时才派技术人员到台站进行修复，减少去台站的次数又不影响地震观测；当地震观测设备故障而台站监控正常时，可以尝试通过远程控制恢复故障设备，从而最大限度地保障了地震观测数据的连续性，减少了去台站的次数，节约开支。如果监控和地震观测数据传输采用同样的传输链路，只要信号中断就必须到台站进行维修，这样增加去台站的次数，维修维护成本相对比较高。

从2005年开始使用台站环境监控设备以来，经济效益是明显的。台站监控系统每套（每台站）成本约1.2万元（含1年的3G网络通讯费约0.12万元），如果该系统只按5年使用寿命计算，平均每年约0.24万元的成本。而在广东所有台站维修、维护中每次每台站成本在0.25万元左右，也就是每年减少去台站一次就能节约出台站监控系统的建设成本。按此计算，44个台站[3]每年每台减少去台站2次就能节约22万元（44×0.25×2=22）的维护费，这不仅节约了台站监控建设成本，还能节约11.44万元（22-44×0.24=11.44）台站维护费。因此，该系统的使用在保障地震观测数据连续的前提下能实现很好的经济效益。

图6 中心服务系统界面Fig.6 Central service system interface

图7 中心服务系统中的数据查询界面Fig.7 Data query interface in central service system

图8 水浸检测带布设图Fig.8 The layout drawing of flooding detection system

图9 台站内部视频和红外监控Fig.9 The internal video and infrared monitoring in station

4 结束语

当地震台站观测设备出现死机现象时，一般情况下是需要到该台站对设备进行复位操作。这种简单的操作很浪费人力和物力，因此产生了利用地震台站电源系统对所有设备进行复位操作（当然也包括没有故障的设备，因为单一的手段无法做复杂的判断）。随着信息技术的发展，又尝试用电话或短信息来实现远程设备复位操作。但是，这些远程复位操作只能解决一个问题，环境管理和台站设备运行状况等问题还是没有解决。网络的发展，无疑是契机，通过网络可以将采集到的所有信息，包含视频、音频、红外传感器以及其他传感器等信息，进行远程传输、分析和处理。真正意义上的台站环境监控系统才得到建立。

随着观测技术的提高，以前出现的一些故障现象得到解决，新的要求和问题也可能出现。台站环境监控系统从简单的复位功能到复杂的环境监控，不断地与时具进，台站环境监控还需不断完善，相信不久的将来台站环境监控系统将成为地震台站观测不可缺少的一部分。

[1]耿德根，宋建国.AVR高速嵌入式单片机原理与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社出版，2001.