当前数字台站智能管理系统的应用研究综述

孙艺玫，查 楠，任 雪，张 丽，李 俏

（辽宁省地震局，辽宁 沈阳，110034）

0 引言

地震台站是整套地震观测台网的基础结构，其主要的目标是获取完整、连续且不失真的地震波数据记录，容易受到台站观测技术系统性能、稳定性以及台站观测环境等多方面的影响[1]。

得益于计算机网络技术以及数据库技术的快速发展，无人值守台站在国内得到迅速的推广，它具有低投资、低运维成本、低占地、高效率、高建设速度的优势[2]；自“十五”项目以来，全国各地集中建设了一大批数字台站，极大地提高了地震监测效率和质量[3]。这部分数字台站一般还会配套供电、网络通信等辅助设备，这对台站的日常管理提出了新的要求，迫切需要新的管理技术和思路来对规模越来越大的无人数字台站进行系统化管理[4]。

数字台站智能管理系统一般分为设备管理、数据采集及传送等多个方面，通过集成化的系统精准定位台站故障点，可以及时高效的配置运维资源保障专事专办，提高运维效率、高效处理设备故障，从而保障台网的高效、不间断运行[5]。

1 数字地震台设计方案

数字台站智能管理系统主要分成两部分：一是智能监控综合平台、一是台站监控系统[6]，如图 1 所示[7]。

图1 数字台站智能管理系统结构图Fig.1 Structure diagram of intelligent management system of digital seismic station

数字智能台站建设中，最核心的就是智能监控综合平台的开发，这是整个监控系统的核心组成部分，把远程遥控系统、电源管理系统、温湿度控制系统等集成到统一的平台，从宏观层面进行全方位的监控；台站监控系统主要由各种类型的传感器及采集器组成，负责监控个体台站的实时相关参数，并把这些数据上传到综合监控平台[8]。

数字地震台站智能管理系统一般分为以下几个层次：

硬件层：整个系统运行的基础设施，主要包括平台数据运行的服务器、数据传输通道的网关、台站监控设备等；

数据层：系统运行的实质，主要包括相关地图数据、台站设备监测和报警数据、使用者的相关值班日志等留痕信息等；

终端应用层：根据地震观测工作的实际需要，运用相应的信息传送系统和终端用户使用[9]。

2 数字地震台的故障类型及原因

对以往观测系统故障数据进行研究分析可知：通过总结常见故障特征，有效的分解不同种类故障的原因，并系统归纳对应的解决方案，形成完备的故障及解决方案数据库，不仅可以为技术人员提供技术支撑，还可以提高台站的运维效率[10]。

数字地震台站的组成部分一般有：专业地震计、数据采集设备、通信传输设备、辅助电源设备、温湿度控制设备等。相应的故障类型[11]主要包括：①供电系统故障，比如市电中断故障、UPS 不间断电源故障；②通讯链路或者设备故障，如通讯设备死机，数据采集器死机等。据统计，供电故障占了当前台站故障的绝大部分：比如，2011 年辽宁省地震局地震台故障报修数据显示：85%以上的故障是由于电源故障造成的，占比最高，这其中不仅包含电源故障，还包括含因电源故障导致的其他设备故障[12]。

李松华等[13]通过统计江苏测震台网 2013—2017 年的故障实例，得到以下几点共性：首先，专业仪器自身及其供电装置上的故障，占比大概在83%左右；第二，在地震观测系统中，设备方面，故障率最高的是数据采集器，其中以数据采集器的PCB 电路板故障最多；第三，在地震计故障中，开锁摆故障能占一半左右；第四，供电系统故障中，相比UPS 不间断电源故障，稳压电源故障偏多。

此外，还有一些其他的故障类型，值得关注：我国维度跨度大，南北温差十分大，北方地区尤其是东北地区冬季温度存在-30℃以下的情况；但一般情况下，地震观测台站设备的工作温度一般在-30℃以上，这种低温对地震台观测设备的正常运行造成了巨大挑战[14]。2016 年在对辽宁地区的新建基准站进行测试时发现一个现象：由于冬季气温偏低，导致地震计垂直向温度漂移较为严重，测试前期数据大部分失效，为此相关人员对地震计进行了保温防护处理，才得到有效的观测数据。另据实测观察，一季度的北方，受低温影响，拾震器在此期间会大批出现零漂现象，严重时甚至会出现靠摆等机械故障。

许多台站会出现因雷电造成设备损坏的事故，部分台站抗雷击设计存在缺陷，防雷等级很低[15]。雷电灾害对地震台站的影响不仅是设备遭雷击损坏而带来的经济损失，还有因此而造成的观测数据资料不连续的问题。因此，防雷工作已成为地震台站建设的重要工作之一[16]。

3 应对措施和解决方案

3.1 供电故障

长续航能力和低故障率是衡量地震观测台站供电系统完善性的两个重要指标。只有保证低故障率下的长续航持续输出电源，才能保障监测设备稳定工作，保持监控数据的连续性，输出高质量的监测数据[17]。目前地震观测台站供电主要包含市电、太阳能、蓄电池等多种形式的供电手段。

台站使用的电源形式暂时只有这几种，目前为止还没有革新性的研究出现，不考虑市电情况下，太阳能电源是一个应用方向，但只靠太阳能电源无法满足地震观测台站的实际需求，比如受天气影响较大[18]，导致其可靠性有一定的局限，容易造成记录数据的断记和丢失甚至观测设备故障。另外，如果台站位于偏远地区，即便是市电电网也存在不稳定的可能，容易出现频繁停电现象。如果台站采用的是市电+蓄电池的供电模式，这种情况下很容易出现蓄电池过放损坏及后端设备反复重启损坏的情况[19]。

目前可以通过设置通用电源控制器解决该问题。它可以检测台站供电电源输出、蓄电池工作状态等重要参数信息，实时监测和预判供电系统的运营状况，优化台站供电系统，可有效减少因蓄电池过度放电而无法重新充电的问题，并且可以有效防止后端采集设备因反复重启导致的观测数据不连续现象，降低运维成本、提高供电质量、延长蓄电池寿命、提高系统的可靠性[19]。

现在普遍认为，可以从现有的供电模块入手，优化升级，保障观测系统核心部件——地震计与数据采集器高效、长期稳定运行，比如使用工业级的智能电源、防护性能好和输出电压稳定的智能设备、地震计和数据采集器单独供电管理、采用光纤连接数据采集器与地震计、使用专业级的UPS 电源等[20]。

王晓峰等[21]研发了一种关于地震台站智能电源的设计，可以实现对台站的供电系统和通信系统进行集中管理，并通过远程监控来检测环境变量：一方面以嵌入式计算机为底层架构，搭建以地震台站为基础的管理服务器，实现对供电电源、仪器工作环境、通信系统状况的监控及对信道冗余切换的控制；另一方面，在地震台站和智能监控综合平台间搭建独立的通信通道，综合监测中心可以通过这个专用通道实时监控台站设备运行，远程监测地震台站各参数信息，并实现远程控制操作。

通过对北京测震台网智能电源系统的实际运维状况进行分析[22]，得出以下几点结论：在测震台网的运行管理中，智能电源系统发挥了重要作用，实现了提效和降费两方面的目标，而且解释了蓄电池开始放电时出现的短暂电压下降然后回升的现象：蓄电池初始放电时，正极活性物质反应的速度高于硫酸的流动速度[23]。

针对雷击的弊端，有学者[15]从无线电能传输技术开发新思路，形成了一款隔离电源控制器系统：运用无线电能传输技术，辅助电源传输系统，该系统已经在样机测试中有一定的现实成果，下一步，将会在大功率以及中远距离无线充电进行试验，如果能够顺利的实施，这将会是地震台站观测设备防雷的有益探索。

从需求角度分析，野外观测台站电源管理系统的研发具有十分重要的现实意义，有学者提出一款稳压电源浮充电源后备电池的供电方式，可以在一定程度上保证台站电源的安全性[24]。

另外，为了防止雷击破坏设备，可以通过手机模块研发的遥控电源开关，对市电进行远程开关，自主切换市电和蓄电池电源，提高台站的运转连续率和工作质量[25]。

3.2 台站设备故障

受材料特性和生产工艺的影响，地震计内部弹性部件受环境的温湿度影响较大，特别是在温差较大的季节，环境温度急剧变化，经常会发生地震计零位漂移的状况[26]，为此，袁顺等人[29]研发了地震计零位自动监控设备：该设备利用地震计断电重启后会自动进行零位调整的特点，监控并判断超出监控设备预设电压阀值的地震计零位漂移情况，以地震计断电重启代替人工调整。

针对设备死机情况，有学者[27]应用无线远程控制技术研发一款多功能智能设备控制终端，该技术应用广泛，例如在安防报警系统中的应用[12]和LED 显示系统中的应用[28]。可以准确的控制远端设备的工作状态，具备适用范围广、维护费用极低、安全性高等优势。

针对温控问题，辽宁省法库地震台投入使用一套地震计智能恒温设备[28]，该设备是一种恒温系统保温罩，可以让地震计长期保持在10～20℃的温度环境，可以有效解决地震计的机械故障。在发生非设备损坏类故障时，可通过远程遥控方式，对相关设备进行重启，解决非设备损坏等故障；经统计显示，大多数故障可以在处理后的10 分钟内恢复正常。

数字地震台网一旦建成，就必须要保证相关设备连续正常运行，这样才会有高质量的观测数据；设备宕机，会影响观测信息的连续性，进而降低了观察记录的质量。一旦设备出问题，这时候就需要派专门的维修人员到现场，实时实地解决故障，既浪费时间又损耗经费。针对这种情况，有学者[28]设计开发了一套电源监控管理系统，与数据采集器配套，可以准确、可靠地监控每个地震台站的供电情况，使地震台网中心更好地掌握各台站电源现状，并且能对地震数据采集器实施远程控制。

常见的无人值守台站中，大多配备大量蓄电池作为冗余设计，在这种背景下，如何保障蓄电池的不间断运行变得至关重要。UPS 电池组是由多个蓄电池组成，单个蓄电池出问题，会对整个电池组的运行效率造成影响，导致UPS 电源在市电断电时无法正常供电使用。有时候，万用电表无法测出蓄电池的这种性能下降。针对这个问题。马士振[22]等人通过对凤河营台蓄电池放电数据的处理分析，发现放电电压阶梯变化的3 段现象，与蓄电池个体差异性和工作环境有关系，其中电压阶梯变化的3 段现象可以用作判断蓄电池是否老化，由此可以解决上面提到的问题。

4 结语和讨论

智能地震台站的建设，具有较高的推广价值：首先，可以节约成本，偏远地区可以设置无人值守台站，在有限增加成本的前提下完善台站监测网络；第二，台站工作人员可以异地远程遥控台站的基本运行，通过智能系统维护设备的有效运行，在第一时间发现故障、解决故障，缩短故障处理时间，有效地保证台站观测数据的连续性。