基于虚拟仪器技术的地震震动警报预警研究

雷 丹

(西安科技大学高新学院,陕西 西安 710109)

0 引言

我国属于地震频发国家,涉及的大陆境内地震断裂带多达23条,而地震灾害发生给人民生命财产带来了巨大损害,因此,尽管地震属于小概率的自然灾害事件,但所造成的危害程度不容忽视。有关于基于虚拟仪器技术的地震震动警报预警研究具有现实意义,可以勘探出地震监测系统的预知范围,从而有效提升地震预警能力。我国地震预警系统研究形成了地震预警综合试验,从而具备阈值报警和P波预警一系列功能[1]。

随着国家社科技术的逐渐发展,对地质问题探究需求越来越大,因此,给有关地震预警反射波成像的方法研究带来了新的挑战,需要形成地质问题模块化,设计一整套符合精细化、复杂化、模块化的方案,类似于结合模型提出仿真实现方法构建原始数据滤波处理法,并结合虚拟仪器技术构建硬件。虚拟仪器技术的应用,在硬件上采集嵌入式的数字集中器,设计上位GPC硬件端,并形成网络协议,构建交互连接。软件上并非所有功能在一个主体上得以实现,而是借助LabVIEW编程语言通过子程序、子过程组合构成框架结构形成流程,调试输入输出,构建链接关系,从而提升地震震动警报预警系统探测技术,并构建地震波反射波成像系统,应用于实验当中提升预警能力[2]。

结合计算机软件,针对地震预警系统予以发波测试,经过反复多次测试,使其降低成本。综合地震台网中心强震观测台站布设的地震断裂带符合国家区域选址建立台站,获取的地震震动信息更加准确,基于虚拟仪器技术的地震震动警报预警的模拟测试具有应用优势。工程领域中振动测试仪器的虚拟仪器技术问世,推动了振动测试仪器的进一步发展。而虚拟仪器开发的lab应用编写软件能够模仿现实,综合频谱仪信号发生器以及工具包采集信号波形成波形、储存数据,结合网络协议实现数值计算、信号变化、数据采集,满足振动测试的关键技术要求。

由此可见,基于虚拟器技术开发的地震震动波形信号采集软件以及信号发生器的核心硬件,所构建的地震预警测试系统可以形成S波预制报警、P波预警,通过验证测试证明该模型测试方案成本低、灵活性强、扩展性好,应用于地震震动警报预警具有参考价值。

1 基于虚拟仪器技术的地震震动警报预警总体设计及可行性分析

地震预警警报的研制,主要综合软件仪器设计思想,在虚拟仪器开发平台Lab基础上构建波形信号与软件测试系统,形成核心软件。在硬件平台综合信号作为测试系统的核心硬件,实现数据采集、工控机、分配器、服务器搭建的测试系统,从而为地震震动预警提供功能验证测试基础条件。

1.1 测试系统的总体设计

基于虚拟仪器技术产生的信号发生器,替代了原来天然地震波干扰地震,预警系统测试总体框架结构如图1所示。

图1 地震震动警报预警系统总体框架

1.2 可行性分析

虚拟机开发当中使用的平台是LabVIEW,包含有控件程序框图,而数据流动方向决定程序框图的代码执行顺序,避免复杂与定义,有助于有效开发地震震动测试测量系统[3]。综合MATLAB和C等高级编程语言节点,连接API接口,实现高级编程语言混合式编程,与Lab SQL工具包实现了odbc访问MYSQL数据库,以便于数据的管理储存。由于地震属于天然震动,现场测试方案难以满足,而借助于虚拟仪器技术与PXI硬件平台测试系统对地震震动波测试操作融合性、可靠性度高,测试效率高,成为解决地震预警系统测试的有效方案。

2 硬件设计

2.1 信号发生器

由于信号发生器只能发送正弦波、方波形成周期性信号,对地震的天然波这一类非周期信号难以发射。为保障适用性和经济性,预测地震波采用的信号发生器,以ra Co px le1071型号的p Xi。信号发生器内部包含有一台嵌入式的p Xi控制器以及3块p Xi数据采集板卡,连接到定时同步功能的高性能背板当中,结合LabVIEW编写应用程序接口,输入矩形波等一系列标准函数信号和自定义模型信号。由此嵌入了PXI控制器,形成信号发生器的主要核心部分,使这一发生器的波形有助于数据采集、保存、分析。而这一类的嵌入式PXI控制器包含有以太网硬盘驱动器、随机存储器、中央处理器,形成了标准设备功能,以提高8 GB/s的系统吞吐量[4]。因此,本文主要应用的是嵌入式PXI控制器,主频是2.6 GHz,还有320 GB的硬盘、扩展槽,以及标准的I/O功能。

所形成的信号发射器共计18个信号通道,以波形信号发送的输出通道共计12条,波形信号回采的输入通道有6条,结合地震预警形成的多台站测试输入输出通道编号构建,编号1—3以模拟不同站台的传感器波形,编号4—6输出通道以模拟不同传感器从XYZ方向形成的波形,以此类推,构建信号发生器的各个输入输出模块相关性能指标以及重要参数,具体如表1所示。

表1 信号发生器参数指标

2.2 分配器

地震预警系统使用的分配器由科学研究院研制,CRES-LGA-016信号,包含有4个信号输出端口和2个输入端口。每个输入端口对应2个输出端口,模拟地震波并能够抗干扰,将所输出转发的数据转发给数据采集器[5]。

2.3 数据采集器

本文采用的数据采集器有2台,主要是记录地震波信号发生器的数据信息,并记录抗干扰波数据,将这一部分数据传输给工控机,而数据采集器主要参数,涉及通道数有8个,通道信号输入方式划分为5 VPP、10 VPP、40 VPP,满量程范围在-20～+20 V。支持标的信号发生器设置8个通道,标定输出600 MV,支持记录功能和断点续传,通信接口以以太网和RS232为主,支持监测设置管理软件,以Web管理为主,有避雷保护装置,整机功耗16 W。支持自启动的功能,工作温度在-20～70 ℃,安装以机驾式为主。

2.4 监控主机

地震预警测试系统的监控主机设置有2台,每台都要安装预警监控软件,用于处理和接收相应的数据,采集实时波形数据以进一步生成地震预警警报。预警报警包含有地震S波的预制报警和P波预警,IPC-610-H型号的监控主机主要参数和性能指标如表2所示,其中CPU为Inter E5300,内存为2 GB,硬盘为500 GB,接口RJ45以太网接口,网络宽带网速为100 M,电源为AC 176～253 V,安装采用的方式为机架式。

表2 监控主机参数指标

2.5 前端预警服务器

地震预警地震震动警报预警系统需要安装有1台预警软件形成前端预警服务器,综合处理接收来自主监控机的数据,一次生成地震震动相关警报的信息。具体监测的是多台P波预警以及S波阈值报警,注意前端预警服务器型号是IBM-system-x3650型号[6]。内存8 GB硬盘2×300 GB,接口设置有4个pcle3.0端口,4个p cix端口以及USB接口前2后4,VGA接口前1后1,安装以机架式安装为主,阵列控制器是M5110E,以支持READ0和READ1。

综上可见,硬件系统构成部分主要以信号发生器输入输出模块形成的数模转换器有24位,与以往的12位精度有所提升,配合以24位数据采集器有助于接收地震波的信号,接收到的地震震动波形属于更低阈值,实现更高的信噪比,由此可见该地震震动测试系统效果更佳。

3 软件设计

3.1 软件功能需求分析

波形数据读取以支持抗干扰的文件读取地震波动数据,解析头段文件信息,并加载显示,结合数据文件当中的波形数据及预警,实现波形信号的生成与发送,主要是用户在自定义的差值模式转化比例当中,将采集到的数据文件波形数据生成原始的波形信号予以显示,通过手动设置输出通道行实现用户发波,以支持连续发波模式读取预先准备的表单文件,而波形信号实时回采,是对原始的波形符号回采并加载显示。

3.2 软件操作流程分析

在LabVIEW的波形信号数据采集当中,读取解析波形数据文件,以此进一步生成发送该波形信号,实现单独配置通道,又能实现连续发波模式[7]。具体操作流程如图2所示,具体的步骤:启动,选择差值运算模式,设置基线偏移量,通过设置幅值转化因子,确定是否连续模式。如果属于单独配置通道,则需要使能信号进行采集,使能信号发生停止信号发生,然后停止信号采集,退出应用程序。

图2 操作流程

3.3 软件设计与实现

为进一步降低地震震动警报预警开发难度,便于后期维护波形信号的采集,软件借助模块化思想设计开发采集软件,划分为数据读取和解析以及波形信号生成发送,并进行实时回采,构建模块为层次化思想划分,形成若干个子功能,以便于软件后期编程扩展维护。因此,波形信号发生与采集的软件包含信号生成与发送、数据读取解析,波形信号的实时回采相关功能模块主要包含波形信号生成与采集,是由文件读取、解析以及信号生成发送模块、显示模块、实时回采显示模块构成,结合LabVIEW编程,构建基于虚拟仪器技术开发的应用程序。各模块由若干个子虚拟仪器VI构成,由数据流动方向驱动,内部数据会从一个VI流向另一个VI,因此,文件读取、解析与显示形成了信号生成与发送,然后是实时回采。

基于虚拟仪器技术开发的LabVIEW属于标准状态及模式、生产消费者数据模式等多模式构成的程序,设计在循环结构和入队列出队列操作当中构成的数据源各数据类型较为多样,设计的数据在读取、解析处理当中相对较为独立,为了避免地震数据读取过长、速度过慢等问题,设计模式处理,解析读取相对较为独立。从而使程序框图应用相对简单清晰,再考虑到地震震动警报的波形信号与采集软件形成的波形数据要相互连接、持续处理,实现人机交互,单一模式并不能满足数据采集以及信号生成,为此选择的是经典生产者和消费者的数据模式,构建成了混合设计模式[8]。综合LabVIEW波形型号的采集发生,构建前面板的程序框图,综合人机交互界面,应以正常工作,利用内置函数图标和连线采集波形信号,并对图形进行控制操作。

3.3.1 前面板设计

前面板设计综合软件和使用者开发的交互界面满足美观,协调适用,操作便捷,配置参数和控件以读取地震波波形数据文件并进行解析、生成信号,实现实时回采和发送,以达到对地震震动警报预警监测功能。如图3所示,软件控制包含有按钮控件、文本显示控件、数值输入框、下拉菜单等。

图3 前面板的表单选择

3.3.2 程序框图设计

波形信号发生采集程序框图包含有解析程序框图、数据读取界面、程序框图、原始波形、显示程序框图和头段信息,以此形成框架图,主要包含有主界面程序、插值模式程序、数据读取和解析。

3.4 测试系统运行与分析

在现行的地震震动警报预警系统当中,主要包含的功能有牵变触发和地震监测。牵变触发功能主要是对现场的地震进行监测,基于虚拟仪器技术形成的测试系统在监测地震时,结合现实进行测试,而基于LabVIEW波形信号采集软件模拟生成地震波以替代现场测试的地震传感作用,形成的地震预警软件,可以适时接收来自地震波形的数据,应对数据予以处理,从而识别是否属于地震事件,便捷高效地验证该地震震动是否属于预警系统当中的S波阈值,从而触发报警系统,进行警报预警[9]。

如果属于P波预警以提高地震监测功能,在虚拟仪器技术地震震动警报预警的监测测试系统当中,不需要地震传感器,只是基于LabVIEW波形信号以采集这一信号,从而形成地震波动的监测高效测试功能。该预警装置具有高可靠性、有效性。

3.4.1 测试方案

测试方案测试时是根据地震数据查询系统获取对应的数据,并结合干扰数据选取大于报警阈值的波形数据文件,结合经纬度传输给工控器进行监控,使其充当虚拟台站,然后利用LabVIEW研发的波形信号采集软件读取地震波形并进行解析。在模拟生成波形信号之后将其反馈给采集器,通过系统将这一类地震震动波形输入到预警系统,如果属于阈值报警范围以内,就会生成报警系统发出警报信息,需要提供多级报警机制。

3.4.2 地震P波预警功能测试

对地震预警系统当中的P波预警功能测试,以验证其是否属于实现震级连续估算。通过地震数据查询系统获得符合地震P波的预警,如果属于误报状态,就可以解除波形数据文件,结合数据文件的头段信息获取经纬度,实现工控机的运行监控。在数据读取、解析、模拟生成的过程当中,通过采集器测试是否属于P波预警误报状态,如果属于,需要解除功能。

3.4.3 验证结果分析

验证证明,在系统当中读取解析强振动的相关记录报警信号查看主机和前端预警服务器的有关地震预警系统的阈值报警,分析P波预警信息,综合软件硬件验证能否达到预期的检测功能,利用强震台站的信息登记某区域的震级数据波形[10]。为测试该警报预警系统精度,对比不同地震波形测试输入数据的前后波形是否具有一致性,最终发现测试前后加速度峰值平均误差在0.005 gal,标准差在0.002 gal。由此可见,该测试系统幅值精度达到了0.005 gal,符合地震预警系统测试性能要求。

4 结语

本文从实际出发,基于虚拟仪器开发的LabVIEW编程对于地震预警系统当中的波形予以采集、验证、测试,分析S波阈值报警、P波预警,通过信号发生采集在室内原型模拟,从而更高效率、更低成本地提高地震震动警报预警测试的有效性和可靠性。基于虚拟技术的地震震动警报预警通过系统测试,模拟生成发送地震波分析确定仪器开发平台上LabVIEW当中地震监测功能方案优势更加明显,统计地震波以及干扰波以提高多台站P波的预警测试数据选取效率,结果表明,测试系统的幅值精度提升到0.005 gal。由此可见,基于虚拟仪器技术的地震震动警报预警测试更精确可靠,验证该虚拟技术应用于地震预警具有可行性和高效性。