地下流體綜合觀測集成技術(shù)研究＊

劉愛春 周振安 劉耀煒 李 闊

(中國地震局地殼應力研究所,北京 100085)

地下流體綜合觀測集成技術(shù)研究＊

劉愛春 周振安 劉耀煒 李 闊

(中國地震局地殼應力研究所,北京 100085)

將地下流體學科中的水溫、水位、氣溫、氣壓、雨量 5種物理量觀測技術(shù)進行系統(tǒng)集成,形成一套綜合觀測系統(tǒng),探索地震前兆綜合觀測的集成技術(shù)。

地下流體;綜合觀測;集成技術(shù);水溫;水位

1 前言

地下流體的綜合觀測研究,在國內(nèi)外呈發(fā)展趨勢,早在 20世紀 70年代,蘇聯(lián)就在地震預報實驗場開展了地下流體的綜合觀測研究,觀測項目包括地下水的物理動態(tài)和化學動態(tài);日本在東海地區(qū)地下水觀測網(wǎng)中的 11口井中全部開展地下水的物理動態(tài)和化學動態(tài)的綜合觀測研究;土耳其在伊斯坦布爾國際地震預報實驗場中以 1口觀測井為中心開展水位、水氧、水溫、土溫、土壤濕度、土氡、氣壓、降雨、氣溫等多項地下流體及與其有關(guān)的動態(tài)觀測,而且還有地傾斜、地電等其他前兆的對比觀測;美國也曾在帕克菲爾德實驗場等地開展了不同前兆項目的綜合對比觀測[1],在這些綜合觀測項目中均采用數(shù)據(jù)采集、處理、通訊等集成技術(shù)。我國在“九五”期間曾采用公用數(shù)采的方式進行綜合觀測的集成,但由于一些客觀原因,“十五”期間被停用,而采用每種觀測技術(shù)一種觀測儀器的方式,造成了資源的浪費,也對開展地下流體綜合觀測與研究造成一些不便和影響,因此進行綜合化、數(shù)字化、自動化、網(wǎng)絡化的綜合觀測集成技術(shù)研究是很有必要的[2]。

2 綜合觀測系統(tǒng)的集成技術(shù)與應用

2.1 集成方案與集成技術(shù)

目前,在地下流體觀測中所采用的傳感器信號輸出類型主要有電壓型、電流型、數(shù)字型、頻率型、開關(guān)型等,綜合集成技術(shù)就是將這些不同類型的傳感器輸出信號按照一定的采樣率轉(zhuǎn)化成數(shù)字化數(shù)據(jù),并保存到大容量的存儲設(shè)備中,通過網(wǎng)絡,按照一定的通訊協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送到臺網(wǎng)中心的數(shù)據(jù)庫中[3,4]。

將地下流體中水溫、水位、氣溫、氣壓、雨量 5種主要觀測技術(shù)進行系統(tǒng)集成,形成一套綜合觀測系統(tǒng)。此綜合觀測系統(tǒng)主要包括主控單元、傳感器、供電系統(tǒng) 3大部分(圖 1)。

圖1 綜合觀測系統(tǒng)集成原理框圖Fig.1 Principle block diagram of integration of comprehensive observation system

1)主控單元采用高性能、低功耗、DOS操作系統(tǒng)支持的嵌入式工控機技術(shù),并通過 PC/104總線方式擴展相應的功能模塊。該工控機具有 10/100 M高速以太網(wǎng)接口,標準 I DE接口 (DOM,普通硬盤)、并口、4個串口(RS-232和 RS-485)、FDD軟盤接口、USB接口、DOC接口、PS/2鍵盤口、RTC實時時鐘、非易失性存儲器、通用 GPI O、和 ISA總線、看門狗等功能,可直接安裝、運行DOS系統(tǒng)軟件,提供完整的 TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議,可以使用豐富的免費資源進行開發(fā)調(diào)試系統(tǒng)。系統(tǒng)集成了 RTC芯片,具有掉電非易失的實時時鐘,內(nèi)、外部時鐘均為 100 MHz,即使供電停止,也能通過后備鋰電池 (3V),使RTC實時時鐘保持運行,避免了每次啟動都要校對時間的麻煩,且時間精度高,可準確、方便地識別事故發(fā)生的真實時間,系統(tǒng)的時鐘可以通過WEB服務的手動方式與 SNTP網(wǎng)絡的自動方式兩種方式進行系統(tǒng)時鐘的較時。

2)傳感器中水溫傳感器為石英晶體傳感器,輸出信號是頻率信號,為了提高傳感器的精度與穩(wěn)定性,在傳感器前端利用單片機等數(shù)字化技術(shù)將頻率信號變換成數(shù)字信號,因此水溫傳感器的輸出信號為數(shù)字型,水位傳感器輸出信號為電流型,氣溫、氣壓傳感器輸出信號為電壓型,雨量傳感器輸出信號為開關(guān)型,針對不同的傳感器輸出信號進行了擴展模塊設(shè)計,其中水溫傳感器通過 RS-485接口將數(shù)字信號輸入到工控機中,水位傳感器通過一個電流轉(zhuǎn)電壓轉(zhuǎn)換電路,通過信號變換,經(jīng)多路轉(zhuǎn)換控制輸入到工控機中,氣溫、氣壓通過信號變換后,經(jīng)多路轉(zhuǎn)換控制輸入到工控機中,電源電壓信號經(jīng)多路轉(zhuǎn)換控制輸入到工控機中,用來監(jiān)控儀器的工作電壓,雨量傳感器通過信號變換后,經(jīng)脈沖信號觸發(fā)器形成脈沖信號,再利用工控機的 I RQ10中斷源來進行雨量的脈沖計數(shù),從而進行雨量的計數(shù),同時還利用工控機的 I RQ11中斷源對ADC的校準電壓進行監(jiān)控。

3)供電系統(tǒng)包含交、直流兩種供電模式,可進行交、直流自動切換,主電源為 12 V,接口擴展芯片的供電電壓為 5 V,傳感器供電電壓為 12 V,隔離電源有 +5 V和 -5 V,因此可充分保障綜合觀測系統(tǒng)的供電環(huán)境[5]。

集成后的綜合觀測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)對水溫、水位、氣溫、氣壓、雨量傳感器進行數(shù)據(jù)實時采集以及進行系統(tǒng)監(jiān)測等,并將采集的數(shù)據(jù)保存到具有大容量的 CF卡中,臺網(wǎng)中心可通過各種網(wǎng)絡與綜合觀測系統(tǒng)聯(lián)接,獲取所需的數(shù)據(jù)。

2.2 集成功能

集成后的綜合觀測系統(tǒng)除了滿足中國數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡技術(shù)規(guī)程[6]規(guī)定的一些通訊協(xié)議規(guī)程外,還具有了一些網(wǎng)絡化、自動化的功能,主要有：

1)WEB服務功能。系統(tǒng)內(nèi)開發(fā)了Web服務功能,客戶端與儀器通過 HTTP(超文本傳輸)通信協(xié)議進行通信,即在客戶端的 IE瀏覽器中輸入相應儀器的 IP地址,輸入相應的用戶名與密碼即可登錄綜合觀測系統(tǒng),進行儀器信息查看、觀測數(shù)據(jù)與運行日志的查看與下載、儀器參數(shù)配置與修改、系統(tǒng)時鐘校時與遠程復位等功能。

2)FTP服務功能。系統(tǒng)內(nèi)開發(fā) FTP文件傳輸服務功能,即在 DOS命令行狀態(tài)下,輸入 ftp IP地址,即可與綜合觀測儀連接,進行儀器參數(shù)的查看、修改,觀測數(shù)據(jù)與運行日志的下載,軟件的升級等功能[4]。

3)監(jiān)控功能。通過端口讀取電壓數(shù)據(jù),實現(xiàn)對觀測系統(tǒng)工作電源電壓進行監(jiān)測,通過命令實現(xiàn)遠程復位的程控、AD內(nèi)部標準電壓的校準、觀測系統(tǒng)時鐘的校準等。通過擴展模塊的 JP24跳針,利用硬件方式來實現(xiàn)儀器 IP地址的修復,并將 IP地址恢復到出廠固定值[7]。

2.3 集成指標

1)測量精度：主機模擬電壓量測量誤差：＜0.01%±1;水溫測量誤差：＜0.05℃,分辨率：0.000 1℃;水位測量誤差：＜0.2%,分辨率：0.1 mm;溫度測量誤差：＜±0.1℃,分辨率 0.01℃;氣壓測量誤差：＜0.2%,分辨率 0.1 hPa;雨量測量誤差：＜±4%,分辨率 0.1 mm;

2)采樣率：1次/分;

3)數(shù)據(jù)存儲容量：＞一年;

4)主機功耗：主機電流 120 mA。

集成后的綜合觀測系統(tǒng)具有抗干擾、穩(wěn)定性好,低功耗等特點,可滿足高精度傳感器的采集要求,方便多種類型傳感器的接入,可實現(xiàn)網(wǎng)絡通訊傳輸與遠程控制功能。

2.4 集成應用

圖 2 ?？谙驑s村臺綜合觀測系統(tǒng) 2010-02-05日分鐘值觀測曲線Fig.2 Curvesminutely value of comprehensive observation system at Xiangrongcun station in Haikou city on Feb.5,2010

圖 2為?？谑邢驑s村臺綜合觀測系統(tǒng) 2010年2月 5日的分鐘值觀測曲線,從圖 2可看出,在一口觀測井中,安裝集成后的綜合觀測系統(tǒng),能精確地完成水溫、水位、氣溫、氣壓、雨量 5種不同類型傳感器的數(shù)據(jù)采集與存貯,且精度達到傳感器的設(shè)計要求;氣溫、氣壓、雨量的變化與觀測井的環(huán)境變化相對應,氣壓與固體潮、水位有一定的相關(guān)性,水位、水溫的變化呈負相關(guān)性關(guān)系,反映出此觀測井的水溫、水位變化的特點,即水位下降,水溫上升,水位上升,水溫下降,這對判斷數(shù)據(jù)是否異常有了一定的依據(jù);從數(shù)據(jù)曲線上看,可進行數(shù)據(jù)異常與干擾的初步判斷,當 5個通道的數(shù)據(jù)均在同一時間出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時,可認為是綜合觀測系統(tǒng)的故障造成的干擾,可通過網(wǎng)絡登錄儀器WEB頁面,查看頁面上的電壓監(jiān)測值來初步判斷故障的原因,當某一通道出現(xiàn)數(shù)據(jù)異?；蚨鄠€通道在不同時間出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時,可以初步判斷并非儀器故障,在排除環(huán)境干擾等的因素下,可與此觀測井的背景值進行比較來確定是否為震前異常,這樣可方便儀器維修人員對儀器故障的判斷與檢修以及資料分析人員對數(shù)據(jù)的可靠性的判斷與分析;此觀測井中水位、水溫的觀測數(shù)據(jù)變化不大,比較穩(wěn)定,是進行地下流體綜合觀測的理想觀測井。因此在同一口觀測井安裝此綜合觀測系統(tǒng)具有儀器是否運行正常的監(jiān)測、數(shù)據(jù)可靠性的判斷、觀測環(huán)境優(yōu)劣的判斷等優(yōu)點。

3 結(jié)束語

將水溫、水位、氣溫、氣壓、雨量 5種主要觀測技術(shù)進行系統(tǒng)集成,形成一套綜合觀測系統(tǒng),從而提高了地震前兆信息的獲取能力。

通過安裝在?？谑邢驑s村臺的實驗觀測,說明綜合觀測系統(tǒng)工作正常,運行可靠,獲得了真實、可靠的觀測數(shù)據(jù),符合中國地震局《中國數(shù)字地震觀測系統(tǒng)建設(shè)》總體技術(shù)要求,達到了綜合化、數(shù)字化、自動化、網(wǎng)絡化的綜合觀測的目的。

1 車用太,朱清鐘,地下流體綜合觀測與研究[J].國際地震動態(tài),1994,7：5-7.(Che Yongtai and Zhu Qingzhong. Study on comprehensive observation of subsurface fluid, 1994,7：5-7)

2 車用太,等.試論“十五”期間我國地震地下流體前兆臺網(wǎng)的優(yōu)化與建設(shè)問題[J].國際地震動態(tài),2001,11：1-8. (Che Yongtai,et al.Discussion on optimization and construction of seismic precursor networks of subsurface fluid in China during the time of the“Tenth Five-Year Plan”[J]. RecentDevelopments inWorld Seismology,2001,11：1-8)

3 中國地震局監(jiān)測預報司.地下流體數(shù)字觀測技術(shù)[M].北京：地震出版社,2002.(Department ofMonitoring and Prediction,CEA.The digital observing technology of subsurface fluid[M].Beijing：Seismological Press,2002)

4 王秀英,周振安,劉愛春.“十五”地震前兆觀測設(shè)備網(wǎng)絡通訊規(guī)程應用探討 [J].大地測量與地球動力學,2008, (4)：131-135.(Wang Xiuying,Zhou Zhen’an and Liu Aichun.Discussion on application of stipulation of net work communication for earthquake precursory observation devices [J].Journalof Geodesy and Geodynamics,2008,(4)：131-135)

5 周振安,等.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實踐[M].北京：地震出版社,2005.(Zhou Zhen’an,et al.Design and practice of the data acquisition system[M].Beijing：Seis mological Press,2005)

6 中國地震局編.中國地震前兆臺網(wǎng)技術(shù)規(guī)程[M].北京：地震出版社,2005.(China Earthquake Administration.Stipulation on geoscience observatory network in China[M].Beijing：Seis mological Press,2005)

7 王秀英,周振安,劉愛春.地震前兆設(shè)備動態(tài)監(jiān)控報警功能設(shè)計與實現(xiàn) [J].地震研究,2009,32(4)：431-435. (Wang Xiuying,Zhou Zhen’an and Liu Aichun.Design and implementation of dynamic monitoring and alerting functions for the earthquake precursory observation devices[J].Journal of Seis mological Research,2009,32(4)：431-435)

STUDY ON INTEGRATED TECHNOLOGY OF COM PREHENSIVE OBSERVATION OF SUBSURFACE FLUID

Liu Aichun,Zhou Zhen’an,Liu Yaowei and Li Kuo
(Institute of Crustal Dynam ics,CEA,B eijing 100085)

A kind of comprehensive observation system which is integrated to observe five physical quantities in subsurface,such as the water temperature,water level,temperature,pressure,rainfallwas studied.Itwillprovide an effective method to explore integration technology of the earthquake precursor comprehensive observation through this system.

subsurface fluid;comprehensive observation;integrated technology;water temperature;water level

1671-5942(2010)05-0156-04

2010-03-24

中國地震局地殼應力研究所中央公益性基本科研業(yè)務專項基金(ZDJ2009-12)

劉愛春,男,1974年生,碩士,助研,主要從事前兆儀器開發(fā)與研制工作.E-mail：liuaich@126.com

P315.72+3

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