四川省數(shù)字強(qiáng)震動臺網(wǎng)技術(shù)問題及解決辦法

朱永莉，賴 敏，孫澤濤

(四川省地震局 地震監(jiān)測中心，四川成都 610041)

1 四川省數(shù)字強(qiáng)震動臺網(wǎng)概況和技術(shù)系統(tǒng)問題

為了獲取地面地震加速度數(shù)據(jù)并且用于工程地震需要，建設(shè)了四川省數(shù)字強(qiáng)震動臺網(wǎng)，于2007年12月投入運(yùn)行。四川省數(shù)字強(qiáng)震動臺網(wǎng)由211個(gè)自由場臺站組成，觀測設(shè)備使用強(qiáng)震動記錄器和加速度計(jì)，采用電話有線傳輸網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)傳輸方式，用220V交流電源為儀器供電，并配有在線式UPS作為后備電源。“5.12”汶川特大地震中，四川省數(shù)字強(qiáng)震動臺網(wǎng)獲取了主震產(chǎn)生的記錄401條，其中，臥龍臺記錄到我國大陸地區(qū)迄今為止最大的數(shù)字強(qiáng)震動值。同年“8.30”會理—攀枝花6.1級地震，也獲取了108條主震數(shù)字強(qiáng)震動記錄值。但是，地震發(fā)生之后部分地方通信中斷，這些珍貴的強(qiáng)震記錄大部分是技術(shù)人員到現(xiàn)場收取的，且耗時(shí)較長，影響了對于地震災(zāi)害程度的快速確定。在數(shù)字強(qiáng)震動臺網(wǎng)近3年的運(yùn)行實(shí)踐中，在自然和通信環(huán)境不太理想的川西地區(qū)，維護(hù)四川省數(shù)字強(qiáng)震動臺網(wǎng)技術(shù)系統(tǒng)運(yùn)行存在較大難度，臺網(wǎng)運(yùn)行率也難以達(dá)到原來預(yù)想的程度。為了提高四川省數(shù)字強(qiáng)震動臺網(wǎng)的運(yùn)行效率，還需要做進(jìn)一步的分析和工作，以提高四川省數(shù)字強(qiáng)震動臺網(wǎng)的運(yùn)行效率。

1.1 PSTN臺站通信故障

四川省數(shù)字強(qiáng)震動臺網(wǎng)工作框圖如圖1所示。置于臺站的強(qiáng)震儀由交流電源和1 kVA的UPS(備3個(gè)65 AH的電池)作為其電源保障。強(qiáng)震數(shù)據(jù)接收中心通過Modem和電話網(wǎng)遠(yuǎn)程登錄強(qiáng)震儀并且進(jìn)行數(shù)據(jù)收取和其他必要的維護(hù)工作。通過近3年的實(shí)踐，該技術(shù)系統(tǒng)暴露出了一系列的問題。PSTN臺站技術(shù)系統(tǒng)采用的通信方式是人工直接操控的通信方式。從圖1可見，臺站強(qiáng)震儀與臺網(wǎng)中心的遠(yuǎn)程通信需經(jīng)過Modem(調(diào)制解調(diào)器)和PSTN通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行。在這個(gè)通信過程中存在四個(gè)方面的弊端:①由于PSTN通信線路是針對話音頻率30～4 000 Hz范圍內(nèi)設(shè)計(jì)的，使得通過模擬電話線路的數(shù)據(jù)傳輸速率被限制在33.4 kbps以內(nèi)，所以該通信方式相對于互聯(lián)網(wǎng)通信方式而言，存在通信速度緩慢的弊端，假定臺站的強(qiáng)震儀以及電源設(shè)備工作正常，則在臺站與臺網(wǎng)中心通信環(huán)節(jié)中，PSTN通信網(wǎng)絡(luò)與臺站Modem的工作質(zhì)量成為至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。②從OSI七層模型的角度來看，PSTN僅僅可以看成是物理層的一個(gè)簡單的延伸，沒有向用戶提供流量控制、差錯(cuò)控制等重要服務(wù)功能，當(dāng)進(jìn)行遠(yuǎn)程臺站通信時(shí)，會發(fā)生多次回收同一臺站的儀器數(shù)據(jù)未果現(xiàn)象，其原因是使用的儀器通信軟件當(dāng)通過PSTN通信網(wǎng)絡(luò)傳輸儀器數(shù)據(jù)發(fā)生3次錯(cuò)誤時(shí)，該軟件就會中斷儀器數(shù)據(jù)的傳輸，同時(shí)還存在數(shù)據(jù)傳輸耗時(shí)甚至不可靠的弊端。③在進(jìn)行遠(yuǎn)程通信時(shí)，若PSTN通信網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)端臺站Modem與臺站觀測儀器其中任一環(huán)節(jié)的工作狀況不正常時(shí)，在臺網(wǎng)中心表現(xiàn)出來的通信狀況均為不正常，即不能確定該不正常狀況是由PSTN通信網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)端臺站Modem或觀測儀器哪一環(huán)節(jié)故障造成的，所以，PSTN臺站通信方式存在不能直接判斷故障點(diǎn)位置的弊端。④PSTN臺站通信方式是典型的點(diǎn)對點(diǎn)通信方式，不能實(shí)現(xiàn)智能化臺網(wǎng)管理。綜上所述，PSTN臺站通信方式存在數(shù)據(jù)傳輸速度較低、傳輸質(zhì)量不穩(wěn)定、無法確定通信故障具體位置以及不能實(shí)現(xiàn)智能化臺網(wǎng)管理方式四個(gè)方面的問題。

圖1 技術(shù)改進(jìn)前強(qiáng)震動臺網(wǎng)系統(tǒng)工作框圖

1.2 UPS電源故障的分析

四川省強(qiáng)震動臺站使用的UPS電源均為在線式，UPS按備用時(shí)間分類:標(biāo)準(zhǔn)型及長效型;按工作原理可分為后備式、在線式及在線互動式。其中124臺為72小時(shí)長效型，其余為15分鐘的標(biāo)準(zhǔn)型設(shè)備。強(qiáng)震動臺站使用UPS電源的初衷是改善儀器電源環(huán)境以及在市電中斷條件下能夠?yàn)閭溆秒娫淳S持臺站儀器工作的供電設(shè)備。三年的臺站使用經(jīng)驗(yàn)證明，UPS電源不適合無人值守的強(qiáng)震動臺站，特別是不適合管理質(zhì)量欠佳的無人值守強(qiáng)震動臺站，其原因是:①在市電中斷條件下，維持臺站儀器工作的電源由UPS附屬的電池提供，工作時(shí)間的長短依UPS電池的容量大小而定，在停電時(shí)間過長造成UPS附屬電池過度放電而損壞的情況下，當(dāng)市電恢復(fù)以后UPS仍不能正常啟動，從而導(dǎo)致觀測儀器也不能夠隨著恢復(fù)工作，典型的例子發(fā)生在汶川8.0級地震時(shí)的都江堰市紫坪臺，該臺站UPS電源由于地震后電源斷開，造成儀器不能工作而漏記了汶川8.0級地震的主震記錄。②UPS電源在逆變狀態(tài)下的功耗約為300 W，地震儀器最大功耗為15 W。對該電源而言，若視在功率=315 W(300+15)，有功功率=15 W，則功率因數(shù)=有功功率/視在功率≌0.048。這表明，在市電中斷情況下，超過95%的電池容量均被UPS設(shè)備自己消耗掉了，并且，臺站儀器以及附屬通信設(shè)備均在直流電狀態(tài)下工作，在線式UPS電源卻是將附屬電池電壓逆變?yōu)榻涣麟娸敵觯瑥亩斐闪瞬槐匾墓β氏?如圖2中的虛線框所示)。

圖2 UPS電源系統(tǒng)基本原理

1.3 臺網(wǎng)管理軟件分析

四川省強(qiáng)震動臺網(wǎng)在技術(shù)系統(tǒng)改進(jìn)前，尚無臺網(wǎng)管理軟件。臺網(wǎng)管理的所有工作以及地震事件的獲取工作均須采用原始的人工操作，也存在效率低下的弊端。

2 技術(shù)系統(tǒng)問題的解決辦法

2.1 通信方式的改進(jìn)

鑒于PSTN臺站數(shù)據(jù)通信方式的不足，為實(shí)現(xiàn)臺網(wǎng)智能化管理以提高臺網(wǎng)管理工作效率，四川省地震局地震監(jiān)測中心對強(qiáng)震動臺網(wǎng)通信方式進(jìn)行了改進(jìn)，擯棄了落后的PSTN通信方式，采用了基于GPRS/CDMA/EDGE網(wǎng)絡(luò)的無線傳輸技術(shù)進(jìn)行通信。該技術(shù)解決了前述臺網(wǎng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與管理的弊端問題。其技術(shù)優(yōu)勢在于可最大限度地利用現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并且通過移動交換中心(MSC)和服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)(SGSN)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，還可以保留現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)接口。事實(shí)上，EDGE改進(jìn)了原來的GSM應(yīng)用的性能和效率，并且為將來的寬帶服務(wù)提供了可能。EDGE技術(shù)有效地提高了GPRS信道編碼效率及其高速移動數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，它的最高速率可達(dá)384 kbit s-1，可以基本滿足強(qiáng)震動臺網(wǎng)通信的需求。并且，可以利用網(wǎng)絡(luò)查詢技術(shù)來檢查路由器間網(wǎng)絡(luò)通信以及遠(yuǎn)端(臺站)路由器的工作狀況，從而可以直接判斷出通信環(huán)節(jié)的具體故障點(diǎn)，為提高臺站管理工作質(zhì)量提供了技術(shù)支持，而且該通信方式還為智能化臺網(wǎng)管理提供可能。改進(jìn)后的強(qiáng)震動臺網(wǎng)系統(tǒng)如圖3所示。

2.2 臺站電源設(shè)備的改進(jìn)

鑒于強(qiáng)震動臺站觀測系統(tǒng)使用UPS電源存在的弊端，四川省地震局地震監(jiān)測中心對該電源系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。使用了基于AC-DC原理研制的直流電源設(shè)備，改進(jìn)后的臺站電源系統(tǒng)如圖4所示。該電源的特點(diǎn)是，當(dāng)直流電源設(shè)備中的蓄電池電壓大于11.5 V時(shí)，該電源蓄電池對觀測儀器供電;當(dāng)直流電源設(shè)備中蓄電池電壓小于10.5 V時(shí)，該電源將切斷蓄電池對臺站觀測儀器供電，以保護(hù)蓄電池不至于過放電而自己受到損壞。在直流電源設(shè)備中蓄電池容量達(dá)到12V100AH時(shí)，對于由ETNA強(qiáng)震動儀器加上通信設(shè)備(Modem)組成的觀測系統(tǒng)，該直流電源設(shè)備可維持觀測系統(tǒng)工作17天左右，這比使用UPS電源系統(tǒng)有較大的優(yōu)勢。該設(shè)備的功耗為15 W，功率因數(shù)=有功功率/視在功率=0.5。顯然，原來的UPS電源系統(tǒng)在3只12V65AH電池支持觀測系統(tǒng)工作3天，相比之下，該電源的轉(zhuǎn)換效率有了較大提高。

圖3 技術(shù)改進(jìn)后的強(qiáng)震動臺網(wǎng)系統(tǒng)工作框圖

圖4 改進(jìn)后的臺站直流電源系統(tǒng)框圖

2.3 臺網(wǎng)管理軟件

由于通信方式的改進(jìn)，使得智能化臺網(wǎng)管理成為可能。四川省地震局?jǐn)?shù)字強(qiáng)震動臺網(wǎng)使用的智能化強(qiáng)震動臺網(wǎng)管理軟件提供了強(qiáng)震動儀采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)的功能，并將在地震發(fā)生時(shí)產(chǎn)生事件文件自動上傳至數(shù)據(jù)接收中心的數(shù)據(jù)服務(wù)器，路由器通過專網(wǎng)或internet將數(shù)據(jù)傳到臺網(wǎng)中心，臺網(wǎng)中心能夠和強(qiáng)震動儀進(jìn)行通信，并且可實(shí)時(shí)監(jiān)控強(qiáng)震動儀的狀態(tài)。如果有儀器報(bào)警或地震事件產(chǎn)生，路由器就自動將報(bào)警或事件文件上傳至臺網(wǎng)數(shù)據(jù)接收中心。在進(jìn)行人工遠(yuǎn)程臺站日常檢查工作時(shí)，只需向相關(guān)臺站發(fā)出檢查指令，遠(yuǎn)端臺站路由器將驅(qū)使臺站觀測設(shè)備進(jìn)行自動檢查測試，并在隨后自動將相應(yīng)測試事件以及形成的日常檢查表格上傳至臺網(wǎng)中心。

3 結(jié)語

大規(guī)模的強(qiáng)震動臺網(wǎng)技術(shù)系統(tǒng)涉及到硬件、軟條件的支持，如何協(xié)調(diào)該技術(shù)系統(tǒng)的軟、硬件以及相應(yīng)的管理體系是臺網(wǎng)管理的關(guān)鍵，四川省地震局地震監(jiān)測中心在此領(lǐng)域進(jìn)行了一些有益的探索。四川省地震局地震監(jiān)測中心經(jīng)過這些年的工作實(shí)踐，目前來看得到了管理應(yīng)用上的初步成效，而上述的技術(shù)系統(tǒng)的改進(jìn)效果還有待時(shí)間的驗(yàn)證。

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