青海省地震前兆觀測(cè)儀器故障原因及影響分析

李延峰，吳哲，崔煜，趙永海

(青海省地震局，青海西寧　810001)

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青海省地震前兆觀測(cè)儀器故障原因及影響分析

李延峰，吳哲，崔煜，趙永海

(青海省地震局，青海西寧810001)

摘要：對(duì)青海省地震局前兆儀器的整體運(yùn)行情況進(jìn)行了概述，對(duì)2010～2014年期間所運(yùn)行前兆儀器出現(xiàn)的各種故障進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)、分析,發(fā)現(xiàn)故障出現(xiàn)的原因多為數(shù)采故障及供電系統(tǒng)故障等造成。對(duì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)目前儀器運(yùn)行存在的隱患、保證前兆設(shè)備正常運(yùn)行提出了解決方案。

關(guān)鍵詞：地震前兆儀器；儀器故障；青海；對(duì)策

0引言

地震前兆指地震發(fā)生前出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象，巖體在地應(yīng)力作用下，在應(yīng)力應(yīng)變逐漸積累、加強(qiáng)的過(guò)程中，會(huì)引起震源及附近物質(zhì)發(fā)生，如地震活動(dòng)、地表的明顯變化以及地磁、地電、重力等地球物理異常，地下水位、水化學(xué)、動(dòng)物的異常行為等。地震分析預(yù)報(bào)人員對(duì)地震前兆的分析和研究是基于地震前兆觀測(cè)儀器所產(chǎn)出的連續(xù)數(shù)據(jù)。目前，“十五”地震前兆儀器囊括了電磁、形變、流體三大學(xué)科的各種手段，地震專業(yè)儀器已由原來(lái)的人工模擬日均采樣發(fā)展到現(xiàn)在的全自動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)化的分鐘甚至秒采樣，全方位、多角度地為地震分析預(yù)報(bào)工作提供了詳實(shí)可靠的前兆數(shù)據(jù)。

但由于前兆觀測(cè)儀器多使用電子器械，受外界因素影響較大。青海省幅員遼闊，但前兆臺(tái)站本身較少且分布十分稀疏，部分前兆臺(tái)站周邊數(shù)百公里內(nèi)無(wú)其他前兆監(jiān)測(cè)設(shè)備，前兆儀器一旦發(fā)生故障對(duì)全年的資料來(lái)說(shuō)都有較大的影響，如果故障周期較長(zhǎng)，恢復(fù)正常觀測(cè)較慢，將對(duì)產(chǎn)出的資料產(chǎn)生難以彌補(bǔ)的損失，對(duì)用以分析、預(yù)報(bào)的使用人員來(lái)說(shuō)，使用價(jià)值就會(huì)降低很多。因此，對(duì)前兆儀器發(fā)生故障的原因進(jìn)行分析，盡量減少儀器故障的發(fā)生及縮短發(fā)生故障的周期就顯得十分必要[1-5]。

1青海省地震前兆臺(tái)站分布及運(yùn)行概況

青海省地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)基礎(chǔ)較為薄弱，前兆觀測(cè)臺(tái)站的密度為每10萬(wàn)平方千米0.6個(gè)，臺(tái)網(wǎng)布局比較稀疏，主要分布在人口密集的區(qū)域，格局相對(duì)合理。青海地震前兆臺(tái)網(wǎng)共有21個(gè)前兆臺(tái)站(圖1)，其中，省地震局所屬11個(gè)臺(tái)站，其余10個(gè)臺(tái)站為市縣所屬。

前兆臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)項(xiàng)目涵蓋形變、地磁、地電和地下流體4個(gè)學(xué)科。隨著觀測(cè)技術(shù)、信息技術(shù)的迅速發(fā)展，目前青海省地震前兆臺(tái)網(wǎng)基本實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化觀測(cè)。

“十一五”期間，青海區(qū)域地震前兆臺(tái)網(wǎng)現(xiàn)在所運(yùn)行觀測(cè)儀器數(shù)量共計(jì)達(dá)到100套、284個(gè)測(cè)項(xiàng)分量。其中，形變學(xué)科儀器17套、63個(gè)測(cè)項(xiàng)分量；重力2套、20個(gè)測(cè)項(xiàng)分量；流體學(xué)科儀器38套、43個(gè)測(cè)項(xiàng)分量；地磁學(xué)科儀器23套、71個(gè)測(cè)項(xiàng)分量，地電學(xué)科儀器9套、54個(gè)分量；輔助觀測(cè)儀器11套、33個(gè)測(cè)項(xiàng)分量。2010～2014年以來(lái)前兆運(yùn)行率總體基本保持良好(表1)。

表1

青海省2010～2014前兆臺(tái)站歷年運(yùn)行率

圖1　青海省前兆臺(tái)站分布

2青海省各前兆臺(tái)站儀器故障情況及影響分析

青海局地震局“十五”期間對(duì)原來(lái)的儀器進(jìn)行了較大調(diào)整，從“九五”期間的數(shù)字化進(jìn)化到現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)化，但自各學(xué)科前兆儀器運(yùn)行以來(lái)，總體的差異性和復(fù)雜性是明顯的，儀器的故障率受很多因素影響。本文對(duì)干擾因素進(jìn)行總結(jié)分析。

表2

青海省前兆儀器故障情況及分類

2.1對(duì)故障儀器所屬學(xué)科的分析

對(duì)青海省各前兆臺(tái)站中運(yùn)行的儀器進(jìn)行詳細(xì)整理，從中選出2010～2014年青海省各類前兆儀器出現(xiàn)的故障情況，加以匯總并對(duì)出現(xiàn)的故障及所屬學(xué)科進(jìn)行分類(表2)。通過(guò)數(shù)據(jù)可以看出，全省所有地震前兆觀測(cè)儀器中，流體臺(tái)站占較大的比例，所使用儀器最多，在所有出現(xiàn)故障的儀器中，流體學(xué)科故障率也較高，形變學(xué)科儀器故障率其次，電磁學(xué)科儀器故障率較低。前兆各測(cè)項(xiàng)儀器發(fā)生故障后，對(duì)全年產(chǎn)出的資料連續(xù)率及完整率造成較大影響。

2.2對(duì)儀器故障率的分析

從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，前兆儀器出現(xiàn)的總故障次數(shù)呈逐年遞增趨勢(shì)。其中，在2010年故障率最低，到2012年全省前兆臺(tái)站故障率最高，2013年后開(kāi)始相對(duì)穩(wěn)定。分析原因后認(rèn)為，2010年儀器架設(shè)初期，各儀器及供電系統(tǒng)能夠基本正常工作，隨著長(zhǎng)期連續(xù)不斷的使用后，在2012年多數(shù)前兆儀器開(kāi)始陸續(xù)出現(xiàn)故障，在經(jīng)過(guò)廠家及維護(hù)人員對(duì)各故障設(shè)備進(jìn)行維修及更換后，從2013年開(kāi)始全省前兆儀器出現(xiàn)故障的數(shù)量明顯下降，儀器運(yùn)行率也有較大提高。

2.3對(duì)儀器故障類型的分析

儀器發(fā)生故障的主要原因?yàn)閿?shù)采故障，其次分別為供電系統(tǒng)故障、探頭故障、通信故障及人為因素。

2.3.1數(shù)采故障

地震前兆儀器的數(shù)采出現(xiàn)的故障率較高，數(shù)采都是電子元器件構(gòu)成，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)工作，很多部件容易出現(xiàn)老化，在供電不穩(wěn)定的情況下高電壓與大電流沖擊很容易造成數(shù)采自身?yè)p壞，造成數(shù)據(jù)斷記及不可用數(shù)據(jù)，使觀測(cè)系統(tǒng)不能正常工作。而數(shù)采出現(xiàn)故障后一般需要返廠進(jìn)行維修，且維修周期較長(zhǎng)，在備用數(shù)采短缺的情況下，不能及時(shí)恢復(fù)臺(tái)站的正常觀測(cè)，對(duì)資料的連續(xù)性造成較大影響(圖2)。

圖2　數(shù)采故障造成數(shù)據(jù)影響

圖3　供電系統(tǒng)故障對(duì)數(shù)據(jù)造成影響

2.3.2供電系統(tǒng)故障

青海省多數(shù)前兆臺(tái)站分布在艱苦地區(qū)，以前在日常工作中出現(xiàn)停電的現(xiàn)象較多，有時(shí)停電時(shí)間較長(zhǎng)，而停電會(huì)造成整個(gè)前兆臺(tái)站所有觀測(cè)數(shù)據(jù)受影響甚至造成數(shù)據(jù)缺失，在“十五”項(xiàng)目中對(duì)有人值守前兆臺(tái)站供電系統(tǒng)進(jìn)行了改造，在儀器的前端加載有UPS電源，但由于日常臺(tái)站人員對(duì)UPS電源維護(hù)不到位及電瓶老化等原因，發(fā)生停電后，使用UPS電源自身配置的電瓶不能進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的供電，臺(tái)站還需要使用發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，來(lái)保障儀器的正常運(yùn)行，但在交直流切換過(guò)程中容易對(duì)前兆數(shù)據(jù)產(chǎn)生臺(tái)階、尖峰等干擾，同時(shí)對(duì)儀器自身也產(chǎn)生一定的損害(圖3)。而無(wú)人值守臺(tái)站一般出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間停電后直接造成數(shù)據(jù)缺失。因此，建立一套科學(xué)完整的地震臺(tái)站供電系統(tǒng)是前兆儀器低故障率的核心保障。

2.3.3探頭故障

前兆儀器探頭部分多為高精密機(jī)械及高精度傳感器組成，探頭部分出現(xiàn)故障時(shí)排除相對(duì)較難，且維修十分不易，部分儀器探頭與數(shù)采需要配套才能正常工作，不能隨意更換其他探頭代替。因此，當(dāng)探頭部分出現(xiàn)故障后維修周期都較長(zhǎng)，更換探頭后需要較長(zhǎng)的穩(wěn)定時(shí)間。在探頭出現(xiàn)故障時(shí)，形變類儀器如水平擺、垂直擺傾斜儀等易受地震、電路傳感器或人為因素造成靠擺及硬件故障，流體類前兆儀器如水位儀、水溫儀等長(zhǎng)時(shí)間浸泡在水中，出現(xiàn)故障多為過(guò)壓、雷擊及密封問(wèn)題進(jìn)水短路造成故障(圖4)。

圖4　探頭故障對(duì)數(shù)據(jù)影響

從圖4中可以看出，玉樹(shù)臺(tái)SSQ2型水平擺在2013年7月初探頭出現(xiàn)靠擺現(xiàn)象，在調(diào)試后儀器石英絲斷裂，出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的斷記。圖4中門源地震臺(tái)鉆孔應(yīng)變儀北東分量在2013年2月7日出現(xiàn)突升，直至3月1日，數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大的畸變及突降，而其余分量未見(jiàn)異常，數(shù)采也未出現(xiàn)故障，通過(guò)分析認(rèn)為該儀器探頭北東向出現(xiàn)故障。

2.3.4通信故障

儀器所產(chǎn)生數(shù)據(jù)需要穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，通信設(shè)備出現(xiàn)故障對(duì)無(wú)人值守臺(tái)站數(shù)據(jù)的連續(xù)率及完整率有較大影響。青海省地震局前兆臺(tái)站中有11個(gè)綜合地震臺(tái)站及區(qū)域中心采用光纖傳輸，2個(gè)市縣臺(tái)站采用DDN傳輸，5個(gè)無(wú)人值守觀測(cè)點(diǎn)采用3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸，區(qū)域中心數(shù)據(jù)庫(kù)與專業(yè)臺(tái)站數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用行業(yè)網(wǎng)IP地址，利用VPN技術(shù)連接。發(fā)生的通信故障多為無(wú)線傳輸鏈路，受供電、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商及硬件自身問(wèn)題影響較大。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2010～2014年中，因通信鏈路故障造成的數(shù)據(jù)丟失情況共出現(xiàn)11次。

2.3.5雷擊故障

雷電對(duì)地震觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)率和質(zhì)量造成較大影響。

雷擊對(duì)前兆臺(tái)站損害極大。一般地震前兆臺(tái)站受雷擊多由市電引雷造成，會(huì)導(dǎo)致專業(yè)設(shè)備及公用設(shè)備遭受雷擊故障甚至損毀。全省地震臺(tái)站近年來(lái)也多次發(fā)生雷擊造成儀器損壞及影響監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。例如，玉樹(shù)地震臺(tái)在2012年遭雷擊造成氣氡儀與水位儀故障，2012年7月，西寧地震臺(tái)地溫儀遭雷擊損壞，2013年8月門源地震臺(tái)水平擺傾斜儀遭感應(yīng)雷擊，數(shù)采在雷擊后出現(xiàn)故障，不能正常工作，也造成長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)缺失等(圖5)。

圖5　雷擊造成門源地震臺(tái)水平擺故障

3解決方法

前兆儀器種類較多，出現(xiàn)的故障率較高，如何做到降低儀器故障率，要從根本上解決問(wèn)題。通過(guò)上述出現(xiàn)的故障類型，認(rèn)為現(xiàn)階段可以有以下解決方法。

3.1保障供電的連續(xù)性及穩(wěn)定性

在供電系統(tǒng)方面，對(duì)有人值守的綜合臺(tái)站供電應(yīng)該統(tǒng)一采取交流+UPS+發(fā)電機(jī)模式，經(jīng)常檢查供電線路，及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題隱患，對(duì)UPS安裝監(jiān)控系統(tǒng)，值班人員每日定時(shí)查看監(jiān)控記錄，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，能排除的及早解決，不能排除的及早上報(bào)維護(hù)部門。定期對(duì)UPS進(jìn)行放電維護(hù)，長(zhǎng)時(shí)間的浮充會(huì)減少UPS及電瓶壽命，每年檢查電瓶電量，發(fā)現(xiàn)有個(gè)別損壞電瓶應(yīng)及時(shí)上報(bào)并更換。對(duì)無(wú)人值守臺(tái)站盡量采用交流+直流智能電源供電系統(tǒng)，采用好的直流供電智能電源對(duì)防雷及穩(wěn)壓、穩(wěn)流有明顯作用，對(duì)產(chǎn)出的數(shù)據(jù)影響很小，無(wú)人值守臺(tái)站每年需要檢查供電系統(tǒng)及線路，對(duì)出現(xiàn)隱患的供電線路及早更換。

3.2安裝完善的防雷接地系統(tǒng)

為了保障地震臺(tái)站綜合觀測(cè)技術(shù)系統(tǒng)連續(xù)可靠運(yùn)行，有效減輕雷擊災(zāi)害對(duì)我國(guó)地震臺(tái)站專業(yè)儀器設(shè)備的影響和傷害，將雷害對(duì)觀測(cè)工作造成的影響和損失減至最小程度，提高地震臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)儀器設(shè)備的運(yùn)行率和數(shù)據(jù)完整率，需要對(duì)前兆臺(tái)站進(jìn)行完善的防雷措施。前兆臺(tái)站的防雷主要采用配電線路三級(jí)防護(hù)，還要做到信號(hào)線路防護(hù)、電磁屏蔽、接地與等電位連接。

做好完善的防雷接地系統(tǒng)需要以下幾點(diǎn)：

(1)改善臺(tái)站交流配電的防雷設(shè)備設(shè)施，增加臺(tái)站交流供電鎧裝電纜入地。對(duì)部分臺(tái)站老化的供電線路進(jìn)行更換；

(2)增加通信傳輸線路及設(shè)備信號(hào)引線防雷設(shè)備；

(3)臺(tái)站電源線、儀器信號(hào)線、數(shù)據(jù)線、網(wǎng)絡(luò)線、視頻信號(hào)線等強(qiáng)弱電線路分開(kāi)及規(guī)范布設(shè)等內(nèi)容；

(4)清理現(xiàn)有接地情況，對(duì)部分接地電阻超標(biāo)較嚴(yán)重的臺(tái)站重新做接地地網(wǎng)；改進(jìn)與完善電磁屏蔽，接地極與等電位裝置。

3.3增加備用儀器

地震前兆觀測(cè)手段復(fù)雜，儀器種類繁多，每個(gè)前兆臺(tái)站安裝架設(shè)的數(shù)量也較多，在日常工作中難免會(huì)出現(xiàn)各種不可預(yù)見(jiàn)的故障情況。因此，維護(hù)部門應(yīng)當(dāng)增加各前兆學(xué)科備用儀器的種類及數(shù)量，可以保證在儀器出現(xiàn)故障且不能及時(shí)維修的情況下盡快恢復(fù)觀測(cè)，保證資料的連續(xù)、完整。對(duì)于備用設(shè)備應(yīng)當(dāng)經(jīng)常檢查、通電維護(hù)，以備不時(shí)之需。

3.4加強(qiáng)維護(hù)人員及臺(tái)站人員業(yè)務(wù)水平

儀器設(shè)備維護(hù)人員需要在故障產(chǎn)生、原因查找、排除的過(guò)程中來(lái)提高業(yè)務(wù)水平，通過(guò)總結(jié)和積累經(jīng)驗(yàn)，才能對(duì)故障精準(zhǔn)分析，解決問(wèn)題時(shí)得心應(yīng)手，手到病除[2]。

4結(jié)論

前兆資料的可用性對(duì)整個(gè)地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)來(lái)說(shuō)十分重要，關(guān)系到分析預(yù)報(bào)人員的數(shù)據(jù)使用。設(shè)備運(yùn)維的好壞、故障處理的及時(shí)與否直接關(guān)系到前兆臺(tái)網(wǎng)系統(tǒng)的整體運(yùn)行。

(1)加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)人員及臺(tái)站工作人員的責(zé)任心及業(yè)務(wù)水平，降低前兆儀器故障率是產(chǎn)出連續(xù)、可靠的前兆資料的重要保障。

(2)前兆儀器的維護(hù)經(jīng)驗(yàn)是在日常工作中日積月累形成的，是通過(guò)在故障排除過(guò)程中總結(jié)和積累的，維護(hù)人員的業(yè)務(wù)能力是前兆儀器穩(wěn)定運(yùn)行的先決條件。

(3)加強(qiáng)對(duì)維護(hù)人員及前兆臺(tái)站人員故障排查能力的培養(yǎng)，最大可能縮短故障時(shí)間，確保得到更多的實(shí)用資料。

(4)加大對(duì)地震前兆臺(tái)站的投入力度，充足的備用設(shè)備能極大減少受損失的資料數(shù)量，讓產(chǎn)出數(shù)據(jù)得到充分使用。

(5)保障臺(tái)站有個(gè)良好的供電及防雷系統(tǒng)，及時(shí)改造和更換隱患設(shè)備及線路是降低儀器故障率的前提。

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ANALYSIS ON CAUSES AND INFLUENCES OF EARTHQUAKE PRECURSOR OBSERVATION INSTRUMENT FAILURES IN QINGHAI PROVINCE

LI Yanfeng,WU Zhe,CUI Yu,ZHAO Yonghai

(EarthquakeAdministrationOfQinghaiProvince,Xining810001,China)

Abstract:The overall operation of earthquake precursor instruments in Qinghai province were summarized,and the all precursor instrument failures from 2010 to 2014 have been statistically analyzed,and found that the causes of the failures mainly are data collectors and power supply system.The countermeasures for the failures are put forward in the paper.

Key words:Earthquake precursor instrument;Failure of instrument;Qinghai;Countermeasure

中圖分類號(hào)：P315.62

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-586X(2016)01-0055-06

作者簡(jiǎn)介：李延峰(1981—)，男，青海樂(lè)都人，工程師，主要從事地震儀器維護(hù)和地震觀測(cè)系統(tǒng)保障工作。E-mail：yuki430@163.com。

收稿日期：2014-03-10