ELF電磁儀遠程控制和數(shù)據(jù)傳輸及編譯的實現(xiàn)①

高曙德, 狄國榮, 蘇永剛, 高　原, 張　磊, 梅東林, 陳彥平

(甘肅省地震局,甘肅 蘭州 730000)

ELF電磁儀遠程控制和數(shù)據(jù)傳輸及編譯的實現(xiàn)①

高曙德, 狄國榮, 蘇永剛, 高原, 張磊, 梅東林, 陳彥平

(甘肅省地震局,甘肅 蘭州 730000)

摘要:“十五”建設的ELF臺站均敷設ACF-4M型電磁儀，記錄到多次地震前后的電磁異常變化，但該儀器沒有實現(xiàn)自動化。本文介紹ELF儀器的遠程控制和數(shù)據(jù)傳輸以及原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的研制方案。由于ELF記錄儀無法接入因特網(wǎng)，要遠程觸發(fā)ELF儀器必須有中間設備，首先遠端計算機通過互聯(lián)網(wǎng)控制局域網(wǎng)計算終端，通過局域網(wǎng)計算終端運行SM27.exe工作程序來觸發(fā)并通過相應程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸；將ELF記錄儀采集到的時間序列信號(*.SBF數(shù)據(jù)格式)、儀器本身的參數(shù)信息和采集狀態(tài)信息依據(jù)其編碼規(guī)則轉(zhuǎn)換成通用的數(shù)據(jù)格式導出，將計算的功率譜、阻抗、阻抗相位文件以優(yōu)勢頻率或任意頻率形成時間序列文件進行分析，提高ELF觀測資料的應用效率，加快觀測電磁數(shù)據(jù)的使用效率。

關鍵詞:ELF電磁觀測; 遠程控制; 數(shù)據(jù)傳輸和編譯

0引言

地震災害是造成傷亡人數(shù)最多的自然災害,約為全球災害的54%。盡管地震預測是當今世界最嚴峻的科學難題之一,但人們?nèi)匀煌度肓司薮蟮木ζ溥M行研究[1-3]。大量觀測研究發(fā)現(xiàn),在地震發(fā)生前存在電磁異?，F(xiàn)象,頻段范圍從甚高頻(VLF)至低頻(TLF)及直流(DC)各頻段,且異常信息顯著[4-5]。近年來許多多震國家,如日本、前蘇聯(lián)、希臘及我國均已開展有關研究,是當今地震預測領域的熱點研究課題[6-20]。

2007年我國從俄羅斯引入12套ELF(極低頻)電磁觀測儀器。在觀測試驗期間，甘肅隴南漢王臺、新疆烏魯木齊臺、云南通海臺等地震臺站觀測到汶川8.0級地震及一系列地震前、后觀測的電磁場脈沖異?，F(xiàn)象，為地震電磁研究提供了典型震例。近年來，隨著我國城鄉(xiāng)建設的快速發(fā)展，地震觀測環(huán)境遭到了嚴重破壞，從而影響了正常觀測，如隴南武都漢王ELF電磁臺的觀測環(huán)境受蘭渝鐵路和武(都)罐(子溝)高速公路的建設、5·12地震災后重建等影響而遭到嚴重破壞(大部分ELF也面臨相同的境遇)；還有部分臺站在電磁場背景變化分析中發(fā)現(xiàn)電場觀測數(shù)據(jù)干擾很大，如江蘇南京臺的東西道電場、烏魯木齊臺的南北道電場、海南瓊中臺的東西道電場和河北紅山臺的兩道電場，這是由于電場信號具有更強的局部效應，周圍各種人文干擾的影響也較大。中國地震局地質(zhì)研究所、地震預測研究所和甘肅省地震局的電磁專家高度重視這些電磁觀測環(huán)境遭受的干擾破壞，以期尋求解決的辦法。

1遠端控制的設計思路和實施方案

1.1需求背景

依據(jù)地震臺站電磁觀測環(huán)境技術要求[21]，敷設ELF觀測儀的電磁臺的最小保護范圍應不小于3 km2，但現(xiàn)有的ELF電磁觀測臺站很難滿足該項條件。地震觀測儀器經(jīng)“十五”、“十一五”改造后，數(shù)據(jù)都通過網(wǎng)絡傳輸，觀測人員大部分集中在信息節(jié)點所在地工作，而這些地方相對人文活動頻繁、干擾較大，不適應ELF電磁觀測；在這種情況下只有選擇相對偏僻、電磁噪聲較小的地域，采用無人值守的方式開展工作。ELF電磁儀器前期主要用于勘探地下金屬礦藏和地下結(jié)構，設計時只考慮了現(xiàn)場操作功能，未考慮對儀器的遠程控制，因此在使用時必須進行人工啟動，在局域網(wǎng)內(nèi)進行觀測設置和人工收取資料，這要求每天都要有人值守。要實現(xiàn)ACF-4M型ELF電磁儀遠距離的監(jiān)控和數(shù)據(jù)的傳輸，首先要解決ELF儀器的遠程控制問題，其次解決數(shù)據(jù)的傳輸和編譯問題。

1.2設計思路

圖1為筆者對此問題作出的三部規(guī)劃:(Ⅰ)數(shù)據(jù)控制中心;(Ⅱ)ELF觀測站工作系統(tǒng);(Ⅲ)ELF觀測系統(tǒng)和布極圖。由于(Ⅲ)是選臺和敷設儀器時最先要解決的問題,具體請參考ELF操作手冊*ELF Noble Metal Detector (ACF-4M) Digital Four-Channel Recorder М-К4-СМ27 User Manual,ST.Petersburg state University，2006.,本文不再做詳細論述。由于ELF(M-K4-SM27)記錄儀連接外界是通過固化內(nèi)部的IP連接,要觸發(fā)ELF儀器需運行相關程序。因此要實現(xiàn)遠程控制,必須有兩套網(wǎng)絡系統(tǒng),一是遠端計算機通過互聯(lián)網(wǎng)控制局域網(wǎng)計算終端,二是通過局域網(wǎng)計算終端運行ELF的SM27.exe工作程序，設定工作時間表、有關參數(shù)以及儀器的觸發(fā)。

(1) 數(shù)據(jù)控制中心

控制中心是地震系統(tǒng)工作的主要部分，包含各監(jiān)測臺站的信息節(jié)點或中心臺站(由于觀測人員的業(yè)務技能熟練，資料處理終端就在這里集中)。ELF儀器遠端操作的主要硬件設備有遠端計算機、完善的網(wǎng)絡設備(Internet有線傳輸或無線傳輸)及不間斷電源等(圖1)；軟件部分主要是儀器控制和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，筆者主要使用TeamViewe軟件和廣州協(xié)之通信息技術有限公司的XT800軟件來連接觀測站的PCM工控機，參考閆計明[22]的設計思路，建立操作ELF電磁儀器工作流程。

(2) ELF觀測站工作系統(tǒng)

觀測站的主要設備有ELF電磁觀測儀器和觀測系統(tǒng)及PCM工控器。由于觀測站一般位于有線網(wǎng)絡通訊無法延伸和覆蓋的區(qū)域，所以要增加無線網(wǎng)絡，實現(xiàn)與遠端計算機連接。PCM工控器需要安裝操作系統(tǒng)、TeamViewe 和XT800通訊軟件以及ELF儀器的SM27工作軟件等。

1.3工作過程和測試運行

工作過程主要是通過路由器和可控單片機電路來實現(xiàn)ELF儀器和互聯(lián)網(wǎng)的連接；遠端計算通過Internet啟動TeamViewe與觀測站的PCM工控機連接(圖2)，然后遠端啟動SM27主程序，發(fā)送指令對ELF電磁進行參數(shù)設定，實現(xiàn)儀器觀測和數(shù)據(jù)的收取、存儲、處理；還可以將數(shù)據(jù)從觀測站傳送到機房數(shù)據(jù)控制中心，從而實現(xiàn)了遠端操控。

圖1　ELF電磁儀器遠端控制和觀測系統(tǒng)框圖Fig.1　Block diagram of the remote control and observation system of ELF electromagnetic instrument

圖2　TeamViewe連接遠程計算機和PCM 工控器示意圖Fig.2　Diagram of using TeamViewe to connect a remote computer and PCM industrial control device

數(shù)據(jù)的傳輸實現(xiàn):ELF儀器工作完成后，超級用戶可以直接操作，通過點對點下載數(shù)據(jù)，且具有讀寫文件的權利；而普通用戶通過儀器的主頁下載數(shù)據(jù)，且只有讀文件的權利，無寫作權利，以保證儀器正常工作。2013年2月設計完成后，在甘肅隴南中心地震臺進行了測試，儀器敷設在距離中心機房13 km的兩水應力站。經(jīng)過一年的測試,儀器性能基本穩(wěn)定，滿足日常電磁觀測的需要。

2數(shù)據(jù)編譯和不同頻率電磁信號的提取

ELF電磁儀記錄有3個頻段:高頻段D3:(1～800) Hz、中頻段D2:(1～400) Hz、低頻段D1:(0.1～40) Hz;采樣頻率分別為:3 200、1 600及160 Hz。由于采樣率高，俄羅斯科學家采用特殊的數(shù)據(jù)存儲格式(*.SBF數(shù)據(jù)格式)，使數(shù)據(jù)高度壓縮以減小存儲空間，這就限制了數(shù)據(jù)的廣泛使用。本項目對數(shù)據(jù)的存儲方式和壓縮技術進行編譯，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成通用的文本數(shù)據(jù)格式，與中國地震局的前兆數(shù)據(jù)接軌，方便科學研究。

2.1軟件設計思路和設計方法

該資料處理軟件開發(fā)環(huán)境為Visual C++6.0[23]，其功能是提取ELF(M-K4-SM27)記錄儀采集到的時間序列信號以及儀器本身的參數(shù)信息和采集狀態(tài)信息，以文本文件的形式導出，并提取SM27.exe轉(zhuǎn)換后的功率譜、阻抗、阻抗相位文件的優(yōu)勢頻率或任意頻率,形成時間序列文件以進行單獨分析。圖3是數(shù)據(jù)文件編譯和信號提取的程序設計菜單。

設計方法:本軟件采用傳統(tǒng)的軟件開發(fā)方法、自頂向下逐步求精的結(jié)構化軟件設計方法以及面向?qū)ο蟮某绦蛟O計方法。

圖3　ELF數(shù)據(jù)文件的編譯和信號提取程序設計框圖Fig.3　Program design diagrams of the ELF data compiling and signal extraction

2.2軟件結(jié)構流程圖

(1) 將ELF儀器產(chǎn)出的數(shù)據(jù)編譯，將其中要使用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化后以通用的文本數(shù)據(jù)文件格式導出，將ELF儀器產(chǎn)出的功率譜、阻抗、阻抗相位等數(shù)據(jù)以不同頻率分離提取，建立時間域的頻率文件(圖4)。

2.3菜單功能介紹

2.3.1系統(tǒng)模塊

此模塊功能為退出軟件(圖3)。

圖4　ELF數(shù)據(jù)文件的編譯和信號提取的程序流程圖Fig.4　Program flow chart of the ELF data compiling and signal extraction

2.3.2提取模塊

此模塊包括提取時間序列模塊和提取文件信息模塊。

(1) 提取時間序列模塊

將ELF(M-K4-SM27)記錄儀采集到的信號的時間序列提取并以文本文件的形式導出(圖5)。

(2) 提取文件信息模塊

將文件中包括的ELF(M-K4-SM27)記錄儀本身的信息以及采集過程的信息以文本文件的形式導出(圖5)。

(3) 提取各種頻率模塊

利用SM27.exe軟件計算甘肅隴南漢王臺電磁數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)觀測到的2個磁場分量(H1，H2)的自功率譜曲線具有很好的對應性，且在7.8、14、20、25.7、32、39 Hz等頻率或附近分別出現(xiàn)的磁場自功率譜極大值與舒曼諧振現(xiàn)象的頻率一致[19-20,24]，同時在新疆、云南及河北等多臺都有這個特點，所以將這幾組頻率定位為優(yōu)勢頻率。提取頻率模塊是將其中的優(yōu)勢頻率(舒曼諧波頻率)或任意頻率功率譜、阻抗、阻抗相位等分離出來,單獨形成時間序列文件以進行分析(圖6)。

圖5　ELF的 SBF文件轉(zhuǎn)化成ADC和mKv數(shù)據(jù)文本文件Fig.5　Screenshot of transforming the SBF file into ADC and mKv data text file

圖6　ELF譜文件抽取固定頻率文件示意圖Fig.6　Screenshot of extracting fixed frequency file from ELF spectrum file

2.3.3幫助模塊

此模塊功能為提供軟件使用幫助信息。

3結(jié)論和討論

通過對ELF電磁儀的技術改造，實現(xiàn)遠程控制和數(shù)據(jù)傳輸，擴大了工作范圍，可以選用電磁噪聲背景較小的觀測場地工作，產(chǎn)出高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，為地震科學研究提供支撐；其次實現(xiàn)了將產(chǎn)出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為通用的文本數(shù)據(jù)格式，與中國地震局前兆數(shù)據(jù)庫接軌，為更多科研人員使用該資料提供便利。

3.1實現(xiàn)了遠端操作ELF電磁儀

通過網(wǎng)絡將遠程計算機和ELF工作儀器連接起來，利用遠端計算機操作PCM工控機相關程序完成:

(1) 對儀器測量參數(shù)設定、修改、存儲;

(2) 通過網(wǎng)絡進行儀器對鐘,建立工作時間表，按照設定的時間順序儀器工作;

(3) 測量完成后，觀測數(shù)據(jù)存儲并進行初步計算，數(shù)據(jù)存儲容量至少15天;

(4) 觀測數(shù)據(jù)傳輸功能。

3.2編寫了ELF電磁儀器觀測數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化和提取程序

(1) 將SBF文件轉(zhuǎn)化成ADC和mkv兩種不同表述的數(shù)據(jù)文本文件;

(2) 生成記錄儀本身的信息以及采集過程的信息文件;

(3) 可生成優(yōu)勢頻率或所需的任何頻率功率譜、阻抗、阻抗相位文件;

(4) 幫助文本文件。

3.3電磁信號的應用前景

本文控制產(chǎn)品完成后應用到ELF觀測系統(tǒng)，可以提高電磁觀測場地工作范圍，產(chǎn)出高質(zhì)量電磁數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化后可與中國地震局地震前兆數(shù)據(jù)庫接軌，提高ELF觀測資料的應用效率、加快觀測電磁數(shù)據(jù)的應用頻度,對地震短臨監(jiān)測、預測有著實際意義;其次解決臺站人員短缺和看護問題、減小維持費用，促進防震減災工作持續(xù)發(fā)展。

致謝:控制設備研制的過程中得到中國地震局地質(zhì)研究所湯吉研究員的指導和討論，ST.Petersburg state university免費提供SBF數(shù)據(jù)文件格式，北京歐華聯(lián)有限公司工程師朱學會提供了技術咨詢,軟件部分由隴南地震臺狄國榮工程師完成,隴南地震臺參加了設備的測試工作,無償使用TeamViewe 和XT800軟件,在此表示感謝！

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The Implementation of Remote Control and Data Transmission and Compiling of the Extremely Low Frequency Electromagnetic Instrument

GAO Shu-de, DI Guo-rong, SU Yong-gang, GAO Yuan, ZHANG Lei, MEI Dong-lin, CHEN Yan-ping

(EarthquakeAdministrationofGansuProvince,Lanzhou730000,Gansu,China)

Abstract:A great number of electromagnetic abnormal phenomenon before or after earthquakes were recorded by electromagnetic instruments ACF-4M.These instruments have been installed at ELF (extremely low frequency) stations built in the 10th “Five-year Plan” period.With the development of urbanization, many observation sites cannot meet the requirements of electromagnetic observations; therefore, unattended stations with low electromagnetic background noise are needed.However, the measurement system did not achieve the required automation.This study introduces the remote control and data transmission of ELF instruments and the development plan of the original data transformation.As the ELF recorder cannot access the Internet, it is necessary to have intermediate equipment to remotely trigger the ELF instrument.The remote computer controls the local area network’s computing terminal through the Internet, and subsequently through the terminal corresponding programs run to realize data transmission.The ELF instrument can improve the application efficiency of observation data and speed up the use efficiency of electromagnetic data.

Key words:ELF electromagnetic observation; remote control; data transmission and compiling

收稿日期:①2015-04-21

基金項目:國家自然科學基金(41174059);甘肅省地震局科技發(fā)展野外站基金(2014Y03)

作者簡介:高曙德,男,副研究員.主要從事地震監(jiān)測、預報等研究。Email:gsd_gsd@126.com。

中圖分類號:P318.6

文獻標志碼:A

文章編號:1000-0844(2016)03-0471-07

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.03.0471