地震前兆儀器網(wǎng)絡(luò)通信單元運(yùn)行效能提升

瞿 旻 戴 波 單 菡 宮 杰

（中國(guó)南京 210014江蘇省地震局）

地震前兆儀器網(wǎng)絡(luò)通信單元運(yùn)行效能提升

瞿 旻 戴 波 單 菡 宮 杰

（中國(guó)南京 210014江蘇省地震局）

介紹地震前兆儀器網(wǎng)絡(luò)通信單元硬件及程序工作原理，對(duì)影響前兆儀器網(wǎng)絡(luò)通信單元運(yùn)行性能的常見原因進(jìn)行分析，包括：系統(tǒng)供電環(huán)節(jié)、模塊環(huán)節(jié)、工控機(jī)接口環(huán)節(jié)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)環(huán)節(jié)。作者對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)中存在的故障進(jìn)行分析，并在結(jié)合運(yùn)行原理及實(shí)踐總結(jié)的基礎(chǔ)上，提出并實(shí)施技術(shù)解決方案，有效提高了前兆儀器網(wǎng)絡(luò)通信單元的運(yùn)行效能。

地震前兆網(wǎng)絡(luò)通信單元；工作原理；運(yùn)行效能；技術(shù)實(shí)現(xiàn)

0 引言

目前，“十五”地震前兆儀器囊括電磁、形變、流體3大學(xué)科各種手段，地震專業(yè)儀器也由原來的人工模擬日均采樣發(fā)展到全自動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)化的分、秒采樣，全方位、多角度地為地震分析預(yù)報(bào)工作提供詳實(shí)可靠的前兆數(shù)據(jù)（曲利等，2012）?，F(xiàn)階段地震前兆儀器按功能可以分為3部分：傳感器、數(shù)據(jù)采集器和網(wǎng)絡(luò)通信單元。傳感器將測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)換為模擬量電信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)采集器，經(jīng)信號(hào)放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換后，將數(shù)據(jù)通過串口傳輸至網(wǎng)絡(luò)通信單元，網(wǎng)絡(luò)通信單元負(fù)責(zé)外設(shè)管理、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和通信（滕云田等，2002）。從各類地震前兆觀測(cè)儀器的性能上看，傳感器技術(shù)及信號(hào)處理技術(shù)經(jīng)過“九五”項(xiàng)目運(yùn)行，發(fā)展的較為成熟；網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)由于自身的通用性和應(yīng)用環(huán)境的不同，在不同地震前兆觀測(cè)儀器中的應(yīng)用效果各不相同。在數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢(shì)下，地震前兆觀測(cè)儀器的網(wǎng)絡(luò)通信效能直接影響了地震觀測(cè)數(shù)據(jù)的有效性與及時(shí)性，可以說前兆儀器網(wǎng)絡(luò)通信單元的運(yùn)行水平?jīng)Q定了地震前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。

截至2015年底，江蘇省地震前兆臺(tái)網(wǎng)各類在運(yùn)行前兆觀測(cè)儀器共254套，均使用網(wǎng)絡(luò)通信單元實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能。隨著近年來各種大型建設(shè)項(xiàng)目的陸續(xù)開展，地震前兆觀測(cè)儀器數(shù)量逐年增加，為保證儀器連續(xù)、穩(wěn)定的高質(zhì)量數(shù)據(jù)產(chǎn)出，江蘇省地震局技術(shù)運(yùn)維人員通過各種方式的技術(shù)改進(jìn)，保障了網(wǎng)絡(luò)通信單元正常運(yùn)行（江昊琳等，2014），提高運(yùn)行效能。

1 硬件構(gòu)成

地震前兆網(wǎng)絡(luò)通信單元的硬件構(gòu)成有2種：①基于ARM+DSP架構(gòu)的開發(fā)板（瞿旻等，2013），該類型網(wǎng)絡(luò)通信單元在運(yùn)行觀測(cè)儀器數(shù)量少，技術(shù)應(yīng)用時(shí)間短，不作為本文研究對(duì)象；②由PC104、電源適配器和DC/DC模塊3個(gè)部分組成的網(wǎng)絡(luò)通信單元，如

圖1所示，電源適配器把220 V交流電轉(zhuǎn)換成12 V直流電，DC/DC模塊把輸入的12 V直流電轉(zhuǎn)換成5 V電壓，提供給PC104（即工控機(jī)），PC104提供豐富的外設(shè)接口，包括：USB接口、打印接口、顯示器接口、網(wǎng)口、鼠標(biāo)接口、鍵盤接口、串口等。

地震前兆儀器網(wǎng)絡(luò)通信單元采用嵌入式系統(tǒng)PC104，具有較高集成度，外型緊湊小巧，低功耗、成熟的標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)，以及專業(yè)設(shè)計(jì)、專業(yè)生產(chǎn)帶來的高可靠性等特點(diǎn)，兼容PC的軟件、硬件、外設(shè)，開發(fā)工具比其他體系豐富、便宜，并且對(duì)系統(tǒng)維護(hù)具有廣泛技術(shù)支持，利于擴(kuò)展、升級(jí)和系列化（王蘭煒等，2008）。

PC104總線信號(hào)與ISA總線相同，各個(gè)接口地址和定義，如打印口寄存器、串行口數(shù)據(jù)和狀態(tài)寄存器、中斷號(hào)和入口地址、DMA操作方式與通用微機(jī)完全相同，程序設(shè)計(jì)也是一致的（滕云田等，2002）。PC104硬件結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 網(wǎng)絡(luò)通信單元硬件結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of network communication unit hardware structure

圖2 PC104硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure block diagram of PC104

網(wǎng)絡(luò)通信單元采用精簡(jiǎn)版Windows 98作為操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，可以高效管理各種端口、外設(shè)和系統(tǒng)內(nèi)存，執(zhí)行多任務(wù)，用戶接口VI簡(jiǎn)單，編程方便，用戶界面友好。

2 網(wǎng)絡(luò)通信單元效能影響環(huán)節(jié)

常見網(wǎng)絡(luò)通信單元技術(shù)故障有：電源適配器損壞、應(yīng)用程序無響應(yīng)、存儲(chǔ)卡損壞、存儲(chǔ)卡容量不足、PC104時(shí)間錯(cuò)誤等，可歸為系統(tǒng)供電環(huán)節(jié)、模塊環(huán)節(jié)、工控機(jī)接口環(huán)節(jié)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)環(huán)節(jié)的技術(shù)故障。下文對(duì)比常見故障進(jìn)行技術(shù)分析，并提出相應(yīng)改進(jìn)方法。

2.1 系統(tǒng)供電環(huán)節(jié)

目前網(wǎng)絡(luò)通信單元系統(tǒng)供電采用電源適配器實(shí)現(xiàn)，大部分電源適配器為采用輸入100—240 V/0.2 A/50—60 Hz交流、輸出12 V/3 A直流的開關(guān)電源。根據(jù)日常維護(hù)實(shí)踐總結(jié)，造成該環(huán)節(jié)故障的原因有：①長(zhǎng)期滿載運(yùn)行，內(nèi)部元器件老化；②觀測(cè)環(huán)境溫度過高，導(dǎo)致開關(guān)電源超過工作溫度范圍運(yùn)行；③灰塵過多沉積，引發(fā)故障隱患；④諧波影響。

從開關(guān)電源損壞的外在因素分析，選擇合適的開關(guān)電源，在滿足功率需求的前提下，

應(yīng)選擇符合安全規(guī)定及電磁兼容（EMC）認(rèn)證的開關(guān)電源。目前國(guó)內(nèi)開關(guān)電源市場(chǎng)魚龍混雜，選擇高質(zhì)量的開關(guān)電源應(yīng)該考慮：抗干擾性能好，可靠性能高；直流紋波小；工作溫度低；絕緣性能好；具有短路保護(hù)、過載保護(hù)、過電壓保護(hù)功能。

從江蘇地區(qū)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)看，該地區(qū)空氣濕度大、夏季炎熱，大部分臺(tái)站為無人值守臺(tái)站，且大部分未安裝空調(diào)。這些因素導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信單元系統(tǒng)供電模塊的長(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，加速設(shè)備老化，從而引發(fā)各類相關(guān)故障。

為了提升系統(tǒng)供電穩(wěn)定性和效能，可以采用以下方法進(jìn)行技術(shù)保障：①定期更換開關(guān)電源，周期約為2年；②定期對(duì)無人值守臺(tái)站進(jìn)行巡檢，及時(shí)清理臺(tái)站環(huán)境，有條件時(shí)可對(duì)儀器內(nèi)部進(jìn)行初步的除塵處理；③有條件的臺(tái)站可考慮夏天時(shí)用空調(diào)降溫除濕，改善儀器運(yùn)行環(huán)境。

2.2 模塊環(huán)節(jié)

工控機(jī)PC104采用5 V供電，前兆網(wǎng)絡(luò)通信單元內(nèi)部的DC/DC模塊把輸入的12 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V電壓。對(duì)DC/DC模塊的技術(shù)分析，需要考慮其輸出特性，如輸出電壓精度、負(fù)載效應(yīng)、源效應(yīng)、紋波及噪聲、溫度系數(shù)、隔離電壓、存儲(chǔ)溫度、相對(duì)濕度、工作溫度、最大殼溫等。通常所選DC/DC模塊應(yīng)達(dá)到以下要求，見表1。

表1 DC/DC模塊選型參數(shù)Table 1 DC/DC module selection parameters

可用萬用表電壓檔分別測(cè)量DC/DC模塊的輸入、輸出端，以確定DC/DC模塊好壞。

影響DC/DC模塊運(yùn)行的因素主要有：模塊老化造成工控機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定，雷雨天氣時(shí)的瞬時(shí)過電壓過電流，瞬間外部供電故障（農(nóng)電不穩(wěn)定、UPS故障等）。為了提升DC/DC模塊的運(yùn)行效能，可以采用以下方法進(jìn)行技術(shù)保障：①定期巡檢儀器，測(cè)量供電運(yùn)行時(shí)DC/DC模塊的輸出端電壓，當(dāng)壓降≥3%時(shí)應(yīng)及時(shí)更換；②為臺(tái)站供電系統(tǒng)安裝多級(jí)配電避雷器（瞿旻等，2013），并保證良好接地，可降低雷雨天氣時(shí)感應(yīng)雷的影響；③在臺(tái)站UPS輸入前端安裝專業(yè)交流穩(wěn)壓電源，以保障外部交流供電的穩(wěn)定性。

2.3 工控機(jī)接口環(huán)節(jié)

在某些情況（如雷擊、電源不穩(wěn)定、操作不當(dāng)?shù)龋┫?，可造成通信單元網(wǎng)絡(luò)接口和串口的損壞，可造成Windows系統(tǒng)無法加載串口配置文件，也會(huì)造成串口故障。這時(shí)只能通過以下方法進(jìn)行故障恢復(fù)：檢查串口芯片各引腳的輸入輸出是否在芯片的技術(shù)要求正常范圍以內(nèi)，對(duì)故障的串口芯片進(jìn)行焊接更換或更改工控機(jī)應(yīng)用程序通信串口配置文件。

為提升接口環(huán)節(jié)的運(yùn)行效能，主要技術(shù)保障方法與DC/DC模塊相同，需要技術(shù)人員對(duì)各類前兆儀器的串口通信芯片的定義較為熟悉。

2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)環(huán)節(jié)

前兆儀器網(wǎng)絡(luò)通信單元的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)主要依托于工控機(jī)上的CF存儲(chǔ)卡實(shí)現(xiàn)。CF卡采用閃存（flash）技術(shù)，是一種穩(wěn)定的存儲(chǔ)解決方案，不需要電池來維持其中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。

對(duì)所保存的數(shù)據(jù)來說，CF卡比傳統(tǒng)的磁盤驅(qū)動(dòng)器安全性和保護(hù)性都更高；比傳統(tǒng)的磁盤驅(qū)動(dòng)器及Ⅲ型PC卡的可靠性高5到10倍，而且CF卡的功耗僅為小型磁盤驅(qū)動(dòng)器的5%（尹承俊等，2006）。

CF插槽分2排共50根針腳，多次拔插容易造成損害，所以在更換CF卡時(shí)應(yīng)當(dāng)小心操作，避免損壞針腳。

通常數(shù)據(jù)存儲(chǔ)環(huán)節(jié)故障會(huì)造成以下現(xiàn)象：①PC104無法啟動(dòng)，上電后無法進(jìn)入Windows系統(tǒng)，自檢不通過，提示硬盤錯(cuò)誤；②無法加載相關(guān)前兆應(yīng)用程序，無法提供Wed網(wǎng)頁(yè)服務(wù)、FTP服務(wù)等；③可以加載前兆應(yīng)用程序，但是程序運(yùn)行出現(xiàn)BUG，導(dǎo)致前兆數(shù)據(jù)紊亂。

以上幾種情況一般通過更換CF卡進(jìn)行排除，可以通過儀器廠家更換儲(chǔ)存卡或CF卡“對(duì)拷貝”的方式完成?！皩?duì)拷貝”的主要方法是：將一臺(tái)支持IDE接口的計(jì)算機(jī)安裝GHOST軟件，通過CF/IDE轉(zhuǎn)接卡連接本地源盤和目標(biāo)盤，在GHOST軟件中采用硬盤到硬盤對(duì)拷模式，完成CF卡拷貝。

3 應(yīng)用效果

江蘇省地震局自2011年底起，逐步開展提升地震前兆儀器網(wǎng)絡(luò)通信單元運(yùn)行效能的若干措施，主要有：①每年開展1次臺(tái)站巡檢，巡檢時(shí)的工作包括：清理臺(tái)站環(huán)境，對(duì)灰塵較多的儀器進(jìn)行初步的簡(jiǎn)易除塵，用萬用表檢查主要供電模塊的輸出電壓；②改善儀器運(yùn)行環(huán)境，有人值守專業(yè)臺(tái)站儀器室均配備空調(diào)，減少了高溫導(dǎo)致的儀器故障次數(shù)；③逐步對(duì)臺(tái)站進(jìn)行綜合防雷改造，為臺(tái)站供電系統(tǒng)安裝多級(jí)避雷，以及專業(yè)線路清理；④省地震局維修團(tuán)隊(duì)內(nèi)部進(jìn)行PC104系統(tǒng)維護(hù)技術(shù)及CF卡維護(hù)技術(shù)的總結(jié)與培訓(xùn)，提高維修技術(shù)水平，縮短網(wǎng)絡(luò)通信單元的修復(fù)周期。

通過對(duì)2009—2015年江蘇省地震局前兆觀測(cè)儀器維護(hù)日志的整理，統(tǒng)計(jì)每年網(wǎng)絡(luò)通信單元的故障次數(shù)，見表2。

表2 2009—2015年江蘇省地震局地震前兆儀器網(wǎng)絡(luò)通信單元故障次數(shù)Table 2 Failure times of the network communication unit for earthquake precursor instrument in Jiangsu Province between 2009 and 2015

從表2可以看出，2012年以前，江蘇省地震前兆儀器網(wǎng)絡(luò)通信單元的年故障次數(shù)在15次以上，逐步采取針對(duì)措施后，從2012年起網(wǎng)絡(luò)通信單元年故障次數(shù)穩(wěn)定在10次以下，故障率明顯下降，地震前兆儀器網(wǎng)絡(luò)通信單元的運(yùn)行效能得到較為顯著的提升。

4 結(jié)束語

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)化的地震前兆觀測(cè)儀器，網(wǎng)絡(luò)通信單元主要完成數(shù)據(jù)通信和遠(yuǎn)程控制兩大功能，在前兆觀測(cè)儀器產(chǎn)出過程中起到關(guān)鍵作用。文章對(duì)地震前兆儀器網(wǎng)絡(luò)通信單元常見故障環(huán)節(jié)進(jìn)行整理歸納，對(duì)故障機(jī)理進(jìn)行較為全面地分析，并提出解決故障的技術(shù)方案，通過江蘇地區(qū)的實(shí)踐檢驗(yàn)，較好地提升了地震前兆儀器網(wǎng)絡(luò)通信單元運(yùn)行效能，保障了前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)出。

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Realization of technology on the improvement of operational effi ciency of the network communication unit for earthquake precursor instrument

Qu Min，Dai Bo，Shan Han and Gong Jie
(Earthquake Administration of Jiangsu Province,Nanjing 210014,China)

In this paper,the working principle of hardware and software of the network communication unit of the earthquake precursor instrument is introduced.Then the common cause,which have bad influence to operational efficiency of the network communication unit for earthquake precursor instrument are analyzed.These common causes include system power supply,DC/DC modular,the interface of IPC,and data storage.Then the fault in each link analyzed.Finally,combining operation principle and practice summary,technique solutions for each fault are proposed.These technique solutions effectively improved the operational effi ciency of the network communication unit of the earthquake precursor instrument.

network communication unit of the earthquake precursor instrument，working principle，the operational effi ciency，technology realization

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.05.028

瞿旻（1983—） ，男，江蘇南京人，碩士，工程師 ，主要從事地震觀測(cè)設(shè)備運(yùn)維及相關(guān)研究工作

中國(guó)地震局三結(jié)合課題（編號(hào)：1630404）

本文收到日期：2016-06-17