高頻微震震源預測系統(tǒng)設計

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(云南大學 建筑與規(guī)劃學院，昆明 650500)

0 引言

地震一直以來威脅著人們的生活以及財產(chǎn)安全，地震的防治一直以來備受關注，不同領域?qū)W者對此研究項目也加倍重視[1]。一般震源預測先對采集到的震動信號進行分析、濾波、預處理以及一系列的運算，但存在預測精度差，過程過于復雜，實用性不好，所以不適合廣泛應用[2]。通過振動信號的采集傳播過程的時間長短來得到目標位置，由于地震發(fā)生地地質(zhì)都較為復雜，此類方法震源預測精度差，只適用于較遠位置，如果所定位的目標較近，那么信號傳輸時間很短，則定位信息誤差就會較大[3-4]。

針對上述問題，提出并設計了高頻微震震源預測系統(tǒng)。通過實驗分析表明，采用改進方法設計的震源預測系統(tǒng)，其運行時間、系統(tǒng)可靠度都要優(yōu)于傳統(tǒng)震源預測系統(tǒng)，具有一定的優(yōu)勢。

1 高頻微震震源預測系統(tǒng)整體設計原理

設計的高頻微震震源預測系統(tǒng)主要由震源信息采集模塊、供電模塊、主控模塊、振動信息安全架構、通信模塊及開關量傳輸接口模塊組成。

圖1 高頻微震震源預測系統(tǒng)整體結(jié)構圖

從圖1 可以看出，通過信息采集模塊對震源信息進行轉(zhuǎn)換輸入的信息量，在通過預處理模塊進行預處理，降低無用振動信息對高頻微震震源預測系統(tǒng)的干擾，通過主控模塊完成系統(tǒng)各模塊保護功能，采用開關量輸入接口與微機高頻微震震源預測系統(tǒng)的并行接口聯(lián)接的轉(zhuǎn)換開關以及復位按鈕,或從外部引入的必須進行光電隔離的各種連片壓板以及轉(zhuǎn)換開關，開關量的輸出就是采用并行接口控制的跳閘出口、信號以及中央控制盤信號等[5]。采用通信模塊對震源預測系統(tǒng)間進行通訊聯(lián)系，資源共享及控制室遠程操作等。采用震源振動信息安全架構，提高系統(tǒng)保密性、完整性、可用性及可控性，增加高頻微震震源預測系統(tǒng)的有效性及安全性。

2 高頻微震震源預測系統(tǒng)硬件設計

2.1 主控模塊設計

在進行高頻微震震源預測系統(tǒng)設計時，要保證震源振動信息傳輸?shù)目煽啃约胺€(wěn)定性。本文選用SAM-SUNG公司生產(chǎn)的16/32位的S3C2410芯片[6]作為主控芯片。內(nèi)核采用TOA920T[7]，內(nèi)部具有2個單獨的UART控制器和分開的16 KB指令Cache及數(shù)據(jù)Cache，每個控制器支持的最高波特率為230.4 kh/s，結(jié)構如圖2所示。

圖2 主控模塊結(jié)構圖

2.2 震源振動信息采集模塊設計

高頻微震震源預測系統(tǒng)中震源振動信息采集模塊為最基礎模塊，外部PT(二次側(cè)電壓)和CT(二次側(cè)電流)模擬量，通過小型交流電壓及電流互感器轉(zhuǎn)變?yōu)?.53 V的弱電信號，對耦合和噪聲等采用輸出端并聯(lián)電容的形式，進行消除濾波，并將當前值顯示在顯示模塊中[8]。震源振動信息采集模塊結(jié)構如圖3所示。

圖3 震源振動信息采集模塊結(jié)構圖

2.3 智能震源振動信息安全架構設計

智能震源振動信息安全架構的主要用途是為了增加震源預測系統(tǒng)震源振動信息安全性能，提高繼電保護的準確性。此模塊采用MD5[8]信息關鍵詞方法產(chǎn)生的震源振動信息關鍵詞保證傳輸信息的完整性。在加密卡驅(qū)動程序驅(qū)動下，調(diào)取SEC-API的接口函數(shù)來實現(xiàn)與主控模塊間的通信，通過Socket模塊對HOST與加密模塊間的通信，再利用ODBC驅(qū)動程序選取SQL函數(shù)[9]，實現(xiàn)與震源振動信息模塊間的通信。Socket模塊完成主機間的通信任務后，通過IP地址與端口完成對HOST身份識別，采用SEC-AP提供與信息安全加密及應用程序間接口，達到優(yōu)化高頻微震震源預測系統(tǒng)的目的，智能震源振動信息安全架構結(jié)構如圖4所示。

圖4 智能震源振動信息安全架構結(jié)構圖

2.4 通信模塊設計

為了達到實時通信的要求，采用雙CPU結(jié)構進行通信。該通信模塊采用的雙CPU結(jié)構分別為通信CPU和保護CPU，通信CPU 主要根據(jù)采集的震源振動信息進行發(fā)送這種命令，以及對部分繼電保護模塊進行控制，保護CPU主要對接收到的震源振動信息進行計算和判斷，并將結(jié)果傳輸給通信CPU。雙CPU結(jié)構模式可以提高繼電保護各模塊間的通信和處理能力，由于通信數(shù)據(jù)量較大，選擇使用雙口RAM器件進行CPU間的通信，通信模塊結(jié)構如圖5所示。

圖5 通信模塊結(jié)構圖

圖5給出了設計的通信模塊結(jié)構，此模塊使用RS232和USB接口與外圍模塊進行通信連接，使用FLASH芯片和SDRAM芯片[10]對通信所需信息進行存儲及程序存儲；采用GPS模塊接收GPS脈沖對時信號，用于通信模塊數(shù)據(jù)的同步；通信CPU與保護CPU之間采用雙口RAM進行連接。

2.5 供電模塊設計

供電模塊采用+24 V，±12 V，+5 V數(shù)字電源，DC/DC的開關模式進行組建，結(jié)構如圖6所示。

圖6 供電模塊電路圖

圖6是供電模塊電路原理圖，采用第一級濾波，加入電源電路中，在其它模塊接入+24 V，±12 V，+5 V時，再加入與第一級濾波相同的第二級濾波，構成供電系統(tǒng)，避免因電源線長短，所處環(huán)境而受到干擾。

3 高頻微震震源預測系統(tǒng)軟件設計

高頻微震震源預測系統(tǒng)源代碼，如下所示：

RXAENB;

TXAFLAG = False;

{

function CProgTypeObj(vSelfId， vParentId，vDirName，vPriLevel，

vNumOfChild，vGroupID)//震源振動信息采集

this.SelfId=vSelfId;

}

this.ParentId=vParentId;

this.DirName=vDirName;//震源振動信息預處理

{

COLORREF m_clrBack; //記錄前次的震源振動信息

if(lpDIS->itemState & ODS_GRAYED&&!original_select_disabled){

if(TEMP1<30)TEMP1=0;//震源振動信息預處理

for(j=m_SubVtr.begin();j!=m_SubVtr.end();++j)

{

make distclean; //分析震源振動信息特征

make menuconfig; //限時速斷

make TARGET_ARCH=TOA;//限時限時速斷

Inverse(); //過負荷

……

}

TOATargetInit() //通信任務

{

TEMP2 = (TEMP1>>15) * (INT32U)COEF[j];

CN-Bbh110Z1 //每 4 次執(zhí)行一次

{

rdf:resource=" VL-bh110KV"/>;

}

TaskCode = TaskCode | 0x1000; //task01 檢測信息，優(yōu)先級介于 0 和 1 之間

break;

case 25:

TaskCode = TaskCode | 0x0200; //速斷

break;

default:

break;

}

}//結(jié)束

4 實驗結(jié)果分析

為了驗證改進設計的高頻微震震源預測系統(tǒng)有效性及可行性，需要進行實驗對比分析，實驗參數(shù)如表1所示。

表1 實驗參數(shù)

對于震源振動信息的采集無疑需要很多傳感器，經(jīng)過多次測試，所設計的系統(tǒng)共需要10個傳感器來采集不同位置不同頻率的振動信號，本次實驗簡單明了的將傳感器位置顯示在三維空間中，具體傳感器分布位置如圖7所示。

圖7 傳感器位置分布顯示

通過三維傳感器顯示過程，可以調(diào)傳感器位置，來采集不同區(qū)域震源信號，使得震源預測精度更為準確。

實驗以基于TOA下高頻微震震源預測系統(tǒng)、基于RSSI的高頻微震震源預測系統(tǒng)與改進系統(tǒng)為對比，進行系統(tǒng)運行時間及可靠性方面的對比實驗，結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 不同震源預測系統(tǒng)運行時間對比結(jié)果

圖9 不同系統(tǒng)可靠性對比結(jié)果

從圖8 可以看出，在震源振動信息量不定的情況下，采用基于TOA的高頻微震震源預測系統(tǒng)時，其運行所需時間隨著信息的增加而不斷提高，尤其實在震源振動信息量從0漲到60時，運行時間迅速增加，導致其平均運行時間約為47.64 s；采用基于RSSI的高頻微震震源預測系統(tǒng)時，其平均運行時間約為77.9 s，且隨著震源振動信息的增加急劇增加，雖然有出現(xiàn)運行時間降低的情況，但對整體系統(tǒng)而言未造成多大影響；采用改進系統(tǒng)時，其平均運行時間約為37.27 s，相比基于TOA的高頻微震震源預測系統(tǒng)、基于RSSI的高頻微震震源預測系統(tǒng)分別降低了10.37 s，40.63 s，具有一定的優(yōu)勢。

從圖9 可以看出，在運行時間不定的情況下，采用基于TOA的高頻微震震源預測系統(tǒng)時，其系統(tǒng)平均可靠度約為43.64，且隨著運行時間的增加而不斷提高，但在運行時間為100～140時，出現(xiàn)急劇下降，在維持短暫穩(wěn)定后，又在160～200時出現(xiàn)上升狀態(tài)，導致高頻微震震源預測系統(tǒng)穩(wěn)定性較差；采用基于RSSI的高頻微震震源預測系統(tǒng)時，系統(tǒng)平均可靠度約為53，且隨著運行時間的增加急劇增加，雖然系統(tǒng)可靠度一直在上升狀態(tài)，但其整體系統(tǒng)可靠度相比改進系統(tǒng)可靠

度較低；采用改進系統(tǒng)時，系統(tǒng)可靠度約為67.27，相比基于TOA的高頻微震震源預測系統(tǒng)、基于RSSI的高頻微震震源預測系統(tǒng)分別提高了23.63%，14.27%，且在140 s后出現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，未出現(xiàn)下降趨勢，可見改進系統(tǒng)具有一定的優(yōu)勢。

5 結(jié)論

針對傳統(tǒng)的高頻微震震源預測系統(tǒng)存在預測精度偏低運行時間較長、可靠性較低的問題，提出基于智能震源振動信息安全架構的高頻微震震源預測系統(tǒng)。詳細的分析了整體各個模塊的電路結(jié)構，給出各個模塊的電路結(jié)構圖，然后進行系統(tǒng)軟件的搭建。實驗結(jié)果標明，采用改進的高頻微震震源預測系統(tǒng)時，其運行時間、系統(tǒng)可靠度都要優(yōu)于傳統(tǒng)的高頻微震震源預測系統(tǒng)，具有很強實用性。

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