數(shù)字化地下流體觀測儀器故障分析

李 穎，張 蕙,程冬焱,殷偉偉,王鵬偉

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

數(shù)字化前兆觀測儀器與設(shè)備運行是否穩(wěn)定，故障處理是否及時，將直接影響前兆臺網(wǎng)整體運行質(zhì)量及觀測資料的連續(xù)性、完整性[1]。經(jīng)過“十五”數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡(luò)項目、地震背景場探測項目以及一系列后續(xù)項目的建設(shè)完成，目前，山西地下流體臺網(wǎng)有數(shù)字化觀測儀器31套，包括LN-3A和SWY-2數(shù)字水位儀、SZW-1A數(shù)字式溫度計、SD-3A測氡儀、RG-BQZ智能測汞儀、ZKGD3000地下水?dāng)?shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)、ATG-6138M痕量汞在線自動分析儀和ATG-6118H痕量氫在線自動分析儀。

據(jù)統(tǒng)計，2015-2017年，山西數(shù)字化地下流體臺網(wǎng)觀測儀器共發(fā)生故障490套次，且呈逐年遞增的趨勢，嚴重影響了觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)率和完整率。文章針對近3年來數(shù)字化地下流體觀測儀器運行中典型、頻發(fā)的故障現(xiàn)象和原因加以總結(jié)分析，為今后觀測中儀器故障的快速判定、及時修復(fù)以及日常維護提供參考，以縮短儀器維修時間，提高運行率。

1 故障儀器分析

按照故障次數(shù)及累計時間進行統(tǒng)計，2015至2017年各型號儀器故障情況如表1所示。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，流體儀器中，出現(xiàn)故障最多的為LN-3A數(shù)字水位儀和SZW-1A數(shù)字式溫度計。這是由于以上兩種型號的觀測儀器大部分是“十五”項目建設(shè)完成的，運行時間均超過10 a，探頭和部分配件出現(xiàn)了不同程度的老化，儀器運行不穩(wěn)定，抗干擾性能減弱。其中LN-3A數(shù)字水位儀已停止生產(chǎn)，設(shè)備廠家不再提供相應(yīng)的售后服務(wù)，配件購買困難，影響了儀器的維修周期，造成缺測率高、運行率偏低的局面。

表1 2015至2017年山西流體臺網(wǎng)各型號儀器故障情況統(tǒng)計表Table1 Fault statistics of various types of instruments in Shanxi fluid network from 2015 to 2017

2 故障類型分析

統(tǒng)計結(jié)果顯示，山西流體臺網(wǎng)數(shù)字化觀測儀器故障頻繁的主要原因集中在儀器主機、供電系統(tǒng)上，其次是傳感器故障、通信故障、泄流口堵塞、避雷故障以及井口裝置故障。各類觀測儀器故障導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)非正常變化形態(tài)各不相同，以高頻變化為主，也會出現(xiàn)階變、直線、趨勢性畸變等。按照故障累計次數(shù)百分比進行統(tǒng)計，如第43頁圖1所示。

2.1 主機故障

主機故障占故障總數(shù)的44.4%，故障現(xiàn)象通常表現(xiàn)為面板不顯示數(shù)字、按鍵不靈敏、接觸不良等。引起此類故障的主要原因是數(shù)采死機，故障現(xiàn)象表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)連接正常，無法采集數(shù)據(jù)，儀器主頁打不開；或者可以采集數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)顯示為NULL值或空數(shù)據(jù)，以及儀器面板燈不亮等。此類問題多數(shù)是由于數(shù)采硬件老化或者軟件存在bug所致，建議定期與儀器廠家溝

圖1 2015至2017年山西流體臺網(wǎng)儀器故障類型柱狀圖Fig.1 Column diagram of instrument failure types in Shanxi fluid network from 2015 to 2017

通，保證數(shù)采軟、硬件及時更新升級，做好備件儲備，及時更換數(shù)采配件，加強儀器運行監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)故障并處置，縮短儀器觀測數(shù)據(jù)受影響的時間。2017年6月10日，曲沃地震觀測站ZKGD3000地下水?dāng)?shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)主機數(shù)采模塊故障，無法進行數(shù)據(jù)自動交換，第二天補采前一天數(shù)據(jù)失敗。觀測員立即與廠家聯(lián)系，廠家建議對數(shù)采模塊進行軟件重裝，12日12:00-13:00進行數(shù)采升級，升級后數(shù)據(jù)仍無法交換；15日更換數(shù)采模塊后，儀器恢復(fù)正常。

引起主機故障頻繁的另外一個原因是LN-3A水位儀、SZW-1A水溫儀、SD-3A測氡儀、RG-BQZ智能測汞儀等主機內(nèi)部PC104工控機在運行過程中出現(xiàn)的工作不穩(wěn)定、死機、重啟及損壞和CF卡容量不足或損壞等。在實際工作中，當(dāng)CF卡損壞或者PC104故障后，一般會通過更換新的CF卡或者整體更換PC104工控機進行故障排除。為節(jié)約儀器維修時間，山西前兆臺網(wǎng)維修人員根據(jù)不同觀測儀器特點，利用DiskGenius軟件制作了不同儀器的CF存儲卡。2017年9月5日，鴉兒坑地震臺SZW-1A水溫儀無法連接網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)不能正常入庫。工作人員到達現(xiàn)場后，重啟主機，之前數(shù)據(jù)全部變?yōu)閬y碼，顯示器顯示CF卡損壞。更換制作好的CF卡，重新配置參數(shù)后，儀器工作正常。

2.2 供電系統(tǒng)故障

供電系統(tǒng)故障約占故障總數(shù)的31.5%。山西前兆臺網(wǎng)大部分流體臺站為無人值守模式，供電系統(tǒng)采用交流+UPS+前兆電源或者太陽能供電方式。因此，供電系統(tǒng)故障也是造成儀器故障頻繁的主要原因之一[2]。常見供電系統(tǒng)故障包括市電停電后UPS供電時間過短、供電線路老化、供電系統(tǒng)不穩(wěn)定、交直流轉(zhuǎn)換裝置故障、太陽能供電不足以及儀器內(nèi)部電源模塊故障等，這些故障會導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)高頻脈沖、臺階以及缺測等異常變化。如2016年12月7日11:31-15:10，漫水臺LN-3A水位儀因交直流切換變化導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常振蕩，變化幅度為0.072 m，這類現(xiàn)象在日常工作中比較普遍。2017年2月26日至3月2日介休LN-3A水位儀觀測曲線背景噪聲變大，不間斷出現(xiàn)突跳、毛刺多，經(jīng)現(xiàn)場排查，認為電源電容老化。更換主機電源板后，數(shù)據(jù)恢復(fù)正常(見圖2)。

圖2 介休LN-3A水位儀電源故障曲線圖Fig.2 Power failure curve of Jiexiu LN-3A water level meter

2.3 傳感器故障

傳感器故障約占故障總數(shù)的13.0%。引起傳感器故障的原因主要有兩方面，一是傳感器長期浸泡在地下流體中，易受侵蝕降低壽命；二是遭雷擊損壞。傳感器故障后，大部分需要等待廠家上門維修或者郵寄相關(guān)部件，維修周期長，且更換探頭后需要一段較長的穩(wěn)定時間[3]，對觀測數(shù)據(jù)的完整性造成無法彌補的損失。當(dāng)觀測數(shù)據(jù)動態(tài)出現(xiàn)大幅度突跳、階變、持續(xù)漂移、成片的壞數(shù)等，在排除人為干擾后，需檢查傳感器是否出現(xiàn)故障。2015年9月7日至15日，太原臺LN-3A水位儀觀測曲線出現(xiàn)錯誤數(shù)據(jù)、臺階以及不間斷數(shù)據(jù)突跳，根據(jù)經(jīng)驗判斷為水位傳感器出現(xiàn)故障，更換探頭后恢復(fù)正常(見圖3)。

圖3 太原臺LN-3A水位儀傳感器故障曲線圖Fig.3 Fault curve of the LN-3A water level meter sensor in Taiyuan station

2.4 通訊故障

通訊故障約占故障總數(shù)的4.3%，通訊系統(tǒng)故障是影響儀器正常運行的主要因素之一。目前，山西前兆臺網(wǎng)中心通訊鏈路采用100M SDH專線+VPN方式，有人值守臺站采用4M SDH專線+VPN方式，無人值守臺站采用CDMA無線方式。日常觀測中出現(xiàn)的通信系統(tǒng)故障多為無線通訊故障，通常表現(xiàn)為數(shù)據(jù)接收出現(xiàn)問題，無法接收數(shù)據(jù)。此類故障分兩種，一是無線路由器不正常，表現(xiàn)為如果停電或者模塊掉電，撥打電話就會出現(xiàn)關(guān)機的提示音。如果信號不好或者卡接觸不好，撥打電話時會出現(xiàn)暫時無法連通的提示聲；二是交換機死機、損壞或者網(wǎng)線未插好。如果無線路由器的外網(wǎng)地址可以ping通，但儀器無法連通，則可能是交換機死機、損壞，交換機和儀器的網(wǎng)線未插好，路由器和交換機的網(wǎng)線未插好，儀器死機等等。

2.5 避雷器故障

避雷故障約占故障總數(shù)的1.9%。2014至2017年，在中國地震局防雷改造專項的支持下，山西省分批次對全省臺站進行了綜合防雷系統(tǒng)改造工程，包括接地網(wǎng)、電源防雷、信號防雷等,增強了臺站綜合防雷能力。避雷裝置一旦發(fā)生故障，觀測數(shù)據(jù)會出現(xiàn)突跳、臺階或斷續(xù)缺測，固體潮不明顯的現(xiàn)象。2017年5月24日，夏縣東郭井SZW-1A型水溫儀因信號防雷器故障，觀測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)突跳形態(tài)，拆除信號防雷器后，數(shù)據(jù)恢復(fù)正常(見圖4)。

圖4 夏縣臺SZW-1A型水溫儀避雷故障曲線圖Fig.4 Lightning protection fault curve of the SZW-1A water temperature meter in Xiaxian station

2.6 井(泉)泄流口堵塞

泄流口堵塞約占故障總數(shù)的4.3%。因觀測井水中雜質(zhì)或化學(xué)成分等在泄流口不斷堆積與沉淀造成泄流口徑變小，或因人為等外界因素堵塞泄流口，會引起井水位異常上升或下降變化[4]。

2017年6月18日至7月16日，榆社紅崖頭SWY-II動水位上升0.611 m，水位數(shù)據(jù)上升到觀測以來最高值，并在1.24 m左右成直線小幅波動。臺站工作人員赴現(xiàn)場核實，經(jīng)檢查泄流裝置發(fā)現(xiàn)，下泄流口不泄流，上泄流口泄流。分析認為有雜質(zhì)將下泄流口堵塞造成水位上升到上溢流口。開啟泄流口閥門放水，有雜質(zhì)和泥沙隨井水排出，隨后水位下降(見圖5)。

2.7 井口裝置故障

井口裝置故障約占故障總數(shù)的0.6%。當(dāng)氣氡或氣汞數(shù)值突然出現(xiàn)下降，需檢查脫氣裝置進水管是否堵塞、輸氣管是否不暢或漏氣。如夏縣臺SD-3A測氡

圖5 榆社紅崖頭SWY-II水位儀泄流口堵塞曲線圖Fig.5 Outlet clogging curve of the SWY-II water level meter in Hongyatou, Yushe

儀2017年7月24日18:00至25日09:00出現(xiàn)測值下降，檢查儀器發(fā)現(xiàn)，系天氣炎熱導(dǎo)致儀器氣路進氣管松動所致，處理后測值恢復(fù)正常(見圖6)。

圖6 夏縣臺SD-3A測氡儀井口裝置故障曲線圖Fig.6 Fault curve of wellhead device of the SD-3A radon meter in Xiaxian station

3 問題與建議

觀測儀器是地震前兆觀測的核心設(shè)備，其運行狀態(tài)決定著地震前兆臺網(wǎng)的運行質(zhì)量[5]。目前，山西地下流體臺網(wǎng)數(shù)字化觀測儀器存在的主要問題：一是由于觀測儀器不同程度的老化、儀器長期穩(wěn)定性差引起的；二是流體觀測多為無人值守臺站，遇到故障不能立即發(fā)現(xiàn)和排查，影響儀器的運行率。

(1) 通過近幾年儀器更新改造項目，山西前兆臺網(wǎng)已更換了部分流體儀器，但仍有不少儀器出現(xiàn)配件老化問題，建議加大對故障頻發(fā)儀器的更新改造。

(2) 強化儀器備件管理，增加備機備件種類及數(shù)量，縮短儀器維修周期。

(3) 根據(jù)前兆儀器信號防雷器故障情況，將其列入年度購置專項，并進行動態(tài)更新。

(4) 供電系統(tǒng)的日常維護是臺站工作的重要環(huán)節(jié)，區(qū)域中心和臺站應(yīng)加強對儀器供電系統(tǒng)的巡檢，對達到使用年限的蓄電池及時進行更換，增加遠程供電管理裝置，實現(xiàn)對綜合臺站、無人值守臺站的所有儀器設(shè)備的遠程操作[6]，提高儀器運行率。

(5) 目前，山西前兆臺網(wǎng)維修人員少，維護技術(shù)力量薄弱，建議加強相關(guān)的學(xué)習(xí)、培訓(xùn)工作，提高對儀器的維修維護水平。