流動觀測儀器設備安裝與數據傳輸的技術分析

廖春奇 林木金

摘? 要：地震流動觀測因受場地條件影響，場地噪聲水平相對較高，為了獲得更好的觀測數據，流動觀測儀器安裝調測是地震應急和科學實驗中至關重要的工作之一，直接影響到觀測數據質量，儀器架設質量關系到數據的可用性;儀器安裝除做好人員和外界振動干擾的隔振處理基本觀測要求外，還應盡量地做好減少環(huán)境因素所帶來的干擾，處理好防潮保溫以及氣流擾動是流動觀測所應解決的觀測質量提升要求。從實驗比測中做好防護處理的觀測數據具有量級的提升。觀測數據的實時傳輸為地震應急策略響應與科學實驗實時計算分析保障。地震應急策略響應對實時性要求極高，信息量與決策反應成正相關，為地震救災和地震趨勢判斷提供判斷依據?？茖W實驗實時解算要求實時傳輸的數據量應滿足觀測所產生總數據量的95%，數據缺失則無法對觀測效果進行實時評估，同時通過實時數據分析可實時掌握設備的運行狀態(tài)，以保證觀測數據當前和未來的科學研究使用的真實可用性。

關鍵詞：儀器安裝調測? 環(huán)境干擾? 數據質量提升? 實時數據傳輸? 傳輸質量

中圖分類號：P315.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）05（c）-0074-04

Technical Analysis of Mobile Observation Equipment Installation and Data Transmission

LIAO Chunqi? LIN Mujin

（fujian Earthquake agency， Fuzhou， Fujian Province，350001 China）

Abstract： Earthquake mobile observation is affected by site conditions， and the noise level of the site is relatively high. In order to obtain better observation data， the installation and commissioning of mobile observation instruments is one of the most important tasks in earthquake emergency and scientific experiments， which directly affects the observation data. Quality， the quality of the instrument installation is related to the availability of data; in addition to the basic observation requirements for the isolation of personnel and external vibration interference， the installation of the instrument should also try to reduce the interference caused by environmental factors， and handle the moisture-proof and heat preservation. Airflow disturbance is the observation quality improvement requirement that should be solved in flow observation. The observational data that has been protected from the experimental comparison has been improved by orders of magnitude. The real-time transmission of observation data is the guarantee of earthquake emergency strategy response and real-time calculation and analysis of scientific experiments. Earthquake emergency strategy response requires extremely high real-time performance， and the amount of information is positively correlated with decision-making responses， providing a basis for earthquake disaster relief and earthquake trend judgment. The real-time calculation of scientific experiments requires that the amount of data transmitted in real time should meet 95% of the total amount of data generated by the observation. If the data is missing， the observation effect cannot be evaluated in real time. At the same time， the operating status of the equipment can be grasped in real time through real-time data analysis to ensure the observation. The true availability of data for current and future scientific research use.

Key Words： Instrument installation and commissioning; Environmenta linterference; Data quality improvement; Real-time data transmission; Transmission quality

地震流動觀測通常是指地震應急流動觀測或科學實驗觀測。地震流動觀測基本為臨時觀測，對場地噪聲要求相對較低，觀測場地背景噪聲基本無法到達固定臺網水平。接收臺站與背景噪聲分布圖進一步驗證了臺站接收能力跟背景噪聲水平密切相關（[1]。低噪聲臺站固然可以提高觀測質量，但流動觀測受各種條件限制未必勘選到低噪聲（基巖）臺，是否可以通過設備安裝和防護提高觀測質量，降低場地噪聲及外界振動干擾。其中有一些是可以通過適當的安裝方法對地震計加以保護使之有效降低的，那就是氣象因素氣壓和溫度引起的噪聲[2]。通過觀測設備安裝提高觀測數據質量是地震流動觀測的一個有效途徑，比如加裝防護罩和淺層掩埋，淺層掩埋可有效降低長周期及高頻干擾[3]，提高觀測信噪比。

地震流動觀測中對于科學實驗實時獲取數據，實時進行數據分析解算，及時掌握觀測運行狀態(tài)，不斷優(yōu)化觀測方法調整觀測布局。而對于地震應急實時獲取數據有著極強的必要性，應急響應對應急信息的時效性要求是實時的，直接影響應急策略的制定。因此，要求流動觀測應具有高運行率數據連續(xù)率。地震流動觀測組建有線傳輸網絡具存在多層次困難[4]，如何通過無線傳輸是解決數據實時傳輸的根本技術要求。

地震應急流動觀測主要用于大地震前后現場地震觀測及地震現場臺站加密，目標是應急震情跟蹤、地震趨勢分析、地震活動性研究、孕震機理研究、震源構造研究、地下結構與構造研究[5]，加密觀測站點相對較少，科學實驗流動觀測需要長測線或大面積網格密集站點觀測[6]。即可以理解為能滿足科學實驗流動觀測定能滿足地震應急流動觀測。

以福建-臺灣海峽深部構造探測的臺站設備安裝和數據傳輸技術為背景，探索流動觀測技術。

1? 福建-臺灣海峽深部構造探測概況

福建-臺灣海峽深部構造探測目標是：（1）構成一條福建-海峽-臺灣完整海陸聯合觀測系統(tǒng)（2）獲取臺灣海峽結晶基底、Moho面記錄信息完整;（3）探明濱海斷裂帶深部構造。

福建省地震局自2014年起在開展福建-臺灣海峽深部構造探測，布設站點不少于40個，除40套一體化寬頻帶地震儀外，還需在10個站點增加布設一體化強震儀，數據通過無線網絡實時傳輸至臺網中心流服務器。觀測站點根據觀測需要采用測線布設或區(qū)域網格站點布設。觀測站點先在圖上作業(yè)，按觀測需要點出點位圖，標注點位的地理信息，然后依據點位的基礎信息進行臺址勘選。臺址勘選過程中應記錄場地巖性/場地類型信息，場地噪聲測試并實時處理分析[7]，對干擾較大無法滿足需重新勘選;此外還需測試通信信號強度，查看3個運營商所提供的信號強度，信號穩(wěn)定最好的將作為數據傳輸使用。臺址勘選確認后應進行場地處理，處理方式分為兩種，基巖臺若基巖面較為平整無需處理即可安裝或經過簡單鑿平即可安裝的勘選時不做處理，基巖斜面較大的處理風化表層后澆筑60 cm×60 cm的混凝土墩。土層場地的觀測墩可以埋設在堅實的土層內[8]，先預挖一個50 cm×50 cm×60 cm的基坑，基坑底部澆筑5 cm厚混凝土。臺站布設在自由場地上，臺址宜布設在平坦穩(wěn)定的一般（中硬）場地上，盡量避開局部地形變化大，平面分布上成因、巖性、狀態(tài)明顯不均勻的土層地點[9]。

2? 觀測系統(tǒng)設備安裝調測

觀測設備系統(tǒng)布設前應對地震儀器進行比測，發(fā)現一致性明顯偏差和時間精度達不到要求的將不投入使用。該文不對學科基礎性安裝要求做敘述，僅作者所認知的流動觀測特別需注意的事項進行說明。

2.1 地震專用設備安裝

地震儀安裝前應在觀測墩上標出指北方位，指北方位測量時磁性物應遠離所測位置10 m以遠，同時需加上當地的磁偏角，并做好標識。地震儀按前清理擺墩粉塵沙粒。地震儀安裝完成后應從設備頂部用力下壓，確保底腳接觸良好。

2.2 防護設備安裝

為獲取更豐富的觀測信息，流動觀測基本使用寬頻帶地震計，而寬頻帶地震計受溫度和氣流擾動影響十分敏感。通過適當的安裝方法給地震儀做好防護是流動觀測所必要的。有無防護設施通過實驗對比，做好防護后觀測質量可提高一個量級。防護設備安裝分為兩種措施。

基巖臺采用不銹鋼箱罩防護，不銹鋼箱罩為提前定制，箱體大小為80 cm×80 cm×60 cm，箱體為雙層中間間隔3 cm并充填發(fā)泡聚苯乙烯。不銹鋼箱罩安裝時反扣在地震儀上，空間保留各邊適中，并用膨脹螺栓固定箱體，以保證箱體不受外力作用時產生振動，在箱體與基巖間用防水材料進行密封處理，起防水和防氣流擾動作用。開機上電查看設備是否正常工作，檢查完成后對箱體進行堆土掩埋。

土層場地臺在預留點基坑上安裝地震儀，地震儀采用已定制好的PVC圓筒做防護，PVC圓筒大小視地震儀而定制，PVC圓筒采用雙層中間充填發(fā)泡保溫材料，頂部加裝蓋子，蓋子預留線孔，線孔需用防水橡膠圈做保護。在圓筒與觀測墩間用防水材料進行密封處理，起防水和防氣流擾動。開機上電查看設備是否正常工作，檢查完成后對圓筒進行堆土掩埋。掩埋時盡可能使用松散沙土，起隔振效果。堆土掩埋后可增加一層鋁箔氣泡隔熱膜，隔熱膜與堆土保持松散接觸，以保持水汽自然蒸發(fā)。切忌使用塑料薄膜覆蓋，塑料薄可以起防水作用，但會造成水汽無法蒸發(fā)，基坑內會形成水槽積水。

設備安裝完成后設置定時標定，標定是檢驗儀器設備安裝是否符合要求的一種自檢測方法。也是后期數據使用必要的參數。

3? 數據傳輸技術分析

陸海聯測實驗的加密臺和野外流動觀測臺實現與陸上固定臺站并網觀測，在數據分析、疊加計算和自動實時數據處理中對數據實時性傳輸要求很高，在2014年街面水庫探測前基本采用固定臺加密觀測并采用臺站的原有2M MSTP光纖傳輸，流動臺基本以本地記錄觀測為主，有少部分流動測線臺采用無線傳輸;數據無線傳輸經歷了3個實驗性階段：2012年前為第一階段的串口傳輸，該傳輸方式一旦信號不穩(wěn)數據端口就造成堵塞，這個通信鏈路就處于癱瘓狀態(tài)，需人工重啟通信設備。第二階段VPN網絡傳輸（2012—2013年），VPN網絡傳輸具有全雙工通信，傳輸明顯優(yōu)于串口傳輸，但在VPN撥號困難，一旦掉線重新撥號需耗費一定的時長，且不同的運營商存在撥號困難，往往需要多次撥號才可進行鏈路建立，從整體運行率統(tǒng)計也及不理想。2014年6月無線傳輸方式采用VPDN+MPLS，該傳輸方式有優(yōu)點明顯，可實現透明傳輸，實現遠程管理，但在信號質量較弱的地方受到制約，傳輸效果一般。特別是跨運營商之間的網關，斷線重連出現較長時的數據丟失。特別是同一站點布設2～3套儀器數據量較大的效果更差。

眾所周知，基于TCP/IP傳輸協(xié)議網路間有個應答關系，鏈路開銷大，是否可以使用其他通信協(xié)議，也可以從協(xié)議結構來分析，TCP/IP傳輸協(xié)議嚴格來說是一個4層的體系結構，應用層、傳輸層、網絡層和數據鏈路層都包含于其中，而UDP也包含了傳輸層協(xié)議，它們都是點到點的傳輸層協(xié)議，UDP提供的是無連接的不可靠的數據報傳輸服務。那么基于TCP/IP協(xié)議的傳輸無法滿足數據實時處理要求，是否可以通過UDP協(xié)議傳輸。

首先，需通過無線信號質量測試，福建沿海三大運營商信號差別不大，內地個別運營商基本沒有信號。因此，在無線路由設備選型上有了較明確的目標。從市場調研看目前市面上的無線路由器僅具備雙卡功能，但雙卡無法進行網絡自動切換，從全省無線信號實測情況山區(qū)常出現各運營商的信號不穩(wěn)，這就要求無線路由器必須具備網絡自動切換，當某個運營商信號較強時自動切換到該頻道進行數據傳輸。經設備選型后研究人員對該無線路由器進行二次開發(fā)，經二次開發(fā)后該路由器除具備一般路由功能外增加了以下功能：（1）網絡自動切換撥號功能;（2）強制2G/3G功能;（3）多地址服務功能。

其次，需進行數據傳輸DSQ測試。數據傳輸DSQ測試應要有特定的針對性，對無線信號優(yōu)良差的均應進行測試，從以往的觀測站點中選取4個，優(yōu)和良信號站點各1個、信號質量差點選取2個站點，信號優(yōu)和良的站點各布設1套通信設備和兩套觀測設備、信號差的站點布設2套通信設備和2套觀測設備，在中心專門建1個服務器進行數據接收，4套測試設備各發(fā)往4個靜態(tài)IP地址，通過數據傳輸DSQ測試分析，該傳輸質量良好，信號質量差的站點運行率也可到達86%，因此有值得繼續(xù)研究下去。

單純使用UDP協(xié)議存在幾個困難：（1）無法完成多個參與者的會話;（2）幾十套觀測儀器的數據如何區(qū)分并使相應的數據存入相應的通道。要解決這兩個問題必須要有一個多參與者會話且容易擴展，這就要引入另外一個通信協(xié)議，經查閱SIP（Session Initiation Protocol）是一個應用層的信令控制協(xié)議。用于創(chuàng)建、修改和釋放一個或多個參與者的會話。如何將UDP+SIP傳輸結合在服務器端開發(fā)一套管理系統(tǒng)，管理系統(tǒng)主要目標是識別儀器的頭信息，經開發(fā)測試該軟件可滿足觀測需求，2014年11月街面水庫探測的部分流動臺進行現場工作驗證。觀測系統(tǒng)的數據傳輸僅需做簡單設置即可。所有一體化地震儀的IP地址統(tǒng)一為一個地址（192.168.1.253/24），路由器設置兩個公網地址，電信和移動各一個公網地址，同時路由器還應設置當某個運營商地址端口無數據傳輸時長超180 s即自動切換到另外一個地址進行數據傳輸。路由器參數設置采用統(tǒng)一化，設置可直接導入無需做任何修改，極大地提高了工作效率。觀測數據通過UDP拋送到服務器端，服務器通過解讀設備頭信息的識別號進行數據歸存，數據流服務無出現錯亂現象。經該次探測對比20個UDP+SIP的傳輸明顯優(yōu)于20個VPDN+MPLS。

2015年陸海聯測流動臺觀測繼續(xù)采用UDP+SIP傳輸，并在長江科學實驗中將傳輸端口指向技術改進，流動臺運行率基本達到測震臺網的觀測技術要求。2017年流動臺運行率已達96.9%。同時在觀測系統(tǒng)運維體系上做了科學系統(tǒng)分析，經過實踐，逐步形成了規(guī)范化的運維體系。

4? 結論與討論

該文利用福建陸海聯測流動臺的觀測設備安裝的實踐得到了一套較為完整可行的觀測技術性系統(tǒng)，較好地解決了寬頻帶地震計易受環(huán)境因素干擾，通過噪聲測試分析較大地提高了觀測信噪比，降低了因氣流擾動產生的干擾和溫度變化帶來的儀器零漂。除了適應南方的高濕高溫氣候，也適用于氣候寒冷地區(qū)。作為地震儀防護設備在地震應急流動觀測中可直接投入使用，無需做任何修改。

通過福建陸海聯測流動臺數據傳輸技術的改進，該技術系統(tǒng)在無線數據傳輸中較為便捷實用，串口數據傳輸已被現有技術淘汰，VPN網絡傳輸存在撥號困難，特別是跨不同運營商之間，撥號困難必定造成數據丟失，特別是在地震應急流動觀測必然給決策造成信息不全，無法全信息量分析決策。VPDN傳輸方式雖有一定的優(yōu)勢，可實現透明傳輸，實現遠程管理，但在信號質量較弱的地方受到制約，傳輸效果一般，而且費用較高。UDP+SIP傳輸實現組網靈活、數據補傳、弱信號地區(qū)優(yōu)點明顯，費用低。實際應用中無需繁雜的參數設置。占用網絡資源少，特別是在地震應急時優(yōu)勢更為明顯，當地震發(fā)生時必定會出現網絡資源被大量占用，或是在震區(qū)網絡資源將出現更為緊張，TCP/IP協(xié)議的傳輸模式需要更多資源開銷時，無線數據傳輸資源必定被擠占，而UDP協(xié)議只管往服務端拋送數據，中心接收端或災備接收端的資源基本能得到保證，完全可保證拋送過來的數據接收正常，這就為數據完整提供了重要保證。當然，未來5G普及后以何種方式傳輸數據將是筆者需要探索的方向。

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