地磁秒采樣數(shù)據(jù)智能分析系統(tǒng)軟件

郅紅魁 趙彥旭 謝佳興 侯博文 劉慶華 宋建鎖

（中國河南 471023 洛陽地震臺(tái)）

0 引言

近年來，隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)全面、快速的發(fā)展，城市規(guī)模迅速擴(kuò)大，導(dǎo)致地磁觀測環(huán)境日趨惡化，干擾日益增多，如車輛影響、基建干擾、地鐵輕軌影響、高壓直流輸電影響等（陳俊等，2010a）。目前，全國在運(yùn)行200 多套地磁秒采樣儀器，觀測精度高，產(chǎn)出數(shù)據(jù)量大。觀測儀器主要是磁通門磁力儀FGM01、GM4、GM3 和FHDZ-M15 等相對記錄儀，靈敏度高，易受到各種干擾，并在一定程度上影響地磁觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量（陳俊等，2010b），同時(shí)，若儀器出現(xiàn)故障，易產(chǎn)出錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，不利于數(shù)據(jù)的正確使用。

在地磁日常觀測中，一些干擾具有臨時(shí)性、不固定性、突發(fā)性等特點(diǎn)，而地磁儀器和觀測環(huán)境不易被監(jiān)控，干擾發(fā)生時(shí)不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理，無法有效確定干擾源及成因，造成地磁觀測資料處理困難、日志不易填寫。同時(shí)，磁暴、磁擾、儀器故障等時(shí)有發(fā)生，異常數(shù)據(jù)和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)相互疊加，增加了干擾識(shí)別和處理的難度，這就對地磁觀測人員資料處理水平提出了更高要求。為此，統(tǒng)計(jì)并分析地磁觀測中的各類干擾現(xiàn)象，尋找每種干擾造成的數(shù)據(jù)異常特征，利用現(xiàn)有編程技術(shù)開發(fā)智能分析系統(tǒng)，對地磁各分量進(jìn)行實(shí)時(shí)智能分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常及時(shí)報(bào)警并提示相關(guān)原因，實(shí)現(xiàn)對儀器狀態(tài)和觀測環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控，應(yīng)對日益復(fù)雜的各類干擾，為地震研究等提供有效的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路與實(shí)現(xiàn)

地磁秒采樣數(shù)據(jù)智能分析系統(tǒng)軟件于2020 年由河南省洛陽地震臺(tái)自主研發(fā)，并應(yīng)用于多個(gè)地磁臺(tái)站。該軟件由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)智能監(jiān)控軟件和多臺(tái)對比智能分析軟件2 部分組成，主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)異常報(bào)警、當(dāng)天高壓直流輸電干擾及線路判別等，以便為臺(tái)站值班人員提供干擾信息參考，提高工作效率。

1.1 設(shè)計(jì)思路

該系統(tǒng)利用Visual studio 2013 開發(fā)環(huán)境中的C#語言進(jìn)行編程，通過通信協(xié)議與秒采樣儀器建立通信，實(shí)時(shí)獲取地磁秒采樣儀器數(shù)據(jù)記錄，分析異常數(shù)據(jù)變化特征，據(jù)此識(shí)別相應(yīng)干擾，并進(jìn)行報(bào)警提示，同時(shí)，監(jiān)控儀器工作狀態(tài)，進(jìn)行數(shù)據(jù)曲線繪制、時(shí)間檢查和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)備份等操作，對于復(fù)雜的異常數(shù)據(jù)，通過多個(gè)臺(tái)站數(shù)據(jù)對比，智能分析并識(shí)別干擾。

1.2 數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、智能分析的實(shí)現(xiàn)

1.2.1 與秒采樣儀器建立連接并通信獲得數(shù)據(jù)。建立socket 網(wǎng)絡(luò)通信接口，利用Connect函數(shù)與服務(wù)端建立TCP/IP 連接。根據(jù)前兆數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，向儀器發(fā)送實(shí)時(shí)指令（get/42+“+儀器ID +”+lin+“+用戶名+”+“+密碼+”/http/1.1），若回復(fù)“ack”則表示與儀器通信成功，返回“error”則表示失敗。通信成功后向儀器發(fā)送實(shí)時(shí)回傳指令get/21+“+儀器ID +”+dat+0“+”/http/1.1，儀器將向請求方每秒發(fā)送1 組數(shù)據(jù)。代碼如下

1.2.2 數(shù)據(jù)分離和備份的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)軟件接收到數(shù)據(jù)后，利用msg.Split(‘ ’)分離出時(shí)間、H、Z、D、T等數(shù)據(jù)，按照2 種格式進(jìn)行文件存儲(chǔ)，即排列式文件（方便數(shù)據(jù)查看）和前兆數(shù)據(jù)入庫標(biāo)準(zhǔn)格式文件。排列式以“時(shí)間+空格+H+空格+D+空格+T”按行排列，其中時(shí)間通過北京時(shí)間授時(shí)軟件對計(jì)算機(jī)授時(shí)而獲得。入庫標(biāo)準(zhǔn)格式以“年月日+空格+臺(tái)站代碼+空格+儀器ID+空格+02（秒）+空格 +測項(xiàng)總數(shù)+空格+H+空格+D+空格+Z+空格+T+空格+H+空格+D+空格+Z+空格 +T…”依次排列。通過StreamWriter類，將2 種格式的字符串分別實(shí)時(shí)寫入2 個(gè)文件。

1.2.3 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)繪圖、數(shù)據(jù)時(shí)間監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)。將各分量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)在數(shù)組變量中，調(diào)用Graphics 類中DrawLine 方法，結(jié)合Pen 對象繪制直線，利用for 循環(huán)依次取出數(shù)組中的數(shù)據(jù)，對前后2 s 數(shù)據(jù)按一定繪圖坐標(biāo)繪制直線，最終形成曲線。在繪圖的同時(shí)，對每個(gè)分量秒數(shù)據(jù)進(jìn)行差值對比，該分量超過設(shè)定值即報(bào)警，同時(shí)存入LOG 日志文件。通過DateTime 函數(shù)獲取當(dāng)前系統(tǒng)授時(shí)，利用AddHours（-8）函數(shù)獲得世界時(shí)，與接收的每一組數(shù)據(jù)時(shí)間做對比，超過設(shè)定時(shí)間則表示GPS 授時(shí)無效，報(bào)警并將該信息存入LOG 日志文件。

1.2.4 多臺(tái)對比智能分析實(shí)現(xiàn)。利用socket 和TCP/IP 協(xié)議，與本臺(tái)及相鄰兩地震臺(tái)儀器建立連接，依次發(fā)送當(dāng)天回傳指令，如“get/21+儀器ID+dat+0/http/1.1”，利用socket.Receive 函數(shù)接收數(shù)據(jù)并保存，接收完畢使用socket.Close()函數(shù)關(guān)閉通信連接。使用StreamReader 函數(shù)讀取每個(gè)臺(tái)站的地磁秒數(shù)據(jù)文件，利用Split 函數(shù)分離存入數(shù)組，采用高斯濾波公式計(jì)算，轉(zhuǎn)換成分鐘值。設(shè)計(jì)算第i分鐘（imin）的分鐘值，則取imin00 s 及其前后各45 s 共91 s 的秒采樣數(shù)據(jù)，進(jìn)行高斯濾波計(jì)算。公式如下

式中，Bi是第i分鐘的分鐘值，bi, j是第i分鐘第j秒的秒采樣數(shù)據(jù)，i、j的取值范圍為：00—59，Cn=C-n。

利用多臺(tái)對比差值法來實(shí)現(xiàn)干擾智能分析，依據(jù)相鄰相近臺(tái)站的地球磁場變化相近為原則，也就是，其中一臺(tái)數(shù)據(jù)與其他兩臺(tái)變化不同步即判定為干擾，可較好識(shí)別每個(gè)臺(tái)站的異常數(shù)據(jù)。差值法選取第1 個(gè)臺(tái)站H分量第1 分鐘和第3 分鐘的差值，然后選第2 個(gè)臺(tái)站H分量第1 分鐘和第3 分鐘的差值，得到2 個(gè)臺(tái)差值之差，同樣得到第1 和第3 個(gè)臺(tái)站的差值之差。若第1個(gè)臺(tái)站與第2、第3個(gè)臺(tái)站的差值之差均較大，說明第1個(gè)臺(tái)站數(shù)據(jù)異常；若第1 和第2 個(gè)臺(tái)站差值之差較大，第1 和第3 個(gè)臺(tái)站的差值之差接近零，則第2 個(gè)臺(tái)站數(shù)據(jù)異常；同理，可得出第3 個(gè)臺(tái)站數(shù)據(jù)異常。通過循環(huán)語句，將當(dāng)天所有數(shù)據(jù)進(jìn)行差值分析，利用Bitmap 類中的DrawRectangle 函數(shù)，將異常數(shù)據(jù)用方框標(biāo)出。

高壓直流輸電對臺(tái)站產(chǎn)生的干擾，可通過多臺(tái)Z分量干擾幅度對比來實(shí)現(xiàn)智能分析。根據(jù)高壓直流輸電線路中段區(qū)和離線路近的臺(tái)站，Z分量變化遠(yuǎn)大于H分量幅度（蔣延林等，2014）。利用高壓直流輸電線路位置不變、臺(tái)站位置不變、干擾距離不變，干擾幅度比就不會(huì)變的原則，實(shí)現(xiàn)此類干擾的自動(dòng)識(shí)別。通過“地磁臺(tái)網(wǎng)高壓直流輸電判別處理系統(tǒng)”網(wǎng)站，找到相鄰相近的3 個(gè)臺(tái)站同一時(shí)間某條線路最大干擾幅度，換算成幅度比，如：第1 個(gè)臺(tái)/（第1+第2+第3）=幅度比，依次計(jì)算另外2 個(gè)臺(tái)的幅度比，計(jì)算并保存3 個(gè)臺(tái)站相關(guān)線路的干擾幅度比，用于日后數(shù)據(jù)對比。用第1 個(gè)臺(tái)站的Z分量做3 min 值差值幅度計(jì)算，超過設(shè)定值為高壓直流干擾，調(diào)取另外2 個(gè)臺(tái)站的相應(yīng)差值幅度，3 個(gè)臺(tái)站幅度相加獲得總幅度，與已知各線路幅度比做比較，一致或接近即為那條線路的干擾。選臺(tái)距離以≤300 km 為宜，以洛陽、信陽、?？h3 個(gè)臺(tái)站為例，統(tǒng)計(jì)高壓直流輸電對各臺(tái)的干擾幅度比，結(jié)果見表1。

表1 高壓直流輸電線路對臺(tái)站的干擾幅度比Table 1 The comparison table of interference amplitude of HVDC transmission lines at seismic stations

2 系統(tǒng)軟件工作原理

系統(tǒng)軟件向磁通門磁力儀GM4、FGM01、FHDZ-M15 發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)回傳指令，獲取數(shù)據(jù)記錄，進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)繪圖、備份和分析等，從中識(shí)別各種干擾、磁暴、儀器故障等，并自動(dòng)彈出報(bào)警提示框，提醒工作人員進(jìn)行現(xiàn)場檢查并及時(shí)處理。若無法準(zhǔn)確判定復(fù)雜干擾、磁暴或高壓直流干擾，自動(dòng)調(diào)取3 個(gè)臺(tái)站的地磁儀器進(jìn)行智能對比分析，標(biāo)示干擾位置和類型，對于高壓直流輸電干擾，可提示干擾類型、線路名稱、干擾數(shù)據(jù)位置等。智能分析系統(tǒng)工作流程見圖1。

圖1 地磁秒數(shù)據(jù)智能分析系統(tǒng)工作流程Fig.1 Workflow chart of intelligent analysis system of geomagnetic second sampling data

3 系統(tǒng)軟件功能

該系統(tǒng)軟件具有智能報(bào)警、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)備份和多臺(tái)智能分析等功能，對儀器工作狀態(tài)、磁場變化及人為干擾等，具有一定監(jiān)控和智能分析能力。

3.1 智能報(bào)警功能

利用地磁秒采樣數(shù)據(jù)智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件，實(shí)時(shí)監(jiān)控磁通門磁力儀工作狀態(tài)及儀器時(shí)間錯(cuò)亂、數(shù)據(jù)走直線、網(wǎng)絡(luò)中斷、死機(jī)等現(xiàn)象。軟件內(nèi)部設(shè)置報(bào)警參數(shù)，超過設(shè)定值即報(bào)警，如：儀器時(shí)間和世界時(shí)差值超過設(shè)置時(shí)間，自動(dòng)報(bào)警并提示“GPS 授時(shí)可能出現(xiàn)故障，建議檢查”；儀器內(nèi)部數(shù)據(jù)連續(xù)記錄不變被視為走直線，提示“數(shù)采故障，建議檢查數(shù)據(jù)線或儀器重啟”。對于各分量出現(xiàn)的數(shù)據(jù)異常變化，針對相應(yīng)干擾特征，能夠簡單識(shí)別出入車輛和施工、磁暴、高壓直流輸電等干擾，并報(bào)警提示。

該軟件根據(jù)干擾幅度大小判定是否需要報(bào)警，以臺(tái)站標(biāo)準(zhǔn)化改造過程中的人為干擾為例，干擾曲線見圖2，圖中干擾系工人進(jìn)入磁房測量尺寸時(shí)造成，軟件即時(shí)發(fā)出報(bào)警信息，彈出“請檢查儀器和磁房周圍環(huán)境是否變化”。根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)，無干擾情況下地磁觀測數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定，前后秒差值一般在0.2 nT 左右，超過設(shè)定值該軟件即發(fā)出報(bào)警信息，同時(shí)根據(jù)H、D分量干擾幅度判定干擾源，若二者均大于Z分量干擾幅度，則為鐵磁物質(zhì)干擾，即車輛、施工干擾等。

圖2 人為干擾造成地磁秒數(shù)據(jù)異常變化Fig.2 The abnormal change of second sampling data caused by human interference

由圖2 可知，H、D、Z分量干擾幅度分別為14.5 nT、17 nT、6 nT，可見D、H分量干擾均大于Z分量，系統(tǒng)軟件據(jù)此發(fā)出報(bào)警信息，提示為人為干擾，值班人員只需現(xiàn)場查看即可判定干擾原因。

3.2 軟件實(shí)時(shí)監(jiān)控功能

地磁秒采樣儀器每秒鐘產(chǎn)出一組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)變化無法直觀可見，通過系統(tǒng)軟件實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，可查看各分量數(shù)據(jù)變化曲線，見圖3，還可通過“全天繪圖”功能，查看全天數(shù)據(jù)曲線，了解當(dāng)天磁場變化趨勢，對于細(xì)微的異常數(shù)據(jù)變化，可用繪圖放大功能予以查看，實(shí)時(shí)了解儀器工作狀態(tài)和環(huán)境變化，方便對觀測儀器和環(huán)境的維護(hù)。

圖 3 地磁秒采樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面Fig.3 Geomagnetic second sampling data real-time monitoring interface

3.3 數(shù)據(jù)備份功能

該系統(tǒng)軟件對儀器產(chǎn)出數(shù)據(jù)具有實(shí)時(shí)備份功能。若儀器出現(xiàn)故障，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法實(shí)時(shí)獲取，可利用備份數(shù)據(jù)手工入庫，以保證數(shù)據(jù)資料的正常使用。若儀器授時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，可能造成儀器內(nèi)部數(shù)據(jù)的丟失，通過系統(tǒng)備份數(shù)據(jù)入庫，以保證觀測資料連續(xù)、可靠、真實(shí)。

3.4 多臺(tái)智能分析功能

如何正確識(shí)別各種干擾，使預(yù)處理后的數(shù)據(jù)能正確反映磁場的正常變化，成為困擾觀測人員的難題（郅紅魁等，2012）。對于較為復(fù)雜或較小而不易識(shí)別的干擾，可通過軟件的多臺(tái)對比智能分析功能來識(shí)別，即利用3 臺(tái)差值法尋找異常數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)特征自動(dòng)識(shí)別并標(biāo)示。該功能主要用于復(fù)雜干擾和高壓直流輸電干擾。在日常地磁數(shù)據(jù)處理中，諸多小干擾和磁暴、磁擾疊加，難以識(shí)別且易漏或錯(cuò)誤處理，造成預(yù)處理數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，影響數(shù)據(jù)處理質(zhì)量。另外，高壓直流輸電對臺(tái)站觀測干擾已常態(tài)化，干擾線路多且不易識(shí)別。利用該系統(tǒng)軟件多臺(tái)智能分析功能，可有效識(shí)別以上諸多干擾（圖4）。

圖4 地磁多臺(tái)對比智能分析界面Fig.4 Intelligent analysis interface of geomagnetic multiple stations comparison

2020 年6 月，中國新增青海到駐馬店高壓直流供電線路（簡稱海駐線），對河南省地磁臺(tái)站均產(chǎn)生影響。選擇洛陽（豫西）、信陽（豫南）、?？h（豫北）3 個(gè)地磁臺(tái)FGM01 磁通門磁力儀觀測數(shù)據(jù)，進(jìn)行多臺(tái)干擾幅度對比分析，結(jié)果見圖5。由圖5 可見，7—16 時(shí)3 個(gè)臺(tái)站出現(xiàn)多處高壓直流干擾臺(tái)階，且均在同一時(shí)間，即07:06—07:09。由系統(tǒng)軟件自動(dòng)獲取洛陽、信陽、?？h臺(tái)Z分量第1 個(gè)臺(tái)階幅度，分別為1.03 nT、2.376 nT、0.31 nT，將每個(gè)幅度除以3個(gè)幅度之和，得到幅度比分別為0.28、0.639、0.08，與表1 中結(jié)果基本一致，達(dá)到干擾自動(dòng)識(shí)別功能。

圖5 海駐線對洛陽、信陽、?？h臺(tái)地磁觀測干擾(a)洛陽臺(tái)分鐘值；(b)信陽臺(tái)分鐘值；(c)?？h臺(tái)分鐘值Fig.5 Interference of the Hai-Zhu high-voltage DC transmission on the geomagnetic observations at Luoyang,Xinyang and Xunxian stations

4 結(jié)束語

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的建設(shè)發(fā)展，越來越多的地磁臺(tái)站觀測環(huán)境受到影響，各種不明干擾不斷增多，對地磁正常觀測產(chǎn)生影響，加大了數(shù)據(jù)資料處理的難度。該系統(tǒng)軟件能夠較好地發(fā)現(xiàn)和識(shí)別干擾并快速報(bào)警，以便工作人員及時(shí)排除干擾，有效提高觀測資料的連續(xù)性、可靠性，對地磁數(shù)據(jù)日常處理工作起到積極作用。隨著科技創(chuàng)新的進(jìn)步，各行各業(yè)在大力發(fā)展智能化、自動(dòng)化設(shè)備，而智能化監(jiān)控和分析將是未來發(fā)展的一個(gè)方向。