上海地震流動觀測臺綜合伺服系統(tǒng)的研發(fā)＊

裴 曉 林航毅

（上海市地震局，上海 200062）

引言

地震流動觀測臺的架設(shè)，可以擴展地震監(jiān)測的空間領(lǐng)域，不再局限于已建有的測震、前兆和強震臺網(wǎng)的臺站。為了收集更多的震例，需要將流動臺架設(shè)到野外的多震地帶，以期得到寶貴的流動臺資料。譬如將前兆設(shè)備地電儀架設(shè)在有前兆異常的地點進行實時監(jiān)測，可獲得寶貴的震前數(shù)據(jù)，用采集回來的數(shù)據(jù)做分析，積累更多的前兆分析經(jīng)驗。

流動臺架設(shè)在野外，能否保證設(shè)備正常運轉(zhuǎn)顯得至關(guān)重要。經(jīng)調(diào)查，觀測人員發(fā)現(xiàn)流動臺曾有多次、多種類型的不穩(wěn)定運行情況：①前兆流動臺架設(shè)的電磁擾動設(shè)備因電壓供電不穩(wěn)定，燒壞了設(shè)備的變壓器，原計劃采集一周的數(shù)據(jù)，只收集到半天的數(shù)據(jù)。②前兆流動臺僅采用蓄電池供電，續(xù)航能力有限，導(dǎo)致當臺站架設(shè)好、觀測人員離開后，無法遠程得知供電情況和數(shù)據(jù)采集是否連續(xù)、完整。③前兆流動設(shè)備架設(shè)在野外時，一般依靠鉛酸蓄電池供電，鉛酸蓄電池體積大、分量重、攜帶不便，使得流動觀測變成了苦力活，阻礙了流動觀測的鋪設(shè)。

針對上述情況，本文介紹了一套針對流動臺觀測的智能伺服系統(tǒng)，能夠為流動臺提供能源、傳輸和監(jiān)控等服務(wù)，確保流動臺在野外順利的運行及鋪展。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要功能

本文介紹的針對流動臺觀測的智能伺服系統(tǒng)，能夠為流動臺提供能源、傳輸和監(jiān)控服務(wù)，確保流動臺設(shè)備在野外的順利運行。圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)采用便攜式太陽能板和鋰電池組合作為能源供給，具備體積小、分量輕、便于攜帶的優(yōu)勢；系統(tǒng)將流動臺數(shù)據(jù)傳輸端口與無線傳輸設(shè)備的端口對接匹配，通過成熟、穩(wěn)定的無線技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)流實時傳輸；系統(tǒng)可實時監(jiān)控流動觀測設(shè)備的運行狀態(tài)，及時發(fā)回狀態(tài)信息，以供觀測人員遠程采取相應(yīng)措施，為流動臺設(shè)備保駕護航。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 1 System structure

1.1 供電系統(tǒng)

系統(tǒng)采用便攜式太陽能板和鋰電池組合作為能源供給，這種組合具有體積小、分量輕、便于攜帶等特性，適用于流動觀測臺。

太陽能供電系統(tǒng)由太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)換成電能。太陽能板因材質(zhì)可以分為單晶硅、多晶硅和其他材質(zhì)。單晶硅的光電轉(zhuǎn)換效率最高，最高可達到25%左右[1]。本系統(tǒng)采用高轉(zhuǎn)換效率的單晶硅太陽能板。

鋰電池材質(zhì)有多種，本系統(tǒng)選用了磷酸鐵鋰電池。該電池具有比能量高，能量密度高，單體電壓高（可以減少串并聯(lián)帶來的問題，提高輸出能量和輸出功率），充放電功率大（在最短的時間內(nèi)充電，同時具有良好的大電流負載性能），自放電率低，循環(huán)壽命長，且無重金屬污染等眾多優(yōu)勢特性。

供電系統(tǒng)為地震觀測設(shè)備、傳輸設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)等設(shè)備提供穩(wěn)定的12 V或者5 V的直流電。按照地電場流動臺觀測的實際功耗進行了供電能力匹配，采用便攜式單晶硅太陽能板（120 W）和磷酸鐵鋰電池（80 Ah、1 200 W）。同時整個系統(tǒng)預(yù)留了太陽能板和鋰電池的擴容接口，可按照流動觀測實際需求進行供電能力升級。

1.2 傳輸系統(tǒng)

本系統(tǒng)選取“全網(wǎng)通”通訊設(shè)備，可因地制宜地選擇通訊運營商，以便高質(zhì)量傳輸數(shù)據(jù)。同時采用動態(tài)域名解析方案實現(xiàn)了IP方式中單點對多點的通信，不受限于行業(yè)網(wǎng)，觀測人員可隨時隨地通過電腦或者智能手機的瀏覽器對地震儀器進行網(wǎng)頁訪問，并下載數(shù)據(jù)（圖2和圖3）。

圖2 遠程電腦連接流動臺設(shè)備界面Fig. 2 Interface of computer connected remotely to mobile stations

圖3 手機連接流動臺設(shè)備界面Fig. 3 Interface of mobile phone connected remotely to mobile stations

1.3 監(jiān)控系統(tǒng)

遠程監(jiān)控系統(tǒng)基于無線4G/5G全網(wǎng)通技術(shù)，具有電壓監(jiān)控等更多的功能接口，如測量工作環(huán)境溫度、工作環(huán)境圖像攝取、告警臺站異常狀態(tài)、繼電器動作、遠程重啟設(shè)備等[2]。

（1）數(shù)據(jù)采集模塊。具有數(shù)據(jù)測量和圖像攝取功能，可以同時測量8道AD數(shù)據(jù)或圖像數(shù)據(jù)，包括工作環(huán)境的溫度、直流電壓值數(shù)據(jù)；系統(tǒng)的拍照端口可根據(jù)觀測人員的手機短信命令，將攝取的圖片反饋至觀測人員[3]。

（2）告警模塊。由3個功能分模塊組成：①電壓閾值報警模塊，當實時監(jiān)測的電壓超出閾值時，主動發(fā)送告警短信。②溫度報警模塊，實時監(jiān)測的室溫、儀器溫度超出設(shè)置的閾值時，進行溫度告警。③系統(tǒng)還預(yù)留了紅外偵測告警模塊接口。

（3）控制模塊。觀測人員可以通過發(fā)送短信的方式遠程控制電源的硬件開關(guān)，也可以通過設(shè)置電壓等測量的閾值，讓繼電器自動開啟切換。

圖4和圖5為電腦和觀測人員手機的操作界面，遠程可以通過客戶端進行實時數(shù)據(jù)的測量、監(jiān)測，并聯(lián)合繼電器進行繼電器的開關(guān)操作。在此例中，觀測人員通過監(jiān)控裝置設(shè)置了以1 800 s的周期定時測量系統(tǒng)的各類電壓數(shù)據(jù)（太陽能板輸出電壓、蓄電池電壓、傳輸系統(tǒng)電壓），并開啟了告警功能。當電壓值超過或者低于設(shè)置的閾值，裝置將給觀測人員發(fā)送告警信息。

圖4 監(jiān)控中心遠程管理系統(tǒng)操作界面Fig. 4 Operating interface of remote management system of monitoring center

圖5 手機短信操作界面Fig. 5 Operating interface of mobile phone SMS

監(jiān)控系統(tǒng)對傳輸系統(tǒng)和流動觀測儀具有遠程重啟功能。當發(fā)生設(shè)備死機、堵包等情況時，可通過監(jiān)控系統(tǒng)遠程管理的操作界面或者手機短信，對相應(yīng)的設(shè)備單獨重啟、恢復(fù)。該監(jiān)控系統(tǒng)也對運行狀況進行實時監(jiān)控，能夠及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障等異常情況，并迅速進行預(yù)判，可大幅度提升流動觀測臺的運行質(zhì)量。

2 系統(tǒng)運行

目前，上海前兆流動臺經(jīng)常將地電場儀架設(shè)在野外，以收集震前、震后的地電場信號，采集的數(shù)據(jù)成功地為科研工作提供了寶貴的資料，將研制的系統(tǒng)與地電場儀做好供電、接口匹配，不僅滿足供電的需求，也擴展了傳輸和監(jiān)控的功能。

整個裝置安放在上海市閔行水中心頂樓，太陽能板做了擴充，共240 W。磷酸鐵鋰電池規(guī)格為80 Ah—1 200 W，通訊和監(jiān)控部分安裝在箱體中。箱體有散熱和防水功能，滿足野外工作的要求。流動臺設(shè)備選用地電場儀ZD9A，供電輸入端為12 V。

系統(tǒng)搭建后，觀測人員可通過監(jiān)控模塊對整個系統(tǒng)進行實時監(jiān)控，定時測量電壓。圖6為野外試運行測得的數(shù)據(jù)，各端口的電壓和工作環(huán)境溫度數(shù)據(jù)以不同顏色顯示。

從圖6可以看出，裝置內(nèi)部溫度隨日夜變化顯著，同時裝置的散熱孔可避免長期處于高溫工作。

圖6 系統(tǒng)運行情況Fig. 6 System operation

鋰電池不僅可儲備太陽能能源，同時也給設(shè)備供電。鋰電池作為系統(tǒng)中最關(guān)鍵的考量指標，可直接反應(yīng)系統(tǒng)的續(xù)航能力。為了直觀體現(xiàn)鋰電池的工作能力，我們將鋰電池的電壓值放大并顯示在如圖7中，鋰電池電壓在這段時間內(nèi)最低為12.832 V，即使在夜間也能正常供電，說明了鋰電池可以為設(shè)備提供長期、穩(wěn)定的供電。

圖7 鋰電池運行情況Fig. 7 Lithium battery operation

通過對通訊設(shè)備online的電壓值實時測量，可判斷通訊設(shè)備是否正常工作。當online模塊電壓值為0 V時，通訊設(shè)備未接入供電；當online模塊電壓值為3.4 V左右時，說明處于搜尋網(wǎng)絡(luò)階段，未正常工作；當online模塊電壓值為2.6—2.7 V時，通訊設(shè)備處于正常工作。圖8為運行期監(jiān)控的online電壓值，3月18日20:42:47發(fā)生了1次斷網(wǎng)，其余時間通訊設(shè)備工作穩(wěn)定。

圖8 通訊系統(tǒng)運行情況Fig. 8 Communication system operation

從該系統(tǒng)的運行情況來看，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠為野外流動觀測提供穩(wěn)定的供電、傳輸和監(jiān)控，可滿足野外觀測的需求。

3 結(jié)束語

針對流動臺中能源供給難的特征，采用了便攜式太陽能板和磷酸鐵鋰電池，并利用相關(guān)領(lǐng)域的前沿技術(shù)研制出的流動臺伺服系統(tǒng)，解決了流動觀測的供電、監(jiān)控難題，成功實現(xiàn)了“一提就走，打開即用”的目標，降低了流動臺的架設(shè)難度。

將該系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用與監(jiān)測預(yù)報結(jié)合起來，能為流動臺獲取寶貴數(shù)據(jù)提供必要的外圍技術(shù)支撐，將架設(shè)流動臺由難變易，掙脫了人力、傳輸?shù)氖`，不受地理、空間的局限。該系統(tǒng)不僅能為環(huán)境惡劣的流動臺提供伺服功能，還能為條件較好的已建成的臺站提供技術(shù)服務(wù)，可以將技術(shù)服務(wù)延伸至臺網(wǎng)所有臺站，以便提升地震監(jiān)測的能力。