新疆區(qū)域鉆孔傾斜儀觀測系統(tǒng)典型故障及故障處理①

關(guān)冬曉， 李曉東， 斯 琴， 雷 晴， 顏 龍， 郭春生， 王 斌

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011)

鉆孔傾斜儀是用來測量地殼微量傾斜和記錄地球傾斜固體潮的儀器，相對于傳統(tǒng)的洞體形變儀器，鉆孔傾斜儀對臺基的要求不高，基巖、破碎帶、土層甚至海底都能正常觀測，因儀器安裝在地下幾十米到幾百米的鉆孔內(nèi)，可以避免人類活動和氣象因素的干擾。經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化等多次改進(jìn)升級，已成為中國地形變臺網(wǎng)的主要儀器之一。臺網(wǎng)觀測運行評價必須以準(zhǔn)確可靠的觀測資料為基礎(chǔ)，觀測儀器運行是否穩(wěn)定、故障處理是否及時，將直接影響地球物理臺網(wǎng)整體運行質(zhì)量及觀測資料的連續(xù)率和完整率[1]，如果故障周期較長，觀測數(shù)據(jù)不可用，將對觀測資料產(chǎn)生不可逆的影響，觀測資料的使用價值就會降低很多[2-5]。

新疆區(qū)域目前運行鉆孔傾斜儀共28套，儀器長期運行過程中會不可避免的出現(xiàn)各種問題和故障，據(jù)新疆地球物理臺網(wǎng)數(shù)據(jù)跟蹤分析統(tǒng)計結(jié)果，2017～2020年共記錄到鉆孔傾斜儀觀測系統(tǒng)事件125條，其中數(shù)據(jù)采集器故障57條，傳感器故障53條，供電故障14條，網(wǎng)絡(luò)通訊故障1條，且故障頻次呈逐年遞增的趨勢，嚴(yán)重影響了觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)率和完整率[6]。本文中針對近年鉆孔傾斜儀運行中出現(xiàn)的典型故障現(xiàn)象和原因進(jìn)行分析總結(jié)，為今后觀測中儀器故障的快速判定以及日常運維提供參考，從而縮短儀器維護時間和提高儀器的運行率。

1 鉆孔傾斜儀觀測系統(tǒng)簡介

鉆孔傾斜儀系統(tǒng)由豎直擺鉆孔傾斜儀傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換機、數(shù)據(jù)分析軟件和智能防雷系統(tǒng)等組成。

目前臺站使用的數(shù)據(jù)采集器型號是THDCC-1412型冗余數(shù)采。其處理器以ATMEL的ARM9為核心，采用24位高精度Δ-∑A/D轉(zhuǎn)換器對豎直擺傾斜儀的NS向和EW向電壓信號進(jìn)行采集，每個方向被分為濾波值和實時值，可以同一時刻純硬件、無延時、高準(zhǔn)確度的采集4路電壓信號，并對電壓信號進(jìn)行存儲傳輸。

井下傳感器核心部分是一個豎直懸掛的重力擺[7]，全部元件裝在一個耐壓的密封不銹鋼鋼筒內(nèi)，擺盒下方有2個由電機驅(qū)動的調(diào)整機構(gòu)，用來調(diào)整擺體以使平行板電容傳感器處于最佳工作位置，擺盒內(nèi)還裝有靜電標(biāo)定或電磁標(biāo)定裝置，用來標(biāo)定儀器并計算格值。擺的下部設(shè)有檢測擺位移量的電容測微器，當(dāng)?shù)貧ぎa(chǎn)生傾斜時，自由懸掛的擺體相對于與地表連接的支撐架發(fā)生相對位移，數(shù)據(jù)采集器將此微小位移量轉(zhuǎn)換成電壓變化，經(jīng)專用電纜傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器再把電壓轉(zhuǎn)變成數(shù)字量記錄并存儲。

2 典型故障及故障處理

2.1 數(shù)采故障

根據(jù)數(shù)據(jù)跟蹤分析結(jié)果顯示，2017～2020年，新疆區(qū)域鉆孔傾斜儀數(shù)據(jù)采集器故障在觀測系統(tǒng)故障中占比為45%。數(shù)采故障的類型包括內(nèi)部電源故障、主板故障、網(wǎng)絡(luò)模塊故障、內(nèi)存卡故障、程序死機、設(shè)置參數(shù)錯誤等[8]，數(shù)采故障會造成原始數(shù)據(jù)缺失(圖1a)、觀測數(shù)據(jù)脈沖(圖1b)、產(chǎn)出錯誤數(shù)據(jù)(圖1c)或噪聲大(圖1d)等情況。

圖1 數(shù)采故障典型曲線(a) 數(shù)據(jù)采集中斷 (b) 數(shù)采輸出故障 (c) 主板故障 (d) 重啟后采集程序錯誤Fig.1 Typical curves of data acquisition fault

通過查閱臺站工作日志，結(jié)合日常運維經(jīng)驗，數(shù)采故障可分為三類：即數(shù)據(jù)采集故障、數(shù)據(jù)傳輸故障和現(xiàn)場調(diào)零標(biāo)定故障。

① 數(shù)據(jù)采集故障中一類是數(shù)據(jù)采集中斷，即數(shù)采不能正常工作；另一類是數(shù)采正常工作，但采集數(shù)據(jù)偏大、偏小，甚至為無效值。此類故障多為數(shù)采自身輸出故障，線路連接故障、主板故障或程序出現(xiàn)問題。遇到這類故障時，需要檢測設(shè)備運行情況、電流輸出是否正常、線路連接是否牢固、驅(qū)動程序是否正常運行，判斷是否為數(shù)采故障[9-10]。

② 數(shù)據(jù)傳輸故障表現(xiàn)為數(shù)采正常，但服務(wù)器或冗余數(shù)采中無數(shù)據(jù)。此類故障出現(xiàn)在數(shù)采到服務(wù)器傳輸過程中，在確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)通訊正常后，故障出現(xiàn)的原因可能是數(shù)據(jù)傳輸模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊故障。處理此類故障應(yīng)首先檢查數(shù)據(jù)傳輸模塊供電是否正常、主板到數(shù)據(jù)傳輸模塊間的連接線是否牢固、設(shè)置的端口是否正確等。通過對以上設(shè)備的故障排查，判斷故障是否來自于數(shù)據(jù)傳輸模塊。

③ 現(xiàn)場調(diào)零標(biāo)定故障一般情況下無法進(jìn)入現(xiàn)場控制模式或調(diào)零標(biāo)定按鍵不可用，若現(xiàn)場無法進(jìn)行調(diào)零標(biāo)定，但上位機軟件可以啟動調(diào)零標(biāo)定，可使用萬用表測量現(xiàn)場控制按鍵和控制板上的PD7是否連通，連通則按鍵正常，檢查按鍵連接線是否正常連接和控制板的X9是否插好，是否連通，若非以上問題，可能是主板出現(xiàn)問題，需返廠維修；若調(diào)零標(biāo)定按鍵不可用，檢查繼電器反應(yīng)是否正常，如果按鍵小燈正常，說明按鍵沒有問題，繼電器沒有問題，需要返廠。

一般情況下，數(shù)采故障持續(xù)時間短，通過更換備用電路板或備機即可恢復(fù)正常工作。

2.2 傳感器故障

傳感器故障在觀測系統(tǒng)故障中占比為42%，傳感器故障包括擺系故障、信號板故障和電路故障，傳感器故障一般由套管生銹、與大地耦合不佳、儀器老化或雷擊造成的[11]。傳感器故障表現(xiàn)為數(shù)據(jù)畸變、臺階、數(shù)據(jù)超限、無法正常調(diào)零等(圖2)。

圖2 傳感器故障典型曲線(a) 線路故障 (b) 電路板、信號板損毀 (c) 擺系故障 (d) 傳感器耦合滑動Fig.2 Typical curves of sensor failure

因傳感器故障造成的數(shù)據(jù)不規(guī)則變化分為兩類，一類是傳感器本身故障造成的[12]，一般情況下，可通過冗余數(shù)采信號表、按鈕等判斷傳感器故障位置：① 正常情況下，受地脈動影響，NS、EW 2個指示表表針在工作區(qū)并有晃動，如果表針靠邊或在零點并靜止不動，調(diào)零無反應(yīng)，說明傳感器損壞；② 數(shù)采屏幕顯示數(shù)值應(yīng)該信號指示表電壓一致，如果二者相差很大說明有源濾波器故障；③ 撥動標(biāo)定開關(guān)，信號表針無變化，說明傳感器故障；④ 電機電流監(jiān)視表判斷傳感器是否正常，正常情況下，傳感器工作電流20～30 mA，如果工作電流超過50 mA，判斷為傳感器電路損壞；⑤ 調(diào)整井下電機時，電機工作電流正常在10 mA以下，如果超過30 mA說明電機卡死；此類故障多由儀器老化和雷擊造成，一般需要提擺維修，更換相應(yīng)的電路板，信號板等，維修后一段時間數(shù)據(jù)漂移較大，需要1～3個月甚至更長時間才能穩(wěn)定，嚴(yán)重影響觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。

另一類是因井孔套管生銹、泥沙、儀器與井管耦合不佳造成的數(shù)據(jù)變化。鉆孔傾斜儀是一種非常精密的儀器，地基和井孔的任何不穩(wěn)定因素都會反映到將來的觀測數(shù)據(jù)之中，直接影響觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，因儀器耦合不佳造成的數(shù)據(jù)變化，可打開井口，甩動電纜使波動傳到儀器，或經(jīng)一個機械沖擊，看信號表晃動范圍，如果井下探頭已經(jīng)與井壁結(jié)合緊密,電壓指針基本不動，若表針變化幅度大，說明未固定緊，需要加固；井底或井壁附著的泥沙、鐵銹都會造成儀器和井孔耦合失效，甚至造成儀器被埋無法取出維修。因儀器耦合不佳造成的臺階畸變，維修時可將傳感器稍微提起后重新放置，以改變其耦合狀態(tài)，但此方法并不能從根本上解決問題，需要在臺站勘選，井孔施工時嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行相關(guān)工作。

2.3 供電故障

供電系統(tǒng)是臺站正常運行的基本保障，臺站供電方式主要有交流電供電和太陽能供電2種方式，太陽能供電故障頻次遠(yuǎn)高于交流電。交流電供電故障主要是受市電斷電和供電線路故障影響，太陽能供電故障主要是太陽能電池板故障、供電線路某一段開路或接線松動、控制器模塊故障和UPS超過使用年限。供電系統(tǒng)發(fā)生故障后，觀測曲線一般表現(xiàn)為缺數(shù)，突跳或者臺階。

目前，新疆大多數(shù)地球物理臺站供電系統(tǒng)，在儀器的前端加載有UPS電源，以備停電后能繼續(xù)連續(xù)監(jiān)測[13]，從而獲取完整觀測資料。但是從統(tǒng)計結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于對UPS電源維護不到位或者電瓶老化等原因，發(fā)生停電后，UPS電源不能長時間供電，造成數(shù)據(jù)缺測，供電恢復(fù)后會產(chǎn)生脈沖，或者出現(xiàn)短時漂移現(xiàn)象。同時在交直流切換過程中數(shù)據(jù)容易產(chǎn)生臺階、突跳，鋸齒形震蕩等變化，影響觀測數(shù)據(jù)的觀測質(zhì)量(圖3)。

圖3 供電故障典型曲線(a) 電壓不穩(wěn) (b) 供電不足Fig.3 Typical curves of power supply failure

針對供電系統(tǒng)的維護管理手段包括：① 安裝供電設(shè)備時，嚴(yán)格按照產(chǎn)品說明，依次連接供電設(shè)備各個組成部分，蓄電池保持水平、正立放置，太陽能板朝南安裝; ② 檢查設(shè)備機箱防水條密封性，機箱散熱口通暢性，確保蓄電池在適宜環(huán)境下工作;③ 定期對備用電池進(jìn)行一次容量恢復(fù)性充放電試驗，活化蓄電池內(nèi)的活化物質(zhì)，保證備用蓄電池有足夠的容量; ④ 檢修時檢測控制器模塊、蓄電池充電電壓、充電電流。具體流程見圖4。

圖4 太陽能供電系統(tǒng)故障檢修維護方法流程Fig.4 Troubleshooting and maintenance methods of solar power supply system

2.4 網(wǎng)絡(luò)通訊故障

儀器所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)需要穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，網(wǎng)絡(luò)通訊故障(包括計算機與服務(wù)器、服務(wù)器與數(shù)采之間的通訊)，直接導(dǎo)致計算機和服務(wù)器連接失敗，數(shù)據(jù)無法轉(zhuǎn)換和預(yù)處理。因網(wǎng)絡(luò)通信涉及通信環(huán)境是否穩(wěn)定、光纜、鏈路是否通暢、網(wǎng)線、站點路由、分中心路由、交換機等設(shè)備是否運行正常、通信基站等關(guān)鍵設(shè)備是否正常供電、分中心協(xié)議轉(zhuǎn)換器、光電轉(zhuǎn)換器等設(shè)備是否老化等問題[14]。在傳輸路徑上，網(wǎng)絡(luò)通訊中斷的因素有通信光纜遭到破壞，一些偏僻的通信基站因太陽能無法正常供電而導(dǎo)致的關(guān)鍵節(jié)點中斷，網(wǎng)線、路由器、交換機等設(shè)備老化造成的通訊中斷等。臺站運行中，發(fā)生的通信故障多為無線傳輸鏈路，供電、網(wǎng)絡(luò)運營商及硬件自身問題影響較大[15]。新疆區(qū)域地球物理臺站一半以上是無人值守臺站，傳輸通信設(shè)備出現(xiàn)故障對無人值守臺站數(shù)據(jù)的連續(xù)率有較大影響，尤其是3G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)呐_站。網(wǎng)絡(luò)通訊故障發(fā)生后，要及時對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢查，排除故障，直到建聯(lián)為止。

3 結(jié)語

鉆孔傾斜儀運維中首先要保障觀測系統(tǒng)運行正常，觀測系統(tǒng)故障處理的及時與否直接關(guān)系到地球物理觀測臺網(wǎng)系統(tǒng)的整體運行，如何降低儀器故障率，保障數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量，需要從根本上解決問題。

(1) 觀測場地勘選。觀測臺站選址應(yīng)按照“地震前兆數(shù)字觀測技術(shù)規(guī)范”地殼形變觀測規(guī)定進(jìn)行。臺站盡量選在活動斷裂帶附近，但要離開破碎帶，臺基巖性堅硬完整，致密均勻(如花崗巖、石英砂巖、石灰?guī)r等)，避開風(fēng)口、山洪匯流處和泥石流、滑坡、溶洞發(fā)育地帶，避開江、湖、河、水庫、深層抽水注水、溫泉、自流井、大型倉庫、鐵路、主干公路和爆破等干擾源；觀測井孔是鉆孔傾斜儀的工作環(huán)境，井孔的好壞直接影響以后產(chǎn)出的數(shù)據(jù)質(zhì)量，井孔盡量選在結(jié)構(gòu)完整的基巖(花崗巖、石灰?guī)r等)上，套管孔徑和材質(zhì)符合相關(guān)技術(shù)要求。

(2) 保障供電的連續(xù)性及穩(wěn)定性。臺站人員需定期對UPS進(jìn)行放電維護，及時檢查供電系統(tǒng)及線路，對出現(xiàn)隱患的供電線路及早更換。

(3) 完善防雷接地系統(tǒng)。儀器安裝時雖在鉆孔傾斜儀交流電源入口和信號輸入處都增加了防雷器，但只能減少一般雷電對儀器的損害，在雷電較強的地區(qū)建議對觀測臺站布設(shè)完善的防雷措施，防雷裝置也應(yīng)做好周期性和日常維護。

(4) 加強臺站人員維修能力的培養(yǎng)。目前新疆區(qū)域鉆孔傾斜儀故障很大程度依靠儀器廠家進(jìn)行維修，造成維修周期不可控。加強對維護人員及臺站人員維修能力的培養(yǎng)，可以最大可能縮短故障時間，保障數(shù)據(jù)的連續(xù)率。

(5) 增加備用儀器。新疆區(qū)域幅員遼闊，片區(qū)維修中心應(yīng)適當(dāng)增加備機備件，備用設(shè)備應(yīng)當(dāng)經(jīng)常檢查、通電維護，保證在儀器出現(xiàn)故障時能夠盡快恢復(fù)觀測，縮短維修周期。

感謝河南震安科技有限公司張喜振工程師在臺站升級改造和現(xiàn)場維修中給予的指導(dǎo)與幫助！