懷來極低頻電磁觀測監(jiān)控與管理方法的實(shí)現(xiàn)

池海江 溫 佳

(懷來地震臺，河北 075400)

0 引言

極低頻探地工程是利用近年來發(fā)展的人工源極低頻電磁新技術(shù)(CSELF)(趙國澤等，2010)，應(yīng)用于地下資源探測和地震預(yù)測等領(lǐng)域的國家重大科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目(卓賢軍等，2011)。經(jīng)過幾年的積極籌建，目前已在首都圈和川滇南北地震帶初步建成30個(gè)極低頻地震電磁監(jiān)測站，共同記錄天然場源MT數(shù)據(jù)和人工源CSMT數(shù)據(jù)。分析MT傳輸函數(shù)及譜的變化，既可連續(xù)監(jiān)測臺網(wǎng)下方深部介質(zhì)的視電阻率和相位的動態(tài)信息，又可監(jiān)測電磁場空間的動態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)電性特征的四維立體監(jiān)測，極大提高了測區(qū)電磁異常的識別和捕捉能力。

極低頻觀測選用德國Metronix公司生產(chǎn)的最新一代ADU-07e大地電磁觀測系統(tǒng)，該儀器抗干擾能力強(qiáng)，靈敏度、精度高，是一種高度自動化智能儀器(劉國棟，2004)。其產(chǎn)出的數(shù)據(jù)格式、傳輸方式、分析方法與目前地震臺站普遍應(yīng)用的“十五”前兆儀器有較大區(qū)別，需要不斷積累觀測經(jīng)驗(yàn)，逐步熟悉儀器的性能特征，才能產(chǎn)出連續(xù)、可靠、準(zhǔn)確的資料。2015年懷來地震臺安裝該類儀器后曾出現(xiàn)以下問題，我們針對這些問題研發(fā)了實(shí)用性軟件，使觀測方法有了明顯改進(jìn)：

(1)觀測人員不能及時(shí)掌握儀器的運(yùn)行狀況。ADU-07e型極低頻觀測儀最初由中國地震局地質(zhì)研究所和北京歐華聯(lián)科技有限公司共同安裝，該型號的儀器本以流動觀測為主，按照極低頻地震電磁觀測技術(shù)要求，安裝時(shí)對其進(jìn)行了改造升級，首次將其用于固定臺站的長期連續(xù)觀測中。使用初期發(fā)現(xiàn)主機(jī)網(wǎng)絡(luò)單元可以接通，但有時(shí)SFTP或SSH連接不上儀器；有時(shí)可產(chǎn)出完整的數(shù)據(jù)文件，但記錄內(nèi)容不正?；虿糠址至咳睖y，需要觀測人員在現(xiàn)場或遠(yuǎn)程對儀器的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行逐條校對以確認(rèn)儀器是否正常工作。

(2)極低頻觀測產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量大，每日直接產(chǎn)出數(shù)據(jù)文件約180MB，是普通“十五”儀器的幾十倍，且文件個(gè)數(shù)多、類型多。每天共產(chǎn)出時(shí)間序列、狀態(tài)記錄以及EDI文件共437個(gè)，其中時(shí)間序列包括電場和磁場5個(gè)測項(xiàng)的數(shù)據(jù)，每個(gè)測項(xiàng)有3個(gè)采樣頻率的天然源數(shù)據(jù)和4個(gè)采樣頻率的人工源數(shù)據(jù)，以固定時(shí)段或長期連續(xù)模式分別進(jìn)行觀測。

(3)極低頻儀器和服務(wù)器的安全性高、專業(yè)性強(qiáng)，對操作者的技術(shù)水平要求也較高。儀器的操作系統(tǒng)為Linux，服務(wù)器的操作系統(tǒng)為openSUSE-Linux，預(yù)處理頻域數(shù)據(jù)為國際通用的SEG(Society of Exploration Geophysicists)的EDI(Electrical Data Interchange)格式。進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)預(yù)處理操作時(shí)都需要嚴(yán)格執(zhí)行SSH、WINSCP命令。

(4)日志填寫及報(bào)送繁瑣易錯。按照中國地震局地質(zhì)研究所的要求填寫工作日志時(shí)，對于天氣狀況、雨量統(tǒng)計(jì)及干擾時(shí)段、接地電阻、GPS情況等需要登錄氣象儀、極低頻儀器和服務(wù)器，并從網(wǎng)頁或數(shù)據(jù)文件中逐項(xiàng)查找統(tǒng)計(jì)，工作量較大。

鑒于上述情況，盡管隨著全國臺網(wǎng)各臺站觀測人員技術(shù)水平、經(jīng)驗(yàn)積累的提高和防雷技術(shù)等措施的不斷完善，觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)率已經(jīng)達(dá)到較高水平，但仍有個(gè)別臺站觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)率相對較低。為切實(shí)提高極低頻監(jiān)測質(zhì)量，更好地服務(wù)于地震研究，本文提出一套可應(yīng)用于臺站的、旨在解決實(shí)際觀測問題的簡單實(shí)用、易操作的遠(yuǎn)程監(jiān)測與管理方法，并通過編程實(shí)現(xiàn)。

1 臺站監(jiān)控與管理軟件的設(shè)計(jì)思路

1.1 觀測臺站的監(jiān)控與管理目標(biāo)

根據(jù)臺站的實(shí)際情況和幾年來臺站工作的實(shí)踐及經(jīng)驗(yàn)，參考河北地震前兆臺網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)(王莉森等，2016)，研發(fā)了在現(xiàn)場或遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控觀測狀況和觀測數(shù)據(jù)的實(shí)用性監(jiān)視軟件，對于臺站的長期運(yùn)維具有重要的實(shí)用價(jià)值。軟件的功能應(yīng)包括儀器工作狀況的準(zhǔn)實(shí)時(shí)檢查、故障報(bào)警、檢查服務(wù)器中的數(shù)據(jù)文件并進(jìn)行傳送和生成預(yù)處理EDI文件、日志填寫報(bào)送等工作流程模塊化，可實(shí)現(xiàn)“一鍵完成”。

軟件采用具有簡單易用、面向?qū)ο?、可視化?yōu)點(diǎn)的Visual Basic 6.0程序設(shè)計(jì)語言(孫秀梅等，2011)編寫。設(shè)計(jì)時(shí)遵循模塊化理念，并充分利用Windows操作系統(tǒng)提供的各類系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)，提高軟件的運(yùn)行效率。設(shè)計(jì)風(fēng)格符合用戶視窗操作習(xí)慣、操作簡單、具有通用性，并可充分發(fā)揮軟件的人工智能優(yōu)勢。

1.2 模塊劃分

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為極低頻電磁儀器監(jiān)控、服務(wù)器操控和日志填報(bào)3個(gè)模塊，功能構(gòu)成見圖1。

圖1 極低頻臺站監(jiān)控與管理軟件主要功能結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Main function structure diagram of monitoring and management software for extremely low frequency stations.

1.3 功能實(shí)現(xiàn)

1.3.1 系統(tǒng)設(shè)置

根據(jù)臺站的實(shí)際情況進(jìn)行儀器、服務(wù)器、輔助觀測氣象三要素儀和值班人員信息的設(shè)置。儀器和服務(wù)器信息設(shè)置主要包括各自的IP、用戶名、口令和服務(wù)端口號。對于氣象三要素儀，可根據(jù)彈出窗體提示，配置本臺站“十五”類型氣象儀的基本參數(shù)，包括儀器類型、臺站代碼、IP和ID等。配置值班人員信息時(shí)，可對值班表進(jìn)行增加、刪除或修改，值班員姓名及對應(yīng)的手機(jī)號碼即為日志填報(bào)和短信報(bào)警的聯(lián)系人。

1.3.2 實(shí)時(shí)監(jiān)控

檢查儀器狀態(tài)時(shí)可通過不斷刷新儀器網(wǎng)頁，對網(wǎng)頁文件和日志文件的內(nèi)容進(jìn)行解析，通過工作參數(shù)的閾值判別達(dá)到監(jiān)控目的。系統(tǒng)默認(rèn)的巡檢時(shí)間間隔為5min，可進(jìn)行更改。

(1)供電電壓。儀器出廠標(biāo)稱為9～14V，但實(shí)際測試的正常工作電壓為12.0～14.0V。極低頻儀器要求采用太陽能直流供電，當(dāng)主頁中的電池狀態(tài)(Battery Status)不是“GOOD”，電壓低于12.0V或高于14V時(shí)，應(yīng)及時(shí)檢查電瓶或太陽能設(shè)施。

(2)儀器工作時(shí)鐘。極低頻儀器的時(shí)間系統(tǒng)為UTC世界時(shí)，通過GPS進(jìn)行時(shí)鐘校對，儀器每5min產(chǎn)生1條狀態(tài)信息，這樣最后一條記錄的時(shí)間和本機(jī)時(shí)間(北京時(shí)間)相差應(yīng)小于8小時(shí)5分鐘；此外，GPS狀態(tài)(GPS Status)欄中“Satellites”后面的數(shù)字若為0，則可能是GPS天線故障，需要檢查。

圖2 極低頻儀器檢查的主界面Fig.2 Main interface of ELF instrument inspection.

(4)磁傳感器檢查。正常情況下，儀器狀態(tài)信息中將分別顯示Hx、Hy、Hz3個(gè)磁道的類型和序列號，為“MFS06e”和“#”號加4位數(shù)字；檢查循環(huán)記錄256Hz、4096Hz天然場飽和記錄(Saturated Recs)和壞數(shù)據(jù)(Bad Recs)時(shí)，軟件將核查日志記錄(1次/5min)文件中本次檢查前的前12個(gè)記錄值是否存在3個(gè)以上飽和記錄或壞數(shù)據(jù)，如是則發(fā)出告警。

(5)儀器記錄狀態(tài)。主要指儀器的工作溫度是否正常，即自檢結(jié)果(Selftest)是否為“OK”、儀器號(Serial NO.)是否正確、狀態(tài)值(State)是否為“RECORDING”。工作列表(Time To Next Job)后為下一次運(yùn)行時(shí)間的倒計(jì)時(shí)，若為“No jobs”則表明工作列表未啟動，無記錄文件產(chǎn)生。

1.3.3 儀器異常告警

當(dāng)發(fā)現(xiàn)上述參數(shù)超出正常閾值后，軟件將發(fā)出告警提示。可選擇通過音樂聲、彈出對話框或向值班表里的工作人員發(fā)送短信進(jìn)行告警，短信內(nèi)容包含儀器可能存在的故障類型或部位，內(nèi)容相同的告警信息只發(fā)送一次(池海江等，2017)。

1.3.4 數(shù)據(jù)文件檢查

本模塊的功能為登錄服務(wù)器，并逐一對極低頻服務(wù)器中對應(yīng)日期所產(chǎn)生的文件夾和文件名、字節(jié)大小進(jìn)行檢查，若發(fā)現(xiàn)文件缺失或字節(jié)大小變化則通過彈窗顯示。

該程序通過后臺登錄極低頻服務(wù)器，不需要輸入各自的用戶名和密碼，自動執(zhí)行文件檢查和傳送命令，應(yīng)用了SSH的“免密登錄”技術(shù)。Linux系統(tǒng)中有一個(gè)存儲所登錄主機(jī)秘鑰的文件，其位于根目錄下隱藏目錄.ssh中的authorized＿keys文件中，存儲能夠登錄本地主機(jī)的身份證信息，存儲格式都是以“ssh-rsa”為開頭的一組字符串，每個(gè)這種形式的字符串均代表一個(gè)主機(jī)的惟一秘鑰，且這個(gè)秘鑰無法被仿照。

極低頻觀測產(chǎn)出的文件數(shù)量多，主要有電道Ex、Ey，磁道Hx、Hy、Hz共5個(gè)測項(xiàng)，文件類型包括16Hz天然源連續(xù)采樣時(shí)間序列，256Hz和4096Hz每10min記錄64s和4s的天然源循環(huán)記錄，32Hz、128Hz、512Hz和2048Hz每1d記錄2次人工源采集時(shí)間序列，以及狀態(tài)信息文件、配置文件Xml，經(jīng)過相干度疊加、中值疊加和全疊加3種處理方法得到的369個(gè)EDI文件。同一類文件的字節(jié)大小一致，如5個(gè)測道、16Hz天然源文件都為5563360kB。但該類文件存在一種特殊情況，即每隔7d的周日進(jìn)行4min GPS時(shí)鐘校準(zhǔn)，16Hz天然源連續(xù)記錄暫時(shí)中斷，時(shí)序文件ats變?yōu)?549024kB，其他頻率的時(shí)序文件在正常情況下大小不變。

1.3.5 數(shù)據(jù)文件補(bǔ)傳

本模塊可在網(wǎng)絡(luò)、儀器故障或其他原因?qū)е聵O低頻儀器中的文件沒有上傳到服務(wù)器時(shí)，將選定日期的數(shù)據(jù)從極低頻儀器補(bǔ)傳到臺站服務(wù)器中。

1.3.6 數(shù)據(jù)文件處理

當(dāng)服務(wù)器中只有時(shí)間序列的數(shù)據(jù)文件，而沒有EDI文件或EDI文件個(gè)數(shù)不夠數(shù)時(shí)，需要對數(shù)據(jù)重新進(jìn)行處理，類似于“十五”前兆數(shù)據(jù)的“預(yù)處理”過程。選擇“重新處理”后，程序通過后臺登錄服務(wù)器，自動進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并生成EDI文件。

根據(jù)中國地震局地質(zhì)研究所電磁課題組的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，對重新生成EDI文件執(zhí)行以下步驟：1)后臺登錄服務(wù)器，檢查當(dāng)日的文件夾中是否有“999”或其他非正規(guī)文件夾，如有則將其刪除；2)清空當(dāng)日EDI文件夾中的所有文件；3)進(jìn)入“/mtdata/metronix”目錄執(zhí)行“Update.sh”腳本命令，進(jìn)行初始化檢查；4)執(zhí)行“systemctl status autoProcessData”腳本命令，服務(wù)器將自動進(jìn)行處理，整個(gè)過程大約需要十多分鐘，可以通過本軟件或SSH軟件刷新查看生成文件的進(jìn)程。每次只能對一個(gè)選定日期的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

1.3.7 填報(bào)數(shù)據(jù)檢查

按照中國地震局地質(zhì)研究所的要求填報(bào)工作日志，并對填報(bào)參數(shù)進(jìn)行檢索收取，主要包括以下工作：1)讀取氣象數(shù)據(jù)。軟件根據(jù)配置信息后臺登錄氣象儀，讀取前一天的氣溫、氣壓和降雨量，判別填寫天氣情況。如果有降雨則匯總求和，確定降雨的開始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻，并將以上信息填入“重大情況”一欄(池海江等，2017)。2)登錄極低頻儀器，讀取儀器序列號、GPS狀態(tài)、供電電壓、磁盤空間和錯誤信息列表。3)登錄極低頻服務(wù)器，對服務(wù)器空間和前一天(UTC時(shí)間)的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，包括時(shí)序和預(yù)處理的EDI文件夾、文件名和字節(jié)大小等。

圖3 極低頻臺站的日志報(bào)送界面Fig.3 Extremely low frequency station log submission interface.

1.3.8 生成工作日志

根據(jù)圖3 的檢查結(jié)果，手動插入由“快視軟件”生成的視電阻率相位、自功率譜-時(shí)間圖片的名字，自動生成Word格式的工作日志。如果某項(xiàng)缺填會以文本框變色提示。

1.3.9 上傳檢查日志

在檢查日志確認(rèn)無誤后，點(diǎn)擊“上傳”會把當(dāng)天日志上傳到本臺服務(wù)器對應(yīng)的文件夾中。

2 主要功能的實(shí)現(xiàn)

在軟件編寫過程中，采用成熟的控件、動態(tài)庫、接口、宏語言命令以達(dá)到快速高效開發(fā)的目的。極低頻觀測操作系統(tǒng)基于Novell公司旗下Linux內(nèi)核的openSUSE開發(fā)，臺站使用的微機(jī)操作系統(tǒng)目前多為Windows 7.0或10.0。程序應(yīng)用控件對儀器網(wǎng)頁和日志內(nèi)容進(jìn)行解析，通過SSH、WINSCP命令登錄儀器和服務(wù)器，把操作命令變成視窗界面的一個(gè)快捷按鈕。按照《地震前兆臺網(wǎng)專用設(shè)備網(wǎng)絡(luò)技術(shù)規(guī)程》讀取臺站輔助觀測氣象儀的數(shù)據(jù)。與工作日志相關(guān)的流程主要調(diào)用Word VBA實(shí)現(xiàn)，把繁瑣的人工輸入改為以宏命令方式運(yùn)行，自動生成和報(bào)送日志文件。

2.1 Web Browser控件

VB的網(wǎng)頁瀏覽器(Web Browser)控件基于IE內(nèi)核，并封裝了IE的諸多功能。其不僅支持URL地址瀏覽，也支持超鏈接網(wǎng)頁瀏覽，同時(shí)還可以返回到歷史記錄。通過網(wǎng)頁文件html中關(guān)鍵字符的查找操作，提取對應(yīng)的變量和關(guān)鍵字符，如儀器號、GPS時(shí)間、供電電壓等。出于安全考慮，初始登錄網(wǎng)頁要求提供用戶名和密碼，一臺PC機(jī)只需輸入一次，之后訪問時(shí)軟件會自動識別，不必再輸入。

2.2 調(diào)用WinSCP命令

WinSCP是一個(gè)在Windows環(huán)境下使用SSH的開源圖形化SFTP客戶端，可鏈接Linux系統(tǒng)，同時(shí)支持SCP協(xié)議，支持SSH密碼、鍵盤交互、公鑰驗(yàn)證，可實(shí)現(xiàn)文件傳輸與管理。軟件通過命令實(shí)現(xiàn)極低頻儀器和服務(wù)器磁盤空間的檢查、記錄文件的檢查和復(fù)制，包括所選日期的文件夾是否存在，文件數(shù)量、名字和字節(jié)大小是否正確等。

2.3 應(yīng)用Word VBA

工作日志生成功能的操作對象是Word文檔。在實(shí)際編程中，應(yīng)用VBA(Visual Basic for Applications)標(biāo)準(zhǔn)宏語言實(shí)現(xiàn)對Word的操作。將對內(nèi)存中的段落、表格、插入圖表對象的操作轉(zhuǎn)換成對Word文檔的操作。

2.4 讀取氣象儀數(shù)據(jù)

目前地震臺站運(yùn)行的氣象三要素儀主要包括WYY-1型、RTP-2型和ZKGD3000-M型，均為標(biāo)準(zhǔn)的“十五”儀器。進(jìn)行儀器設(shè)計(jì)時(shí)按照中國數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目的要求，通過以太網(wǎng)、基于SOCKET連接的HTTP協(xié)議，接受并響應(yīng)客戶端指令或由網(wǎng)頁方式控制，完成與客戶端、數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)信息交換。本軟件利用前兆儀器的指令端口(缺省值81)完成數(shù)據(jù)采集，獲得氣溫、氣壓和降雨量數(shù)據(jù)。

2.5 告警服務(wù)

告警分為彈窗告警、音樂告警和短信告警。其中，短信告警更多地應(yīng)用于實(shí)際工作中。短信告警可通過手機(jī)郵箱短信(王莉森等，2016；丁成等，2018)、短信貓和網(wǎng)絡(luò)平臺方式發(fā)送。本軟件使用網(wǎng)絡(luò)平臺方式，即依托專門從事短信開發(fā)的第三方公司，只需按照相關(guān)要求接入，即可準(zhǔn)確及時(shí)地發(fā)出，不需要值班人員單獨(dú)申請郵箱，且費(fèi)用相對較低，不需外購設(shè)備，經(jīng)濟(jì)方便。

3 應(yīng)用效果

軟件于2019年設(shè)計(jì)完成，初期在懷來地震臺極低頻觀測中投入應(yīng)用。2019年10月8日臺站出現(xiàn)垂直向磁棒故障，儀器可以連通，但無記錄文件；2019年12月31日因氣溫降低儀器死機(jī)；2020年2月9日GPS掉線。軟件針對以上故障均可及時(shí)發(fā)出告警，提醒值班人員進(jìn)行維修處理，減少了中斷情況的發(fā)生。2020年1—10月資料的連續(xù)率為99.8%，明顯高于前幾年的運(yùn)行率，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

4 結(jié)束語

極低頻觀測儀(ADU-07e)在中國資源探測和預(yù)測方面具有很大的應(yīng)用和發(fā)展前景。極低頻電磁組網(wǎng)的建設(shè)標(biāo)志著大地電磁測深任務(wù)向滿足地震預(yù)報(bào)需求的長期連續(xù)監(jiān)測任務(wù)的轉(zhuǎn)變、由短期有人觀測向長期無人值守的轉(zhuǎn)變，該項(xiàng)工作對儀器性能及維護(hù)提出了新的要求，需不斷總結(jié)觀測經(jīng)驗(yàn)。

運(yùn)用本文所述軟件，可將繁雜的儀器檢查工作轉(zhuǎn)換為“一鍵式”閾值判斷，提高了儀器異常處理能力及響應(yīng)速度，將Linux系統(tǒng)下的文件列表數(shù)據(jù)補(bǔ)傳、預(yù)處理、日志報(bào)送等操作變成Windows下的快捷按鈕，規(guī)范方便，更適合臺站的工作特點(diǎn)并易于推廣應(yīng)用。

但目前該軟件只能通過數(shù)據(jù)文件字節(jié)大小判別數(shù)據(jù)缺失，還不能對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行深入解析，今后將在此方面進(jìn)行更加深入的探索研究。

致謝湯吉研究員為本文提出了指導(dǎo)意見，在此表示衷心感謝！