陜西地震烈度速報(bào)與預(yù)警系統(tǒng)一般站運(yùn)行對比分析*

王衛(wèi)平 趙 韜 古云鶴 徐一斐 白若冰 常 城

（陜西省地震局，陜西西安 710068）

引言

陜西地震烈度速報(bào)與預(yù)警系統(tǒng)一般站共建設(shè)1000個(gè)站，包含國家發(fā)改委批復(fù)的485個(gè)站和陜西省發(fā)改委批復(fù)的515個(gè)站，建設(shè)地點(diǎn)主要布設(shè)在重點(diǎn)地區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)級行政單元。一般站的主要功能是烈度速報(bào)的骨干臺站和輔助開展預(yù)警，主要特點(diǎn)是儀器靈敏度不高，儀器價(jià)格、場址要求、建設(shè)成本低[1]，其技術(shù)系統(tǒng)由烈度儀、供電系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)3部分組成[2]，設(shè)備安裝遵循中國地震局《地震臺站建設(shè)規(guī)范地震烈度速報(bào)與預(yù)警臺站》（DB/T60-2015）標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)建設(shè)[3]，采用壁掛或地表方式，將烈度儀安裝在室內(nèi)的墻壁或地表上。陜西省內(nèi)建設(shè)的1000個(gè)一般站，大多數(shù)采用自由場地地表安裝方式，少部分采用壁掛安裝方式，全部安裝在陜西鐵塔基站里[4]。

1 基本情況

國家地震預(yù)警項(xiàng)目一般站主要分布在國家地震重點(diǎn)預(yù)警區(qū)[5]，包括關(guān)中全部、陜南的寧強(qiáng)、略陽兩縣、陜北的定邊縣西部；省地震預(yù)警項(xiàng)目一般站主要分布在全省重點(diǎn)預(yù)警區(qū)之外的地方（圖1）。國家和省地震預(yù)警一般站建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和安裝規(guī)范均一致，烈度儀均為中國地震局入網(wǎng)定型設(shè)備。

圖1 陜西省地震烈度速報(bào)與預(yù)警系統(tǒng)一般站分布圖Fig. 1 Distribution of general stations of Shaanxi earthquake intensity quick report and early warning system

國家地震預(yù)警項(xiàng)目一般站在各地市的安裝中，設(shè)備類型按照一般站點(diǎn)位順序，珠海泰德和瑞琪皓迪依次均勻分布；省地震預(yù)警項(xiàng)目一般站在各地市安裝中，按照地市盡可能選用一個(gè)廠家設(shè)備進(jìn)行安裝，一般站按照廠家數(shù)量劃分見表1。

表1 一般站按照廠家劃分表Table 1 Classification of general stations by manufacturers

2 數(shù)據(jù)傳輸組網(wǎng)方式

國家預(yù)警項(xiàng)目一般站接入方式是國家中心和各省中心通過VPN方式接入鐵塔公司匯聚節(jié)點(diǎn)（上海），建立與一般站的通信信道，接收一般站的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對一般站的監(jiān)控。在國家中心和各省中心部署波形交換管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一般站實(shí)時(shí)流和觸發(fā)流數(shù)據(jù)的接收和轉(zhuǎn)發(fā)。一般站同時(shí)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流和觸發(fā)事件流，其中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流傳至所屬省中心，觸發(fā)事件流傳至國家中心；各省中心向國家中心和國家備份中心轉(zhuǎn)發(fā)本省實(shí)時(shí)流數(shù)據(jù)，同時(shí)可從國家中心和國家備份中心轉(zhuǎn)發(fā)本省實(shí)時(shí)流數(shù)據(jù)；國家中心向各省中心轉(zhuǎn)發(fā)觸發(fā)事件流數(shù)據(jù)，各省中心可從國家中心或國家備份中心獲取本省和其他省的一般站的觸發(fā)事件流數(shù)據(jù)；國家備份中心從各省中心獲取各省級一般站的實(shí)時(shí)流數(shù)據(jù)，從國家中心獲取全部一般站的觸發(fā)事件流數(shù)據(jù)（圖2）。

省預(yù)警項(xiàng)目一般站接入方式是數(shù)據(jù)上傳至FSU動(dòng)環(huán)監(jiān)控模塊，然后通過運(yùn)營商公網(wǎng)提供的VPN隧道經(jīng)陜西鐵塔將本省實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流回傳至省局一般站數(shù)據(jù)流服務(wù)器，為保障授時(shí)同步，以中國地震局提供的NTP授時(shí)服務(wù)器為根節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一授時(shí)（圖2和圖3）。

圖2 國家一般站數(shù)據(jù)傳輸框圖Fig. 2 Data transmission block diagram of national general stations

圖3 省級一般站數(shù)據(jù)傳輸框圖Fig. 3 Data transmission block diagram of provincial general stations

3 產(chǎn)出資料

國家一般站和省級一般站在2021年10月均進(jìn)行了為期一個(gè)月的試運(yùn)行考核，且考核結(jié)果初步符合驗(yàn)收要求。2022年3月開始，國家和省級一般站分別進(jìn)行了站點(diǎn)IP地址修改及省級一般站VPN路由器搬遷，所以選取了2021年11月—2022年2月為期4個(gè)月的運(yùn)行率和延時(shí)資料。2021年11月—2022年2月國家一般站月平均運(yùn)行率分別為96.54%、96.46%、97.01%、96.19%，省級一般站分別為95.12%、93.01%、95.76%、97.29%（圖4）。另外，還統(tǒng)計(jì)了月平均運(yùn)行率≤95%站點(diǎn)個(gè)數(shù)及其百分比（表2）和各地市月平均運(yùn)行率≤95%站點(diǎn)個(gè)數(shù)（表3）。

表2 月平均運(yùn)行率≤95%站點(diǎn)個(gè)數(shù)及其百分比Table 2 Number and percentage of stations with monthly average operation rate ≤95%

表3 各地市月平均運(yùn)行率≤95%站點(diǎn)個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistics of number of stations with monthly average operation rate ≤95% in various cities

圖4 國家和省級4個(gè)月月平均運(yùn)行率對比圖Fig. 4 Comparison chart of four months average operation rate between the country and the province

國家和省級一般站2021年11月—2022年2月實(shí)際運(yùn)行期間，以單個(gè)站點(diǎn)月平均延時(shí)小于等于1 s、2 s、5 s、10 s、60 s為指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)了不同延時(shí)標(biāo)準(zhǔn)下的站點(diǎn)個(gè)數(shù)及其百分比（表4）和不同延時(shí)標(biāo)準(zhǔn)下的各地市站點(diǎn)個(gè)數(shù)（表5）。

表4 不同延時(shí)標(biāo)準(zhǔn)下的站點(diǎn)個(gè)數(shù)及其百分比Table 4 Number and percentage of stations under different delay time standards

表5 不同延時(shí)標(biāo)準(zhǔn)下的各地市站點(diǎn)個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 5 Statistics of number of stations in different cities under different delay time standards

國家和省級一般站背景噪聲計(jì)算原則是，選取斷記臺站最少、環(huán)境干擾最小的時(shí)段。國家一般站背景噪聲計(jì)算選取2022年4月4日01:00—02:00的數(shù)據(jù)，省級一般站背景噪聲計(jì)算選取2022年3月22日01:00—02:00的數(shù)據(jù)，對于選取時(shí)間段出現(xiàn)斷記臺站重新選擇其他時(shí)間段數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。國家有3個(gè)一般站無法計(jì)算，省級有5個(gè)一般站無法計(jì)算，背景噪聲計(jì)算的算法一致，都是計(jì)算1—20 Hz aRMS均值作為結(jié)果，計(jì)算過程一方面可以得到aRMS結(jié)果，另一方面還會獲得臺基PSD曲線圖，PSD曲線在大于0.1 Hz時(shí)，功率譜密度值小于-60 dB為優(yōu)。初步計(jì)算結(jié)果是國家和省級一般站的aRMS計(jì)算結(jié)果均符合建臺標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)國家一般站有64個(gè)疑似有外界干擾的臺站信息（西安17個(gè)、銅川5個(gè)、寶雞6個(gè)、咸陽18個(gè)、渭南15個(gè)、漢中1個(gè)、榆林2個(gè)），10個(gè)疑似某分向異常的臺站信息（西安1個(gè)、銅川1個(gè)、寶雞1個(gè)、咸陽4個(gè)、漢中1個(gè)、商洛1個(gè)、延安1個(gè)），7個(gè)PSD曲線異常明顯的臺站信息（西安1個(gè)、銅川2個(gè)、寶雞1個(gè)、咸陽1個(gè)、延安1個(gè)、榆林1個(gè)）；省級一般站有50個(gè)疑似有外界干擾的臺站信息（銅川1個(gè)、漢中4個(gè)、商洛2個(gè)、延安18個(gè)、榆林25個(gè)），6個(gè)疑似某分向異常的臺站信息（咸陽2個(gè)、漢中2個(gè)、延安1個(gè)、榆林1個(gè)），17個(gè)PSD曲線異常明顯的臺站信息（咸陽2個(gè)、漢中8個(gè)、商洛1個(gè)、延安5個(gè)、榆林1個(gè)）。

國家一般站珠海泰德烈度儀腐蝕7臺、瑞祺皓迪腐蝕8臺，省級一般站珠海泰德腐蝕5臺、東立博遠(yuǎn)腐蝕7臺，腐蝕的一般站都采用的是地表安裝方式，造成腐蝕的主要原因是一般站安裝的鐵塔基站進(jìn)水或者安裝區(qū)域是鹽堿地。

4 資料對比分析

4.1 月運(yùn)行率

分析產(chǎn)出資料發(fā)現(xiàn)，國家一般站2021年11月—2022年2月為期4個(gè)月時(shí)間的月平均運(yùn)行率中有11月、12月、1月共3個(gè)月是高于省級一般站月平均運(yùn)行率，只有2022年2月國家一般站月平均運(yùn)行率低于省級一般站（圖4）；國家一般站2021年11月—2022年2月月平均運(yùn)行率高的3個(gè)月份，其低于95%的站點(diǎn)個(gè)數(shù)百分比比較?。ū?）；國家一般站月平均運(yùn)行率低于95%的站點(diǎn)集中在西安、咸陽、渭南及漢中地區(qū)，省級項(xiàng)目月平均運(yùn)行率低于95%的站點(diǎn)集中在漢中、商洛、延安、榆林和安康地區(qū)（表3）。

國家一般站運(yùn)行率優(yōu)于省級一般站的主要原因是由于組網(wǎng)方式的不同。國家一般站使用的是承載網(wǎng)，經(jīng)由中國鐵塔云中心進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其通信信道及技術(shù)保障相對較強(qiáng)；而省級一般站通信鏈路主要經(jīng)由陜西鐵塔機(jī)房進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通信信道及技術(shù)支持相對較弱，缺乏專業(yè)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)人員，從而造成多次短暫數(shù)據(jù)中斷，最終導(dǎo)致國家一般站運(yùn)行率優(yōu)于省級一般站。

4.2 延時(shí)情況

國家一般站和省級一般站所選用的3種烈度儀均為國家預(yù)警項(xiàng)目統(tǒng)一定型入網(wǎng)設(shè)備，符合預(yù)警相關(guān)技術(shù)規(guī)范，3種設(shè)備的打包時(shí)間一致。根據(jù)不同延時(shí)標(biāo)準(zhǔn)下的站點(diǎn)個(gè)數(shù)百分比（表4和圖5）發(fā)現(xiàn)，省級一般站總體延時(shí)情況均優(yōu)于國家一般站，國家和省級一般站延時(shí)基本集中在≤2 s。根據(jù)不同延時(shí)標(biāo)準(zhǔn)下的各地市站點(diǎn)個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)表（表5）發(fā)現(xiàn)，國家一般站滿足≤1 s的主要是西安、寶雞、咸陽、渭南地區(qū)，省級一般站滿足≤1 s的主要是漢中、延安、榆林、安康。

圖5 4個(gè)月不同延時(shí)標(biāo)準(zhǔn)下的站點(diǎn)個(gè)數(shù)百分比圖Fig. 5 Comparison diagram of percentage of stations under different delay time standards in four months

省級一般站延時(shí)優(yōu)于國家一般站的主要原因是臺站選址問題，由于國家項(xiàng)目一般站建設(shè)較早，在建設(shè)初期缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，對物聯(lián)卡運(yùn)營商選擇、站點(diǎn)選擇均缺乏經(jīng)驗(yàn)，而在后期省級一般站建設(shè)時(shí)期，由于已經(jīng)開展了國家一般站項(xiàng)目建設(shè)，初步明確物聯(lián)卡運(yùn)營商選擇方案和站點(diǎn)選址方案，因此，省級一般站網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況優(yōu)于國家一般站，省級一般站延時(shí)情況也優(yōu)于國家一般站。

從運(yùn)行情況上看，延時(shí)均達(dá)不到≤1 s的要求。主要可能存在以下3方面原因： ① 一般站數(shù)采參數(shù)設(shè)置未更新，我們對一般站的數(shù)采設(shè)置進(jìn)行了核對，其中國家項(xiàng)目232個(gè)、省級項(xiàng)目221個(gè)一般站的數(shù)據(jù)打包時(shí)間為1 s，未根據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心最新要求更改為0.5 s，導(dǎo)致數(shù)據(jù)延時(shí)≤1 s的臺站相對較多。 ② 無線通信鏈路延時(shí)較大，由于一般站建設(shè)選擇場址均為通信鐵塔機(jī)房，其網(wǎng)絡(luò)通信狀況受運(yùn)營商影響較大，例如在移動(dòng)通信鐵塔機(jī)房內(nèi)部使用電信物聯(lián)網(wǎng)卡會存在信號較差的情況，或者部分通信鐵塔機(jī)房建設(shè)在鐵塔正下方，而通信塔正下方的信號普遍偏弱，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)延時(shí)較大。 ③ NTP授時(shí)服務(wù)器存在問題，一般站主要通過網(wǎng)絡(luò)授時(shí)進(jìn)行時(shí)鐘校正，在項(xiàng)目試運(yùn)行期間，陜西省級一般站主要使用兩臺虛擬服務(wù)器進(jìn)行授時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)，虛擬服務(wù)器授時(shí)性能存在很大的不確定性，當(dāng)授時(shí)請求訪問量大、授時(shí)頻率高時(shí)，虛擬服務(wù)器時(shí)間本身就會存在較大偏移，從而影響一般站整體授時(shí)。

4.3 背景噪聲

國家和省級一般站分別有81個(gè)和73個(gè)站點(diǎn)存在疑似有外界干擾問題需要核實(shí)。國家一般站集中在西安、咸陽和渭南，省級一般站集中在延安和榆林；國家和省級一般站疑似某分向異常的臺站都是個(gè)別站點(diǎn)存在；省級一般站PSD曲線異常明顯的臺站多于國家一般站。

5 結(jié)論與討論

（1）國家一般站月運(yùn)行率相對比較穩(wěn)定，但延時(shí)較大；省級一般站月運(yùn)行率變化較大，但通訊延時(shí)優(yōu)于國家一般站。運(yùn)行率不同的主要原因是組網(wǎng)方式不同，建議各省省級一般站通信傳輸方式采用國家項(xiàng)目方式。通訊延時(shí)問題主要原因是臺站選址問題，建議物聯(lián)卡運(yùn)營商選擇方案應(yīng)與站點(diǎn)選址方案相近。

（2）國家和省級一般站按照相關(guān)技術(shù)要求是平均運(yùn)行率不低于95%、通訊延時(shí)≤1 s。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，滿足該要求較為困難，建議降低相關(guān)要求。一般站要使用穩(wěn)定、可靠的物理授時(shí)服務(wù)器進(jìn)行時(shí)間管理，從而保證數(shù)據(jù)連續(xù)、可靠。

（3）通過抽查發(fā)現(xiàn)，個(gè)別地表安裝方式一般站的設(shè)備出現(xiàn)了腐蝕情況，分析認(rèn)為造成腐蝕的設(shè)備大多未安裝儀器接地導(dǎo)線，與地面存在電位差，由于儀器外殼多為鋁制造，鋁的活躍特性引發(fā)了電解腐蝕。建議今后在選址中應(yīng)避開環(huán)境潮濕、鹽堿地等特殊地區(qū)；如實(shí)在無法避開，則建議壁掛安裝方式，同時(shí)要嚴(yán)格按照安裝規(guī)定對儀器進(jìn)行接地處理，以降低設(shè)備電解腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

（4）由于陜西省內(nèi)1000個(gè)一般站數(shù)量大、儀器種類多，因此，出現(xiàn)故障的數(shù)量也會更多，在一般站試運(yùn)行時(shí)期，共有8個(gè)站點(diǎn)因?yàn)槿狈x器備機(jī)備件而停測。為了保障地震預(yù)警及烈度速報(bào)工作的順利開展，建議在今后項(xiàng)目建設(shè)中要充分考慮備機(jī)備件，針對每個(gè)地區(qū)、不同型號配備足量的備機(jī)備件，加強(qiáng)一般站運(yùn)行維護(hù)工作。