川滇預(yù)警示范項(xiàng)目四川地區(qū)簡(jiǎn)易烈度計(jì)臺(tái)站數(shù)據(jù)傳輸效能提升研究

顏 歡，陳碧洪，張正偉，楊志鵬，徐明軍

（四川省地震局西昌地震監(jiān)測(cè)中心站，四川西昌 615000）

地震預(yù)警是指在地震發(fā)生后，利用地震波傳播速度小于電磁波傳播速度的特點(diǎn)，提前對(duì)地震波尚未到達(dá)的地方進(jìn)行預(yù)警。地震預(yù)警的核心技術(shù)是利用最接近震源處的少量臺(tái)站的地震初期震動(dòng)信息快速判定地震并測(cè)定地震參數(shù)，進(jìn)而預(yù)測(cè)尚未傳播開來的地震動(dòng)大小、烈度分布、影響范圍和影響程度，其技術(shù)環(huán)節(jié)包括從地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的噪聲和干擾中準(zhǔn)確判別地震信號(hào)，實(shí)時(shí)估計(jì)地震發(fā)生的位置和大小，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)地震波的傳播和地震烈度場(chǎng)的分布，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)可能的災(zāi)害。可以看出，地震預(yù)警對(duì)各個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)性要求非常高，預(yù)警臺(tái)站的數(shù)據(jù)傳輸效能至關(guān)重要，它直接影響了地震預(yù)警系統(tǒng)的及時(shí)性和有效性。

為了滿足地震預(yù)警臺(tái)站數(shù)據(jù)鏈路傳輸時(shí)效性、準(zhǔn)確性的需求，我國(guó)地震工作者圍繞臺(tái)站數(shù)據(jù)傳輸開展了大量研究，如：吳衛(wèi)遠(yuǎn)等（2010）利用CDMA無線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字測(cè)震臺(tái)站數(shù)據(jù)傳輸和組網(wǎng)；劉春祥（2013）對(duì)國(guó)內(nèi)地震臺(tái)站數(shù)據(jù)傳輸通常使用的幾種傳輸方式進(jìn)行對(duì)比，設(shè)計(jì)了一套適合地震臺(tái)站實(shí)際情況的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)；諶亮等（2017）利用3G／4G無線通信高帶寬、高覆蓋和高穩(wěn)定性的技術(shù)特點(diǎn)，構(gòu)建臺(tái)站備用通信系統(tǒng)，從而大幅提高臺(tái)站的數(shù)據(jù)運(yùn)行率；葉世山等（2019）利用基于3G／4G網(wǎng)絡(luò)工業(yè)無線路由器充當(dāng)串口服務(wù)器和提供上網(wǎng)服務(wù)功能，解決了強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}；付琦等（2021）提出了基于4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)L2TP VPN 備份鏈路的方案，保障數(shù)字地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的鏈路暢通。以上研究多針對(duì)地震臺(tái)站數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，對(duì)于臺(tái)站數(shù)據(jù)傳輸效能提升的研究較少。因此，開展地震預(yù)警臺(tái)站數(shù)據(jù)傳輸效能提升研究工作刻不容緩，也具有顯著的實(shí)用價(jià)值。本研究結(jié)合實(shí)踐情況，分析簡(jiǎn)易烈度計(jì)臺(tái)站數(shù)據(jù)傳輸故障，提出各種技術(shù)手段，以提升臺(tái)站數(shù)據(jù)傳輸效能。

1 川滇預(yù)警示范項(xiàng)目（四川地區(qū)）概況

為加快推進(jìn)地震預(yù)警體系建設(shè)，根據(jù)中國(guó)地震局統(tǒng)一部署，川滇預(yù)警示范項(xiàng)目（四川地區(qū)）在川滇交界的四川省涼山彝族自治州（以下簡(jiǎn)稱四川涼山）地區(qū)新建150個(gè)簡(jiǎn)易烈度計(jì)臺(tái)站，與原有的測(cè)震臺(tái)站組成綜合地震預(yù)警示范網(wǎng)，臺(tái)站布局如圖1所示。在四川涼山地區(qū)建設(shè)地震烈度速報(bào)和地震預(yù)警系統(tǒng)主要是為了利用該地區(qū)地震頻發(fā)的特點(diǎn)，檢驗(yàn)地震預(yù)警系統(tǒng)的有效性，積極探索臺(tái)站運(yùn)行模式，全面積累運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，為國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程建設(shè)提供示范。目前這些簡(jiǎn)易烈度計(jì)臺(tái)站已經(jīng)正式納入地震預(yù)警系統(tǒng)中。

圖1 川滇預(yù)警示范臺(tái)站（四川地區(qū)）分布

川滇預(yù)警示范臺(tái)網(wǎng)（四川地區(qū)）由簡(jiǎn)易烈度計(jì)地震動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及信息服務(wù)系統(tǒng)構(gòu)成；簡(jiǎn)易烈度計(jì)臺(tái)站觀測(cè)系統(tǒng)由供電系統(tǒng)、烈度儀和通訊系統(tǒng)3個(gè)部分組成，圖2為簡(jiǎn)易烈度計(jì)臺(tái)站觀測(cè)系統(tǒng)圖。簡(jiǎn)易烈度計(jì)臺(tái)站地震動(dòng)觀測(cè)采用北京港震GL-P2B 型簡(jiǎn)易烈度計(jì)，該簡(jiǎn)易烈度計(jì)內(nèi)置了高靈敏度3 分向微機(jī)電Mems加速度計(jì)模組，其數(shù)據(jù)采集部分為EDAS-24GN的小型化版，兩者在ADC、基于ARM9芯片和Linux的嵌入式系統(tǒng)等方面具有相同的設(shè)計(jì)，具有地震事件自動(dòng)檢測(cè)、烈度計(jì)算等功能，能夠輸出連續(xù)波形數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)采用3G／4G網(wǎng)絡(luò)工業(yè)級(jí)無線路由器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，通過JOPENS實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)匯集。截至2021年底，四川省地震局西昌地震監(jiān)測(cè)中心站承擔(dān)了川滇預(yù)警示范項(xiàng)目（四川地區(qū)）100個(gè)簡(jiǎn)易烈度計(jì)臺(tái)站的運(yùn)維保障工作，西昌站運(yùn)維人員通過各個(gè)方面的技術(shù)改進(jìn)和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，切實(shí)提高了臺(tái)站數(shù)據(jù)傳輸效能。

圖2 簡(jiǎn)易烈度計(jì)臺(tái)站觀測(cè)系統(tǒng)

2 臺(tái)站數(shù)據(jù)傳輸故障

常見的影響簡(jiǎn)易烈度計(jì)臺(tái)站數(shù)據(jù)傳輸效能的故障有：太陽能電源控制器損壞、蓄電池虧電、無線路由器死機(jī)、3G／4G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不穩(wěn)定等?？蓪⑦@些故障歸納為供電系統(tǒng)故障和通訊系統(tǒng)故障兩種類型，下文將針對(duì)這兩種故障類型進(jìn)行分析，并提出解決方案。

2．1 供電系統(tǒng)故障

四川涼山地區(qū)太陽能資源豐沛，年平均日照時(shí)間約2 400 h，川滇預(yù)警示范項(xiàng)目（四川地區(qū)）充分利用該清潔能源優(yōu)勢(shì)，建設(shè)了簡(jiǎn)易烈度計(jì)臺(tái)站供電系統(tǒng)。該供電系統(tǒng)主要由太陽能電池板、蓄電池組、太陽能電源控制器組成。造成供電系統(tǒng)故障的主要原因有：太陽能電池板被建筑物或植被等遮擋，導(dǎo)致蓄電池虧電；觀測(cè)環(huán)境潮濕，導(dǎo)致太陽能電源控制器內(nèi)部短路故障；蓄電池容量下降等。為提高供電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，可采取兩種措施。（1）定期開展臺(tái)站巡檢工作，檢查太陽能電池板周邊環(huán)境，保證其日照充足。四川涼山地區(qū)簡(jiǎn)易烈度計(jì)臺(tái)站大部分都建設(shè)在鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）政府所在地，均為無人值守臺(tái)站。從西昌站運(yùn)維簡(jiǎn)易烈度計(jì)臺(tái)站的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，隨著撤鄉(xiāng)設(shè)鎮(zhèn)等新型城鎮(zhèn)化建設(shè)工作的推進(jìn)，臺(tái)站周邊環(huán)境發(fā)生了不同程度的變化，太陽能電池板被遮擋的情況時(shí)有發(fā)生，所以定期開展臺(tái)站巡檢工作就顯得十分重要。（2）選用防潮性能較好，且具有充放電智能管理和蓄電池保護(hù)功能的MPPT太陽能控制器或PWM 太陽能控制器。目前市場(chǎng)上主流的太陽能電源控制器主要有MPPT和PWM 太陽能控制器兩種，兩種控制器的主要參數(shù)見表1。MPPT太陽能控制器是目前較高端的，有優(yōu)秀的蓄電池管理功能，擁有最大功率追蹤功能，系統(tǒng)充電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)97%，但價(jià)格通常是PWM 太陽能控制器的幾倍乃至數(shù)十倍，在預(yù)算充足的情況下，可以選擇。PWM 太陽能控制器同樣擁有不錯(cuò)的蓄電池管理功能，系統(tǒng)充電轉(zhuǎn)換效率在80%左右，且價(jià)格相對(duì)低廉，是性價(jià)比較高的設(shè)備。

表1 MPPT和PWM 太陽能電源控制器主要參數(shù)

2．2 通訊系統(tǒng)故障

簡(jiǎn)易烈度計(jì)臺(tái)站的通訊系統(tǒng)，選擇的是基于3G／4G 網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)無線路由器解決方案。3G／4G 網(wǎng)絡(luò)工業(yè)無線路由器是一種物聯(lián)網(wǎng)無線通信路由器，利用公用CDMA 網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)為臺(tái)站提供無線長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸功能。影響通訊系統(tǒng)運(yùn)行的主要因素有：工業(yè)無線路由器死機(jī)；工業(yè)無線路由器天線被破壞，接收不到3G／4G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)；基站信號(hào)不穩(wěn)定等。為提高通訊系統(tǒng)運(yùn)行效能，可以采取3種措施。（1）選用性能較好的工業(yè)級(jí)4G全網(wǎng)通無線路由器。隨著4G網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模商用和5G技術(shù)的加速推廣，國(guó)內(nèi)各大運(yùn)營(yíng)商已逐步開展3G退網(wǎng)工作。因此，支持4G網(wǎng)絡(luò)是簡(jiǎn)易烈度計(jì)臺(tái)站無線路由器的首要指標(biāo)；其次，應(yīng)選擇功耗低、無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)接收能力強(qiáng)、有在線保持功能，且支持國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商的全網(wǎng)通無線路由器。（2）優(yōu)化無線路由器天線性能和安裝位置。以西昌站的運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)來看，無線路由器原則上應(yīng)使用原裝天線，在原裝天線不能滿足信號(hào)傳輸要求時(shí)，可選用高增益天線。在相對(duì)偏遠(yuǎn)的臺(tái)站，天線在房間內(nèi)或機(jī)柜內(nèi)與天線在室外接收到的信號(hào)強(qiáng)度相差較大，在確保安全的前提下，應(yīng)將天線安裝到室外。（3）與運(yùn)營(yíng)商建立一個(gè)良好的溝通協(xié)調(diào)機(jī)制。無線路由器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，依托的是運(yùn)營(yíng)商提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，臺(tái)站人員需要與運(yùn)營(yíng)商保持良好的溝通，確保運(yùn)營(yíng)商基站無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)正常。

3 應(yīng)用效果

從2020年初開始，西昌地震監(jiān)測(cè)中心站逐步開展了提升川滇預(yù)警示范項(xiàng)目（四川地區(qū)）簡(jiǎn)易烈度計(jì)臺(tái)站數(shù)據(jù)傳輸效能的工作，主要有以下4類。

（1）每年開展不少于兩次的現(xiàn)場(chǎng)巡檢工作。巡檢工作主要包含：巡查臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境，對(duì)影響太陽能電池板日照時(shí)間的植被進(jìn)行清理；用萬用表檢查太陽能電源控制器工作狀態(tài)；用蓄電池檢測(cè)儀檢查蓄電池容量、內(nèi)阻、壽命等，對(duì)狀態(tài)較差的蓄電池進(jìn)行更換。

（2）安裝時(shí)控開關(guān)，實(shí)現(xiàn)無線路由器定時(shí)斷電重啟功能。運(yùn)維人員在日常運(yùn)維工作中發(fā)現(xiàn)，無線路由器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行導(dǎo)致死機(jī)的情況時(shí)有發(fā)生，需要運(yùn)維人員上臺(tái)斷電重啟才能恢復(fù)，死機(jī)嚴(yán)重影響臺(tái)站運(yùn)行率。2020年1月臺(tái)站人員選取了西昌市周邊的10個(gè)臺(tái)站，開展時(shí)控開關(guān)安裝工作，安裝前后臺(tái)站運(yùn)行率統(tǒng)計(jì)見表2。從表2可以看出，2020年1月以前，10個(gè)臺(tái)站運(yùn)行率波動(dòng)較大，平均運(yùn)行率在92%，從2020年1月開始安裝時(shí)控開關(guān)以來，10個(gè)臺(tái)站運(yùn)行率逐步提升，2020年3月平均運(yùn)行率達(dá)到98%，臺(tái)站數(shù)據(jù)傳輸效能得到明顯提升。

表2 運(yùn)行率統(tǒng)計(jì)

（3）使用防潮性能更好，有充放電智能管理功能的PWM 太陽能電源控制器。運(yùn)維人員在日常運(yùn)維工作中發(fā)現(xiàn)，個(gè)別氣候環(huán)境較差的臺(tái)站存在太陽能電源控制器故障率高的現(xiàn)象。針對(duì)該問題，運(yùn)維人員從2020年初起，逐步開展了太陽能電源控制器更換工作。通過對(duì)2017—2021年西昌站簡(jiǎn)易烈度計(jì)臺(tái)站維修記錄的整理，太陽能控制器年故障次數(shù)分別為18、21、16、7和6次。由此可知，2020年以前太陽能電源控制器的年故障次數(shù)在16次以上，開展太陽能電源控制器更新工作后，從2020年起太陽能電源控制器的年故障次數(shù)在7次以下，臺(tái)站供電穩(wěn)定性得到顯著提升。

（4）更換臺(tái)站無線路由器為廈門四信F3A36全網(wǎng)通工業(yè)無線路由器，搭建路由器遠(yuǎn)程管理平臺(tái)（見圖3）。借助于路由器遠(yuǎn)程管理平臺(tái)可以對(duì)所有路由設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)控、配置、升級(jí)，進(jìn)一步提高遠(yuǎn)程故障診斷能力，降低運(yùn)維成本。

圖3 路由器遠(yuǎn)程管理平臺(tái)

通過對(duì)2020年西昌站運(yùn)維的100個(gè)簡(jiǎn)易烈度計(jì)臺(tái)站的運(yùn)行率統(tǒng)計(jì)可知，自2020年年初開展提升措施以來，臺(tái)站總運(yùn)行率從1月的85%逐漸穩(wěn)步提升至12月的98%，從2020年8月開始，臺(tái)站運(yùn)行率已滿足中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心《國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程觀測(cè)站運(yùn)行管理要求（暫行）》中一般站運(yùn)行率達(dá)到95%以上的要求。川滇預(yù)警示范項(xiàng)目（四川地區(qū)）簡(jiǎn)易烈度計(jì)臺(tái)站數(shù)據(jù)傳輸效能得到較為顯著的提升。

4 結(jié)束語

近年來，伴隨著地震預(yù)警技術(shù)的發(fā)展，在國(guó)家及中國(guó)地震局相關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目的支持下，建設(shè)和改造了一大批地震預(yù)警臺(tái)站。隨著地震預(yù)警信息服務(wù)能力不斷提高，對(duì)預(yù)警臺(tái)站數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、時(shí)效性等要求也日益增高。文章對(duì)影響川滇預(yù)警示范項(xiàng)目（四川地區(qū)）簡(jiǎn)易烈度計(jì)臺(tái)站數(shù)據(jù)傳輸效能的關(guān)鍵因素進(jìn)行整理歸納、分析故障原因，并提出解決故障的技術(shù)方法。通過西昌地震監(jiān)測(cè)中心站的實(shí)踐，較好地提升了川滇預(yù)警示范項(xiàng)目（四川地區(qū)）簡(jiǎn)易烈度計(jì)臺(tái)站數(shù)據(jù)傳輸效能，片區(qū)地震預(yù)警能力得到保障。