地下流体综合观测集成技术研究＊

刘爱春 周振安 刘耀炜 李 阔

(中国地震局地壳应力研究所,北京 100085)

地下流体综合观测集成技术研究＊

刘爱春 周振安 刘耀炜 李 阔

(中国地震局地壳应力研究所,北京 100085)

将地下流体学科中的水温、水位、气温、气压、雨量 5种物理量观测技术进行系统集成,形成一套综合观测系统,探索地震前兆综合观测的集成技术。

地下流体;综合观测;集成技术;水温;水位

1 前言

地下流体的综合观测研究,在国内外呈发展趋势,早在 20世纪 70年代,苏联就在地震预报实验场开展了地下流体的综合观测研究,观测项目包括地下水的物理动态和化学动态;日本在东海地区地下水观测网中的 11口井中全部开展地下水的物理动态和化学动态的综合观测研究;土耳其在伊斯坦布尔国际地震预报实验场中以 1口观测井为中心开展水位、水氧、水温、土温、土壤湿度、土氡、气压、降雨、气温等多项地下流体及与其有关的动态观测,而且还有地倾斜、地电等其他前兆的对比观测;美国也曾在帕克菲尔德实验场等地开展了不同前兆项目的综合对比观测[1],在这些综合观测项目中均采用数据采集、处理、通讯等集成技术。我国在“九五”期间曾采用公用数采的方式进行综合观测的集成,但由于一些客观原因,“十五”期间被停用,而采用每种观测技术一种观测仪器的方式,造成了资源的浪费,也对开展地下流体综合观测与研究造成一些不便和影响,因此进行综合化、数字化、自动化、网络化的综合观测集成技术研究是很有必要的[2]。

2 综合观测系统的集成技术与应用

2.1 集成方案与集成技术

目前,在地下流体观测中所采用的传感器信号输出类型主要有电压型、电流型、数字型、频率型、开关型等,综合集成技术就是将这些不同类型的传感器输出信号按照一定的采样率转化成数字化数据,并保存到大容量的存储设备中,通过网络,按照一定的通讯协议将数据传送到台网中心的数据库中[3,4]。

将地下流体中水温、水位、气温、气压、雨量 5种主要观测技术进行系统集成,形成一套综合观测系统。此综合观测系统主要包括主控单元、传感器、供电系统 3大部分(图 1)。

图1 综合观测系统集成原理框图Fig.1 Principle block diagram of integration of comprehensive observation system

1)主控单元采用高性能、低功耗、DOS操作系统支持的嵌入式工控机技术,并通过 PC/104总线方式扩展相应的功能模块。该工控机具有 10/100 M高速以太网接口,标准 I DE接口 (DOM,普通硬盘)、并口、4个串口(RS-232和 RS-485)、FDD软盘接口、USB接口、DOC接口、PS/2键盘口、RTC实时时钟、非易失性存储器、通用 GPI O、和 ISA总线、看门狗等功能,可直接安装、运行DOS系统软件,提供完整的 TCP/IP网络协议,可以使用丰富的免费资源进行开发调试系统。系统集成了 RTC芯片,具有掉电非易失的实时时钟,内、外部时钟均为 100 MHz,即使供电停止,也能通过后备锂电池 (3V),使RTC实时时钟保持运行,避免了每次启动都要校对时间的麻烦,且时间精度高,可准确、方便地识别事故发生的真实时间,系统的时钟可以通过WEB服务的手动方式与 SNTP网络的自动方式两种方式进行系统时钟的较时。

2)传感器中水温传感器为石英晶体传感器,输出信号是频率信号,为了提高传感器的精度与稳定性,在传感器前端利用单片机等数字化技术将频率信号变换成数字信号,因此水温传感器的输出信号为数字型,水位传感器输出信号为电流型,气温、气压传感器输出信号为电压型,雨量传感器输出信号为开关型,针对不同的传感器输出信号进行了扩展模块设计,其中水温传感器通过 RS-485接口将数字信号输入到工控机中,水位传感器通过一个电流转电压转换电路,通过信号变换,经多路转换控制输入到工控机中,气温、气压通过信号变换后,经多路转换控制输入到工控机中,电源电压信号经多路转换控制输入到工控机中,用来监控仪器的工作电压,雨量传感器通过信号变换后,经脉冲信号触发器形成脉冲信号,再利用工控机的 I RQ10中断源来进行雨量的脉冲计数,从而进行雨量的计数,同时还利用工控机的 I RQ11中断源对ADC的校准电压进行监控。

3)供电系统包含交、直流两种供电模式,可进行交、直流自动切换,主电源为 12 V,接口扩展芯片的供电电压为 5 V,传感器供电电压为 12 V,隔离电源有 +5 V和 -5 V,因此可充分保障综合观测系统的供电环境[5]。

集成后的综合观测数据采集系统实现对水温、水位、气温、气压、雨量传感器进行数据实时采集以及进行系统监测等,并将采集的数据保存到具有大容量的 CF卡中,台网中心可通过各种网络与综合观测系统联接,获取所需的数据。

2.2 集成功能

集成后的综合观测系统除了满足中国数字地震观测网络技术规程[6]规定的一些通讯协议规程外,还具有了一些网络化、自动化的功能,主要有：

1)WEB服务功能。系统内开发了Web服务功能,客户端与仪器通过 HTTP(超文本传输)通信协议进行通信,即在客户端的 IE浏览器中输入相应仪器的 IP地址,输入相应的用户名与密码即可登录综合观测系统,进行仪器信息查看、观测数据与运行日志的查看与下载、仪器参数配置与修改、系统时钟校时与远程复位等功能。

2)FTP服务功能。系统内开发 FTP文件传输服务功能,即在 DOS命令行状态下,输入 ftp IP地址,即可与综合观测仪连接,进行仪器参数的查看、修改,观测数据与运行日志的下载,软件的升级等功能[4]。

3)监控功能。通过端口读取电压数据,实现对观测系统工作电源电压进行监测,通过命令实现远程复位的程控、AD内部标准电压的校准、观测系统时钟的校准等。通过扩展模块的 JP24跳针,利用硬件方式来实现仪器 IP地址的修复,并将 IP地址恢复到出厂固定值[7]。

2.3 集成指标

1)测量精度：主机模拟电压量测量误差：＜0.01%±1;水温测量误差：＜0.05℃,分辨率：0.000 1℃;水位测量误差：＜0.2%,分辨率：0.1 mm;温度测量误差：＜±0.1℃,分辨率 0.01℃;气压测量误差：＜0.2%,分辨率 0.1 hPa;雨量测量误差：＜±4%,分辨率 0.1 mm;

2)采样率：1次/分;

3)数据存储容量：＞一年;

4)主机功耗：主机电流 120 mA。

集成后的综合观测系统具有抗干扰、稳定性好,低功耗等特点,可满足高精度传感器的采集要求,方便多种类型传感器的接入,可实现网络通讯传输与远程控制功能。

2.4 集成应用

图 2 海口向荣村台综合观测系统 2010-02-05日分钟值观测曲线Fig.2 Curvesminutely value of comprehensive observation system at Xiangrongcun station in Haikou city on Feb.5,2010

图 2为海口市向荣村台综合观测系统 2010年2月 5日的分钟值观测曲线,从图 2可看出,在一口观测井中,安装集成后的综合观测系统,能精确地完成水温、水位、气温、气压、雨量 5种不同类型传感器的数据采集与存贮,且精度达到传感器的设计要求;气温、气压、雨量的变化与观测井的环境变化相对应,气压与固体潮、水位有一定的相关性,水位、水温的变化呈负相关性关系,反映出此观测井的水温、水位变化的特点,即水位下降,水温上升,水位上升,水温下降,这对判断数据是否异常有了一定的依据;从数据曲线上看,可进行数据异常与干扰的初步判断,当 5个通道的数据均在同一时间出现数据异常时,可认为是综合观测系统的故障造成的干扰,可通过网络登录仪器WEB页面,查看页面上的电压监测值来初步判断故障的原因,当某一通道出现数据异常或多个通道在不同时间出现数据异常时,可以初步判断并非仪器故障,在排除环境干扰等的因素下,可与此观测井的背景值进行比较来确定是否为震前异常,这样可方便仪器维修人员对仪器故障的判断与检修以及资料分析人员对数据的可靠性的判断与分析;此观测井中水位、水温的观测数据变化不大,比较稳定,是进行地下流体综合观测的理想观测井。因此在同一口观测井安装此综合观测系统具有仪器是否运行正常的监测、数据可靠性的判断、观测环境优劣的判断等优点。

3 结束语

将水温、水位、气温、气压、雨量 5种主要观测技术进行系统集成,形成一套综合观测系统,从而提高了地震前兆信息的获取能力。

通过安装在海口市向荣村台的实验观测,说明综合观测系统工作正常,运行可靠,获得了真实、可靠的观测数据,符合中国地震局《中国数字地震观测系统建设》总体技术要求,达到了综合化、数字化、自动化、网络化的综合观测的目的。

1 车用太,朱清钟,地下流体综合观测与研究[J].国际地震动态,1994,7：5-7.(Che Yongtai and Zhu Qingzhong. Study on comprehensive observation of subsurface fluid, 1994,7：5-7)

2 车用太,等.试论“十五”期间我国地震地下流体前兆台网的优化与建设问题[J].国际地震动态,2001,11：1-8. (Che Yongtai,et al.Discussion on optimization and construction of seismic precursor networks of subsurface fluid in China during the time of the“Tenth Five-Year Plan”[J]. RecentDevelopments inWorld Seismology,2001,11：1-8)

3 中国地震局监测预报司.地下流体数字观测技术[M].北京：地震出版社,2002.(Department ofMonitoring and Prediction,CEA.The digital observing technology of subsurface fluid[M].Beijing：Seismological Press,2002)

4 王秀英,周振安,刘爱春.“十五”地震前兆观测设备网络通讯规程应用探讨 [J].大地测量与地球动力学,2008, (4)：131-135.(Wang Xiuying,Zhou Zhen’an and Liu Aichun.Discussion on application of stipulation of net work communication for earthquake precursory observation devices [J].Journalof Geodesy and Geodynamics,2008,(4)：131-135)

5 周振安,等.数据采集系统的设计与实践[M].北京：地震出版社,2005.(Zhou Zhen’an,et al.Design and practice of the data acquisition system[M].Beijing：Seis mological Press,2005)

6 中国地震局编.中国地震前兆台网技术规程[M].北京：地震出版社,2005.(China Earthquake Administration.Stipulation on geoscience observatory network in China[M].Beijing：Seis mological Press,2005)

7 王秀英,周振安,刘爱春.地震前兆设备动态监控报警功能设计与实现 [J].地震研究,2009,32(4)：431-435. (Wang Xiuying,Zhou Zhen’an and Liu Aichun.Design and implementation of dynamic monitoring and alerting functions for the earthquake precursory observation devices[J].Journal of Seis mological Research,2009,32(4)：431-435)

STUDY ON INTEGRATED TECHNOLOGY OF COM PREHENSIVE OBSERVATION OF SUBSURFACE FLUID

Liu Aichun,Zhou Zhen’an,Liu Yaowei and Li Kuo
(Institute of Crustal Dynam ics,CEA,B eijing 100085)

A kind of comprehensive observation system which is integrated to observe five physical quantities in subsurface,such as the water temperature,water level,temperature,pressure,rainfallwas studied.Itwillprovide an effective method to explore integration technology of the earthquake precursor comprehensive observation through this system.

subsurface fluid;comprehensive observation;integrated technology;water temperature;water level

1671-5942(2010)05-0156-04

2010-03-24

中国地震局地壳应力研究所中央公益性基本科研业务专项基金(ZDJ2009-12)

刘爱春,男,1974年生,硕士,助研,主要从事前兆仪器开发与研制工作.E-mail：liuaich@126.com

P315.72+3

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