四川省数字强震动台网技术问题及解决办法

2014-12-02朱永莉孙泽涛

四川地震 2014年1期

朱永莉，赖敏，孙泽涛

(四川省地震局地震监测中心，四川成都 610041)

1 四川省数字强震动台网概况和技术系统问题

为了获取地面地震加速度数据并且用于工程地震需要，建设了四川省数字强震动台网，于2007年12月投入运行。四川省数字强震动台网由211个自由场台站组成，观测设备使用强震动记录器和加速度计，采用电话有线传输网络作为数据传输方式，用220V交流电源为仪器供电，并配有在线式UPS作为后备电源。“5.12”汶川特大地震中，四川省数字强震动台网获取了主震产生的记录401条，其中，卧龙台记录到我国大陆地区迄今为止最大的数字强震动值。同年“8.30”会理—攀枝花6.1级地震，也获取了108条主震数字强震动记录值。但是，地震发生之后部分地方通信中断，这些珍贵的强震记录大部分是技术人员到现场收取的，且耗时较长，影响了对于地震灾害程度的快速确定。在数字强震动台网近3年的运行实践中，在自然和通信环境不太理想的川西地区，维护四川省数字强震动台网技术系统运行存在较大难度，台网运行率也难以达到原来预想的程度。为了提高四川省数字强震动台网的运行效率，还需要做进一步的分析和工作，以提高四川省数字强震动台网的运行效率。

1.1 PSTN台站通信故障

四川省数字强震动台网工作框图如图1所示。置于台站的强震仪由交流电源和1 kVA的UPS(备3个65 AH的电池)作为其电源保障。强震数据接收中心通过Modem和电话网远程登录强震仪并且进行数据收取和其他必要的维护工作。通过近3年的实践，该技术系统暴露出了一系列的问题。PSTN台站技术系统采用的通信方式是人工直接操控的通信方式。从图1可见，台站强震仪与台网中心的远程通信需经过Modem(调制解调器)和PSTN通信网络进行。在这个通信过程中存在四个方面的弊端:①由于PSTN通信线路是针对话音频率30～4 000 Hz范围内设计的，使得通过模拟电话线路的数据传输速率被限制在33.4 kbps以内，所以该通信方式相对于互联网通信方式而言，存在通信速度缓慢的弊端，假定台站的强震仪以及电源设备工作正常，则在台站与台网中心通信环节中，PSTN通信网络与台站Modem的工作质量成为至关重要的环节。②从OSI七层模型的角度来看，PSTN仅仅可以看成是物理层的一个简单的延伸，没有向用户提供流量控制、差错控制等重要服务功能，当进行远程台站通信时，会发生多次回收同一台站的仪器数据未果现象，其原因是使用的仪器通信软件当通过PSTN通信网络传输仪器数据发生3次错误时，该软件就会中断仪器数据的传输，同时还存在数据传输耗时甚至不可靠的弊端。③在进行远程通信时，若PSTN通信网络、远端台站Modem与台站观测仪器其中任一环节的工作状况不正常时，在台网中心表现出来的通信状况均为不正常，即不能确定该不正常状况是由PSTN通信网络、远端台站Modem或观测仪器哪一环节故障造成的，所以，PSTN台站通信方式存在不能直接判断故障点位置的弊端。④PSTN台站通信方式是典型的点对点通信方式，不能实现智能化台网管理。综上所述，PSTN台站通信方式存在数据传输速度较低、传输质量不稳定、无法确定通信故障具体位置以及不能实现智能化台网管理方式四个方面的问题。

图1 技术改进前强震动台网系统工作框图

1.2 UPS电源故障的分析

四川省强震动台站使用的UPS电源均为在线式，UPS按备用时间分类:标准型及长效型;按工作原理可分为后备式、在线式及在线互动式。其中124台为72小时长效型，其余为15分钟的标准型设备。强震动台站使用UPS电源的初衷是改善仪器电源环境以及在市电中断条件下能够为备用电源维持台站仪器工作的供电设备。三年的台站使用经验证明，UPS电源不适合无人值守的强震动台站，特别是不适合管理质量欠佳的无人值守强震动台站，其原因是:①在市电中断条件下，维持台站仪器工作的电源由UPS附属的电池提供，工作时间的长短依UPS电池的容量大小而定，在停电时间过长造成UPS附属电池过度放电而损坏的情况下，当市电恢复以后UPS仍不能正常启动，从而导致观测仪器也不能够随着恢复工作，典型的例子发生在汶川8.0级地震时的都江堰市紫坪台，该台站UPS电源由于地震后电源断开，造成仪器不能工作而漏记了汶川8.0级地震的主震记录。②UPS电源在逆变状态下的功耗约为300 W，地震仪器最大功耗为15 W。对该电源而言，若视在功率=315 W(300+15)，有功功率=15 W，则功率因数=有功功率/视在功率≌0.048。这表明，在市电中断情况下，超过95%的电池容量均被UPS设备自己消耗掉了，并且，台站仪器以及附属通信设备均在直流电状态下工作，在线式UPS电源却是将附属电池电压逆变为交流电输出，从而造成了不必要的功率消耗(如图2中的虚线框所示)。

图2 UPS电源系统基本原理

1.3 台网管理软件分析

四川省强震动台网在技术系统改进前，尚无台网管理软件。台网管理的所有工作以及地震事件的获取工作均须采用原始的人工操作，也存在效率低下的弊端。

2 技术系统问题的解决办法

2.1 通信方式的改进

鉴于PSTN台站数据通信方式的不足，为实现台网智能化管理以提高台网管理工作效率，四川省地震局地震监测中心对强震动台网通信方式进行了改进，摈弃了落后的PSTN通信方式，采用了基于GPRS/CDMA/EDGE网络的无线传输技术进行通信。该技术解决了前述台网远程数据采集与管理的弊端问题。其技术优势在于可最大限度地利用现有的无线网络设备，并且通过移动交换中心(MSC)和服务GPRS支持节点(SGSN)进行数据通信，还可以保留现有的网络接口。事实上，EDGE改进了原来的GSM应用的性能和效率，并且为将来的宽带服务提供了可能。EDGE技术有效地提高了GPRS信道编码效率及其高速移动数据传输标准，它的最高速率可达384 kbit s-1，可以基本满足强震动台网通信的需求。并且，可以利用网络查询技术来检查路由器间网络通信以及远端(台站)路由器的工作状况，从而可以直接判断出通信环节的具体故障点，为提高台站管理工作质量提供了技术支持，而且该通信方式还为智能化台网管理提供可能。改进后的强震动台网系统如图3所示。

2.2 台站电源设备的改进

鉴于强震动台站观测系统使用UPS电源存在的弊端，四川省地震局地震监测中心对该电源系统进行了改进。使用了基于AC-DC原理研制的直流电源设备，改进后的台站电源系统如图4所示。该电源的特点是，当直流电源设备中的蓄电池电压大于11.5 V时，该电源蓄电池对观测仪器供电;当直流电源设备中蓄电池电压小于10.5 V时，该电源将切断蓄电池对台站观测仪器供电，以保护蓄电池不至于过放电而自己受到损坏。在直流电源设备中蓄电池容量达到12V100AH时，对于由ETNA强震动仪器加上通信设备(Modem)组成的观测系统，该直流电源设备可维持观测系统工作17天左右，这比使用UPS电源系统有较大的优势。该设备的功耗为15 W，功率因数=有功功率/视在功率=0.5。显然，原来的UPS电源系统在3只12V65AH电池支持观测系统工作3天，相比之下，该电源的转换效率有了较大提高。

图3 技术改进后的强震动台网系统工作框图

图4 改进后的台站直流电源系统框图

2.3 台网管理软件

由于通信方式的改进，使得智能化台网管理成为可能。四川省地震局数字强震动台网使用的智能化强震动台网管理软件提供了强震动仪采集现场数据的功能，并将在地震发生时产生事件文件自动上传至数据接收中心的数据服务器，路由器通过专网或internet将数据传到台网中心，台网中心能够和强震动仪进行通信，并且可实时监控强震动仪的状态。如果有仪器报警或地震事件产生，路由器就自动将报警或事件文件上传至台网数据接收中心。在进行人工远程台站日常检查工作时，只需向相关台站发出检查指令，远端台站路由器将驱使台站观测设备进行自动检查测试，并在随后自动将相应测试事件以及形成的日常检查表格上传至台网中心。