雅砻江台网复杂地形条件下水库地震监测通信组网

2019-01-16胡兴尧柳存喜

大坝与安全 2018年6期

胡兴尧，柳存喜，黎莎，陈辉

（1.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳，550081；2.雅砻江流域水电开发有限公司，四川成都，610051）

0 引言

水库地震监测台网的野外台站常需布设于地形复杂的地区，受台站布局、台址地质条件所限，要求地震台网根据不同的地形条件选择不同的通信方式进行传输组网。

雅砻江台网所属台站主要位于四川攀西地区及甘孜州雅江、九龙县境内，大部分台站地处偏僻、人烟稀少、道路难行，个别台站海拔近4 000 m，半年时间有雨雪，条件恶劣。目前雅砻江台网共计54个台站（含1个共享台），分别用于两河口、杨房沟、锦屏、官地、二滩和桐子林6个水电站库区的水库地震监测。54个台站分别采用4G（3G）VPDN、卫星、超短波、有线以及上述通信方式组合续传的方式组网。

1 4G（3G）VPDN传输组网技术

1.1 4G（3G）VPDN传输技术特点

3G、4G分别为两种移动通信技术的简称，这两种通信技术的相同点是均能提供高速的数据传输业务，但是4G较3G具有覆盖范围更广、传输速率更快和信号稳定性更强等特点。

VPDN（Virtual Private Dial-up Networks）又称为虚拟专用拨号网，是基于拨号用户的虚拟专用拨号网络业务。VPDN以点到点隧道协议（PPTP）拨号接入方式连接Internet，采用安全的形式对数据进行封包和加密，通过L2TP协议建立安全链路隧道，其具有安全保密、实时、可移动等特点，能安全、稳定地传输数据[2]。

目前各大运营商的通信基站正在逐步向农村、山区延伸，只要在基站信号覆盖的范围内，均可以享受到4G（3G）无线网络带来的便捷与高效，再与VPDN虚拟专网结合，为水库地震监测台网子台的布局与传输组网提供了更多的选择。

1.2 4G（3G）VPDN传输方式

雅砻江台网目前采用4G（3G）无线网络传输的地震监测子台共23个，除两河口和杨房沟子台网因当地基站建设还不完善没有布设外，其余水电站子台网均有分布。采用4G（3G）无线网络传输的地震子台主要通过插入4G（3G）USIM卡的无线路由器进行拨号，连接附近的通信基站，通过VPDN专网到达通信运营商机房后，再由2M SDH专线到达成都地震台网中心机房路由器。在路由器接收到地震数据信息后，将野外子台的无线路由器的相关认证数据（终端号、用户名、密码等）转发到认证服务器上，经认证服务器对比数据库中已有信息、通过认证后，地震数据信息才能进入台网数据服务器。4G（3G）VPND网络传输路径及雅砻江台网4G（3G）VPND网络构架如图1、图2所示。

1.3 4G（3G）VPDN传输方式的优点及限制条件

2012年雅砻江台网建成初期，只布设有16个采用2G电信网络传输的台站，在经过6～7年的运行后，随着通信基站向山区延伸以及4G网络越来越普及，采用4G（3G）无线网络传输方式台站逐渐增加。4G（3G）VPDN无线网络传输这种通信方式存在以下优点：

（1）适应范围广，只要通信基站信号覆盖的地方均可以建立地震监测台站。

图1 4G（3G）VPND通信方式传输路径图Fig.1 Transmission path of 4G(3G)VPND communication mode

图2 雅砻江台网4G（3G）VPND网络构架图Fig.2 Network structure of 4G(3G)VPND in Yalong river network

（2）无人值守地震监测台站观测房占用面积小。4G（3G）无线路由器最大功耗为5 W，由12 V直流电流供电，在无人值守台站只需要6块80 W太阳能电池板和5台12 V/100 Ah蓄电池组就能满足地震数据收集和传输的要求，大大节省了台站征地面积。

（3）通信费用较低。

（4）采用VPDN无线专网保密性好、传输稳定。

虽然4G（3G）无线网络传输有着其他通信方式不可比拟的优点，但因其传输主要依靠通信基站和运营商网络，故采用此种传输方式的台站受上述两方面的影响较大，通信信号常常因通信基站设备故障、停电、运营商系统升级等原因中断。

2 卫星传输组网技术

2.1 卫星传输技术特点

卫星通信技术是将信号转换成微波后发射到卫星，再由卫星反射回地面，实现通过卫星作为中转站的多个地球站点间的信息传输技术。

2.2 卫星传输方式

雅砻江台网目前拥有25个卫星台站，除二滩桐子林子台网外，其余子台网均有分布。采用卫星传输方式的地震监测子台，通过卫星调制解调器将地震数据信息转换为微波，通过卫星天线发射至卫星，再由通信卫星中转后在广州地面卫星关口站落地，最后通过连接台网中心的SDH专线传回台网中心。卫星通信方式传输路径及雅砻江台网卫星台站网络构架如图3、图4所示。

2.3 卫星传输方式的优点及限制条件

水库地震监测台站采用卫星传输通信方式的优点在于：

图3 卫星通信方式传输路径图Fig.3 Transmission path of satellite communication mode

图4 雅砻江台网卫星传输网络构架图Fig.4 Satellite transmission network structure of Yalong river network

（1）覆盖范围广、通信距离远。由于通信卫星位于高空，其发射的无线电波能覆盖比较大的范围，可以将水库地震监测台网所有的子台全部纳入卫星的无线电波覆盖之下。

（2）通信质量好。由于卫星发射的无线电波主要在大气层以外的宇宙空间传播，在真空状态下电波传播噪声小、受到的干扰少，故通信质量稳定。水库地震监测子台所采集的地震数据需实时传输至台网中心，故通信的质量和传输稳定极为重要。

（3）卫星通信方式灵活机动，受地形地貌的影响较小，可以适应较复杂地形环境下的地震信息传输。

水库地震监测台网采用卫星通信方式传输的优点很明显，但采用此方式也有较大的限制条件：

（1）卫星台站占地面积大。由于卫星调制解调器功耗较大，需由12 V直流转为220 V交流方可为其供电，在无人值守的台站需要更多的太阳能电池和蓄电池为其提供电力。按照雅砻江台网的经验，卫星台站通常需要28块80 W太阳能电池和19台12 V/100 Ah的蓄电池方可满足卫星台站正常运行的电力要求，由此，卫星台站就需要更大的屋顶面积满足28块太阳能电池板展布的空间，故卫星传输方式不适合在地势狭窄的台站采用。

（2）由于卫星台站运行所需的电量巨大，供电设备的数量较多，增大了前期台站建设的成本和后期台站设备维护的难度。

（3）卫星台站由于天线较大（直径1.5 m），受风力影响大。为了保证天线的稳定，施工难度较其他通信方式台站大，同时也不适合在垭口、山顶等风力较强的地方采用卫星传输方式。

（4）卫星传输通信方式受地球站点天气影响较大。卫星发射的电波会被雨滴吸收，雨滴半径大小和电波波长的比值直接影响到电波衰减的强度，雨滴半径越大，比值越大，则电波衰减的强度越大[4]。所以，在地面站点特别是卫星关口站当地遇大雨或暴雨时，卫星信号常常中断，对水库地震连续不间断监测造成影响。

（5）卫星传输的设备费用和通信费用较其他方式高，增加了卫星台站运行成本。

3 超短波传输组网技术

3.1 超短波传输技术特点

超短波传输即是采用电磁波进行数据传输的技术，电磁波频率在30～300 MHz之间。

超短波传输的特点是：一般只能靠直线方式进行传输，其传输的距离受发射和接收点天线架设的高度影响较大。在进行远距离传输时，需要经过中继站进行超短波信号的中继和接力方能继续向接收站点传输。

3.2 超短波传输方式

雅砻江台网原有9个超短波台站，其中锦屏台网4个，二滩桐子林子台网5个。在2017年，锦屏子台网1个、二滩桐子林子台网的5个超短波台站全部改造为采用4G（3G）无线网络传输，改造原因在下节具体说明。

超短波传输的方式一般均为点对点传播，在进行远距离传输时，为了防止信号衰减过大，影响传输质量，需进行中继接力，例如二滩桐子林子台网的磨房梁子、灯草坪、大村子、猫头山4个超短波台站是通过超短波传到三台坡中转站进行中继接力；锦屏子台网的木落脚、印把子台站信号需要使用印把子中转站进行汇集中转等。

水库地震台网超短波传输方式的网络构架一般是：子台地震监测数据通过无线数传电台传至中转站，中转站将多个超短波台站的数据汇集成一路数据后传至数据汇集中心，在数据汇集中心重新将一路数据进行分解、还原为多路数据后通过有线光纤传回台网中心。在距离较近且中间通视条件好的情况下，地震台站数据可以从子台直接通过超短波传至数据汇集中心，如锦屏子台网大沱台站是直接将地震信号通过超短波传至大沱营地汇集中转站。超短波通信方式传输路径及雅砻江台网超短波传输网络构架如图5、图6所示。

3.3 超短波传输方式的优点及限制条件

采用超短波传输的优点在于：

（1）超短波采用30～300 MHz频段的电磁波进行点对点的直线视距传输，因电磁波的速度等于光速，所以超短波传输误码率小，信号延时小。

（2）超短波传输通信费用便宜，设备简单、易操作。

采用超短波传输的优点很明显，但也存在一定的限制条件：

图5 超短波通信方式传输路径图Fig.5 Transmission path of ultrashort wave communication

图6 雅砻江台网超短波传输网络构架图Fig.6 Ultrashort wave transmission network structure of Yalong river network

（1）超短波传输受地形条件的限制较大，其传输要求通视条件好，中间不能有高大的阻挡，这也是上文所述的几个超短波台站后期改造为采用4G（3G）无线网络传输台站的主要原因。2017年，锦屏子台网所属周家坪台站旁边新建成1栋7层高教学楼，正好位于周家坪台站与周家坪中转站之间的传输路径上，使得周家坪台站信号时断时续，无法正常通信；而在二滩桐子林子台网遇到的问题是，磨房梁子、大村子等超短波台站位于林区，青杠林台站甚至位于二滩自然保护区内，随着封山育林力度的加大，原超短波传输路径上高大树木和植被日渐茂密，对信号传输造成很大的阻碍，故雅砻江公司决定将以上的超短波台站改造为采用4G（3G）无线网络传输。

（2）超短波传输距离短，若需远距离传输，需要建立中继站，增加了建设成本，也加大了后期运行维护的工作量。例如原二滩桐子林台网的超短波台站，其传输路径上节点众多，有台站的数传电台、定向天线，中继中转站的数据复接设备、数传电台、无线网桥、全向天线，汇集中转站的数据分接设备、数传电台、路由器、交换机、无线网桥等，任何一个设备故障均会影响正常数据传输，这使故障排查较为困难，常常一个故障需要排查多个地方，延长了故障恢复的时间。

（3）超短波传输抗干扰能力弱，易受同频段的超短波信号干扰。

（4）为了保证超短波传输路径通视条件的要求，在路径中间出现高大的阻挡物后，常常采用加高发射或者接收点的天馈线来解决，而天线越高，风阻越大，天线越不稳定，既增加了运行成本，也产生了一定的安全隐患。

4 有线光纤传输

4.1 有线光纤传输技术特点

有线光纤传输是指以光信号通过光纤实现信息传输的方式。雅砻江台网采用有线光纤的台站有4个，其中3个采用光纤直传成都台网中心，主要布设在两河口和杨房沟子台网，1个采用光纤+4G（3G）无线网络的方式（联合台站，下节具体说明）。有线光纤传输方式的特点在于其带宽高、抗干扰能力强、保密性好及设备功耗大、造价成本高等特点。

4.2 有线光纤传输方式

有线光纤传输是在地震台站通过光电转换装置将地震信号转换为光信号，再通过有线光纤直接传回台网中心。有线光纤传输路径及雅砻江台网有线光纤传输网络构架如图7、图8所示。

4.3 有线光纤传输方式的优点及限制条件

采用有线光纤传输的优点在于：

（1）光纤传输损耗低，可进行远距离传输。

（2）光纤由电介质材料制成，不惧电磁干扰，风、雨、雷电也不影响其传输性能，传输稳定性强。

（3）光纤在传输过程中，光能泄露很小，多根光纤之间不会产生干扰，因此较无线传输有更高的保密性能[5]。

采用有线光纤传输除有以上优点以外，在地震台网实际使用中存在以下限制条件：

（1）采用有线光纤通信首先前提是需要有一个通信运营商的光纤接入点，但由于地震监测台站多位于偏远山区，使用光纤通信的这一首要条件常常不能满足。

（2）野外台站的选址均需要考虑环境噪声的影响，故通常都布设在远离人烟、地势偏僻的地方，若需要采用有线光纤的传输方式，通常都需要单独敷设光缆，使得建设费用大幅增加。

（3）有线专线的使用费较高，远超无线传输的费用。

（4）光纤线路的维护复杂繁琐，需由专业人员借助专业的仪器进行，所以光纤专线故障后只能依靠通信运营商工作人员进行维护和故障排除，这就使得通信故障的时间大大延长，对台网的运行率产生较大影响。

5 多种传输方式组网技术

在水库地震监测台网实际的建设中，受地形条件、征地、通信成本等方面的限制，一个台站的数据信号需要采取多种传输方式进行接力续传方能到达台网中心，就雅砻江台网而言，主要有以下两种组合方式：有线+无线（此处的“有线”不包括从卫星关口站、超短波汇集站、电信机房等采用有线光纤连接台网中心）和无线+无线。

图7 有线光纤传输路径图Fig.7 Transmission path of wired fiber

图8 雅砻江台网有线光纤传输网络构架图Fig.8 Wired fiber transmission network structure of Yalong river network

5.1 有线+无线传输方式

有线传输方式即使用光纤进行传输，在实际的台站建设中常遇见拟选台址所处环境无移动/电信信号、台站地形狭窄无法采用卫星传输方式、台站地形较低且四周有高山阻挡等不利于超短波传输的地形环境，又因为基于台网监测能力布局的考虑不能轻易更换拟选台址的情况下，常采用有线光纤将地震信息传至可以采用无线传输的地点后，再将地震数据信息采用无线传输发回台网中心的方式，既满足了台网布局的要求，又节约了建台的成本。雅砻江台网采用有线+无线传输的台站是锦屏子台网的联合台站。

联合台站位于雅砻江右岸一个深切峡谷内，地势狭窄，达不到设立卫星台站的要求；台站地处谷底，地势较低，两边高山耸立，经测试超短波信号无法传输；周边无通信基站，所以无法采用4G（3G）无线网络传输。但联合台站是监测锦屏二级厂房及小金河断裂周边地震活动的重要台站，不能轻易更换台址。因在距离台站15 km的联合变电站有光纤接入点，故联合台站选用了有线光纤的接入方式。2017年以前，联合台站信号是采用有线直传的方式发回台网中心，其传输路径是：台站信号通过光纤到达联合变电站后，通过网桥接入锦屏环网光纤，再通过锦屏电力生产专线达到成都台网中心。但由于路径上转接点众多，故障排查困难，故在2017年9月，在联合变电站内增加一台4G无线路由器，在联合台站信号通过光纤到达联合变电站后，通过4G（3G）无线网络传回台网中心。

联合台站有线+无线传输方式的网络构架如图9所示。

图9 有线+无线传输网络构架图Fig.9 Transmission network structure combining wired fiber and wireless mode

5.2 无线+无线传输方式

锦屏子台网的牦牛山台站为雅砻江台网唯一使用无线+无线传输方式台站。牦牛山台站位于海拔3 533 m左右的牦牛山山顶，山顶气候寒冷，高大树木稀少，属高山草原气候。牦牛山顶无常住的人口，仅有少量牧民在此放牧，因此一直无通信基站，故无法采用4G（3G）无线传输的方式；又由于山顶风力强劲，卫星台站的天线面积较大，抗风性能较弱，故采用卫星传输的方式也被否定。考虑到牦牛山台站距离盐源县城较近（直线距离33 km），且为通视路由，可以采用超短波将信号传至盐源县内的中转站后，再采用有线光纤的方式将信号传回台网中心或者转为4G（3G）的无线传输方式，但单独为一个台站的地震数据传输开通SDH专线成本较高，故牦牛山台站的信号传输选择后一种方式，即在台站超短波信号到达盐源中转站后再通过4G无线路由器传回成都台网中心。其网络构架如图10。

6 结语

雅砻江台网是四川省首个按全流域规划设计建设的专用水库地震监测台网，其子台数目众多且地形复杂。为了保证监测数据的有效和可靠，地震台站的台址不能轻易变更，需要因地制宜，针对台站供电方式、交通、环境以及建设投资、后期运维等因素，综合考虑选择最适合的通信方式，才能在地形复杂、条件恶劣的情况下保证台站地震信号持续稳定地传送到台网中心。