避免形变手段数据断记的有效方法

王 欣，崔政东，薛 伟，顾 娜，冯兴春

（铁岭地震台，辽宁 铁岭 112000）

0 引言

铁岭地震台是隶属于辽宁省地震局的区域地震台站，台上现有前兆观测手段为地倾斜、洞体应变、地磁、测震及辅助测项洞温。2004年进行了全面的“十五”项目改造，在原有测项的基础上，在2011 年和2012 年，分别增加了昌图的水温仪和钻孔倾斜仪，现在铁岭台观测手段分别是DSQ 水管倾斜仪、SS-Y 洞体应变仪、VP 摆倾斜仪、钻孔倾斜仪、FHD-28 型质子磁力仪、水温仪及辅助测项TCM-3 型洞温仪和气象三要素。

铁岭龙首山形变观测主要有DSQ 数字水管倾斜仪、VP 宽频带数字垂直摆倾斜仪、SS-Y数字洞体伸缩仪及辅助测项TCM-3 型洞温仪，地倾斜、地应变等形变手段是提取地震前兆信息的方法之一，然而由于多种客观干扰因素影响，致使观测数据质量有所打折。影响数据质量的因素有精度、数据连续完整率，当然直接影响仪器精度的是洞室的环境，相对来说数据连续完整率较易提高。现以铁岭台监测人员对升级改造的仪器，总结出提升数据质量的措施和方法。

1 铁岭龙首山形变测项基本概况

铁岭龙首山形变观测山洞利用人防山洞改造而成，位于铁岭市银州区龙首山风景区内，山洞虽离铁路、公路及城市人群较近，但自然条件好、干扰较小。主洞宽2 m，高2 m。进深230 m，顶覆盖40 余米，侧覆盖大于60 m，植被覆盖良好，海拔89.1 m，仪器墩基为震旦系混合花岗岩。主洞洞温日变幅小于0.02 ℃，年变幅小于0.3 ℃，湿度小于96%。顶侧覆盖及洞温年变均符合要求。

1999 年经辽宁省地震局监测处同意，对山洞进行了观测条件改造和基础建设施工。龙首山形变观测山洞处于阴山东西复杂构造带和新华夏系构造的交接部位，具有特殊的地质构造[1]。首先，伊兰—伊通断裂与辽南至渤海相连，铁岭至开原地区为郯庐断裂带的北延部分，并通过吉林、黑龙江深入前苏联境内；其次，赤峰—开原断裂和西丰断裂是东北块体与华北断块的分界线。周围地震活动性背景主要以辽南老震区及辽西辽蒙交界地震活动为主。

2 影响数据连续、完整率的主要原因

台站数据的形成是分析预测的基本前提，因此作为台站一线人员本职工作就是保证数据的连续与完整。本人上班以来一直与老同事负责铁岭台龙首山山洞形变观测工作，多年以来已经总结出影响数据连续、完整原因。首先雷击引起仪器故障，导致断记或者错误数据是影响数据连续的主要因素，其次标定、超限、大震引起超限、仪器死机等都可能影响连续、完整率[3]，现将经常发生的和比较典型的案例总结如下。

2.1 雷电干扰

雷击是影响台站数据运行的主要因素之一，雷电对仪器影响主要是直接雷和感应雷，为了避免直接雷害山洞已经对防雷采取了措施，但是感应雷害未得到很好的解决，每逢雷雨季节铁岭台伸缩手段仪器都会遭雷击损坏，最常见的就是前置放大盒损坏。如果不能够及时更换将会影响长时间断记。下图为伸缩东西分量2015 年6 月10 日至19 日雷击案例图。

图2 伸缩东西分量2015 年6 月10 日至19 日雷击曲线预处理与原始对比图Fig.2 Comparison of the lightning stroke pre-processing and the original curves of the telescopic EW component from June 10 to 19，2015

2.2 数据超限干扰

很多台站山洞选址都在比较偏远的地方，以防周边环境和不定因素的干扰，铁岭龙首山洞主要由水管倾斜和伸缩应变手段。随着地壳变化每天的数据都会发生变化，有的时候仪器零漂会特别快，未经发现数据就超出记录的最大量程，当次日发现时已经超限多时，已经影响了数据完整率。当然工作人员是不能经常出入仪器观察室查看数据，因为会影响仪器观测质量（精度），下图为原始数据预处理超限对比图。

图3 水管北南分量数据超限原始与预处理对比图Fig.3 Comparison of original data and pre-processing data received by water pipe of NS component

2.3 大震、近震引起超限干扰

铁岭台龙首山形变山洞2015 年新增VP 摆宽频带倾斜仪手段，该手段已经连续获得全国前三名。但是由于仪器频带较宽，各种频段干扰都能记录，波动范围也较大。当遇到大地震或者近震的时候偶尔会导致数据波动过大，导致超出设定量程。在安装至今已经两次被地震导致超量程。其中2016 年4 月16 日0 时25 分至0 时54 分记录到日本九州岛（北纬32.75°，东经130.80°）M7.3 级地震，震源深度10 km，震中距1218 km。本次地震造成了VP 摆东西分量超出量程（靠摆），当次日处理数据时才发现，已经形成了30 多个小时无效数据，下为图例。

图4 VP 摆手段受大地震干扰超限曲线Fig.4 The overrun curve of VP vertical pendulum tiltmeter interfered by large earthquakes

3 避免断记的有效方法

3.1 应用地震仪器监控平台软件避免断记

由于形变前兆观测手段多数在距离办公地点（数据处理）比较遥远偏僻的山洞内，对山洞内各观测仪器的正常运行、维护、维修和调零都带来了极大的不便。数据的预处理也只能处理前一天以前的数据，对于仪器的正常运行和实时数据的观测不能有效地进行监控。鉴于此，开发一款对在运行状态下的仪器实时数据监控并能够报警的软件[2]，对台站保证仪器正常运行，提供连续、稳定、准确的观测数据有着重要的现实意义。该项目的原理是：当数据由于雷雨大风或者地震、爆破等不可抗力的自然因素引起的原始电压值发生变化时，该项目能够对在运行仪器实施有效监控、跟踪并及时反馈相关数据，并进行报警或者向技术人员发送短信。以便台站技术人员能够在第一时间掌握仪器运行状况，对发生的仪器故障或即将发生的数据超限做好应急预案，以便更好的保证数据运行质量，为监测预报分析提供最可靠的基础。图为软件登录界面和内部基本功能界面。针对不同单位设置不同的登录地震，登录后如图5 的界面，主要设置在配置信息中的报警配置里面，在此目录下将台站的所有仪器添加，并对不同仪器设置不同阈值。配置信息下职工通讯录下填写维修人员联系方式，当超过设定阈值平台会自动联系维修人员。

图5 地震形变仪器监控平台登录界面和内部基本功能界面Fig.5 Login interface and internal basic function interface of monitoring platform for seismic deformation instrument

对于仪器的具体操作已经制作流程图。现在的十五数字化仪器，都是IP 到仪器。我们将仪器的IP 输入到开发软件，远程山洞仪器记录的电压值呈现在操作电脑页面上，无论是雷电、地震等多种原因引起当电压值超过阈值，都会进行报警，同时将超量程信息发送短信给维修人员，并保证维修人员第一时间赶到维修现场，确保数据稳定运行。下图为此款软件基本流程图。

图6 地震形变仪器监控平台流程图Fig.6 Flow chart of monitoring platform for seismic deformation instrument

3.2 通过网页界面对仪器实时数据的浏览

通过仪器实时数据网页界面汇总，能够一目了然的了解此时此刻仪器记录的电压值。此种方法同样可以避免前兆数据断记，但是必须保证值班同事对仪器实时数据进行实时监控，相对上一种方法浪费时间和经历，但是优点就是判断的准确性非常高，如果将两种方法结合能够准确的判断故障原因。例如当雷电发生后我们第一时间浏览实时监控数据，看看是否有异常变化，如果数据变化都正常，过一两个小时将当天数据下载，并用CURVE 软件浏览当天数据图像，如果有超限或者前置盒击坏等情况，我们都可以判断出来，如有故障值班人员及时通知形变负责人员进山洞更换前置盒或者调零，这样就可以有效的减少断记的发生，确保每个月完整率在99.5%以上。下图为铁岭台龙首山形变手段实时数据网页汇总。

图7 前兆手段实时数据监控图Fig.7 Real-time data monitoring chart of precursor means

3.3 避免仪器校准中不必要的断记

对于形变仪器规定每年不少于两次仪器校准，当然校准过程中的数据都要做缺数处理，从而引起的断记，有的时候由于校准员操作问题和校准过程中出现的特例问题，都会影响校准的时间的长短，例如2016 年1 月12 日对伸缩EW 分量标定，反复标定多次都未成功，排查各种因素继续标定，仍然未成功，最后向武汉学科组专家询问，判定为前置盒一个灵敏电阻损坏，此电阻只有在标定时才会工作，校准表ΔU 正常变化值在2000～2200 mV 上下波动。此次干扰比较罕见，本人上班以来第一次遇到，也可能是其它台站未遇到的情况。

4 结论

铁岭龙首山形变观测资料受各种干扰因素的影响，受各种因素的干扰程度也不同。本文通过对雷电、地震引起超限、校准等因素的分析，发现大多数干扰是可以避免的，如果不能避免也可以减少数据干扰。上文是笔者上班以来对如何避免断记的总结，由于测震软件当检测到高频信号或者其他信号时就会发出报警，前兆仪器地震报警平台研究方法来源于测震报警。将山洞仪器记录的电压值呈现在操作电脑页面上，当因各种原因引起电压值超过阈值，都会进行报警，同时将超量程信息发送短信给维修人员，并保证维修人员第一时间赶到维修现场，确保证数据稳定运行。

前兆地震仪器报警平台软件减少或者避免干扰。而对于仪器故障和校准的人为所造成的数据干扰，就要求我们在准确判断故障原因的基础上，及时对故障仪器进行维修和更换。

台站数据的形成是分析预测的基本前提，无论是应用地震形变仪器监控系统来避免前兆数据超限、断记等一些不确定的干扰因素，还是通过网页汇总对实时数据的监控。台站一线人员应该尽职尽责来保证数据的连续与完整，为分析预报提供更可靠地数据。