流动观测仪器设备安装与数据传输的技术分析

廖春奇 林木金

摘  要：地震流動观测因受场地条件影响，场地噪声水平相对较高，为了获得更好的观测数据，流动观测仪器安装调测是地震应急和科学实验中至关重要的工作之一，直接影响到观测数据质量，仪器架设质量关系到数据的可用性;仪器安装除做好人员和外界振动干扰的隔振处理基本观测要求外，还应尽量地做好减少环境因素所带来的干扰，处理好防潮保温以及气流扰动是流动观测所应解决的观测质量提升要求。从实验比测中做好防护处理的观测数据具有量级的提升。观测数据的实时传输为地震应急策略响应与科学实验实时计算分析保障。地震应急策略响应对实时性要求极高，信息量与决策反应成正相关，为地震救灾和地震趋势判断提供判断依据。科学实验实时解算要求实时传输的数据量应满足观测所产生总数据量的95%，数据缺失则无法对观测效果进行实时评估，同时通过实时数据分析可实时掌握设备的运行状态，以保证观测数据当前和未来的科学研究使用的真实可用性。

关键词：仪器安装调测  环境干扰  数据质量提升  实时数据传输  传输质量

中图分类号：P315.7                        文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）05（c）-0074-04

Technical Analysis of Mobile Observation Equipment Installation and Data Transmission

LIAO Chunqi  LIN Mujin

（fujian Earthquake agency， Fuzhou， Fujian Province，350001 China）

Abstract： Earthquake mobile observation is affected by site conditions， and the noise level of the site is relatively high. In order to obtain better observation data， the installation and commissioning of mobile observation instruments is one of the most important tasks in earthquake emergency and scientific experiments， which directly affects the observation data. Quality， the quality of the instrument installation is related to the availability of data; in addition to the basic observation requirements for the isolation of personnel and external vibration interference， the installation of the instrument should also try to reduce the interference caused by environmental factors， and handle the moisture-proof and heat preservation. Airflow disturbance is the observation quality improvement requirement that should be solved in flow observation. The observational data that has been protected from the experimental comparison has been improved by orders of magnitude. The real-time transmission of observation data is the guarantee of earthquake emergency strategy response and real-time calculation and analysis of scientific experiments. Earthquake emergency strategy response requires extremely high real-time performance， and the amount of information is positively correlated with decision-making responses， providing a basis for earthquake disaster relief and earthquake trend judgment. The real-time calculation of scientific experiments requires that the amount of data transmitted in real time should meet 95% of the total amount of data generated by the observation. If the data is missing， the observation effect cannot be evaluated in real time. At the same time， the operating status of the equipment can be grasped in real time through real-time data analysis to ensure the observation. The true availability of data for current and future scientific research use.

Key Words： Instrument installation and commissioning; Environmenta linterference; Data quality improvement; Real-time data transmission; Transmission quality

地震流动观测通常是指地震应急流动观测或科学实验观测。地震流动观测基本为临时观测，对场地噪声要求相对较低，观测场地背景噪声基本无法到达固定台网水平。接收台站与背景噪声分布图进一步验证了台站接收能力跟背景噪聲水平密切相关（[1]。低噪声台站固然可以提高观测质量，但流动观测受各种条件限制未必勘选到低噪声（基岩）台，是否可以通过设备安装和防护提高观测质量，降低场地噪声及外界振动干扰。其中有一些是可以通过适当的安装方法对地震计加以保护使之有效降低的，那就是气象因素气压和温度引起的噪声[2]。通过观测设备安装提高观测数据质量是地震流动观测的一个有效途径，比如加装防护罩和浅层掩埋，浅层掩埋可有效降低长周期及高频干扰[3]，提高观测信噪比。

地震流动观测中对于科学实验实时获取数据，实时进行数据分析解算，及时掌握观测运行状态，不断优化观测方法调整观测布局。而对于地震应急实时获取数据有着极强的必要性，应急响应对应急信息的时效性要求是实时的，直接影响应急策略的制定。因此，要求流动观测应具有高运行率数据连续率。地震流动观测组建有线传输网络具存在多层次困难[4]，如何通过无线传输是解决数据实时传输的根本技术要求。

地震应急流动观测主要用于大地震前后现场地震观测及地震现场台站加密，目标是应急震情跟踪、地震趋势分析、地震活动性研究、孕震机理研究、震源构造研究、地下结构与构造研究[5]，加密观测站点相对较少，科学实验流动观测需要长测线或大面积网格密集站点观测[6]。即可以理解为能满足科学实验流动观测定能满足地震应急流动观测。

以福建-台湾海峡深部构造探测的台站设备安装和数据传输技术为背景，探索流动观测技术。

1  福建-台湾海峡深部构造探测概况

福建-台湾海峡深部构造探测目标是：（1）构成一条福建-海峡-台湾完整海陆联合观测系统（2）获取台湾海峡结晶基底、Moho面记录信息完整;（3）探明滨海断裂带深部构造。

福建省地震局自2014年起在开展福建-台湾海峡深部构造探测，布设站点不少于40个，除40套一体化宽频带地震仪外，还需在10个站点增加布设一体化强震仪，数据通过无线网络实时传输至台网中心流服务器。观测站点根据观测需要采用测线布设或区域网格站点布设。观测站点先在图上作业，按观测需要点出点位图，标注点位的地理信息，然后依据点位的基础信息进行台址勘选。台址勘选过程中应记录场地岩性/场地类型信息，场地噪声测试并实时处理分析[7]，对干扰较大无法满足需重新勘选;此外还需测试通信信号强度，查看3个运营商所提供的信号强度，信号稳定最好的将作为数据传输使用。台址勘选确认后应进行场地处理，处理方式分为两种，基岩台若基岩面较为平整无需处理即可安装或经过简单凿平即可安装的勘选时不做处理，基岩斜面较大的处理风化表层后浇筑60 cm×60 cm的混凝土墩。土层场地的观测墩可以埋设在坚实的土层内[8]，先预挖一个50 cm×50 cm×60 cm的基坑，基坑底部浇筑5 cm厚混凝土。台站布设在自由场地上，台址宜布设在平坦稳定的一般（中硬）场地上，尽量避开局部地形变化大，平面分布上成因、岩性、状态明显不均匀的土层地点[9]。

2  观测系统设备安装调测

观测设备系统布设前应对地震仪器进行比测，发现一致性明显偏差和时间精度达不到要求的将不投入使用。该文不对学科基础性安装要求做叙述，仅作者所认知的流动观测特别需注意的事项进行说明。

2.1 地震专用设备安装

地震仪安装前应在观测墩上标出指北方位，指北方位测量时磁性物应远离所测位置10 m以远，同时需加上当地的磁偏角，并做好标识。地震仪按前清理摆墩粉尘沙粒。地震仪安装完成后应从设备顶部用力下压，确保底脚接触良好。

2.2 防护设备安装

为获取更丰富的观测信息，流动观测基本使用宽频带地震计，而宽频带地震计受温度和气流扰动影响十分敏感。通过适当的安装方法给地震仪做好防护是流动观测所必要的。有无防护设施通过实验对比，做好防护后观测质量可提高一个量级。防护设备安装分为两种措施。

基岩台采用不锈钢箱罩防护，不锈钢箱罩为提前定制，箱体大小为80 cm×80 cm×60 cm，箱体为双层中间间隔3 cm并充填发泡聚苯乙烯。不锈钢箱罩安装时反扣在地震仪上，空间保留各边适中，并用膨胀螺栓固定箱体，以保证箱体不受外力作用时产生振动，在箱体与基岩间用防水材料进行密封处理，起防水和防气流扰动作用。开机上电查看设备是否正常工作，检查完成后对箱体进行堆土掩埋。

土层场地台在预留点基坑上安装地震仪，地震仪采用已定制好的PVC圆筒做防护，PVC圆筒大小视地震仪而定制，PVC圆筒采用双层中间充填发泡保温材料，顶部加装盖子，盖子预留线孔，线孔需用防水橡胶圈做保护。在圆筒与观测墩间用防水材料进行密封处理，起防水和防气流扰动。开机上电查看设备是否正常工作，检查完成后对圆筒进行堆土掩埋。掩埋时尽可能使用松散沙土，起隔振效果。堆土掩埋后可增加一层铝箔气泡隔热膜，隔热膜与堆土保持松散接触，以保持水汽自然蒸发。切忌使用塑料薄膜覆盖，塑料薄可以起防水作用，但会造成水汽无法蒸发，基坑内会形成水槽积水。

设备安装完成后设置定时标定，标定是检验仪器设备安装是否符合要求的一种自检测方法。也是后期数据使用必要的参数。

3  数据传输技术分析

陆海联测实验的加密台和野外流动观测台实现与陆上固定台站并网观测，在数据分析、叠加计算和自动实时数据处理中对数据实时性传输要求很高，在2014年街面水库探测前基本采用固定台加密观测并采用台站的原有2M MSTP光纤传输，流动台基本以本地记录观测为主，有少部分流动测线台采用无线传输;数据无线传输经历了3个实验性阶段：2012年前为第一阶段的串口传输，该传输方式一旦信号不稳数据端口就造成堵塞，这个通信链路就处于瘫痪状态，需人工重启通信设备。第二阶段VPN网络传输（2012—2013年），VPN网络传输具有全双工通信，传输明显优于串口传输，但在VPN拨号困难，一旦掉线重新拨号需耗费一定的时长，且不同的运营商存在拨号困难，往往需要多次拨号才可进行链路建立，从整体运行率统计也及不理想。2014年6月无线传输方式采用VPDN+MPLS，该传输方式有优点明显，可实现透明传输，实现远程管理，但在信号质量较弱的地方受到制约，传输效果一般。特别是跨运营商之间的网关，断线重连出现较长时的数据丢失。特别是同一站点布设2～3套仪器数据量较大的效果更差。

众所周知，基于TCP/IP传输协议网路间有个应答关系，链路开销大，是否可以使用其他通信协议，也可以从协议结构来分析，TCP/IP传输协议严格来说是一个4层的体系结构，应用层、传输层、网络层和数据链路层都包含于其中，而UDP也包含了传输层协议，它们都是点到点的传输层协议，UDP提供的是无连接的不可靠的数据报传输服务。那么基于TCP/IP协议的传输无法满足数据实时处理要求，是否可以通过UDP协议传输。

首先，需通过无线信号质量测试，福建沿海三大运营商信號差别不大，内地个别运营商基本没有信号。因此，在无线路由设备选型上有了较明确的目标。从市场调研看目前市面上的无线路由器仅具备双卡功能，但双卡无法进行网络自动切换，从全省无线信号实测情况山区常出现各运营商的信号不稳，这就要求无线路由器必须具备网络自动切换，当某个运营商信号较强时自动切换到该频道进行数据传输。经设备选型后研究人员对该无线路由器进行二次开发，经二次开发后该路由器除具备一般路由功能外增加了以下功能：（1）网络自动切换拨号功能;（2）强制2G/3G功能;（3）多地址服务功能。

其次，需进行数据传输DSQ测试。数据传输DSQ测试应要有特定的针对性，对无线信号优良差的均应进行测试，从以往的观测站点中选取4个，优和良信号站点各1个、信号质量差点选取2个站点，信号优和良的站点各布设1套通信设备和两套观测设备、信号差的站点布设2套通信设备和2套观测设备，在中心专门建1个服务器进行数据接收，4套测试设备各发往4个静态IP地址，通过数据传输DSQ测试分析，该传输质量良好，信号质量差的站点运行率也可到达86%，因此有值得继续研究下去。

单纯使用UDP协议存在几个困难：（1）无法完成多个参与者的会话;（2）几十套观测仪器的数据如何区分并使相应的数据存入相应的通道。要解决这两个问题必须要有一个多参与者会话且容易扩展，这就要引入另外一个通信协议，经查阅SIP（Session Initiation Protocol）是一个应用层的信令控制协议。用于创建、修改和释放一个或多个参与者的会话。如何将UDP+SIP传输结合在服务器端开发一套管理系统，管理系统主要目标是识别仪器的头信息，经开发测试该软件可满足观测需求，2014年11月街面水库探测的部分流动台进行现场工作验证。观测系统的数据传输仅需做简单设置即可。所有一体化地震仪的IP地址统一为一个地址（192.168.1.253/24），路由器设置两个公网地址，电信和移动各一个公网地址，同时路由器还应设置当某个运营商地址端口无数据传输时长超180 s即自动切换到另外一个地址进行数据传输。路由器参数设置采用统一化，设置可直接导入无需做任何修改，极大地提高了工作效率。观测数据通过UDP抛送到服务器端，服务器通过解读设备头信息的识别号进行数据归存，数据流服务无出现错乱现象。经该次探测对比20个UDP+SIP的传输明显优于20个VPDN+MPLS。

2015年陆海联测流动台观测继续采用UDP+SIP传输，并在长江科学实验中将传输端口指向技术改进，流动台运行率基本达到测震台网的观测技术要求。2017年流动台运行率已达96.9%。同时在观测系统运维体系上做了科学系统分析，经过实践，逐步形成了规范化的运维体系。

4  结论与讨论

该文利用福建陆海联测流动台的观测设备安装的实践得到了一套较为完整可行的观测技术性系统，较好地解决了宽频带地震计易受环境因素干扰，通过噪声测试分析较大地提高了观测信噪比，降低了因气流扰动产生的干扰和温度变化带来的仪器零漂。除了适应南方的高湿高温气候，也适用于气候寒冷地区。作为地震仪防护设备在地震应急流动观测中可直接投入使用，无需做任何修改。

通过福建陆海联测流动台数据传输技术的改进，该技术系统在无线数据传输中较为便捷实用，串口数据传输已被现有技术淘汰，VPN网络传输存在拨号困难，特别是跨不同运营商之间，拨号困难必定造成数据丢失，特别是在地震应急流动观测必然给决策造成信息不全，无法全信息量分析决策。VPDN传输方式虽有一定的优势，可实现透明传输，实现远程管理，但在信号质量较弱的地方受到制约，传输效果一般，而且费用较高。UDP+SIP传输实现组网灵活、数据补传、弱信号地区优点明显，费用低。实际应用中无需繁杂的参数设置。占用网络资源少，特别是在地震应急时优势更为明显，当地震发生时必定会出现网络资源被大量占用，或是在震区网络资源将出现更为紧张，TCP/IP协议的传输模式需要更多资源开销时，无线数据传输资源必定被挤占，而UDP协议只管往服务端抛送数据，中心接收端或灾备接收端的资源基本能得到保证，完全可保证抛送过来的数据接收正常，这就为数据完整提供了重要保证。当然，未来5G普及后以何种方式传输数据将是笔者需要探索的方向。

参考文献

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