基于物联网的地震台网安全运行智能保障系统在地震台站的应用

宋晓煜，魏可心，常思宇，陈 沐

（1.张家口地震监测中心站,河北 张家口 075000；2.深圳计通公司,广东 深圳 518000）

0 引言

近年来，随着中国地震局“十三五”规划顺利实施，地震监测台站信息化改造初步完成，地震台站数量显著增加，其中大多数台站采取无人值守、有人看护的运行管理模式[1-2]。随着地震监测能力不断提升，对地震仪器的运行质量也提出了更高的要求。但地震台站数量多，分布范围广，交通不便等因素导致了无人值守台站故障发现不及时、故障原因难判断、运维成本高等问题。为提高地震台站的安全性、稳定性，实时监控台站的运行情况，快速定位、处理设备故障，本文提出了基于物联网的地震台网安全运行智能保障系统。

地震台网安全运行智能保障系统是针对地震台站运维现状，利用物联网技术[3]、网络通信技术等实现对地震台站集中化监控与运维管理[4]，系统实现对台站内配电电源、开关、UPS、温湿度、漏水、视频、网络等设备数据进行集中化、可视化监测，并构建一整套完善的设备运维管理平台[5]，集台站的动力、环境、安防监控和运行维护于一体[6]，结合监控平台和移动运维功能，实现对地震台站的集中化运维，提高台站运行管理效率。

1 软硬件设计

1.1 硬件设计

地震台网安全运行智能保障系统选用国产ARM RK3288 处理器，RK3288 是低功耗、高性能、低成本的超强四核Cortex-A17 处理器，频率高达1.8G Hz，具有性价比高的优势。监控系统由智能复电控制器、配套传感器及台站智能管理主机组成。智能复电控制器具有智能复位功能，当台站因雷击、电力故障等原因导致配电开关跳闸时，可自动重合闸3 次；无故障时可将开关自动复位，如果存在故障则不复位，同时对外发出告警信息。配套传感器包括温湿度传感器、漏水检测传感器、大气压力传感器、烟雾探测器、红外探测器、电池传感器、智能电控门锁。台站智能管理主机采用嵌入式软硬件一体化设计，通过AI/DI/COM/TCP IP 智能硬件接口实时处理传感器数据，具备数据采集、存储、展示、告警、查询、报表等管理功能。处理器实物图（图1）如下。

图1 处理器实物图

1.2 软件设计

台站智能管理主机系统采用C 语言开发，基于JSON 的数据交换标准技术，能够降低系统集成的成本和工作量。JSON 作为开放性数据描述语言，在数据交换中承担了重要的角色。为支持系统的分布应用，系统构建了无数据丢失的数据软交换系统：

1）支持广播发送或定向发送，支持数据分组管理，避免数据采集时造成广域网流量拥塞的状况；

2）支持数据流的重定向，实现告警数据/性能消息数据多段处理；

3）保证上层应用与下层接口服务无关；

4）标准数据包格式，提高分布式应用的开发速度，保证应用易于扩充。

此系统可分为管理应用层、数据采集层、前端设备层。管理应用层由监控服务器、监控软件以及报警设备等组成[7]，通过数据采集层获取的前端设备的监控数据进行集中统一的监控和管理。数据采集层负责前端设备信号的汇聚和转换，将前端设备的RS485/RS232/DI 信号转为TCP/IP 信号并通过内网进行数据传输。前端设备层为前端各类传感器设备、智能设备，通过RS485 接口接入至数据采集层对应的接口中，将本身获取的台站环境参数、设备运行状态反馈至中心监控平台中。系统实施构架见图2。

图2 实施架构

ARM 处理器通过RS485 总线及网络将配电子系统、UPS 子系统、配电开关子系统、蓄电池子系统、温湿度子系统、漏水子系统、大气压力子系统连接起来。通过对各子系统实时监控数据处理、分析及逻辑判断，实现各子系统的集中视图、集中监控、集中告警、集中数据分析和统一运维管理。

系统通过不断检测告警标志位判断故障原因，并产生告警并保存告警信息（图3）。

图3 告警流程图片段

标志检测程序片段如下：

报表管理功能通过对设备运行的历史数据和报警事件进行统计、分析，得到地震台站电力和环境等运行情况。资产管理功能是实现在资产采购、资产入库、资产使用、资产变更、资产处置等整个资产生命周期管理过程中做到有效的管理。运维管理功能基于ITIL 运维服务体系框架，用于登记地震台站各种信息故障申报请求，并对故障处理的过程进行跟踪和处理。运维管理功能程序片断如下：

系统可查看实时监控数据、接收实时报警信息，快速查询历史监控记录。还可在后台定义巡检任务，一键式提交巡检结果与内容完整性自检，确保巡检按时按质完成，部分巡检数据自动填入，大幅减少人工巡检项。

2 在张家口地区的应用

目前，张家口地震监测中心站所辖尚义地震台、康保地震台都建立了全面的设备维护管理系统（表1）。同时，监控系统通过网络检测阳原、蔚县等其他13 个测震台站网络通断。经统计，故障定位时间缩短了50%，缩短了维护时效，为地震监测系统稳定运行提供了全面保障；自动重合闸避免了因雷击等原因导致的跳闸故障，现场运维次数减少10%，有效减轻维护人员负担。

表1 安装地震台网安全运行智能保障系统前后现场维修次数及故障定位时间对比

本系统利用现有监控资源进行数据提取分析，结合平台的丰富管理功能和移动运维理念，通过建立统一的操作平台和统一的通信平台，实时监控、分析各地震台站基础设施的运行信息。

通过在前端台站配套安装各类传感器及监控设备，系统可完成对台站动力环境监控系统、安防系统、资产管理系统以及其他第三方子系统的无缝数据集成，实时获取各子系统的监控数据。通过对各子系统监控数据处理、分析及逻辑判断，并实现上述各子系统的集中视图、集中监控、集中告警、集中数据分析和统一运维管理。在张家口地区应用界面见图4。

图4 地震台网安全运行智能保障系统在张家口地区的应用

3 结论

地震台网安全运行智能保障系统应用后，提高了地震台站的安全性、稳定性，可以实时监控台站的运行情况；快速定位、处理设备故障，快速判定数据中断原因，有助于将故障时间控制在24 小时以内，提高维护时效。安装后，康保地震台、尚义地震台由于安装了自动重合闸开关，均未出现雷击跳闸导致数据中断的情况。