怀来极低频电磁观测监控与管理方法的实现

2022-08-04池海江

地震地质 2022年3期

池海江温佳

(怀来地震台，河北 075400)

0 引言

极低频探地工程是利用近年来发展的人工源极低频电磁新技术(CSELF)(赵国泽等，2010)，应用于地下资源探测和地震预测等领域的国家重大科学技术基础设施建设项目(卓贤军等，2011)。经过几年的积极筹建，目前已在首都圈和川滇南北地震带初步建成30个极低频地震电磁监测站，共同记录天然场源MT数据和人工源CSMT数据。分析MT传输函数及谱的变化，既可连续监测台网下方深部介质的视电阻率和相位的动态信息，又可监测电磁场空间的动态变化，实现介质电性特征的四维立体监测，极大提高了测区电磁异常的识别和捕捉能力。

极低频观测选用德国Metronix公司生产的最新一代ADU-07e大地电磁观测系统，该仪器抗干扰能力强，灵敏度、精度高，是一种高度自动化智能仪器(刘国栋，2004)。其产出的数据格式、传输方式、分析方法与目前地震台站普遍应用的“十五”前兆仪器有较大区别，需要不断积累观测经验，逐步熟悉仪器的性能特征，才能产出连续、可靠、准确的资料。2015年怀来地震台安装该类仪器后曾出现以下问题，我们针对这些问题研发了实用性软件，使观测方法有了明显改进：

(1)观测人员不能及时掌握仪器的运行状况。ADU-07e型极低频观测仪最初由中国地震局地质研究所和北京欧华联科技有限公司共同安装，该型号的仪器本以流动观测为主，按照极低频地震电磁观测技术要求，安装时对其进行了改造升级，首次将其用于固定台站的长期连续观测中。使用初期发现主机网络单元可以接通，但有时SFTP或SSH连接不上仪器；有时可产出完整的数据文件，但记录内容不正常或部分分量缺测，需要观测人员在现场或远程对仪器的各项参数进行逐条校对以确认仪器是否正常工作。

(2)极低频观测产生的数据量大，每日直接产出数据文件约180MB，是普通“十五”仪器的几十倍，且文件个数多、类型多。每天共产出时间序列、状态记录以及EDI文件共437个，其中时间序列包括电场和磁场5个测项的数据，每个测项有3个采样频率的天然源数据和4个采样频率的人工源数据，以固定时段或长期连续模式分别进行观测。

(3)极低频仪器和服务器的安全性高、专业性强，对操作者的技术水平要求也较高。仪器的操作系统为Linux，服务器的操作系统为openSUSE-Linux，预处理频域数据为国际通用的SEG(Society of Exploration Geophysicists)的EDI(Electrical Data Interchange)格式。进行数据传送、数据预处理操作时都需要严格执行SSH、WINSCP命令。

(4)日志填写及报送繁琐易错。按照中国地震局地质研究所的要求填写工作日志时，对于天气状况、雨量统计及干扰时段、接地电阻、GPS情况等需要登录气象仪、极低频仪器和服务器，并从网页或数据文件中逐项查找统计，工作量较大。

鉴于上述情况，尽管随着全国台网各台站观测人员技术水平、经验积累的提高和防雷技术等措施的不断完善，观测数据的连续率已经达到较高水平，但仍有个别台站观测数据的连续率相对较低。为切实提高极低频监测质量，更好地服务于地震研究，本文提出一套可应用于台站的、旨在解决实际观测问题的简单实用、易操作的远程监测与管理方法，并通过编程实现。

1 台站监控与管理软件的设计思路

1.1 观测台站的监控与管理目标

根据台站的实际情况和几年来台站工作的实践及经验，参考河北地震前兆台网运行质量监控系统(王莉森等，2016)，研发了在现场或远程实时监控观测状况和观测数据的实用性监视软件，对于台站的长期运维具有重要的实用价值。软件的功能应包括仪器工作状况的准实时检查、故障报警、检查服务器中的数据文件并进行传送和生成预处理EDI文件、日志填写报送等工作流程模块化，可实现“一键完成”。

软件采用具有简单易用、面向对象、可视化优点的Visual Basic 6.0程序设计语言(孙秀梅等，2011)编写。设计时遵循模块化理念，并充分利用Windows操作系统提供的各类系统调用函数，提高软件的运行效率。设计风格符合用户视窗操作习惯、操作简单、具有通用性，并可充分发挥软件的人工智能优势。

1.2 模块划分

系统设计主要分为极低频电磁仪器监控、服务器操控和日志填报3个模块，功能构成见图1。

图1 极低频台站监控与管理软件主要功能结构图Fig.1 Main function structure diagram of monitoring and management software for extremely low frequency stations.

1.3 功能实现

1.3.1 系统设置

根据台站的实际情况进行仪器、服务器、辅助观测气象三要素仪和值班人员信息的设置。仪器和服务器信息设置主要包括各自的IP、用户名、口令和服务端口号。对于气象三要素仪，可根据弹出窗体提示，配置本台站“十五”类型气象仪的基本参数，包括仪器类型、台站代码、IP和ID等。配置值班人员信息时，可对值班表进行增加、删除或修改，值班员姓名及对应的手机号码即为日志填报和短信报警的联系人。

1.3.2 实时监控

检查仪器状态时可通过不断刷新仪器网页，对网页文件和日志文件的内容进行解析，通过工作参数的阈值判别达到监控目的。系统默认的巡检时间间隔为5min，可进行更改。

(1)供电电压。仪器出厂标称为9～14V，但实际测试的正常工作电压为12.0～14.0V。极低频仪器要求采用太阳能直流供电，当主页中的电池状态(Battery Status)不是“GOOD”，电压低于12.0V或高于14V时，应及时检查电瓶或太阳能设施。

(2)仪器工作时钟。极低频仪器的时间系统为UTC世界时，通过GPS进行时钟校对，仪器每5min产生1条状态信息，这样最后一条记录的时间和本机时间(北京时间)相差应小于8小时5分钟；此外，GPS状态(GPS Status)栏中“Satellites”后面的数字若为0，则可能是GPS天线故障，需要检查。

图2 极低频仪器检查的主界面Fig.2 Main interface of ELF instrument inspection.

(4)磁传感器检查。正常情况下，仪器状态信息中将分别显示Hx、Hy、Hz3个磁道的类型和序列号，为“MFS06e”和“#”号加4位数字；检查循环记录256Hz、4096Hz天然场饱和记录(Saturated Recs)和坏数据(Bad Recs)时，软件将核查日志记录(1次/5min)文件中本次检查前的前12个记录值是否存在3个以上饱和记录或坏数据，如是则发出告警。

(5)仪器记录状态。主要指仪器的工作温度是否正常，即自检结果(Selftest)是否为“OK”、仪器号(Serial NO.)是否正确、状态值(State)是否为“RECORDING”。工作列表(Time To Next Job)后为下一次运行时间的倒计时，若为“No jobs”则表明工作列表未启动，无记录文件产生。

1.3.3 仪器异常告警

当发现上述参数超出正常阈值后，软件将发出告警提示。可选择通过音乐声、弹出对话框或向值班表里的工作人员发送短信进行告警，短信内容包含仪器可能存在的故障类型或部位，内容相同的告警信息只发送一次(池海江等，2017)。

1.3.4 数据文件检查

本模块的功能为登录服务器，并逐一对极低频服务器中对应日期所产生的文件夹和文件名、字节大小进行检查，若发现文件缺失或字节大小变化则通过弹窗显示。

该程序通过后台登录极低频服务器，不需要输入各自的用户名和密码，自动执行文件检查和传送命令，应用了SSH的“免密登录”技术。Linux系统中有一个存储所登录主机秘钥的文件，其位于根目录下隐藏目录.ssh中的authorized＿keys文件中，存储能够登录本地主机的身份证信息，存储格式都是以“ssh-rsa”为开头的一组字符串，每个这种形式的字符串均代表一个主机的惟一秘钥，且这个秘钥无法被仿照。

极低频观测产出的文件数量多，主要有电道Ex、Ey，磁道Hx、Hy、Hz共5个测项，文件类型包括16Hz天然源连续采样时间序列，256Hz和4096Hz每10min记录64s和4s的天然源循环记录，32Hz、128Hz、512Hz和2048Hz每1d记录2次人工源采集时间序列，以及状态信息文件、配置文件Xml，经过相干度叠加、中值叠加和全叠加3种处理方法得到的369个EDI文件。同一类文件的字节大小一致，如5个测道、16Hz天然源文件都为5563360kB。但该类文件存在一种特殊情况，即每隔7d的周日进行4min GPS时钟校准，16Hz天然源连续记录暂时中断，时序文件ats变为5549024kB，其他频率的时序文件在正常情况下大小不变。

1.3.5 数据文件补传

本模块可在网络、仪器故障或其他原因导致极低频仪器中的文件没有上传到服务器时，将选定日期的数据从极低频仪器补传到台站服务器中。

1.3.6 数据文件处理

当服务器中只有时间序列的数据文件，而没有EDI文件或EDI文件个数不够数时，需要对数据重新进行处理，类似于“十五”前兆数据的“预处理”过程。选择“重新处理”后，程序通过后台登录服务器，自动进行数据处理并生成EDI文件。

根据中国地震局地质研究所电磁课题组的经验总结，对重新生成EDI文件执行以下步骤：1)后台登录服务器，检查当日的文件夹中是否有“999”或其他非正规文件夹，如有则将其删除；2)清空当日EDI文件夹中的所有文件；3)进入“/mtdata/metronix”目录执行“Update.sh”脚本命令，进行初始化检查；4)执行“systemctl status autoProcessData”脚本命令，服务器将自动进行处理，整个过程大约需要十多分钟，可以通过本软件或SSH软件刷新查看生成文件的进程。每次只能对一个选定日期的数据进行处理。

1.3.7 填报数据检查

按照中国地震局地质研究所的要求填报工作日志，并对填报参数进行检索收取，主要包括以下工作：1)读取气象数据。软件根据配置信息后台登录气象仪，读取前一天的气温、气压和降雨量，判别填写天气情况。如果有降雨则汇总求和，确定降雨的开始时刻和结束时刻，并将以上信息填入“重大情况”一栏(池海江等，2017)。2)登录极低频仪器，读取仪器序列号、GPS状态、供电电压、磁盘空间和错误信息列表。3)登录极低频服务器，对服务器空间和前一天(UTC时间)的数据进行检查，包括时序和预处理的EDI文件夹、文件名和字节大小等。

图3 极低频台站的日志报送界面Fig.3 Extremely low frequency station log submission interface.

1.3.8 生成工作日志

根据图3 的检查结果，手动插入由“快视软件”生成的视电阻率相位、自功率谱-时间图片的名字，自动生成Word格式的工作日志。如果某项缺填会以文本框变色提示。

1.3.9 上传检查日志

在检查日志确认无误后，点击“上传”会把当天日志上传到本台服务器对应的文件夹中。

2 主要功能的实现

在软件编写过程中，采用成熟的控件、动态库、接口、宏语言命令以达到快速高效开发的目的。极低频观测操作系统基于Novell公司旗下Linux内核的openSUSE开发，台站使用的微机操作系统目前多为Windows 7.0或10.0。程序应用控件对仪器网页和日志内容进行解析，通过SSH、WINSCP命令登录仪器和服务器，把操作命令变成视窗界面的一个快捷按钮。按照《地震前兆台网专用设备网络技术规程》读取台站辅助观测气象仪的数据。与工作日志相关的流程主要调用Word VBA实现，把繁琐的人工输入改为以宏命令方式运行，自动生成和报送日志文件。

2.1 Web Browser控件

VB的网页浏览器(Web Browser)控件基于IE内核，并封装了IE的诸多功能。其不仅支持URL地址浏览，也支持超链接网页浏览，同时还可以返回到历史记录。通过网页文件html中关键字符的查找操作，提取对应的变量和关键字符，如仪器号、GPS时间、供电电压等。出于安全考虑，初始登录网页要求提供用户名和密码，一台PC机只需输入一次，之后访问时软件会自动识别，不必再输入。

2.2 调用WinSCP命令

WinSCP是一个在Windows环境下使用SSH的开源图形化SFTP客户端，可链接Linux系统，同时支持SCP协议，支持SSH密码、键盘交互、公钥验证，可实现文件传输与管理。软件通过命令实现极低频仪器和服务器磁盘空间的检查、记录文件的检查和复制，包括所选日期的文件夹是否存在，文件数量、名字和字节大小是否正确等。

2.3 应用Word VBA

工作日志生成功能的操作对象是Word文档。在实际编程中，应用VBA(Visual Basic for Applications)标准宏语言实现对Word的操作。将对内存中的段落、表格、插入图表对象的操作转换成对Word文档的操作。

2.4 读取气象仪数据

目前地震台站运行的气象三要素仪主要包括WYY-1型、RTP-2型和ZKGD3000-M型，均为标准的“十五”仪器。进行仪器设计时按照中国数字地震观测网络项目的要求，通过以太网、基于SOCKET连接的HTTP协议，接受并响应客户端指令或由网页方式控制，完成与客户端、数据库的数据信息交换。本软件利用前兆仪器的指令端口(缺省值81)完成数据采集，获得气温、气压和降雨量数据。

2.5 告警服务

告警分为弹窗告警、音乐告警和短信告警。其中，短信告警更多地应用于实际工作中。短信告警可通过手机邮箱短信(王莉森等，2016；丁成等，2018)、短信猫和网络平台方式发送。本软件使用网络平台方式，即依托专门从事短信开发的第三方公司，只需按照相关要求接入，即可准确及时地发出，不需要值班人员单独申请邮箱，且费用相对较低，不需外购设备，经济方便。

3 应用效果

软件于2019年设计完成，初期在怀来地震台极低频观测中投入应用。2019年10月8日台站出现垂直向磁棒故障，仪器可以连通，但无记录文件；2019年12月31日因气温降低仪器死机；2020年2月9日GPS掉线。软件针对以上故障均可及时发出告警，提醒值班人员进行维修处理，减少了中断情况的发生。2020年1—10月资料的连续率为99.8%，明显高于前几年的运行率，达到了预期的设计目的。