四川西昌地球物理站网故障分析及运维建议

颜 欢，陈碧洪，张正伟，杨志鹏，徐明军

（四川省地震局西昌地震监测中心站，四川 西昌 61500）

地球物理观测仪器是地震监测预报的重要保障，其质量直接决定了数据产出的准确性（刘高川等，2021）。经过多年发展，针对地球物理观测仪器故障的研究也是多样的，如曲利等（2012）通过对山东省“十五”地球物理观测仪器的整体运行概况进行分析统计，发现故障原因，并提出解决方案；陈常俊等（2013）通过统计分析山西省地球物理观测仪器运行以来发生的故障及其维护情况，对故障现象、原因查找过程和采取的应对措施进行总结，找出仪器设备运行维护的共性问题；李延峰等（2016）对青海省地震局地球物理观测仪器的整体运行情况进行了概述，对2010—2014 年期间前兆仪器出现的各种故障进行了统计、分析，发现故障出现的原因多为数采故障及供电系统故障，为排除仪器运行存在的隐患、保证前兆设备正常运行提出了解决方案；赵希磊等（2017）研究了安徽前兆台网运行情况，对仪器典型故障进行了分析，总结了通信故障、供电故障、仪器自身故障和环境因素等内容；周洋等（2020）根据多年工作经验，分析总结了几种地下流体观测仪器运行故障类型，并提出了对应的解决办法。通过以上研究可以看出，地球物理观测仪器在使用过程中存在类型繁杂、故障多样等问题，这些问题会影响地震监测数据的准确性。特别是在交通不便且地球物理台站分布较远的凉山地区，一旦发生故障，将会严重影响数据的连续性和完整性。因此，对凉山地区运行的地球物理观测仪器的故障原因和影响因素进行分析具有重要意义，这有助于降低故障发生概率和缩短故障维修时间，从而保证地震监测精度并提高地震预测能力。本文旨在探讨地球物理观测仪器故障相关问题，首先详细分析了其故障原因，然后进一步探讨了故障对地震监测工作的影响，并提供了故障处理和预防措施，以期为进一步提高地震监测水平提供参考依据。

1 西昌地球物理站网概况

西昌地震监测中心站所辖凉山地区属青藏高原东南部的横断山系，境内有安宁河断裂、则木河断裂、大凉山断裂、昔格达断裂等主要断裂。凉山地区地质结构复杂，区域构造运动强烈，决定了该区域地震活动频度高、强度大的背景。西昌地球物理站网经历了“模拟和人工”观测、“数字化”和“网络化”3 个阶段的建设和优化，最终建成由13 个台站组成的站网。目前该站网共拥有42 套流体、形变和电磁3 个学科的地球物理观测仪器，其中包括数字水位仪、水温仪、地下水数据监测系统、测氡仪、痕量汞气体在线自动分析仪、磁通门磁力仪、地电场仪、地电阻率仪、水管倾斜仪、铟瓦棒伸缩仪、相对重力仪和分量钻孔应变仪等。由于各观测系统建成时间、技术体系均有所差异，并且台站分布范围广，遍布西昌市、盐源县、木里县、昭觉县、冕宁县等地，地球物理站网运行维护工作面临一定的困难。近年来，随着旧设备的升级更新和运维措施的不断完善，西昌地球物理站网的运行率、数据完整率和有效率也稳步提升，其中2018—2022 年的运行率分别为98.70%、98.45%、99.17%、99.45%和99.60%。

2 故障类型分析

针对西昌地球物理站网在2018—2022 年各类仪器所出现的故障情况，按照故障类型进行分类统计（表1），结果表明在所有地球物理观测仪器故障中，供电故障占比最大，为36.2%，其次为主机故障，占比为35.2%，传感器故障和通讯故障的比例则相对较低，占比均为14.3%。从故障次数的年度分布看，2018—2020 年地球物理观测仪器的总故障次数较高，每年均在20 次以上，而在2021 年之后则明显下降。这主要是因为从2021 年开始全面改造了西昌站地球物理台站的供电系统，提高了供电保障能力。此外，西昌站网还依托重点地区地球物理监测仪器升级项目更换了部分年限较长且故障率较高的设备，整体运行率得到了显著提高。

2.1 供电系统故障

西昌地球物理站网的台站主要采用交流市电接入UPS 不间断电源、太阳能、交流市电与太阳能双重供电3 类供电方式。第一种供电方式包括UPS 不间断电源和蓄电池组等部分。对于大部分仪器而言，当市电中断时，UPS 供电系统会将蓄电池的直流电转换成交流电，然后由仪器内部的开关电源再次转换回直流电，这种方式导致整体输出效率较低。如果一个台站内所有观测仪器都通过UPS 供电，一旦市电长时间中断或需要更换蓄电池组，将导致该台所有仪器停止工作，并影响数据质量。第二种供电方式由太阳能电池板、蓄电池组和太阳能电源控制器组成。太阳能供电系统故障的主要原因包括：负载耗电量大于组件发电量从而导致电力供应不足；太阳能电池板被建筑物或植被等遮挡而导致蓄电池亏电；控制器故障只放电未充电；蓄电池老化使得内阻增大和容量下降，不足以支持系统供电等。第三种供电方式由太阳能电池板、蓄电池、智能管理电源等部分组成。智能管理电源是一种专为野外无人值守台站直流电气设备而设计的智能化设备。它可以支持交流和太阳能控制器同时接入，为负载设备提供持续稳定的电力供应。此外，该设备还配备电源监控软件，可通过有线网络实现读取运行数据、通断负载、改变运行模式、远程重启仪器等功能。

供电系统是仪器正常工作的基本保障。根据西昌站2018—2022 年仪器故障情况统计（表1），约40%的故障都是由于供电问题引起的。西昌站地球物理监测台站均分布在偏远山区，在日常工作中，停电情况较为普遍。一旦出现长时间停电，将直接导致数据缺失。因此，设计一套稳妥可靠的台站供电系统对于确保地球物理观测仪器的高效运行至关重要。

2.2 通讯系统故障

西昌地球物理站网网络通信方式主要有2 种：MSTP 专线和无线网络传输。（1）MSTP 专线主要用于西昌站地球物理观测数据的汇集、共享、上报和日常办公，MSTP 设备与核心交换机位于西昌站中心机房内，配备UPS 供电系统，如遇长时间交流供电故障，采用柴油发电机辅助供电。MSTP 网络故障，主要为电信光纤线路故障和光纤收发器故障。（2）无线网络传输主要用于野外观测台站，其通信链路如图1 所示。目前各移动运营商的4G 网络通信技术已非常成熟，而且信号覆盖范围广，利用4G 网络工业无线路由器构建的4G无线网络通讯，可以很好地解决野外台站的数据传输问题。4G 无线网络通讯故障主要有：台站无线路由器故障、数据卡故障、外置天线故障等。

图1 无线网络传输线路图

图2 泸沽湖地震台GEF-2 型地电场仪故障波形

2.3 主机故障

主机故障主要表现为：数据采集和储存出错，主机不能正常获取或保存传感器数据；主机的硬件（比如主板、CPU 等）故障，导致设备不能启动或运行；软件故障，主机的软件程序有问题，导致数据采集和数据文件生成错误。

2019 年8 月初，泸沽湖地震台的GEF-2 型地电场仪出现了故障，主机会不定期地缺少数据。经过运维人员的查看，仪器供电电源和程序运行状态均正常，判断为主机存在硬件问题。在运维人员现场拆机检查时，发现主机ARM底板CR1220纽扣电池电压已低于2.5 V。更换纽扣电池后，故障得到解决。2022年1月4日，昭觉台ZKGD3000-M 型气象三要素仪出现故障，导致数据处理人员未能采集前一日的数据。运维人员进入了仪器网页进行查看，发现该仪器未产出前一日的数据文件，因此判断为软件故障。5 日14 时，运维人员到现场将最新版软件程序拷贝到仪器SD 卡中，并进行安装操作后，成功恢复到正常状态。2022 年2 月12 日，盐源台同型号的气象三要素仪出现了相同的故障，运维人员进行了现场的软件升级安装操作后，同样解决了问题。由此判断这可能并不是孤立的事件，而是该厂家仪器的通病。因此，运维人员随后对冕宁台和西昌川32 井同厂家的气象三要素仪以及地下流体监测设备进行了软件升级安装操作，避免类似故障发生。

2.4 传感器故障

地球物理观测传感器由探测元件、转换元件、信号调理转换电路等部分组成，具有灵敏度高和实时性强等特点。然而，传感器故障也是普遍存在的，这些故障主要源自3 个方面：一是传感器长期在恶劣环境下工作，导致元件老化、腐蚀等问题，观测数据表现出突跳、阶变或持续漂移等；二是传感器与信号采集器之间的电缆故障，观测数据显示99999（如水温仪、磁通门磁力仪等）；三是传感器信号干扰，传感器信号可能会受到其他电磁干扰或接地问题的影响而出现干扰，这可能会导致传感器的信号变得不稳定或者出现错误的信号值。

2021 年9 月8—10 日，盐源干海井的SZW-2 型水温观测曲线出现不连续的突跳和阶跃现象（图3）。运维人员检查了仪器供电系统和主机工作状态，发现均处于正常工作状态。运维人员初步判断问题可能出在传感器上面，进一步确认后在现场更换了传感器，问题得到了迅速解决，观测曲线恢复了正常。2018 年2 月27 日至3 月2 日，西昌川32 井地下流体综合观测仪的水位观测曲线连续多日出现突跳情况（图4），运维人员检查了仪器供电系统，发现不存在电压不稳定的情况，主机程序的运行状况正常，鉴于固体潮形态明显，初步判断存在传感器受到干扰的可能性。经现场排查，发现该水位传感器连接了避雷接地装置，该装置存在引入干扰信号的风险，移除后，数据恢复正常。

图3 盐源干海井水温传感器故障波形

图4 西昌川32 井水位接地干扰波形

3 运维建议

地球物理观测仪器种类较多，故障原因复杂多变，如何有效地保障仪器连续稳定运行，主要有以下几种解决方法。

3.1 建立一套可靠的不间断供电系统

在地球物理观测台站的供电系统方面，采用多套供电电源分别为不同仪器供电。这种方法可以使每个仪器相对独立，以充分保证各仪器不间断地得到电力供应。例如，在盐源地震台，针对功耗较高的GEF-2 型地电场仪，采用200 W 太阳能电池板、4 个100 AH 蓄电池和智能管理电源组成的交流市电加太阳能双供电方式；而对于功耗较低的SZW-2 型水温仪、SWY-2 型水位仪、ZKGD3000-M 气象三要素仪，则分别采用由200 W 太阳能电池板、2 个100 AH 蓄电池和PWM 太阳能电源控制器组成的太阳能供电方式。此外，要定期开展台站巡检工作，检查供电线路并及时更换老化的线路；检查太阳能电池板表面是否有遮挡物，并及时清理，以确保足够光照；检查蓄电池容量、内阻和寿命等，及时更换状态较差的蓄电池。

3.2 加强备机备件配置和管理

随着中国地震科学实验场建设工程和重点地区地球物理监测仪器升级项目的实施，地球物理观测仪器的类型和数量会进一步增加，可能会出现各种难以排除的故障。因此，各台站应适当增加备机备件的种类和数量，以确保在仪器发生复杂故障时能够在短时间内恢复正常工作。备机的配置应按照在线设备数量的一定比例进行，对于数量较多的在线设备，应优先考虑配置备机。通用配件（如PC104 工控板、直流稳压模块和其他易损元器件）也应考虑配置。同时，长期未使用的备机应定期开机检测，以提高故障处理效率。

3.3 加强与厂家的沟通

随着地震监测仪器数字化、网络化和智能化的发展，仪器市场化程度不断提高，越来越多的地球物理类设备通过地震监测专业设备定型，增加了能够入网运行的各种仪器的种类。与仪器厂家达成高度密切的沟通反馈机制，可以快速了解仪器工作原理、熟悉仪器结构、规范仪器操作，从而提高仪器维修效率。积极向厂家反馈仪器在使用过程中遇到的问题，可以促进厂家开展仪器软硬件升级，提高仪器运行稳定性。

3.4 提高运维人员业务水平

为了提高运维质量和效率，运维人员需要通过实际工作不断积累经验、提高技能水平。通过总结和积累经验，可以更好地应对设备故障，提高设备维护效率，保证设备稳定运行。业务水平高的运维人员可以更熟练地操作和维护仪器，快速发现并处理故障。当然，除了积累经验和提高技能，运维人员也需要持续学习新技术、新知识，以适应新时代的要求。同时，运维人员还应该具备较强的学习能力和自学能力，通过不断学习新知识、新技术来提高工作效率，并在实践中不断完善自己的技能和知识体系。这样，运维人员才能更好地胜任自己的工作，确保设备的稳定运行，为地震监测提供可靠的技术支持。

4 结束语

在地震前兆监测中，地球物理观测仪器扮演着至关重要的角色。通过对地球物理观测仪器故障原因和维护方法等的深入研究和探讨，可以提高地震监测数据的精度和可靠性。本文详细阐述并探讨了地球物理观测仪器在供电系统、网络通讯系统、仪器软硬件及传感器等方面可能遇到的故障现象。借鉴实际工作经验，对各类故障现象进行了深入分析，并提出了切实可行的解决途径与方法。这些建议供地震系统内的同仁参考，以期为解决实际工作中所面临的问题提供实用且具操作性的方案。

在未来的工作中，我们应持续提高维护人员的技能水平，加强培训，不断优化仪器维修维护流程，提高运维工作效率和质量，推动地球物理观测仪器的技术创新和发展，为地球物理研究和地震预测提供更加可靠和精确的数据支持。