顏 歡，陳碧洪，張正偉，楊志鵬，徐明軍

（四川省地震局西昌地震監(jiān)測中心站，四川西昌 615000）

地震預(yù)警是指在地震發(fā)生后，利用地震波傳播速度小于電磁波傳播速度的特點，提前對地震波尚未到達(dá)的地方進(jìn)行預(yù)警。地震預(yù)警的核心技術(shù)是利用最接近震源處的少量臺站的地震初期震動信息快速判定地震并測定地震參數(shù)，進(jìn)而預(yù)測尚未傳播開來的地震動大小、烈度分布、影響范圍和影響程度，其技術(shù)環(huán)節(jié)包括從地震監(jiān)測數(shù)據(jù)的噪聲和干擾中準(zhǔn)確判別地震信號，實時估計地震發(fā)生的位置和大小，實時預(yù)測地震波的傳播和地震烈度場的分布，實時預(yù)測可能的災(zāi)害?？梢钥闯?，地震預(yù)警對各個技術(shù)環(huán)節(jié)的實時性要求非常高，預(yù)警臺站的數(shù)據(jù)傳輸效能至關(guān)重要，它直接影響了地震預(yù)警系統(tǒng)的及時性和有效性。

為了滿足地震預(yù)警臺站數(shù)據(jù)鏈路傳輸時效性、準(zhǔn)確性的需求，我國地震工作者圍繞臺站數(shù)據(jù)傳輸開展了大量研究，如：吳衛(wèi)遠(yuǎn)等（2010）利用CDMA無線傳輸技術(shù)實現(xiàn)數(shù)字測震臺站數(shù)據(jù)傳輸和組網(wǎng)；劉春祥（2013）對國內(nèi)地震臺站數(shù)據(jù)傳輸通常使用的幾種傳輸方式進(jìn)行對比，設(shè)計了一套適合地震臺站實際情況的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)；諶亮等（2017）利用3G／4G無線通信高帶寬、高覆蓋和高穩(wěn)定性的技術(shù)特點，構(gòu)建臺站備用通信系統(tǒng)，從而大幅提高臺站的數(shù)據(jù)運行率；葉世山等（2019）利用基于3G／4G網(wǎng)絡(luò)工業(yè)無線路由器充當(dāng)串口服務(wù)器和提供上網(wǎng)服務(wù)功能，解決了強(qiáng)震動臺站數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}；付琦等（2021）提出了基于4G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)L2TP VPN 備份鏈路的方案，保障數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡(luò)的鏈路暢通。以上研究多針對地震臺站數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)，對于臺站數(shù)據(jù)傳輸效能提升的研究較少。因此，開展地震預(yù)警臺站數(shù)據(jù)傳輸效能提升研究工作刻不容緩，也具有顯著的實用價值。本研究結(jié)合實踐情況，分析簡易烈度計臺站數(shù)據(jù)傳輸故障，提出各種技術(shù)手段，以提升臺站數(shù)據(jù)傳輸效能。

1 川滇預(yù)警示范項目（四川地區(qū)）概況

為加快推進(jìn)地震預(yù)警體系建設(shè)，根據(jù)中國地震局統(tǒng)一部署，川滇預(yù)警示范項目（四川地區(qū)）在川滇交界的四川省涼山彝族自治州（以下簡稱四川涼山）地區(qū)新建150個簡易烈度計臺站，與原有的測震臺站組成綜合地震預(yù)警示范網(wǎng)，臺站布局如圖1所示。在四川涼山地區(qū)建設(shè)地震烈度速報和地震預(yù)警系統(tǒng)主要是為了利用該地區(qū)地震頻發(fā)的特點，檢驗地震預(yù)警系統(tǒng)的有效性，積極探索臺站運行模式，全面積累運行維護(hù)經(jīng)驗，為國家地震烈度速報與預(yù)警工程建設(shè)提供示范。目前這些簡易烈度計臺站已經(jīng)正式納入地震預(yù)警系統(tǒng)中。

圖1 川滇預(yù)警示范臺站（四川地區(qū)）分布

川滇預(yù)警示范臺網(wǎng)（四川地區(qū)）由簡易烈度計地震動觀測系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及信息服務(wù)系統(tǒng)構(gòu)成；簡易烈度計臺站觀測系統(tǒng)由供電系統(tǒng)、烈度儀和通訊系統(tǒng)3個部分組成，圖2為簡易烈度計臺站觀測系統(tǒng)圖。簡易烈度計臺站地震動觀測采用北京港震GL-P2B 型簡易烈度計，該簡易烈度計內(nèi)置了高靈敏度3 分向微機(jī)電Mems加速度計模組，其數(shù)據(jù)采集部分為EDAS-24GN的小型化版，兩者在ADC、基于ARM9芯片和Linux的嵌入式系統(tǒng)等方面具有相同的設(shè)計，具有地震事件自動檢測、烈度計算等功能，能夠輸出連續(xù)波形數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)采用3G／4G網(wǎng)絡(luò)工業(yè)級無線路由器實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，通過JOPENS實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時匯集。截至2021年底，四川省地震局西昌地震監(jiān)測中心站承擔(dān)了川滇預(yù)警示范項目（四川地區(qū)）100個簡易烈度計臺站的運維保障工作，西昌站運維人員通過各個方面的技術(shù)改進(jìn)和經(jīng)驗總結(jié)，切實提高了臺站數(shù)據(jù)傳輸效能。

圖2 簡易烈度計臺站觀測系統(tǒng)

2 臺站數(shù)據(jù)傳輸故障

常見的影響簡易烈度計臺站數(shù)據(jù)傳輸效能的故障有：太陽能電源控制器損壞、蓄電池虧電、無線路由器死機(jī)、3G／4G網(wǎng)絡(luò)信號不穩(wěn)定等?？蓪⑦@些故障歸納為供電系統(tǒng)故障和通訊系統(tǒng)故障兩種類型，下文將針對這兩種故障類型進(jìn)行分析，并提出解決方案。

2．1 供電系統(tǒng)故障

四川涼山地區(qū)太陽能資源豐沛，年平均日照時間約2 400 h，川滇預(yù)警示范項目（四川地區(qū)）充分利用該清潔能源優(yōu)勢，建設(shè)了簡易烈度計臺站供電系統(tǒng)。該供電系統(tǒng)主要由太陽能電池板、蓄電池組、太陽能電源控制器組成。造成供電系統(tǒng)故障的主要原因有：太陽能電池板被建筑物或植被等遮擋，導(dǎo)致蓄電池虧電；觀測環(huán)境潮濕，導(dǎo)致太陽能電源控制器內(nèi)部短路故障；蓄電池容量下降等。為提高供電系統(tǒng)運行的可靠性，可采取兩種措施。（1）定期開展臺站巡檢工作，檢查太陽能電池板周邊環(huán)境，保證其日照充足。四川涼山地區(qū)簡易烈度計臺站大部分都建設(shè)在鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）政府所在地，均為無人值守臺站。從西昌站運維簡易烈度計臺站的實踐經(jīng)驗來看，隨著撤鄉(xiāng)設(shè)鎮(zhèn)等新型城鎮(zhèn)化建設(shè)工作的推進(jìn)，臺站周邊環(huán)境發(fā)生了不同程度的變化，太陽能電池板被遮擋的情況時有發(fā)生，所以定期開展臺站巡檢工作就顯得十分重要。（2）選用防潮性能較好，且具有充放電智能管理和蓄電池保護(hù)功能的MPPT太陽能控制器或PWM 太陽能控制器。目前市場上主流的太陽能電源控制器主要有MPPT和PWM 太陽能控制器兩種，兩種控制器的主要參數(shù)見表1。MPPT太陽能控制器是目前較高端的，有優(yōu)秀的蓄電池管理功能，擁有最大功率追蹤功能，系統(tǒng)充電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)97%，但價格通常是PWM 太陽能控制器的幾倍乃至數(shù)十倍，在預(yù)算充足的情況下，可以選擇。PWM 太陽能控制器同樣擁有不錯的蓄電池管理功能，系統(tǒng)充電轉(zhuǎn)換效率在80%左右，且價格相對低廉，是性價比較高的設(shè)備。

表1 MPPT和PWM 太陽能電源控制器主要參數(shù)

2．2 通訊系統(tǒng)故障

簡易烈度計臺站的通訊系統(tǒng)，選擇的是基于3G／4G 網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)無線路由器解決方案。3G／4G 網(wǎng)絡(luò)工業(yè)無線路由器是一種物聯(lián)網(wǎng)無線通信路由器，利用公用CDMA 網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)為臺站提供無線長距離數(shù)據(jù)傳輸功能。影響通訊系統(tǒng)運行的主要因素有：工業(yè)無線路由器死機(jī)；工業(yè)無線路由器天線被破壞，接收不到3G／4G網(wǎng)絡(luò)信號；基站信號不穩(wěn)定等。為提高通訊系統(tǒng)運行效能，可以采取3種措施。（1）選用性能較好的工業(yè)級4G全網(wǎng)通無線路由器。隨著4G網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模商用和5G技術(shù)的加速推廣，國內(nèi)各大運營商已逐步開展3G退網(wǎng)工作。因此，支持4G網(wǎng)絡(luò)是簡易烈度計臺站無線路由器的首要指標(biāo)；其次，應(yīng)選擇功耗低、無線網(wǎng)絡(luò)信號接收能力強(qiáng)、有在線保持功能，且支持國內(nèi)三大運營商的全網(wǎng)通無線路由器。（2）優(yōu)化無線路由器天線性能和安裝位置。以西昌站的運維經(jīng)驗來看，無線路由器原則上應(yīng)使用原裝天線，在原裝天線不能滿足信號傳輸要求時，可選用高增益天線。在相對偏遠(yuǎn)的臺站，天線在房間內(nèi)或機(jī)柜內(nèi)與天線在室外接收到的信號強(qiáng)度相差較大，在確保安全的前提下，應(yīng)將天線安裝到室外。（3）與運營商建立一個良好的溝通協(xié)調(diào)機(jī)制。無線路由器實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，依托的是運營商提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，臺站人員需要與運營商保持良好的溝通，確保運營商基站無線網(wǎng)絡(luò)信號正常。

3 應(yīng)用效果

從2020年初開始，西昌地震監(jiān)測中心站逐步開展了提升川滇預(yù)警示范項目（四川地區(qū)）簡易烈度計臺站數(shù)據(jù)傳輸效能的工作，主要有以下4類。

（1）每年開展不少于兩次的現(xiàn)場巡檢工作。巡檢工作主要包含：巡查臺站觀測環(huán)境，對影響太陽能電池板日照時間的植被進(jìn)行清理；用萬用表檢查太陽能電源控制器工作狀態(tài)；用蓄電池檢測儀檢查蓄電池容量、內(nèi)阻、壽命等，對狀態(tài)較差的蓄電池進(jìn)行更換。

（2）安裝時控開關(guān)，實現(xiàn)無線路由器定時斷電重啟功能。運維人員在日常運維工作中發(fā)現(xiàn)，無線路由器長時間運行導(dǎo)致死機(jī)的情況時有發(fā)生，需要運維人員上臺斷電重啟才能恢復(fù)，死機(jī)嚴(yán)重影響臺站運行率。2020年1月臺站人員選取了西昌市周邊的10個臺站，開展時控開關(guān)安裝工作，安裝前后臺站運行率統(tǒng)計見表2。從表2可以看出，2020年1月以前，10個臺站運行率波動較大，平均運行率在92%，從2020年1月開始安裝時控開關(guān)以來，10個臺站運行率逐步提升，2020年3月平均運行率達(dá)到98%，臺站數(shù)據(jù)傳輸效能得到明顯提升。

表2 運行率統(tǒng)計

（3）使用防潮性能更好，有充放電智能管理功能的PWM 太陽能電源控制器。運維人員在日常運維工作中發(fā)現(xiàn)，個別氣候環(huán)境較差的臺站存在太陽能電源控制器故障率高的現(xiàn)象。針對該問題，運維人員從2020年初起，逐步開展了太陽能電源控制器更換工作。通過對2017—2021年西昌站簡易烈度計臺站維修記錄的整理，太陽能控制器年故障次數(shù)分別為18、21、16、7和6次。由此可知，2020年以前太陽能電源控制器的年故障次數(shù)在16次以上，開展太陽能電源控制器更新工作后，從2020年起太陽能電源控制器的年故障次數(shù)在7次以下，臺站供電穩(wěn)定性得到顯著提升。

（4）更換臺站無線路由器為廈門四信F3A36全網(wǎng)通工業(yè)無線路由器，搭建路由器遠(yuǎn)程管理平臺（見圖3）。借助于路由器遠(yuǎn)程管理平臺可以對所有路由設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)控、配置、升級，進(jìn)一步提高遠(yuǎn)程故障診斷能力，降低運維成本。

圖3 路由器遠(yuǎn)程管理平臺

通過對2020年西昌站運維的100個簡易烈度計臺站的運行率統(tǒng)計可知，自2020年年初開展提升措施以來，臺站總運行率從1月的85%逐漸穩(wěn)步提升至12月的98%，從2020年8月開始，臺站運行率已滿足中國地震臺網(wǎng)中心《國家地震烈度速報與預(yù)警工程觀測站運行管理要求（暫行）》中一般站運行率達(dá)到95%以上的要求。川滇預(yù)警示范項目（四川地區(qū)）簡易烈度計臺站數(shù)據(jù)傳輸效能得到較為顯著的提升。

4 結(jié)束語

近年來，伴隨著地震預(yù)警技術(shù)的發(fā)展，在國家及中國地震局相關(guān)重點項目的支持下，建設(shè)和改造了一大批地震預(yù)警臺站。隨著地震預(yù)警信息服務(wù)能力不斷提高，對預(yù)警臺站數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、時效性等要求也日益增高。文章對影響川滇預(yù)警示范項目（四川地區(qū)）簡易烈度計臺站數(shù)據(jù)傳輸效能的關(guān)鍵因素進(jìn)行整理歸納、分析故障原因，并提出解決故障的技術(shù)方法。通過西昌地震監(jiān)測中心站的實踐，較好地提升了川滇預(yù)警示范項目（四川地區(qū)）簡易烈度計臺站數(shù)據(jù)傳輸效能，片區(qū)地震預(yù)警能力得到保障。