川滇预警示范项目四川地区简易烈度计台站数据传输效能提升研究

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 615000）

地震预警是指在地震发生后，利用地震波传播速度小于电磁波传播速度的特点，提前对地震波尚未到达的地方进行预警。地震预警的核心技术是利用最接近震源处的少量台站的地震初期震动信息快速判定地震并测定地震参数，进而预测尚未传播开来的地震动大小、烈度分布、影响范围和影响程度，其技术环节包括从地震监测数据的噪声和干扰中准确判别地震信号，实时估计地震发生的位置和大小，实时预测地震波的传播和地震烈度场的分布，实时预测可能的灾害。可以看出，地震预警对各个技术环节的实时性要求非常高，预警台站的数据传输效能至关重要，它直接影响了地震预警系统的及时性和有效性。

为了满足地震预警台站数据链路传输时效性、准确性的需求，我国地震工作者围绕台站数据传输开展了大量研究，如：吴卫远等（2010）利用CDMA无线传输技术实现数字测震台站数据传输和组网；刘春祥（2013）对国内地震台站数据传输通常使用的几种传输方式进行对比，设计了一套适合地震台站实际情况的数据传输系统；谌亮等（2017）利用3G／4G无线通信高带宽、高覆盖和高稳定性的技术特点，构建台站备用通信系统，从而大幅提高台站的数据运行率；叶世山等（2019）利用基于3G／4G网络工业无线路由器充当串口服务器和提供上网服务功能，解决了强震动台站数据传输的问题；付琦等（2021）提出了基于4G网络实现L2TP VPN 备份链路的方案，保障数字地震观测网络的链路畅通。以上研究多针对地震台站数据传输系统设计与实现，对于台站数据传输效能提升的研究较少。因此，开展地震预警台站数据传输效能提升研究工作刻不容缓，也具有显著的实用价值。本研究结合实践情况，分析简易烈度计台站数据传输故障，提出各种技术手段，以提升台站数据传输效能。

1 川滇预警示范项目（四川地区）概况

为加快推进地震预警体系建设，根据中国地震局统一部署，川滇预警示范项目（四川地区）在川滇交界的四川省凉山彝族自治州（以下简称四川凉山）地区新建150个简易烈度计台站，与原有的测震台站组成综合地震预警示范网，台站布局如图1所示。在四川凉山地区建设地震烈度速报和地震预警系统主要是为了利用该地区地震频发的特点，检验地震预警系统的有效性，积极探索台站运行模式，全面积累运行维护经验，为国家地震烈度速报与预警工程建设提供示范。目前这些简易烈度计台站已经正式纳入地震预警系统中。

图1 川滇预警示范台站（四川地区）分布

川滇预警示范台网（四川地区）由简易烈度计地震动观测系统、网络通信系统、数据处理系统及信息服务系统构成；简易烈度计台站观测系统由供电系统、烈度仪和通讯系统3个部分组成，图2为简易烈度计台站观测系统图。简易烈度计台站地震动观测采用北京港震GL-P2B 型简易烈度计，该简易烈度计内置了高灵敏度3 分向微机电Mems加速度计模组，其数据采集部分为EDAS-24GN的小型化版，两者在ADC、基于ARM9芯片和Linux的嵌入式系统等方面具有相同的设计，具有地震事件自动检测、烈度计算等功能，能够输出连续波形数据。数据通信系统采用3G／4G网络工业级无线路由器实现数据传输，通过JOPENS实现数据实时汇集。截至2021年底，四川省地震局西昌地震监测中心站承担了川滇预警示范项目（四川地区）100个简易烈度计台站的运维保障工作，西昌站运维人员通过各个方面的技术改进和经验总结，切实提高了台站数据传输效能。

图2 简易烈度计台站观测系统

2 台站数据传输故障

常见的影响简易烈度计台站数据传输效能的故障有：太阳能电源控制器损坏、蓄电池亏电、无线路由器死机、3G／4G网络信号不稳定等。可将这些故障归纳为供电系统故障和通讯系统故障两种类型，下文将针对这两种故障类型进行分析，并提出解决方案。

2．1 供电系统故障

四川凉山地区太阳能资源丰沛，年平均日照时间约2 400 h，川滇预警示范项目（四川地区）充分利用该清洁能源优势，建设了简易烈度计台站供电系统。该供电系统主要由太阳能电池板、蓄电池组、太阳能电源控制器组成。造成供电系统故障的主要原因有：太阳能电池板被建筑物或植被等遮挡，导致蓄电池亏电；观测环境潮湿，导致太阳能电源控制器内部短路故障；蓄电池容量下降等。为提高供电系统运行的可靠性，可采取两种措施。（1）定期开展台站巡检工作，检查太阳能电池板周边环境，保证其日照充足。四川凉山地区简易烈度计台站大部分都建设在乡（镇）政府所在地，均为无人值守台站。从西昌站运维简易烈度计台站的实践经验来看，随着撤乡设镇等新型城镇化建设工作的推进，台站周边环境发生了不同程度的变化，太阳能电池板被遮挡的情况时有发生，所以定期开展台站巡检工作就显得十分重要。（2）选用防潮性能较好，且具有充放电智能管理和蓄电池保护功能的MPPT太阳能控制器或PWM 太阳能控制器。目前市场上主流的太阳能电源控制器主要有MPPT和PWM 太阳能控制器两种，两种控制器的主要参数见表1。MPPT太阳能控制器是目前较高端的，有优秀的蓄电池管理功能，拥有最大功率追踪功能，系统充电转换效率可达97%，但价格通常是PWM 太阳能控制器的几倍乃至数十倍，在预算充足的情况下，可以选择。PWM 太阳能控制器同样拥有不错的蓄电池管理功能，系统充电转换效率在80%左右，且价格相对低廉，是性价比较高的设备。

表1 MPPT和PWM 太阳能电源控制器主要参数

2．2 通讯系统故障

简易烈度计台站的通讯系统，选择的是基于3G／4G 网络的工业无线路由器解决方案。3G／4G 网络工业无线路由器是一种物联网无线通信路由器，利用公用CDMA 网络或LTE网络为台站提供无线长距离数据传输功能。影响通讯系统运行的主要因素有：工业无线路由器死机；工业无线路由器天线被破坏，接收不到3G／4G网络信号；基站信号不稳定等。为提高通讯系统运行效能，可以采取3种措施。（1）选用性能较好的工业级4G全网通无线路由器。随着4G网络的大规模商用和5G技术的加速推广，国内各大运营商已逐步开展3G退网工作。因此，支持4G网络是简易烈度计台站无线路由器的首要指标；其次，应选择功耗低、无线网络信号接收能力强、有在线保持功能，且支持国内三大运营商的全网通无线路由器。（2）优化无线路由器天线性能和安装位置。以西昌站的运维经验来看，无线路由器原则上应使用原装天线，在原装天线不能满足信号传输要求时，可选用高增益天线。在相对偏远的台站，天线在房间内或机柜内与天线在室外接收到的信号强度相差较大，在确保安全的前提下，应将天线安装到室外。（3）与运营商建立一个良好的沟通协调机制。无线路由器实现数据传输，依托的是运营商提供的网络服务，台站人员需要与运营商保持良好的沟通，确保运营商基站无线网络信号正常。

3 应用效果

从2020年初开始，西昌地震监测中心站逐步开展了提升川滇预警示范项目（四川地区）简易烈度计台站数据传输效能的工作，主要有以下4类。

（1）每年开展不少于两次的现场巡检工作。巡检工作主要包含：巡查台站观测环境，对影响太阳能电池板日照时间的植被进行清理；用万用表检查太阳能电源控制器工作状态；用蓄电池检测仪检查蓄电池容量、内阻、寿命等，对状态较差的蓄电池进行更换。

（2）安装时控开关，实现无线路由器定时断电重启功能。运维人员在日常运维工作中发现，无线路由器长时间运行导致死机的情况时有发生，需要运维人员上台断电重启才能恢复，死机严重影响台站运行率。2020年1月台站人员选取了西昌市周边的10个台站，开展时控开关安装工作，安装前后台站运行率统计见表2。从表2可以看出，2020年1月以前，10个台站运行率波动较大，平均运行率在92%，从2020年1月开始安装时控开关以来，10个台站运行率逐步提升，2020年3月平均运行率达到98%，台站数据传输效能得到明显提升。

表2 运行率统计

（3）使用防潮性能更好，有充放电智能管理功能的PWM 太阳能电源控制器。运维人员在日常运维工作中发现，个别气候环境较差的台站存在太阳能电源控制器故障率高的现象。针对该问题，运维人员从2020年初起，逐步开展了太阳能电源控制器更换工作。通过对2017—2021年西昌站简易烈度计台站维修记录的整理，太阳能控制器年故障次数分别为18、21、16、7和6次。由此可知，2020年以前太阳能电源控制器的年故障次数在16次以上，开展太阳能电源控制器更新工作后，从2020年起太阳能电源控制器的年故障次数在7次以下，台站供电稳定性得到显著提升。

（4）更换台站无线路由器为厦门四信F3A36全网通工业无线路由器，搭建路由器远程管理平台（见图3）。借助于路由器远程管理平台可以对所有路由设备进行集中监控、配置、升级，进一步提高远程故障诊断能力，降低运维成本。

图3 路由器远程管理平台

通过对2020年西昌站运维的100个简易烈度计台站的运行率统计可知，自2020年年初开展提升措施以来，台站总运行率从1月的85%逐渐稳步提升至12月的98%，从2020年8月开始，台站运行率已满足中国地震台网中心《国家地震烈度速报与预警工程观测站运行管理要求（暂行）》中一般站运行率达到95%以上的要求。川滇预警示范项目（四川地区）简易烈度计台站数据传输效能得到较为显著的提升。

4 结束语

近年来，伴随着地震预警技术的发展，在国家及中国地震局相关重点项目的支持下，建设和改造了一大批地震预警台站。随着地震预警信息服务能力不断提高，对预警台站数据传输的稳定性、时效性等要求也日益增高。文章对影响川滇预警示范项目（四川地区）简易烈度计台站数据传输效能的关键因素进行整理归纳、分析故障原因，并提出解决故障的技术方法。通过西昌地震监测中心站的实践，较好地提升了川滇预警示范项目（四川地区）简易烈度计台站数据传输效能，片区地震预警能力得到保障。