李延峰，吳哲，崔煜，趙永海

(青海省地震局，青海西寧　810001)

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青海省地震前兆觀測儀器故障原因及影響分析

李延峰，吳哲，崔煜，趙永海

(青海省地震局，青海西寧810001)

摘要：對青海省地震局前兆儀器的整體運行情況進行了概述，對2010～2014年期間所運行前兆儀器出現(xiàn)的各種故障進行了統(tǒng)計、分析,發(fā)現(xiàn)故障出現(xiàn)的原因多為數(shù)采故障及供電系統(tǒng)故障等造成。對及時發(fā)現(xiàn)目前儀器運行存在的隱患、保證前兆設(shè)備正常運行提出了解決方案。

關(guān)鍵詞：地震前兆儀器；儀器故障；青海；對策

0引言

地震前兆指地震發(fā)生前出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象，巖體在地應(yīng)力作用下，在應(yīng)力應(yīng)變逐漸積累、加強的過程中，會引起震源及附近物質(zhì)發(fā)生，如地震活動、地表的明顯變化以及地磁、地電、重力等地球物理異常，地下水位、水化學(xué)、動物的異常行為等。地震分析預(yù)報人員對地震前兆的分析和研究是基于地震前兆觀測儀器所產(chǎn)出的連續(xù)數(shù)據(jù)。目前，“十五”地震前兆儀器囊括了電磁、形變、流體三大學(xué)科的各種手段，地震專業(yè)儀器已由原來的人工模擬日均采樣發(fā)展到現(xiàn)在的全自動、網(wǎng)絡(luò)化的分鐘甚至秒采樣，全方位、多角度地為地震分析預(yù)報工作提供了詳實可靠的前兆數(shù)據(jù)。

但由于前兆觀測儀器多使用電子器械，受外界因素影響較大。青海省幅員遼闊，但前兆臺站本身較少且分布十分稀疏，部分前兆臺站周邊數(shù)百公里內(nèi)無其他前兆監(jiān)測設(shè)備，前兆儀器一旦發(fā)生故障對全年的資料來說都有較大的影響，如果故障周期較長，恢復(fù)正常觀測較慢，將對產(chǎn)出的資料產(chǎn)生難以彌補的損失，對用以分析、預(yù)報的使用人員來說，使用價值就會降低很多。因此，對前兆儀器發(fā)生故障的原因進行分析，盡量減少儀器故障的發(fā)生及縮短發(fā)生故障的周期就顯得十分必要[1-5]。

1青海省地震前兆臺站分布及運行概況

青海省地震監(jiān)測預(yù)報基礎(chǔ)較為薄弱，前兆觀測臺站的密度為每10萬平方千米0.6個，臺網(wǎng)布局比較稀疏，主要分布在人口密集的區(qū)域，格局相對合理。青海地震前兆臺網(wǎng)共有21個前兆臺站(圖1)，其中，省地震局所屬11個臺站，其余10個臺站為市縣所屬。

前兆臺網(wǎng)觀測項目涵蓋形變、地磁、地電和地下流體4個學(xué)科。隨著觀測技術(shù)、信息技術(shù)的迅速發(fā)展，目前青海省地震前兆臺網(wǎng)基本實現(xiàn)了數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化觀測。

“十一五”期間，青海區(qū)域地震前兆臺網(wǎng)現(xiàn)在所運行觀測儀器數(shù)量共計達到100套、284個測項分量。其中，形變學(xué)科儀器17套、63個測項分量；重力2套、20個測項分量；流體學(xué)科儀器38套、43個測項分量；地磁學(xué)科儀器23套、71個測項分量，地電學(xué)科儀器9套、54個分量；輔助觀測儀器11套、33個測項分量。2010～2014年以來前兆運行率總體基本保持良好(表1)。

表1

青海省2010～2014前兆臺站歷年運行率

圖1　青海省前兆臺站分布

2青海省各前兆臺站儀器故障情況及影響分析

青海局地震局“十五”期間對原來的儀器進行了較大調(diào)整，從“九五”期間的數(shù)字化進化到現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)化，但自各學(xué)科前兆儀器運行以來，總體的差異性和復(fù)雜性是明顯的，儀器的故障率受很多因素影響。本文對干擾因素進行總結(jié)分析。

表2

青海省前兆儀器故障情況及分類

2.1對故障儀器所屬學(xué)科的分析

對青海省各前兆臺站中運行的儀器進行詳細整理，從中選出2010～2014年青海省各類前兆儀器出現(xiàn)的故障情況，加以匯總并對出現(xiàn)的故障及所屬學(xué)科進行分類(表2)。通過數(shù)據(jù)可以看出，全省所有地震前兆觀測儀器中，流體臺站占較大的比例，所使用儀器最多，在所有出現(xiàn)故障的儀器中，流體學(xué)科故障率也較高，形變學(xué)科儀器故障率其次，電磁學(xué)科儀器故障率較低。前兆各測項儀器發(fā)生故障后，對全年產(chǎn)出的資料連續(xù)率及完整率造成較大影響。

2.2對儀器故障率的分析

從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，前兆儀器出現(xiàn)的總故障次數(shù)呈逐年遞增趨勢。其中，在2010年故障率最低，到2012年全省前兆臺站故障率最高，2013年后開始相對穩(wěn)定。分析原因后認(rèn)為，2010年儀器架設(shè)初期，各儀器及供電系統(tǒng)能夠基本正常工作，隨著長期連續(xù)不斷的使用后，在2012年多數(shù)前兆儀器開始陸續(xù)出現(xiàn)故障，在經(jīng)過廠家及維護人員對各故障設(shè)備進行維修及更換后，從2013年開始全省前兆儀器出現(xiàn)故障的數(shù)量明顯下降，儀器運行率也有較大提高。

2.3對儀器故障類型的分析

儀器發(fā)生故障的主要原因為數(shù)采故障，其次分別為供電系統(tǒng)故障、探頭故障、通信故障及人為因素。

2.3.1數(shù)采故障

地震前兆儀器的數(shù)采出現(xiàn)的故障率較高，數(shù)采都是電子元器件構(gòu)成，經(jīng)過長時間的連續(xù)工作，很多部件容易出現(xiàn)老化，在供電不穩(wěn)定的情況下高電壓與大電流沖擊很容易造成數(shù)采自身損壞，造成數(shù)據(jù)斷記及不可用數(shù)據(jù)，使觀測系統(tǒng)不能正常工作。而數(shù)采出現(xiàn)故障后一般需要返廠進行維修，且維修周期較長，在備用數(shù)采短缺的情況下，不能及時恢復(fù)臺站的正常觀測，對資料的連續(xù)性造成較大影響(圖2)。

圖2　數(shù)采故障造成數(shù)據(jù)影響

圖3　供電系統(tǒng)故障對數(shù)據(jù)造成影響

2.3.2供電系統(tǒng)故障

青海省多數(shù)前兆臺站分布在艱苦地區(qū)，以前在日常工作中出現(xiàn)停電的現(xiàn)象較多，有時停電時間較長，而停電會造成整個前兆臺站所有觀測數(shù)據(jù)受影響甚至造成數(shù)據(jù)缺失，在“十五”項目中對有人值守前兆臺站供電系統(tǒng)進行了改造，在儀器的前端加載有UPS電源，但由于日常臺站人員對UPS電源維護不到位及電瓶老化等原因，發(fā)生停電后，使用UPS電源自身配置的電瓶不能進行長時間的供電，臺站還需要使用發(fā)電機進行發(fā)電，來保障儀器的正常運行，但在交直流切換過程中容易對前兆數(shù)據(jù)產(chǎn)生臺階、尖峰等干擾，同時對儀器自身也產(chǎn)生一定的損害(圖3)。而無人值守臺站一般出現(xiàn)長時間停電后直接造成數(shù)據(jù)缺失。因此，建立一套科學(xué)完整的地震臺站供電系統(tǒng)是前兆儀器低故障率的核心保障。

2.3.3探頭故障

前兆儀器探頭部分多為高精密機械及高精度傳感器組成，探頭部分出現(xiàn)故障時排除相對較難，且維修十分不易，部分儀器探頭與數(shù)采需要配套才能正常工作，不能隨意更換其他探頭代替。因此，當(dāng)探頭部分出現(xiàn)故障后維修周期都較長，更換探頭后需要較長的穩(wěn)定時間。在探頭出現(xiàn)故障時，形變類儀器如水平擺、垂直擺傾斜儀等易受地震、電路傳感器或人為因素造成靠擺及硬件故障，流體類前兆儀器如水位儀、水溫儀等長時間浸泡在水中，出現(xiàn)故障多為過壓、雷擊及密封問題進水短路造成故障(圖4)。

圖4　探頭故障對數(shù)據(jù)影響

從圖4中可以看出，玉樹臺SSQ2型水平擺在2013年7月初探頭出現(xiàn)靠擺現(xiàn)象，在調(diào)試后儀器石英絲斷裂，出現(xiàn)較長時間的斷記。圖4中門源地震臺鉆孔應(yīng)變儀北東分量在2013年2月7日出現(xiàn)突升，直至3月1日，數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大的畸變及突降，而其余分量未見異常，數(shù)采也未出現(xiàn)故障，通過分析認(rèn)為該儀器探頭北東向出現(xiàn)故障。

2.3.4通信故障

儀器所產(chǎn)生數(shù)據(jù)需要穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，通信設(shè)備出現(xiàn)故障對無人值守臺站數(shù)據(jù)的連續(xù)率及完整率有較大影響。青海省地震局前兆臺站中有11個綜合地震臺站及區(qū)域中心采用光纖傳輸，2個市縣臺站采用DDN傳輸，5個無人值守觀測點采用3G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，區(qū)域中心數(shù)據(jù)庫與專業(yè)臺站數(shù)據(jù)庫應(yīng)用行業(yè)網(wǎng)IP地址，利用VPN技術(shù)連接。發(fā)生的通信故障多為無線傳輸鏈路，受供電、網(wǎng)絡(luò)運營商及硬件自身問題影響較大。根據(jù)統(tǒng)計，在2010～2014年中，因通信鏈路故障造成的數(shù)據(jù)丟失情況共出現(xiàn)11次。

2.3.5雷擊故障

雷電對地震觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)率和質(zhì)量造成較大影響。

雷擊對前兆臺站損害極大。一般地震前兆臺站受雷擊多由市電引雷造成，會導(dǎo)致專業(yè)設(shè)備及公用設(shè)備遭受雷擊故障甚至損毀。全省地震臺站近年來也多次發(fā)生雷擊造成儀器損壞及影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。例如，玉樹地震臺在2012年遭雷擊造成氣氡儀與水位儀故障，2012年7月，西寧地震臺地溫儀遭雷擊損壞，2013年8月門源地震臺水平擺傾斜儀遭感應(yīng)雷擊，數(shù)采在雷擊后出現(xiàn)故障，不能正常工作，也造成長時間數(shù)據(jù)缺失等(圖5)。

圖5　雷擊造成門源地震臺水平擺故障

3解決方法

前兆儀器種類較多，出現(xiàn)的故障率較高，如何做到降低儀器故障率，要從根本上解決問題。通過上述出現(xiàn)的故障類型，認(rèn)為現(xiàn)階段可以有以下解決方法。

3.1保障供電的連續(xù)性及穩(wěn)定性

在供電系統(tǒng)方面，對有人值守的綜合臺站供電應(yīng)該統(tǒng)一采取交流+UPS+發(fā)電機模式，經(jīng)常檢查供電線路，及早發(fā)現(xiàn)問題隱患，對UPS安裝監(jiān)控系統(tǒng)，值班人員每日定時查看監(jiān)控記錄，及時發(fā)現(xiàn)問題，能排除的及早解決，不能排除的及早上報維護部門。定期對UPS進行放電維護，長時間的浮充會減少UPS及電瓶壽命，每年檢查電瓶電量，發(fā)現(xiàn)有個別損壞電瓶應(yīng)及時上報并更換。對無人值守臺站盡量采用交流+直流智能電源供電系統(tǒng)，采用好的直流供電智能電源對防雷及穩(wěn)壓、穩(wěn)流有明顯作用，對產(chǎn)出的數(shù)據(jù)影響很小，無人值守臺站每年需要檢查供電系統(tǒng)及線路，對出現(xiàn)隱患的供電線路及早更換。

3.2安裝完善的防雷接地系統(tǒng)

為了保障地震臺站綜合觀測技術(shù)系統(tǒng)連續(xù)可靠運行，有效減輕雷擊災(zāi)害對我國地震臺站專業(yè)儀器設(shè)備的影響和傷害，將雷害對觀測工作造成的影響和損失減至最小程度，提高地震臺網(wǎng)觀測儀器設(shè)備的運行率和數(shù)據(jù)完整率，需要對前兆臺站進行完善的防雷措施。前兆臺站的防雷主要采用配電線路三級防護，還要做到信號線路防護、電磁屏蔽、接地與等電位連接。

做好完善的防雷接地系統(tǒng)需要以下幾點：

(1)改善臺站交流配電的防雷設(shè)備設(shè)施，增加臺站交流供電鎧裝電纜入地。對部分臺站老化的供電線路進行更換；

(2)增加通信傳輸線路及設(shè)備信號引線防雷設(shè)備；

(3)臺站電源線、儀器信號線、數(shù)據(jù)線、網(wǎng)絡(luò)線、視頻信號線等強弱電線路分開及規(guī)范布設(shè)等內(nèi)容；

(4)清理現(xiàn)有接地情況，對部分接地電阻超標(biāo)較嚴(yán)重的臺站重新做接地地網(wǎng)；改進與完善電磁屏蔽，接地極與等電位裝置。

3.3增加備用儀器

地震前兆觀測手段復(fù)雜，儀器種類繁多，每個前兆臺站安裝架設(shè)的數(shù)量也較多，在日常工作中難免會出現(xiàn)各種不可預(yù)見的故障情況。因此，維護部門應(yīng)當(dāng)增加各前兆學(xué)科備用儀器的種類及數(shù)量，可以保證在儀器出現(xiàn)故障且不能及時維修的情況下盡快恢復(fù)觀測，保證資料的連續(xù)、完整。對于備用設(shè)備應(yīng)當(dāng)經(jīng)常檢查、通電維護，以備不時之需。

3.4加強維護人員及臺站人員業(yè)務(wù)水平

儀器設(shè)備維護人員需要在故障產(chǎn)生、原因查找、排除的過程中來提高業(yè)務(wù)水平，通過總結(jié)和積累經(jīng)驗，才能對故障精準(zhǔn)分析，解決問題時得心應(yīng)手，手到病除[2]。

4結(jié)論

前兆資料的可用性對整個地震監(jiān)測預(yù)報來說十分重要，關(guān)系到分析預(yù)報人員的數(shù)據(jù)使用。設(shè)備運維的好壞、故障處理的及時與否直接關(guān)系到前兆臺網(wǎng)系統(tǒng)的整體運行。

(1)加強設(shè)備維護人員及臺站工作人員的責(zé)任心及業(yè)務(wù)水平，降低前兆儀器故障率是產(chǎn)出連續(xù)、可靠的前兆資料的重要保障。

(2)前兆儀器的維護經(jīng)驗是在日常工作中日積月累形成的，是通過在故障排除過程中總結(jié)和積累的，維護人員的業(yè)務(wù)能力是前兆儀器穩(wěn)定運行的先決條件。

(3)加強對維護人員及前兆臺站人員故障排查能力的培養(yǎng)，最大可能縮短故障時間，確保得到更多的實用資料。

(4)加大對地震前兆臺站的投入力度，充足的備用設(shè)備能極大減少受損失的資料數(shù)量，讓產(chǎn)出數(shù)據(jù)得到充分使用。

(5)保障臺站有個良好的供電及防雷系統(tǒng)，及時改造和更換隱患設(shè)備及線路是降低儀器故障率的前提。

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ANALYSIS ON CAUSES AND INFLUENCES OF EARTHQUAKE PRECURSOR OBSERVATION INSTRUMENT FAILURES IN QINGHAI PROVINCE

LI Yanfeng,WU Zhe,CUI Yu,ZHAO Yonghai

(EarthquakeAdministrationOfQinghaiProvince,Xining810001,China)

Abstract:The overall operation of earthquake precursor instruments in Qinghai province were summarized,and the all precursor instrument failures from 2010 to 2014 have been statistically analyzed,and found that the causes of the failures mainly are data collectors and power supply system.The countermeasures for the failures are put forward in the paper.

Key words:Earthquake precursor instrument;Failure of instrument;Qinghai;Countermeasure

中圖分類號：P315.62

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-586X(2016)01-0055-06

作者簡介：李延峰(1981—)，男，青海樂都人，工程師，主要從事地震儀器維護和地震觀測系統(tǒng)保障工作。E-mail：yuki430@163.com。

收稿日期：2014-03-10