金秀如,雍珊珊,王新安,龐瑞濤,韓朝相,曾敬武
(北京大學(xué)深圳研究生院 集成微系統(tǒng)科學(xué)工程與應(yīng)用重點(diǎn)實驗室,廣東 深圳 518055)
地震前兆信號種類較多,包括地聲、電磁輻射、地溫、地應(yīng)變、重力異常、地電阻率、地下化學(xué)成分等[1-2],這些前兆信號在很多歷史震例中都被儀器或動物或人所觀察到[3-4]。但是,至今還沒有一種或多種前兆信號被公認(rèn)為是可信的、確切的地震發(fā)生的預(yù)測依據(jù)。
筆者認(rèn)為,地震尤其是大地震的孕育和發(fā)生應(yīng)該有顯著的多種前兆信號的出現(xiàn),但是目前尚沒有一致的公認(rèn)的前兆信號,可能是因為:
(1)由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)不同,導(dǎo)致各地觀測到的地震異常信號的表現(xiàn)不一致。
(2)由于地震監(jiān)測儀器的布設(shè)沒有覆蓋地震發(fā)生區(qū)域,導(dǎo)致獲得的地震異常信號不能系統(tǒng)完整地進(jìn)行普適性分析。
(3)如果再考慮震源深度等因素,將會更加復(fù)雜,導(dǎo)致更多的不一致性。
為了解決上述問題,消除地質(zhì)結(jié)構(gòu)對監(jiān)測信號的影響,需要加大地震監(jiān)測儀器的布設(shè)密度,建立完善的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),捕捉完整的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[5]。為此,提出了一種可以密集布設(shè)、成本低、易于安裝,無需人員看護(hù),可無線/有線傳輸數(shù)據(jù),可長期放置地下的多分量地震監(jiān)測系統(tǒng)。
北京大學(xué)深圳研究生院集成微系統(tǒng)實驗室研制的多分量地震監(jiān)測系統(tǒng)AETA由地聲傳感探頭[6-7]、電磁傳感探頭、數(shù)據(jù)處理終端以及云平臺數(shù)據(jù)存儲和分析系統(tǒng)組成,如圖1所示。
圖1 多分量地震監(jiān)測系統(tǒng)AETA
地聲傳感探頭和電磁傳感探頭由傳感器、傳感器信號調(diào)理模塊、采集電路和傳輸電路組成,采用無磁不銹鋼的結(jié)構(gòu)設(shè)計,埋設(shè)于地下2米或者山洞內(nèi),數(shù)據(jù)處理終端放置在室內(nèi)。通過有線或者無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺進(jìn)行存儲、分析、顯示等[8]。數(shù)據(jù)處理終端支持雙探頭連接,支持?jǐn)?shù)據(jù)本地處理和存儲,支持遠(yuǎn)程運(yùn)維和訪問。通過對地震頻發(fā)區(qū)域密集布設(shè)該系統(tǒng),實時對該地區(qū)的多種前兆信號在地震孕育的過程中的變化以及震前的突變進(jìn)行監(jiān)控,對地震孕育機(jī)制研究和地震預(yù)報有著重要的意義[9]。
多分量地震監(jiān)測系統(tǒng)AETA的指標(biāo)定義如下:
(1)地聲傳感探頭:監(jiān)測頻段0.1 Hz~50 kHz,從次聲波、聲波到部分超聲波波段,靈敏度為3LSB/pa@0.1 Hz~50 kHz,18位分辨率,采樣率為低頻500 Hz,全頻150 kHz。
(2)電磁傳感探頭:監(jiān)測0.1 Hz~10 kHz,0.1~1 000 nT較寬動態(tài)范圍的甚低頻、超低頻電磁波段,靈敏度為>20mV/nT@0.1 Hz~10 kHz,16位分辨率,采樣率為低頻500 Hz,全頻30 kHz。
該系統(tǒng)已經(jīng)在云南、四川、西藏、河北、北京、廣東布設(shè)50多套,進(jìn)行現(xiàn)場試驗研究。
地聲傳感探頭采集信號的頻率范圍為0.1 Hz~50 kHz,采樣率為150 kHz,采樣精度為16 bits的數(shù)字信號。1分鐘數(shù)據(jù)量是17.58 MB,1個小時數(shù)據(jù)量為1.03 GB,1天數(shù)據(jù)量為24.72 GB,1個月數(shù)據(jù)量(全文1個月均按照30天計算)為741.586 GB,那么1年的數(shù)據(jù)量(全文1年均按照365天計算)就是9 022.5 GB。要完整地保持全部原始信號,需要的帶寬和存儲資源近10 TB。
電磁傳感探頭采集信號的頻率范圍為0.1 Hz~10 kHz,采樣率為30 kHz,數(shù)據(jù)輸出為16 bits的數(shù)字信號。1分鐘數(shù)據(jù)量是3.43 MB,1個小時數(shù)據(jù)量是0.201 GB,1天數(shù)據(jù)量是4.83 GB,1個月數(shù)據(jù)量是144.84 GB,那么1年的數(shù)據(jù)量就是1 762.21 GB。要完整地保持全部原始信號,需要的帶寬和存儲資源近2 TB。
如果保存地聲傳感探頭和電磁傳感探頭一年的所有原始數(shù)據(jù),需要的帶寬和存儲資源約12 TB,這給帶寬、存儲資源帶來了巨大的負(fù)擔(dān),同時也極大地增加了成本。如何降低數(shù)據(jù)的傳輸和存儲要求,而又不影響數(shù)據(jù)觀測和分析,是必須權(quán)衡的問題。
經(jīng)過現(xiàn)場試驗獲得的地聲和電磁原始數(shù)據(jù),對比發(fā)現(xiàn)地聲數(shù)據(jù)和電磁數(shù)據(jù)均值的變化反映了地聲和電磁信號的變化均是一個分鐘級的變量,如圖2所示。
圖2 電磁和地聲信號的均值波形圖
因此,對于地聲和電磁全頻和低頻原始數(shù)據(jù)按照10分鐘進(jìn)行一次時間窗口范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)截取,全頻原始數(shù)據(jù)每10分鐘抽樣1秒鐘的連續(xù)數(shù)據(jù)發(fā)送至云服務(wù)器,則每小時電磁和地聲全頻原始數(shù)據(jù)量為351.56 KB和1.72 MB,至此需要保存和發(fā)送的電磁和地聲全頻數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量將變成約17.65 GB/年,大大減輕了帶寬和存儲的壓力。
來自探頭的原始數(shù)據(jù)為覆蓋監(jiān)測頻段的全頻數(shù)據(jù),為了關(guān)注低頻段數(shù)據(jù)的變化情況,對全頻原始數(shù)據(jù)進(jìn)行低頻濾波獲得小于200 Hz的低頻數(shù)據(jù),采樣率為500 Hz。時間窗口采用每10分鐘取連續(xù)1分鐘的全頻原始數(shù)據(jù)進(jìn)行低頻濾波,然后發(fā)送至云服務(wù)器。低頻原始數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量統(tǒng)計如下:
每10分鐘的數(shù)據(jù)量為58.59 KB,每小時數(shù)據(jù)量為351.56 KB,每天的數(shù)據(jù)量為8.24 MB,每月的數(shù)據(jù)量為247.2 MB,每年的數(shù)據(jù)量為2.94 GB。由于電磁和地聲探頭的低頻數(shù)據(jù)的采樣率均為500 Hz,所以數(shù)據(jù)處理終端需要發(fā)送至云服務(wù)器的低頻數(shù)據(jù)的總量是5.88 GB/年。
針對全頻電磁數(shù)據(jù)、全頻地聲數(shù)據(jù)均存在連續(xù)型、脈沖型,甚至階躍型的波動[10-12],為了便于分析人員進(jìn)行更加直觀的異常分析工作,進(jìn)一步對數(shù)據(jù)進(jìn)行特征值提取。特征值包括均值、振鈴計數(shù)和峰值頻率提取(主頻率成分提取)。均值可標(biāo)示信號能量值,振鈴計數(shù)可探測相對背景值的突發(fā)事件發(fā)生,峰值頻率提取可體現(xiàn)信號在頻域的變化。
由于特征值的數(shù)據(jù)量和運(yùn)算量不大,對于計算資源、帶寬以及存儲的需求較小,所以對于特征值的提取既可以在數(shù)據(jù)處理終端上實現(xiàn),也可以在云服務(wù)器上進(jìn)行。在項目初期,采用數(shù)據(jù)處理終端對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行特征值提取的方式,然后再將特征值和原始數(shù)據(jù)一起發(fā)送到云服務(wù)器。在后續(xù)的數(shù)據(jù)觀測和分析過程中,發(fā)現(xiàn)各個臺站的信號背景值不一,在特征值提取時閾值設(shè)定不能采用統(tǒng)一的值。所以為了兼顧特征值提取的個性化實現(xiàn),后續(xù)軟件版本均采用數(shù)據(jù)處理終端上傳原始數(shù)據(jù)到云服務(wù)器,云服務(wù)器對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行特征值的提取。
多分量地震監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流如圖3所示。數(shù)據(jù)處理終端一方面將來自傳感探頭采集的原始數(shù)據(jù)按照時間窗口進(jìn)行連續(xù)濾波獲得低頻數(shù)據(jù),并上傳到云服務(wù)器;另一方面按時間窗口截取一段原始數(shù)據(jù)作為全頻數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器;云服務(wù)器將原始數(shù)據(jù)保存的同時,分別計算低頻數(shù)據(jù)和全頻原始數(shù)據(jù)的特征值,然后保存至數(shù)據(jù)庫。下面扼要說明每一個環(huán)節(jié)的實現(xiàn)過程。
圖3 AETA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流圖
傳感探頭與數(shù)據(jù)處理終端均按照TCP/IP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)和命令[13-14],數(shù)據(jù)按照圖4所示的格式進(jìn)行傳輸。其中Precode代表2個字節(jié)的前導(dǎo)碼0xffff,數(shù)據(jù)包的包頭Head包括2個字節(jié)探頭ID號,1個字節(jié)數(shù)據(jù)包序列號SeqNo,MSG_Type代表數(shù)據(jù)的類型,MSG_Len代表數(shù)據(jù)的長度,SumCheck代表對頭部數(shù)據(jù)進(jìn)行和校驗值,MSG代表數(shù)據(jù),CRC16_Check代表對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算產(chǎn)生的16位循環(huán)冗余校驗碼。
數(shù)據(jù)處理終端首先對來自探頭的數(shù)據(jù)進(jìn)行解包分析,根據(jù)圖4的數(shù)據(jù)格式解包,獲得最原始的數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)處理終端第二步則是對來自探頭的全頻數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波[15],獲得0.1~200 Hz的低頻數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)的采樣率為500 Hz,數(shù)據(jù)精度仍然為16位。低通濾波器的設(shè)計采用兩級濾波,對于地聲信號,第一級濾波首先將150 kHz采樣的信號進(jìn)行3 kHz的低通濾波,然后降采樣至10 kHz,第二級濾波將10 kHz的采樣信號進(jìn)行200 Hz的低通濾波,然后降采樣至500 Hz;同理電磁輻射信號,第一級濾波首先將30 kHz的采樣信號進(jìn)行1 kHz的低通濾波,然后降采樣至3 kHz,第二級濾波首先將3 kHz的采樣信號進(jìn)行200 Hz的低通濾波,然后降采樣至500 Hz。
圖4 傳感探頭與數(shù)據(jù)處理終端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的數(shù)據(jù)格式
具體如表1所示。
表1 濾波參數(shù)
通過借助Matlab信號處理工具箱里專用的濾波器設(shè)計分析工具FDAtool來產(chǎn)生設(shè)計濾波器并獲得窗系數(shù),具體步驟如下:
(1)在命令窗口鍵入FDAtool命令,啟動濾波器設(shè)計分析器,調(diào)出FDAtool界面;
(2)在Filter Type選項中選Lowpass,在Design Method中選擇FIR濾波器,接著在FIR中選擇Window(窗函數(shù))法;
(3)在Filter Order中選擇Specify Order(指定階數(shù)),輸入數(shù)值為64;在Opitions框中選中“Scale Passband”;在窗類型(Window)下拉框選擇“Taylor”;
(4)在Frenquency Specification選項中,在fs(采樣頻率)、fc(通帶截止頻率)中分別鍵入相應(yīng)的頻率值。
根據(jù)上述步驟得出窗系數(shù),然后基于C++語言在Linux系統(tǒng)下實現(xiàn)濾波算法,并將算法實現(xiàn)封裝成通用的類[16-17]。
考慮到不同地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)條件不同,部分地區(qū)的傳輸方式需采用無線傳輸。該方式受到流量成本的限制,所以根據(jù)各地運(yùn)營商的流量資費(fèi)情況,以2 GB/月的套餐作為基本標(biāo)準(zhǔn)?;诘诙?jié)的分析,原始數(shù)據(jù)的發(fā)送和保存采用了時間窗口抽取片段連續(xù)數(shù)據(jù)的方法,每個月數(shù)據(jù)處理終端發(fā)送至云服務(wù)器的總數(shù)據(jù)量為1.96 GB,低于流量套餐標(biāo)準(zhǔn)。因此,對于全頻原始數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)處理終端每10分鐘上傳1秒鐘的數(shù)據(jù)到云服務(wù)器,低頻原始數(shù)據(jù)則按照每10分鐘取1分鐘的低頻數(shù)據(jù),然后上傳至云服務(wù)器。
數(shù)據(jù)處理終端在網(wǎng)絡(luò)通暢時,截取后的全頻和低頻原始數(shù)據(jù)將按照數(shù)據(jù)處理終端與云服務(wù)器的通信協(xié)議將數(shù)據(jù)打包發(fā)送至云端,數(shù)據(jù)格式如表2所示。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中斷時,需要將數(shù)據(jù)保存在本地,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)則會將本地存儲中的數(shù)據(jù)補(bǔ)傳至服務(wù)器,這里采用sd卡來存儲網(wǎng)絡(luò)異常期間的數(shù)據(jù)。
表2 終端與服務(wù)器通信的數(shù)據(jù)格式
幀頭消息幀尾前導(dǎo)碼長度版本幀類型幀號終端號幀頭校驗類型消息內(nèi)容幀校驗
包由幀頭、消息以及幀尾組成。幀頭主要是該包的描述信息,其中前導(dǎo)碼為兩個字節(jié)的0xffff,長度代表的是整個包的字節(jié)長度,占4個字節(jié),版本是該數(shù)據(jù)格式的版本,占一個字節(jié),幀類型包括request幀、response幀、post幀以及ack幀,終端號是數(shù)據(jù)處理終端的ID;消息由消息類型和消息內(nèi)容組成,消息類型包括登錄認(rèn)證消息、時間同步消息、數(shù)據(jù)上傳消息等多種類型,消息內(nèi)容就是向服務(wù)器發(fā)送的詳細(xì)內(nèi)容;幀尾主要是給消息做16位循環(huán)冗余校驗的校驗碼,保證消息傳輸?shù)恼_性。
云端數(shù)據(jù)的處理包括均值、振鈴計數(shù)和峰值頻率的提取,具體算法為:
(1)全頻數(shù)據(jù)的均值計算是取10分鐘周期內(nèi)的1秒鐘的數(shù)據(jù)對應(yīng)的絕對值求平均,而低頻數(shù)據(jù)則是取10分鐘周期內(nèi)1分鐘內(nèi)的數(shù)據(jù)對應(yīng)的絕對值求平均,主要是反映信號振幅的強(qiáng)弱;
(2)振鈴計數(shù)的計算是先設(shè)定一個閾值,然后再逐個數(shù)據(jù)點(diǎn)遍歷,當(dāng)相鄰兩個數(shù)據(jù)點(diǎn)滿足前一個數(shù)據(jù)小于閾值后一個數(shù)據(jù)大于閾值,則振鈴計數(shù)就加1,振鈴計數(shù)反映了相對背景值的突發(fā)事件的發(fā)生;
(3)峰值頻率的提取首先利用蝶形算法對信號作快速傅里葉變換[18],得到信號的頻譜,再通過比較得出最大值,此處最大值的位置P即為頻譜峰值頻率點(diǎn);再根據(jù)f=1/N*Fs*P(N為快速傅里葉變換點(diǎn)數(shù),F(xiàn)s為采樣頻率),可得出頻譜峰值頻率的實際值,而P所對應(yīng)的幅值即為頻譜峰值幅值。這里全頻和低頻信號都采用8 192個點(diǎn)做FFT,所以頻譜的分辨率為Fs/N,即全頻信號為150 kHz/4 096=36.62 Hz,低頻信號的頻譜分辨率為500 Hz/4 096=0.12 Hz。
為了驗證該系統(tǒng)數(shù)據(jù)流的傳輸以及數(shù)據(jù)處理的正確性,搭建測試平臺。其中模擬探頭利用Visual C++基于MFC框架編寫的模擬產(chǎn)生對應(yīng)采樣率下某個頻率的寬頻帶的正弦波數(shù)據(jù)的軟件[19]。通過在模擬探頭中設(shè)置對應(yīng)的探頭ID號、傳感器編號、信號頻率、信號的最大值和最小值、一個數(shù)據(jù)包的點(diǎn)數(shù)以及發(fā)送的時間間隔,產(chǎn)生近似實際傳感器監(jiān)測頻段范圍的信號,通過設(shè)置的參數(shù)理論上計算的結(jié)果和經(jīng)過整個測試通路寫入數(shù)據(jù)庫的結(jié)果進(jìn)行比較來判斷該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)恼_性。測試覆蓋了地聲和電磁原始數(shù)據(jù)的所有頻段,不同的幅值范圍,確保實現(xiàn)的正確性。表3給出了模擬電磁信號幾組測試數(shù)據(jù)以及測試結(jié)果。
表3 部分測試結(jié)果
通過表3可以看出,由于分辨率的影響,在誤差允許的范圍內(nèi),實際結(jié)果與理論結(jié)果相符,證明數(shù)據(jù)處理終端和服務(wù)器數(shù)據(jù)處理的正確性。
遠(yuǎn)程監(jiān)控和維護(hù)是通過服務(wù)器和數(shù)據(jù)處理終端的交互來完成的[20]。數(shù)據(jù)處理終端除了對探頭的數(shù)據(jù)做相應(yīng)的處理之外,還對探頭的運(yùn)行狀態(tài)、終端的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,并且支持遠(yuǎn)程的系統(tǒng)維護(hù)。具體包括:
(1)傳感探頭應(yīng)用程序和終端應(yīng)用程序的版本升級。版本升級是系統(tǒng)運(yùn)行過程中必不可少的,所以一個可靠的系統(tǒng)必須要能夠支持遠(yuǎn)程的版本升級,AETA系統(tǒng)的升級主要涉及探頭應(yīng)用程序的升級、數(shù)據(jù)處理終端應(yīng)用程序的升級以及服務(wù)器應(yīng)用程序的升級,由于服務(wù)器的升級在云端可以直接進(jìn)行,在這里就不加以介紹。在數(shù)據(jù)處理終端運(yùn)行了在線升級程序,該程序通過ftp協(xié)議從服務(wù)器下載應(yīng)用程序文件到指定目錄下,通過升級程序可以下載任何需要升級的應(yīng)用程序文件到運(yùn)行目錄。同理探頭中也同樣運(yùn)行了在線升級程序,通過ftp協(xié)議從數(shù)據(jù)處理終端下載探頭應(yīng)用程序。由于通過ftp協(xié)議可以下載需要的任何文件,運(yùn)維人員不僅可以升級應(yīng)用程序同樣可以升級應(yīng)用程序相應(yīng)的配置文件[21]。如果只是對軟件的局部功能進(jìn)行改進(jìn)或者對存在的漏洞和缺陷進(jìn)行修改,可以使用高質(zhì)量的軟件補(bǔ)丁,而不是對整個程序代碼進(jìn)行修改然后編譯生成二進(jìn)制文件對舊文件進(jìn)行覆蓋,重新啟動運(yùn)行[22]。
(2)傳感探頭和數(shù)據(jù)處理終端的遠(yuǎn)程重啟。通過服務(wù)器往終端發(fā)送命令,實現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程重啟。數(shù)據(jù)處理終端在與云服務(wù)器連接之后會每隔固定的時間向服務(wù)器查詢是否有需要執(zhí)行的命令,如果運(yùn)維人員想重啟數(shù)據(jù)處理終端,只要在數(shù)據(jù)庫中填寫相應(yīng)的重啟命令然后加載到服務(wù)器上,數(shù)據(jù)處理終端就會獲得此條需要執(zhí)行的命令并執(zhí)行。同理如果需要給某個探頭重啟,數(shù)據(jù)處理終端得到待執(zhí)行的命令后會發(fā)送給指定的探頭,探頭再去解析該命令并完成該命令執(zhí)行。
(3)傳感探頭在線情況監(jiān)控。相對于探頭來說,數(shù)據(jù)處理終端是一個并發(fā)的服務(wù)器,每當(dāng)有探頭連接到終端,終端就會產(chǎn)生一條該探頭的連接日志并立刻將日志發(fā)送到云服務(wù)器,云服務(wù)器會實時將接收到的日志信息保存至數(shù)據(jù)庫。同時探頭連接到終端后會向終端發(fā)送自己的狀態(tài)信息,終端會將該狀態(tài)信息結(jié)合終端采樣的探頭工作電壓和電流進(jìn)行整理然后發(fā)送到服務(wù)器,通過服務(wù)器就可以實時查看該探頭的運(yùn)行狀態(tài)。同理如果某個探頭因為某種原因跟終端斷開了連接,終端會上報一條該探頭掉線的日志信息,終端就不會再向服務(wù)器上傳該探頭的狀態(tài)信息。通過日志和探頭狀態(tài)運(yùn)維人員可以及時得知探頭是否運(yùn)行正常。
(4)同理,通過狀態(tài)和日志機(jī)制,終端也可以實時向服務(wù)器上傳自己的工作電壓電流等運(yùn)行狀態(tài)信息以及運(yùn)行過程中產(chǎn)生的重要運(yùn)行日志。由于狀態(tài)、日志以及命令機(jī)制是可擴(kuò)展的,因此運(yùn)維人員可以在服務(wù)器上查看到足夠的系統(tǒng)信息,有助于運(yùn)維人員對故障的提前預(yù)防以及出現(xiàn)故障后及時查找原因。有了以上機(jī)制,運(yùn)維人員可以對AETA系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程的監(jiān)控和維護(hù)。
為了讓系統(tǒng)的監(jiān)控和維護(hù)更加便捷化、信息化,平臺化,保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,正著手建設(shè)運(yùn)維管理系統(tǒng)[23]。
介紹了多分量地震監(jiān)測系統(tǒng)AETA的數(shù)據(jù)處理設(shè)計與實現(xiàn),綜合考慮傳輸帶寬、存儲空間的限制,以及遠(yuǎn)程監(jiān)控和運(yùn)維。在國家地震局的領(lǐng)導(dǎo)下,該系統(tǒng)已經(jīng)在云南、四川、西藏、河北、北京、廣東布設(shè)50多套,進(jìn)行現(xiàn)場試驗研究,目前運(yùn)行良好并且已經(jīng)積累了一定的數(shù)據(jù),正在與地震相關(guān)專家一起進(jìn)行數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析工作。
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