裴 曉 林航毅

（上海市地震局，上海 200062）

引言

地震流動(dòng)觀測臺(tái)的架設(shè)，可以擴(kuò)展地震監(jiān)測的空間領(lǐng)域，不再局限于已建有的測震、前兆和強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)的臺(tái)站。為了收集更多的震例，需要將流動(dòng)臺(tái)架設(shè)到野外的多震地帶，以期得到寶貴的流動(dòng)臺(tái)資料。譬如將前兆設(shè)備地電儀架設(shè)在有前兆異常的地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，可獲得寶貴的震前數(shù)據(jù)，用采集回來的數(shù)據(jù)做分析，積累更多的前兆分析經(jīng)驗(yàn)。

流動(dòng)臺(tái)架設(shè)在野外，能否保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)顯得至關(guān)重要。經(jīng)調(diào)查，觀測人員發(fā)現(xiàn)流動(dòng)臺(tái)曾有多次、多種類型的不穩(wěn)定運(yùn)行情況：①前兆流動(dòng)臺(tái)架設(shè)的電磁擾動(dòng)設(shè)備因電壓供電不穩(wěn)定，燒壞了設(shè)備的變壓器，原計(jì)劃采集一周的數(shù)據(jù)，只收集到半天的數(shù)據(jù)。②前兆流動(dòng)臺(tái)僅采用蓄電池供電，續(xù)航能力有限，導(dǎo)致當(dāng)臺(tái)站架設(shè)好、觀測人員離開后，無法遠(yuǎn)程得知供電情況和數(shù)據(jù)采集是否連續(xù)、完整。③前兆流動(dòng)設(shè)備架設(shè)在野外時(shí)，一般依靠鉛酸蓄電池供電，鉛酸蓄電池體積大、分量重、攜帶不便，使得流動(dòng)觀測變成了苦力活，阻礙了流動(dòng)觀測的鋪設(shè)。

針對(duì)上述情況，本文介紹了一套針對(duì)流動(dòng)臺(tái)觀測的智能伺服系統(tǒng)，能夠?yàn)榱鲃?dòng)臺(tái)提供能源、傳輸和監(jiān)控等服務(wù)，確保流動(dòng)臺(tái)在野外順利的運(yùn)行及鋪展。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要功能

本文介紹的針對(duì)流動(dòng)臺(tái)觀測的智能伺服系統(tǒng)，能夠?yàn)榱鲃?dòng)臺(tái)提供能源、傳輸和監(jiān)控服務(wù)，確保流動(dòng)臺(tái)設(shè)備在野外的順利運(yùn)行。圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)采用便攜式太陽能板和鋰電池組合作為能源供給，具備體積小、分量輕、便于攜帶的優(yōu)勢；系統(tǒng)將流動(dòng)臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸端口與無線傳輸設(shè)備的端口對(duì)接匹配，通過成熟、穩(wěn)定的無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流實(shí)時(shí)傳輸；系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)控流動(dòng)觀測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)回狀態(tài)信息，以供觀測人員遠(yuǎn)程采取相應(yīng)措施，為流動(dòng)臺(tái)設(shè)備保駕護(hù)航。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 1 System structure

1.1 供電系統(tǒng)

系統(tǒng)采用便攜式太陽能板和鋰電池組合作為能源供給，這種組合具有體積小、分量輕、便于攜帶等特性，適用于流動(dòng)觀測臺(tái)。

太陽能供電系統(tǒng)由太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)換成電能。太陽能板因材質(zhì)可以分為單晶硅、多晶硅和其他材質(zhì)。單晶硅的光電轉(zhuǎn)換效率最高，最高可達(dá)到25%左右[1]。本系統(tǒng)采用高轉(zhuǎn)換效率的單晶硅太陽能板。

鋰電池材質(zhì)有多種，本系統(tǒng)選用了磷酸鐵鋰電池。該電池具有比能量高，能量密度高，單體電壓高（可以減少串并聯(lián)帶來的問題，提高輸出能量和輸出功率），充放電功率大（在最短的時(shí)間內(nèi)充電，同時(shí)具有良好的大電流負(fù)載性能），自放電率低，循環(huán)壽命長，且無重金屬污染等眾多優(yōu)勢特性。

供電系統(tǒng)為地震觀測設(shè)備、傳輸設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)等設(shè)備提供穩(wěn)定的12 V或者5 V的直流電。按照地電場流動(dòng)臺(tái)觀測的實(shí)際功耗進(jìn)行了供電能力匹配，采用便攜式單晶硅太陽能板（120 W）和磷酸鐵鋰電池（80 Ah、1 200 W）。同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)預(yù)留了太陽能板和鋰電池的擴(kuò)容接口，可按照流動(dòng)觀測實(shí)際需求進(jìn)行供電能力升級(jí)。

1.2 傳輸系統(tǒng)

本系統(tǒng)選取“全網(wǎng)通”通訊設(shè)備，可因地制宜地選擇通訊運(yùn)營商，以便高質(zhì)量傳輸數(shù)據(jù)。同時(shí)采用動(dòng)態(tài)域名解析方案實(shí)現(xiàn)了IP方式中單點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信，不受限于行業(yè)網(wǎng)，觀測人員可隨時(shí)隨地通過電腦或者智能手機(jī)的瀏覽器對(duì)地震儀器進(jìn)行網(wǎng)頁訪問，并下載數(shù)據(jù)（圖2和圖3）。

圖2 遠(yuǎn)程電腦連接流動(dòng)臺(tái)設(shè)備界面Fig. 2 Interface of computer connected remotely to mobile stations

圖3 手機(jī)連接流動(dòng)臺(tái)設(shè)備界面Fig. 3 Interface of mobile phone connected remotely to mobile stations

1.3 監(jiān)控系統(tǒng)

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)基于無線4G/5G全網(wǎng)通技術(shù)，具有電壓監(jiān)控等更多的功能接口，如測量工作環(huán)境溫度、工作環(huán)境圖像攝取、告警臺(tái)站異常狀態(tài)、繼電器動(dòng)作、遠(yuǎn)程重啟設(shè)備等[2]。

（1）數(shù)據(jù)采集模塊。具有數(shù)據(jù)測量和圖像攝取功能，可以同時(shí)測量8道AD數(shù)據(jù)或圖像數(shù)據(jù)，包括工作環(huán)境的溫度、直流電壓值數(shù)據(jù)；系統(tǒng)的拍照端口可根據(jù)觀測人員的手機(jī)短信命令，將攝取的圖片反饋至觀測人員[3]。

（2）告警模塊。由3個(gè)功能分模塊組成：①電壓閾值報(bào)警模塊，當(dāng)實(shí)時(shí)監(jiān)測的電壓超出閾值時(shí)，主動(dòng)發(fā)送告警短信。②溫度報(bào)警模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)測的室溫、儀器溫度超出設(shè)置的閾值時(shí)，進(jìn)行溫度告警。③系統(tǒng)還預(yù)留了紅外偵測告警模塊接口。

（3）控制模塊。觀測人員可以通過發(fā)送短信的方式遠(yuǎn)程控制電源的硬件開關(guān)，也可以通過設(shè)置電壓等測量的閾值，讓繼電器自動(dòng)開啟切換。

圖4和圖5為電腦和觀測人員手機(jī)的操作界面，遠(yuǎn)程可以通過客戶端進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的測量、監(jiān)測，并聯(lián)合繼電器進(jìn)行繼電器的開關(guān)操作。在此例中，觀測人員通過監(jiān)控裝置設(shè)置了以1 800 s的周期定時(shí)測量系統(tǒng)的各類電壓數(shù)據(jù)（太陽能板輸出電壓、蓄電池電壓、傳輸系統(tǒng)電壓），并開啟了告警功能。當(dāng)電壓值超過或者低于設(shè)置的閾值，裝置將給觀測人員發(fā)送告警信息。

圖4 監(jiān)控中心遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)操作界面Fig. 4 Operating interface of remote management system of monitoring center

圖5 手機(jī)短信操作界面Fig. 5 Operating interface of mobile phone SMS

監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)傳輸系統(tǒng)和流動(dòng)觀測儀具有遠(yuǎn)程重啟功能。當(dāng)發(fā)生設(shè)備死機(jī)、堵包等情況時(shí)，可通過監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程管理的操作界面或者手機(jī)短信，對(duì)相應(yīng)的設(shè)備單獨(dú)重啟、恢復(fù)。該監(jiān)控系統(tǒng)也對(duì)運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障等異常情況，并迅速進(jìn)行預(yù)判，可大幅度提升流動(dòng)觀測臺(tái)的運(yùn)行質(zhì)量。

2 系統(tǒng)運(yùn)行

目前，上海前兆流動(dòng)臺(tái)經(jīng)常將地電場儀架設(shè)在野外，以收集震前、震后的地電場信號(hào)，采集的數(shù)據(jù)成功地為科研工作提供了寶貴的資料，將研制的系統(tǒng)與地電場儀做好供電、接口匹配，不僅滿足供電的需求，也擴(kuò)展了傳輸和監(jiān)控的功能。

整個(gè)裝置安放在上海市閔行水中心頂樓，太陽能板做了擴(kuò)充，共240 W。磷酸鐵鋰電池規(guī)格為80 Ah—1 200 W，通訊和監(jiān)控部分安裝在箱體中。箱體有散熱和防水功能，滿足野外工作的要求。流動(dòng)臺(tái)設(shè)備選用地電場儀ZD9A，供電輸入端為12 V。

系統(tǒng)搭建后，觀測人員可通過監(jiān)控模塊對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，定時(shí)測量電壓。圖6為野外試運(yùn)行測得的數(shù)據(jù)，各端口的電壓和工作環(huán)境溫度數(shù)據(jù)以不同顏色顯示。

從圖6可以看出，裝置內(nèi)部溫度隨日夜變化顯著，同時(shí)裝置的散熱孔可避免長期處于高溫工作。

圖6 系統(tǒng)運(yùn)行情況Fig. 6 System operation

鋰電池不僅可儲(chǔ)備太陽能能源，同時(shí)也給設(shè)備供電。鋰電池作為系統(tǒng)中最關(guān)鍵的考量指標(biāo)，可直接反應(yīng)系統(tǒng)的續(xù)航能力。為了直觀體現(xiàn)鋰電池的工作能力，我們將鋰電池的電壓值放大并顯示在如圖7中，鋰電池電壓在這段時(shí)間內(nèi)最低為12.832 V，即使在夜間也能正常供電，說明了鋰電池可以為設(shè)備提供長期、穩(wěn)定的供電。

圖7 鋰電池運(yùn)行情況Fig. 7 Lithium battery operation

通過對(duì)通訊設(shè)備online的電壓值實(shí)時(shí)測量，可判斷通訊設(shè)備是否正常工作。當(dāng)online模塊電壓值為0 V時(shí)，通訊設(shè)備未接入供電；當(dāng)online模塊電壓值為3.4 V左右時(shí)，說明處于搜尋網(wǎng)絡(luò)階段，未正常工作；當(dāng)online模塊電壓值為2.6—2.7 V時(shí)，通訊設(shè)備處于正常工作。圖8為運(yùn)行期監(jiān)控的online電壓值，3月18日20:42:47發(fā)生了1次斷網(wǎng)，其余時(shí)間通訊設(shè)備工作穩(wěn)定。

圖8 通訊系統(tǒng)運(yùn)行情況Fig. 8 Communication system operation

從該系統(tǒng)的運(yùn)行情況來看，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠?yàn)橐巴饬鲃?dòng)觀測提供穩(wěn)定的供電、傳輸和監(jiān)控，可滿足野外觀測的需求。

3 結(jié)束語

針對(duì)流動(dòng)臺(tái)中能源供給難的特征，采用了便攜式太陽能板和磷酸鐵鋰電池，并利用相關(guān)領(lǐng)域的前沿技術(shù)研制出的流動(dòng)臺(tái)伺服系統(tǒng)，解決了流動(dòng)觀測的供電、監(jiān)控難題，成功實(shí)現(xiàn)了“一提就走，打開即用”的目標(biāo)，降低了流動(dòng)臺(tái)的架設(shè)難度。

將該系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用與監(jiān)測預(yù)報(bào)結(jié)合起來，能為流動(dòng)臺(tái)獲取寶貴數(shù)據(jù)提供必要的外圍技術(shù)支撐，將架設(shè)流動(dòng)臺(tái)由難變易，掙脫了人力、傳輸?shù)氖`，不受地理、空間的局限。該系統(tǒng)不僅能為環(huán)境惡劣的流動(dòng)臺(tái)提供伺服功能，還能為條件較好的已建成的臺(tái)站提供技術(shù)服務(wù)，可以將技術(shù)服務(wù)延伸至臺(tái)網(wǎng)所有臺(tái)站，以便提升地震監(jiān)測的能力。