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 61500）

地球物理觀測儀器是地震監(jiān)測預(yù)報(bào)的重要保障，其質(zhì)量直接決定了數(shù)據(jù)產(chǎn)出的準(zhǔn)確性（劉高川等，2021）。經(jīng)過多年發(fā)展，針對地球物理觀測儀器故障的研究也是多樣的，如曲利等（2012）通過對山東省“十五”地球物理觀測儀器的整體運(yùn)行概況進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)故障原因，并提出解決方案；陳?？〉龋?013）通過統(tǒng)計(jì)分析山西省地球物理觀測儀器運(yùn)行以來發(fā)生的故障及其維護(hù)情況，對故障現(xiàn)象、原因查找過程和采取的應(yīng)對措施進(jìn)行總結(jié)，找出儀器設(shè)備運(yùn)行維護(hù)的共性問題；李延峰等（2016）對青海省地震局地球物理觀測儀器的整體運(yùn)行情況進(jìn)行了概述，對2010—2014 年期間前兆儀器出現(xiàn)的各種故障進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)、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，為排除儀器運(yùn)行存在的隱患、保證前兆設(shè)備正常運(yùn)行提出了解決方案；趙希磊等（2017）研究了安徽前兆臺(tái)網(wǎng)運(yùn)行情況，對儀器典型故障進(jìn)行了分析，總結(jié)了通信故障、供電故障、儀器自身故障和環(huán)境因素等內(nèi)容；周洋等（2020）根據(jù)多年工作經(jīng)驗(yàn)，分析總結(jié)了幾種地下流體觀測儀器運(yùn)行故障類型，并提出了對應(yīng)的解決辦法。通過以上研究可以看出，地球物理觀測儀器在使用過程中存在類型繁雜、故障多樣等問題，這些問題會(huì)影響地震監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。特別是在交通不便且地球物理臺(tái)站分布較遠(yuǎn)的涼山地區(qū)，一旦發(fā)生故障，將會(huì)嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性。因此，對涼山地區(qū)運(yùn)行的地球物理觀測儀器的故障原因和影響因素進(jìn)行分析具有重要意義，這有助于降低故障發(fā)生概率和縮短故障維修時(shí)間，從而保證地震監(jiān)測精度并提高地震預(yù)測能力。本文旨在探討地球物理觀測儀器故障相關(guān)問題，首先詳細(xì)分析了其故障原因，然后進(jìn)一步探討了故障對地震監(jiān)測工作的影響，并提供了故障處理和預(yù)防措施，以期為進(jìn)一步提高地震監(jiān)測水平提供參考依據(jù)。

1 西昌地球物理站網(wǎng)概況

西昌地震監(jiān)測中心站所轄涼山地區(qū)屬青藏高原東南部的橫斷山系，境內(nèi)有安寧河斷裂、則木河斷裂、大涼山斷裂、昔格達(dá)斷裂等主要斷裂。涼山地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，決定了該區(qū)域地震活動(dòng)頻度高、強(qiáng)度大的背景。西昌地球物理站網(wǎng)經(jīng)歷了“模擬和人工”觀測、“數(shù)字化”和“網(wǎng)絡(luò)化”3 個(gè)階段的建設(shè)和優(yōu)化，最終建成由13 個(gè)臺(tái)站組成的站網(wǎng)。目前該站網(wǎng)共擁有42 套流體、形變和電磁3 個(gè)學(xué)科的地球物理觀測儀器，其中包括數(shù)字水位儀、水溫儀、地下水?dāng)?shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)、測氡儀、痕量汞氣體在線自動(dòng)分析儀、磁通門磁力儀、地電場儀、地電阻率儀、水管傾斜儀、銦瓦棒伸縮儀、相對重力儀和分量鉆孔應(yīng)變儀等。由于各觀測系統(tǒng)建成時(shí)間、技術(shù)體系均有所差異，并且臺(tái)站分布范圍廣，遍布西昌市、鹽源縣、木里縣、昭覺縣、冕寧縣等地，地球物理站網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)工作面臨一定的困難。近年來，隨著舊設(shè)備的升級更新和運(yùn)維措施的不斷完善，西昌地球物理站網(wǎng)的運(yùn)行率、數(shù)據(jù)完整率和有效率也穩(wěn)步提升，其中2018—2022 年的運(yùn)行率分別為98.70%、98.45%、99.17%、99.45%和99.60%。

2 故障類型分析

針對西昌地球物理站網(wǎng)在2018—2022 年各類儀器所出現(xiàn)的故障情況，按照故障類型進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)（表1），結(jié)果表明在所有地球物理觀測儀器故障中，供電故障占比最大，為36.2%，其次為主機(jī)故障，占比為35.2%，傳感器故障和通訊故障的比例則相對較低，占比均為14.3%。從故障次數(shù)的年度分布看，2018—2020 年地球物理觀測儀器的總故障次數(shù)較高，每年均在20 次以上，而在2021 年之后則明顯下降。這主要是因?yàn)閺?021 年開始全面改造了西昌站地球物理臺(tái)站的供電系統(tǒng)，提高了供電保障能力。此外，西昌站網(wǎng)還依托重點(diǎn)地區(qū)地球物理監(jiān)測儀器升級項(xiàng)目更換了部分年限較長且故障率較高的設(shè)備，整體運(yùn)行率得到了顯著提高。

2.1 供電系統(tǒng)故障

西昌地球物理站網(wǎng)的臺(tái)站主要采用交流市電接入U(xiǎn)PS 不間斷電源、太陽能、交流市電與太陽能雙重供電3 類供電方式。第一種供電方式包括UPS 不間斷電源和蓄電池組等部分。對于大部分儀器而言，當(dāng)市電中斷時(shí)，UPS 供電系統(tǒng)會(huì)將蓄電池的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，然后由儀器內(nèi)部的開關(guān)電源再次轉(zhuǎn)換回直流電，這種方式導(dǎo)致整體輸出效率較低。如果一個(gè)臺(tái)站內(nèi)所有觀測儀器都通過UPS 供電，一旦市電長時(shí)間中斷或需要更換蓄電池組，將導(dǎo)致該臺(tái)所有儀器停止工作，并影響數(shù)據(jù)質(zhì)量。第二種供電方式由太陽能電池板、蓄電池組和太陽能電源控制器組成。太陽能供電系統(tǒng)故障的主要原因包括：負(fù)載耗電量大于組件發(fā)電量從而導(dǎo)致電力供應(yīng)不足；太陽能電池板被建筑物或植被等遮擋而導(dǎo)致蓄電池虧電；控制器故障只放電未充電；蓄電池老化使得內(nèi)阻增大和容量下降，不足以支持系統(tǒng)供電等。第三種供電方式由太陽能電池板、蓄電池、智能管理電源等部分組成。智能管理電源是一種專為野外無人值守臺(tái)站直流電氣設(shè)備而設(shè)計(jì)的智能化設(shè)備。它可以支持交流和太陽能控制器同時(shí)接入，為負(fù)載設(shè)備提供持續(xù)穩(wěn)定的電力供應(yīng)。此外，該設(shè)備還配備電源監(jiān)控軟件，可通過有線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)讀取運(yùn)行數(shù)據(jù)、通斷負(fù)載、改變運(yùn)行模式、遠(yuǎn)程重啟儀器等功能。

供電系統(tǒng)是儀器正常工作的基本保障。根據(jù)西昌站2018—2022 年儀器故障情況統(tǒng)計(jì)（表1），約40%的故障都是由于供電問題引起的。西昌站地球物理監(jiān)測臺(tái)站均分布在偏遠(yuǎn)山區(qū)，在日常工作中，停電情況較為普遍。一旦出現(xiàn)長時(shí)間停電，將直接導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失。因此，設(shè)計(jì)一套穩(wěn)妥可靠的臺(tái)站供電系統(tǒng)對于確保地球物理觀測儀器的高效運(yùn)行至關(guān)重要。

2.2 通訊系統(tǒng)故障

西昌地球物理站網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信方式主要有2 種：MSTP 專線和無線網(wǎng)絡(luò)傳輸。（1）MSTP 專線主要用于西昌站地球物理觀測數(shù)據(jù)的匯集、共享、上報(bào)和日常辦公，MSTP 設(shè)備與核心交換機(jī)位于西昌站中心機(jī)房內(nèi)，配備UPS 供電系統(tǒng)，如遇長時(shí)間交流供電故障，采用柴油發(fā)電機(jī)輔助供電。MSTP 網(wǎng)絡(luò)故障，主要為電信光纖線路故障和光纖收發(fā)器故障。（2）無線網(wǎng)絡(luò)傳輸主要用于野外觀測臺(tái)站，其通信鏈路如圖1 所示。目前各移動(dòng)運(yùn)營商的4G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)已非常成熟，而且信號覆蓋范圍廣，利用4G 網(wǎng)絡(luò)工業(yè)無線路由器構(gòu)建的4G無線網(wǎng)絡(luò)通訊，可以很好地解決野外臺(tái)站的數(shù)據(jù)傳輸問題。4G 無線網(wǎng)絡(luò)通訊故障主要有：臺(tái)站無線路由器故障、數(shù)據(jù)卡故障、外置天線故障等。

圖1 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸線路圖

圖2 瀘沽湖地震臺(tái)GEF-2 型地電場儀故障波形

2.3 主機(jī)故障

主機(jī)故障主要表現(xiàn)為：數(shù)據(jù)采集和儲(chǔ)存出錯(cuò)，主機(jī)不能正常獲取或保存?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù)；主機(jī)的硬件（比如主板、CPU 等）故障，導(dǎo)致設(shè)備不能啟動(dòng)或運(yùn)行；軟件故障，主機(jī)的軟件程序有問題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)文件生成錯(cuò)誤。

2019 年8 月初，瀘沽湖地震臺(tái)的GEF-2 型地電場儀出現(xiàn)了故障，主機(jī)會(huì)不定期地缺少數(shù)據(jù)。經(jīng)過運(yùn)維人員的查看，儀器供電電源和程序運(yùn)行狀態(tài)均正常，判斷為主機(jī)存在硬件問題。在運(yùn)維人員現(xiàn)場拆機(jī)檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)主機(jī)ARM底板CR1220紐扣電池電壓已低于2.5 V。更換紐扣電池后，故障得到解決。2022年1月4日，昭覺臺(tái)ZKGD3000-M 型氣象三要素儀出現(xiàn)故障，導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理人員未能采集前一日的數(shù)據(jù)。運(yùn)維人員進(jìn)入了儀器網(wǎng)頁進(jìn)行查看，發(fā)現(xiàn)該儀器未產(chǎn)出前一日的數(shù)據(jù)文件，因此判斷為軟件故障。5 日14 時(shí)，運(yùn)維人員到現(xiàn)場將最新版軟件程序拷貝到儀器SD 卡中，并進(jìn)行安裝操作后，成功恢復(fù)到正常狀態(tài)。2022 年2 月12 日，鹽源臺(tái)同型號的氣象三要素儀出現(xiàn)了相同的故障，運(yùn)維人員進(jìn)行了現(xiàn)場的軟件升級安裝操作后，同樣解決了問題。由此判斷這可能并不是孤立的事件，而是該廠家儀器的通病。因此，運(yùn)維人員隨后對冕寧臺(tái)和西昌川32 井同廠家的氣象三要素儀以及地下流體監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行了軟件升級安裝操作，避免類似故障發(fā)生。

2.4 傳感器故障

地球物理觀測傳感器由探測元件、轉(zhuǎn)換元件、信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路等部分組成，具有靈敏度高和實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)。然而，傳感器故障也是普遍存在的，這些故障主要源自3 個(gè)方面：一是傳感器長期在惡劣環(huán)境下工作，導(dǎo)致元件老化、腐蝕等問題，觀測數(shù)據(jù)表現(xiàn)出突跳、階變或持續(xù)漂移等；二是傳感器與信號采集器之間的電纜故障，觀測數(shù)據(jù)顯示99999（如水溫儀、磁通門磁力儀等）；三是傳感器信號干擾，傳感器信號可能會(huì)受到其他電磁干擾或接地問題的影響而出現(xiàn)干擾，這可能會(huì)導(dǎo)致傳感器的信號變得不穩(wěn)定或者出現(xiàn)錯(cuò)誤的信號值。

2021 年9 月8—10 日，鹽源干海井的SZW-2 型水溫觀測曲線出現(xiàn)不連續(xù)的突跳和階躍現(xiàn)象（圖3）。運(yùn)維人員檢查了儀器供電系統(tǒng)和主機(jī)工作狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)均處于正常工作狀態(tài)。運(yùn)維人員初步判斷問題可能出在傳感器上面，進(jìn)一步確認(rèn)后在現(xiàn)場更換了傳感器，問題得到了迅速解決，觀測曲線恢復(fù)了正常。2018 年2 月27 日至3 月2 日，西昌川32 井地下流體綜合觀測儀的水位觀測曲線連續(xù)多日出現(xiàn)突跳情況（圖4），運(yùn)維人員檢查了儀器供電系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)不存在電壓不穩(wěn)定的情況，主機(jī)程序的運(yùn)行狀況正常，鑒于固體潮形態(tài)明顯，初步判斷存在傳感器受到干擾的可能性。經(jīng)現(xiàn)場排查，發(fā)現(xiàn)該水位傳感器連接了避雷接地裝置，該裝置存在引入干擾信號的風(fēng)險(xiǎn)，移除后，數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

圖3 鹽源干海井水溫傳感器故障波形

圖4 西昌川32 井水位接地干擾波形

3 運(yùn)維建議

地球物理觀測儀器種類較多，故障原因復(fù)雜多變，如何有效地保障儀器連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，主要有以下幾種解決方法。

3.1 建立一套可靠的不間斷供電系統(tǒng)

在地球物理觀測臺(tái)站的供電系統(tǒng)方面，采用多套供電電源分別為不同儀器供電。這種方法可以使每個(gè)儀器相對獨(dú)立，以充分保證各儀器不間斷地得到電力供應(yīng)。例如，在鹽源地震臺(tái)，針對功耗較高的GEF-2 型地電場儀，采用200 W 太陽能電池板、4 個(gè)100 AH 蓄電池和智能管理電源組成的交流市電加太陽能雙供電方式；而對于功耗較低的SZW-2 型水溫儀、SWY-2 型水位儀、ZKGD3000-M 氣象三要素儀，則分別采用由200 W 太陽能電池板、2 個(gè)100 AH 蓄電池和PWM 太陽能電源控制器組成的太陽能供電方式。此外，要定期開展臺(tái)站巡檢工作，檢查供電線路并及時(shí)更換老化的線路；檢查太陽能電池板表面是否有遮擋物，并及時(shí)清理，以確保足夠光照；檢查蓄電池容量、內(nèi)阻和壽命等，及時(shí)更換狀態(tài)較差的蓄電池。

3.2 加強(qiáng)備機(jī)備件配置和管理

隨著中國地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場建設(shè)工程和重點(diǎn)地區(qū)地球物理監(jiān)測儀器升級項(xiàng)目的實(shí)施，地球物理觀測儀器的類型和數(shù)量會(huì)進(jìn)一步增加，可能會(huì)出現(xiàn)各種難以排除的故障。因此，各臺(tái)站應(yīng)適當(dāng)增加備機(jī)備件的種類和數(shù)量，以確保在儀器發(fā)生復(fù)雜故障時(shí)能夠在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常工作。備機(jī)的配置應(yīng)按照在線設(shè)備數(shù)量的一定比例進(jìn)行，對于數(shù)量較多的在線設(shè)備，應(yīng)優(yōu)先考慮配置備機(jī)。通用配件（如PC104 工控板、直流穩(wěn)壓模塊和其他易損元器件）也應(yīng)考慮配置。同時(shí)，長期未使用的備機(jī)應(yīng)定期開機(jī)檢測，以提高故障處理效率。

3.3 加強(qiáng)與廠家的溝通

隨著地震監(jiān)測儀器數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的發(fā)展，儀器市場化程度不斷提高，越來越多的地球物理類設(shè)備通過地震監(jiān)測專業(yè)設(shè)備定型，增加了能夠入網(wǎng)運(yùn)行的各種儀器的種類。與儀器廠家達(dá)成高度密切的溝通反饋機(jī)制，可以快速了解儀器工作原理、熟悉儀器結(jié)構(gòu)、規(guī)范儀器操作，從而提高儀器維修效率。積極向廠家反饋儀器在使用過程中遇到的問題，可以促進(jìn)廠家開展儀器軟硬件升級，提高儀器運(yùn)行穩(wěn)定性。

3.4 提高運(yùn)維人員業(yè)務(wù)水平

為了提高運(yùn)維質(zhì)量和效率，運(yùn)維人員需要通過實(shí)際工作不斷積累經(jīng)驗(yàn)、提高技能水平。通過總結(jié)和積累經(jīng)驗(yàn)，可以更好地應(yīng)對設(shè)備故障，提高設(shè)備維護(hù)效率，保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。業(yè)務(wù)水平高的運(yùn)維人員可以更熟練地操作和維護(hù)儀器，快速發(fā)現(xiàn)并處理故障。當(dāng)然，除了積累經(jīng)驗(yàn)和提高技能，運(yùn)維人員也需要持續(xù)學(xué)習(xí)新技術(shù)、新知識，以適應(yīng)新時(shí)代的要求。同時(shí)，運(yùn)維人員還應(yīng)該具備較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力和自學(xué)能力，通過不斷學(xué)習(xí)新知識、新技術(shù)來提高工作效率，并在實(shí)踐中不斷完善自己的技能和知識體系。這樣，運(yùn)維人員才能更好地勝任自己的工作，確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，為地震監(jiān)測提供可靠的技術(shù)支持。

4 結(jié)束語

在地震前兆監(jiān)測中，地球物理觀測儀器扮演著至關(guān)重要的角色。通過對地球物理觀測儀器故障原因和維護(hù)方法等的深入研究和探討，可以提高地震監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度和可靠性。本文詳細(xì)闡述并探討了地球物理觀測儀器在供電系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)、儀器軟硬件及傳感器等方面可能遇到的故障現(xiàn)象。借鑒實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，對各類故障現(xiàn)象進(jìn)行了深入分析，并提出了切實(shí)可行的解決途徑與方法。這些建議供地震系統(tǒng)內(nèi)的同仁參考，以期為解決實(shí)際工作中所面臨的問題提供實(shí)用且具操作性的方案。

在未來的工作中，我們應(yīng)持續(xù)提高維護(hù)人員的技能水平，加強(qiáng)培訓(xùn)，不斷優(yōu)化儀器維修維護(hù)流程，提高運(yùn)維工作效率和質(zhì)量，推動(dòng)地球物理觀測儀器的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展，為地球物理研究和地震預(yù)測提供更加可靠和精確的數(shù)據(jù)支持。