孫路強(qiáng) 張明東 康健 劉建波

摘要：為能夠在短時(shí)間內(nèi)建成區(qū)域高密度地磁場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)成網(wǎng)、成片觀測(cè)，需要解決精準(zhǔn)捕捉極震區(qū)特大震前磁場(chǎng)異常現(xiàn)象的問(wèn)題。項(xiàng)目組利用物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，基于RM3100三軸磁傳感器，開(kāi)發(fā)低成本地磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，并部署在天津市寶坻區(qū)、武清區(qū)，同時(shí)利用人工智能數(shù)據(jù)分析技術(shù)和時(shí)序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)，開(kāi)展地震前兆異常自動(dòng)判定和可視化預(yù)報(bào)技術(shù)研究。該成果在2022年6月23日天津?qū)氎鍹2.0地震中得到了驗(yàn)證，說(shuō)明低成本地磁場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)不僅對(duì)大震有察覺(jué)，對(duì)于近距離的中小地震同樣敏感。

關(guān)鍵詞：地磁場(chǎng); 地震預(yù)報(bào); 低成本; 高密度; 大數(shù)據(jù)

中圖分類號(hào)： P315????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號(hào)： 1000-0844（2024）03-0665-07

DOI：10.20000/j.1000-0844.20220906003

Low-cost geomagnetic field monitoring equipment：design and implementation

SUN Luqiang， ZHANG Mingdong， KANG Jian， LIU Jianbo

（Tianjin Earthquake Agency， Tianjin 300201， China）

Abstract：?We developed low-cost magnetic field monitoring equipment to accomplish the rapid establishment of a regional high-density geomagnetic field observation network， which is capable of recording geomagnetic field data and precisely identifying magnetic field anomalies preceding major earthquakes in the meizoseismal region. The devised equipment—based on Internet of Things communication and RM3100 triaxial magnetic sensors—was deployed in the Baodi and Wuqing Districts of Tianjin. Subsequently， the automatic judgment and visual prediction of earthquake precursor anomalies were investigated by employing artificial intelligence data analysis and temporal data storage techniques. The effectiveness of the proposed monitoring equipment was verified during the M2.0 earthquake that struck Baodi， Tianjin， on June 23， 2022， demonstrating its ability to detect anomalies preceding major earthquakes and its sensitivity to small- and medium-magnitude earthquakes over short distances.

Keywords：geomagnetic field; earthquake prediction; low-cost; high-density; big data

0 引言

地磁觀測(cè)是地震前兆觀測(cè)的一種重要手段，地磁現(xiàn)象可反映上至日地空間，下至大氣層和固體地球中發(fā)生的與電磁有聯(lián)系的各種物理過(guò)程，通過(guò)分析磁場(chǎng)在地球內(nèi)部的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，可開(kāi)展地震早期預(yù)報(bào)。強(qiáng)破壞地震發(fā)生時(shí)，由于地下巖漿潛流運(yùn)行造成磁場(chǎng)出現(xiàn)不規(guī)則劇烈變化，引發(fā)電磁攪拌力運(yùn)行，造成局部磁場(chǎng)發(fā)生突變［1-2］。中國(guó)地震局自1987年開(kāi)始探索震磁關(guān)系，研究中國(guó)大陸地區(qū)局部磁場(chǎng)異常變化現(xiàn)象，并開(kāi)展實(shí)驗(yàn)性地震預(yù)報(bào)研究工作。地震預(yù)報(bào)專家通過(guò)多年來(lái)對(duì)震磁關(guān)系的研究，總結(jié)出多項(xiàng)理論支持震前磁異常這一現(xiàn)象，但所涉及磁場(chǎng)變化量級(jí)很小，難以解釋極震區(qū)特大磁場(chǎng)異常變化現(xiàn)象。主要原因?yàn)榈卮艌?chǎng)專業(yè)設(shè)備成本高，不能進(jìn)行大批量部署，很難在震中區(qū)的恰有觀測(cè)點(diǎn)位去抓住地震發(fā)生前強(qiáng)磁場(chǎng)變化。項(xiàng)目組基于RM3100磁傳感器，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研制了低成本地磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，適合在短時(shí)間內(nèi)在某一區(qū)域大面積部署，迅速提升該地區(qū)地磁場(chǎng)的監(jiān)測(cè)能力，有助于捕捉強(qiáng)破壞地震發(fā)生前地磁場(chǎng)異常信息，以精準(zhǔn)預(yù)報(bào)M6.0以上地震發(fā)生的位置與時(shí)間。同時(shí)，基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，開(kāi)展前兆異常自動(dòng)判別，制作區(qū)域磁場(chǎng)變化云圖。在《國(guó)家地震科技發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》［3］中提倡發(fā)展低成本、抗干擾和多學(xué)科綜合觀測(cè)方法，這也為該項(xiàng)目的應(yīng)用和推廣指明了發(fā)展方向。

1 系統(tǒng)組成

低成本地磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備主要由監(jiān)測(cè)感知功能區(qū)、通信功能區(qū)和系統(tǒng)服務(wù)管理區(qū)三部分組成（圖1）。監(jiān)測(cè)感知功能區(qū)包括RM3100三軸磁傳感器、重力加速度傳感器和溫度與氣壓監(jiān)測(cè)傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)地磁場(chǎng)、重力加速度和環(huán)境要素的實(shí)時(shí)采集；通信功能區(qū)采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）模塊，實(shí)現(xiàn)基于用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）的數(shù)據(jù)通信、組幀、解幀、校驗(yàn)、反饋、重傳等通信管理功能，并提供精準(zhǔn)的授時(shí)服務(wù);系統(tǒng)管理區(qū)包括能源管理模塊、存儲(chǔ)管理模塊和時(shí)間管理模塊，通過(guò)串口、通用輸入輸出端口（General Porpose Intput Output，GPIO）、二線串行數(shù)據(jù)傳送接口（Two-Line Bus，I2C）、串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）等連接控制外圍硬件單元，并適時(shí)采用外設(shè)斷電、低主頻運(yùn)行、休眠等模式降低系統(tǒng)功耗，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的能源使用管理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的本地存儲(chǔ)［4-5］，有助于斷點(diǎn)續(xù)傳功能的實(shí)現(xiàn)。

該裝置體積小，采用內(nèi)置電池供電方式，同時(shí)實(shí)現(xiàn)低壓補(bǔ)償功能，并配置太陽(yáng)能充電系統(tǒng)。數(shù)據(jù)通信采用無(wú)線方式，適宜野外快速展開(kāi)和安裝。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用模塊化方案，主要由五個(gè)功能模組組成，分別為磁場(chǎng)檢測(cè)功能模組、環(huán)境檢測(cè)模組、通信模組、供電模組和主控制器，以主控制器為核心，向外連接各功能模組。各功能模組獨(dú)立供電，降低了系統(tǒng)的總體功耗水平，以突出設(shè)備低功耗的特點(diǎn)。在硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中實(shí)施組充分考慮野外部署和觀測(cè)的需要，整機(jī)按照工業(yè)級(jí)IP67標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加工生產(chǎn)，適應(yīng)野外防水要求。該裝置采用了國(guó)產(chǎn)低功耗微控制單元作為核心處理器，板上運(yùn)行FreeRTOS嵌入式操作系統(tǒng)［6-7］。

2.1 磁場(chǎng)檢測(cè)功能模組

磁場(chǎng)檢測(cè)功能模組，采用RM3100三軸磁傳感器，該傳感器靈敏度為10 nT，測(cè)量范圍為-800～800 μT，通過(guò)SPI接口進(jìn)行連接，工作過(guò)程中無(wú)需進(jìn)行信號(hào)處理。考慮到地磁場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)站附近會(huì)有汽車、行人等產(chǎn)生干擾的鐵磁性物質(zhì)的出現(xiàn)，該傳感器能夠準(zhǔn)確識(shí)別這些“模糊”信息，從而消除因此而帶來(lái)的測(cè)量偏差，且不需要進(jìn)行溫度校準(zhǔn)和脈沖電流復(fù)位。

本項(xiàng)目中所采用的三軸磁傳感器是一種采用磁場(chǎng)感應(yīng)原理的傳感器，可分別測(cè)量X、Y和Z軸上的磁場(chǎng)變化。當(dāng)磁場(chǎng)感應(yīng)到一個(gè)外部的磁場(chǎng)時(shí)，磁性將會(huì)發(fā)生變化，從而改變傳感器的電性能參數(shù)，如電阻、電容、電感等，從而產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)。電子系統(tǒng)把這三個(gè)方向磁場(chǎng)變化數(shù)據(jù)綜合起來(lái)，可以將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，這個(gè)數(shù)字信號(hào)可以用來(lái)測(cè)量外部的磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向。

項(xiàng)目組在設(shè)計(jì)之初為減小裝置體積，采取磁場(chǎng)檢測(cè)功能模塊內(nèi)置的方式，但在實(shí)際觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)，裝置內(nèi)通信模組在定時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，以及供電模組喚醒工作時(shí)，產(chǎn)生的電磁波均會(huì)對(duì)磁場(chǎng)檢測(cè)單元產(chǎn)生干擾，數(shù)據(jù)出現(xiàn)突跳，影響磁場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。因此在定型生產(chǎn)的裝置中，實(shí)施組在裝置上加裝了30 cm長(zhǎng)過(guò)渡桿，并將磁場(chǎng)檢測(cè)模組放置于過(guò)渡桿頂部，有效地避免了設(shè)備功能模組之間的干擾。裝置外觀及過(guò)渡桿見(jiàn)圖2所示。

2.2 環(huán)境檢測(cè)模組

實(shí)施組計(jì)劃在天津建成地磁場(chǎng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，利用大數(shù)據(jù)的方式開(kāi)展地震預(yù)報(bào)研究。為突出該觀測(cè)系統(tǒng)具有大數(shù)據(jù)功能的特點(diǎn)，項(xiàng)目組在裝置內(nèi)部集成了環(huán)境檢測(cè)模組，用于采集觀測(cè)點(diǎn)附近氣溫、氣壓以及重力的變化，使單一觀測(cè)點(diǎn)位產(chǎn)出多樣化觀測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)氣溫、氣壓觀測(cè)數(shù)據(jù)可輔助磁場(chǎng)觀測(cè)，分析環(huán)境變化因素是否對(duì)磁場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。環(huán)境檢測(cè)微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）芯片通過(guò)SPI總線進(jìn)行連接，工作溫度范圍在-45～85 ℃，適合野外部署需要。溫度傳感器具有0.8 ℃的測(cè)量準(zhǔn)確度，具有強(qiáng)化溫度補(bǔ)償功能。重力加速度傳感器最大量程為±16g，數(shù)據(jù)輸出功率1.6～1 600 Hz。

2.3 通信模組

項(xiàng)目組采用移動(dòng)BC20無(wú)線通信模組，相比采用傳統(tǒng)的NB-IoT方案，一體化設(shè)計(jì)使體積減小了40%，同時(shí)具備超低功耗和超寬工作溫度范圍的特性，支持北斗和GPS的雙衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)解調(diào)算法，對(duì)于地磁觀測(cè)臺(tái)站定位、授時(shí)等具有更強(qiáng)的技術(shù)支持。目前，在天津地區(qū)部署的地磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置通信質(zhì)量良好，未出現(xiàn)較大延時(shí)現(xiàn)象。項(xiàng)目組在設(shè)備內(nèi)部增加了實(shí)時(shí)時(shí)鐘（Real_Time Clock，RTC）通過(guò)控制芯片來(lái)維持系統(tǒng)時(shí)間，在野外高低溫環(huán)境下走時(shí)誤差小于±3.8×10-6。

2.4 供電模組

該裝置原計(jì)劃采用19 Ah、3.6 V長(zhǎng)效鋰電池為設(shè)備各功能模組工作提供供電。在測(cè)試期間由于北方冬季低溫，造成鋰電池夜間電量衰減快，電池實(shí)際電壓過(guò)低，通信模組和采集芯片無(wú)法正常工作，出現(xiàn)數(shù)據(jù)斷計(jì)、大脈沖突跳等情況。研發(fā)人員為解決該問(wèn)題，將原有鋰電池更換為穩(wěn)定性更強(qiáng)的鉛酸電池，增加太陽(yáng)能充電管理微型電子芯片［8-9］，通過(guò)太陽(yáng)能充電的方式補(bǔ)償?shù)蜏仉娏克p，穩(wěn)定工作電壓。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該裝置采用RM3100三軸磁傳感器測(cè)量地球磁場(chǎng)大小，適時(shí)采用外設(shè)斷電、低主頻運(yùn)行、休眠等模式降低系統(tǒng)功耗。該裝置在工作原理上采取系統(tǒng)上電完成初始化后，讀取 FreeRTOS 操作系統(tǒng)發(fā)送的控制指令，如果為開(kāi)始工作，則讀取三軸地磁傳感器測(cè)量出的空間物體三維地磁感應(yīng)強(qiáng)度分量 X、Y、Z并進(jìn)行修正，通過(guò)地磁處理子程序得出橫擺角 γ 的值［10-11］。最終通過(guò)無(wú)線通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)。如果為工作停止，則停止數(shù)據(jù)的采集、處理工作。數(shù)據(jù)采集和處理流程如圖3所示。

3.1 地磁干擾修正

低成本地磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備會(huì)受到來(lái)自設(shè)備自身和外界的磁場(chǎng)干擾，造成測(cè)量出現(xiàn)偏差，實(shí)施組通過(guò)磁干擾修正算法子程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)基本磁場(chǎng)的修正。首先在該程序中構(gòu)建地磁傳感器誤差模型，確定低成本地磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)量數(shù)據(jù)與磁場(chǎng)真實(shí)數(shù)據(jù)之間關(guān)系為：

Hm=CMCNOCSF（He+DH+DS）+D0+w

式中：Hm表示設(shè)備采集到的三軸地磁場(chǎng)實(shí)時(shí)向量數(shù)據(jù);He為理想狀態(tài)下真實(shí)地磁場(chǎng)數(shù)據(jù);Hm和He均采用長(zhǎng)度為3的列向量表示，向量元素分別代表地磁向量在Oxm、Oym和Ozm軸的投影大?。?2］。

其次，在原始觀測(cè)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中地磁信號(hào)不可避免地混雜著一些高頻的隨機(jī)噪聲，該噪聲是符合高斯分布的，無(wú)法提前進(jìn)行預(yù)知和處理。因此，在設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)之前，需要通過(guò)邊緣計(jì)算方法進(jìn)行原始濾波，去除測(cè)量噪聲影響［13］，項(xiàng)目組在設(shè)備邊緣計(jì)算軟件編程中采用滑動(dòng)加權(quán)平均值濾波器進(jìn)行該處理。

3.2 地磁場(chǎng)傳感器干擾處理測(cè)試

通常用于校準(zhǔn)磁傳感器的方法是在x、y、z平面上轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器進(jìn)行繞圈，然后抽取數(shù)據(jù)。在理想狀態(tài)下一個(gè)地點(diǎn)的地磁場(chǎng)強(qiáng)度是一個(gè)常數(shù)值，因此繪制的數(shù)據(jù)應(yīng)該是一個(gè)圓，這個(gè)圓球的半徑為磁場(chǎng)強(qiáng)度，而事實(shí)上由于x、y、z軸的跨度范圍有較大的差別，對(duì)于三分向上采集得到的觀測(cè)數(shù)據(jù)，在空間上會(huì)形成一個(gè)類似橢球型包絡(luò)圖形（圖4）。這一情況是由于儀器設(shè)備內(nèi)部電子元件和外部環(huán)境帶來(lái)的硬磁性干擾DH、軟磁性干擾DS、安裝誤差CM、隨機(jī)測(cè)量噪聲w等原因作用的結(jié)果。

設(shè)備內(nèi)部地磁干擾修正程序啟動(dòng)后，首先會(huì)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)加權(quán)平均值濾波，降低隨機(jī)噪聲帶來(lái)的影響，并通過(guò)分析濾波數(shù)據(jù)得到去除干擾所使用的誤差補(bǔ)償參數(shù)，并將該參數(shù)帶入地磁傳感器誤差模型中，此時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)三分向地磁量形成的包絡(luò)圖畸變基本消除。

低成本地磁場(chǎng)觀測(cè)設(shè)備在啟動(dòng)數(shù)據(jù)干擾修正程序之前，觀測(cè)得到的地磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著傳感器方位的改變疊加不同的磁干擾量［14］，使總強(qiáng)度發(fā)生較大變化。啟動(dòng)數(shù)據(jù)修正程序后，地磁場(chǎng)強(qiáng)度均方根誤差為8.21，修正之后為1.16，與原始觀測(cè)數(shù)據(jù)相比減小了85.8%。磁干擾修正算法有效修正了地磁傳感器被硬磁和軟磁性物質(zhì)帶來(lái)的影響。

3.3 設(shè)備工作狀態(tài)切換

低成本地磁場(chǎng)觀測(cè)設(shè)備工作狀態(tài)包括：初始態(tài)、暫停態(tài)、工作狀態(tài)、采樣狀態(tài)、通信狀態(tài)、故障狀態(tài)、休眠狀態(tài)和版本管理狀態(tài)等［15］。設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)化關(guān)系如圖5所示。

設(shè)備啟動(dòng)后進(jìn)入初始化流程，如初始化發(fā)生異常將進(jìn)入故障狀態(tài)運(yùn)行，并向遠(yuǎn)端設(shè)備管理系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信息，并顯示故障單元;如初始化成功后將檢測(cè)設(shè)備號(hào)、通信參數(shù)等基礎(chǔ)功能項(xiàng)目，尚未完成設(shè)備配置將進(jìn)入暫停態(tài)并啟動(dòng)藍(lán)牙低功耗（Bluetooth Low Energy，BLE）配置通道［16］，安裝人員通過(guò)手持終端進(jìn)行參數(shù)配置并入網(wǎng)，設(shè)備檢測(cè)參數(shù)成功后，將進(jìn)入正常工作狀態(tài)。在設(shè)備工作過(guò)程中，大部分時(shí)間將處于休眠狀態(tài)以降低功耗實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)待機(jī)，設(shè)備定期采集MEMS傳感器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于內(nèi)存和Flash中，通過(guò)無(wú)線4 G網(wǎng)絡(luò)定期集中上報(bào)到服務(wù)端［17］。設(shè)備定期同數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（Data Management System，DMS）服務(wù)器握手同步時(shí)間、檢查配置消息和版本信息等。當(dāng)設(shè)備處于低電壓或超低溫狀態(tài)時(shí)，將減少無(wú)線4 G網(wǎng)絡(luò)接入次數(shù)，以保證設(shè)備可靠數(shù)據(jù)采集和緩存。

3.4 設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)管理軟件

為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的快速配置入網(wǎng)，實(shí)施組在設(shè)計(jì)設(shè)備內(nèi)部管理模塊時(shí)采用前、后端分離結(jié)構(gòu)，后端程序采用開(kāi)源Python框架flask實(shí)現(xiàn)，連接PostgreSQL數(shù)據(jù)庫(kù)，并提供標(biāo)準(zhǔn)的RESTful結(jié)構(gòu)的Web Service數(shù)據(jù)接口。前端程序采用uni-app開(kāi)發(fā)工具生成微信小程序［18］，設(shè)備管理模塊通過(guò)微信小程序鏈接設(shè)備藍(lán)牙，對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化入網(wǎng)、信息修改、更換、清除等操作。

4 設(shè)備應(yīng)用產(chǎn)出

4.1 應(yīng)用情況

低成本地磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備于2021年3月完成開(kāi)發(fā)測(cè)試工作，并針對(duì)供電單元存在的問(wèn)題進(jìn)行了升級(jí)改造，實(shí)施組提出了落地安裝、抱桿安裝和壁掛安裝三種方式，在天津?qū)氎鎱^(qū)、武清區(qū)部署了40套監(jiān)測(cè)設(shè)備，平均臺(tái)站間距為8.7 km，建成低成本地磁場(chǎng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了地磁觀測(cè)成網(wǎng)成片觀測(cè)要求，同時(shí)也是對(duì)新時(shí)代群策群防技術(shù)的探索［19］。全部監(jiān)測(cè)站點(diǎn)建設(shè)在野外，通過(guò)內(nèi)置電池和外設(shè)太陽(yáng)能板的方式實(shí)現(xiàn)供電運(yùn)轉(zhuǎn)，數(shù)據(jù)傳輸采用物聯(lián)網(wǎng)通訊模組和消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）協(xié)議方式，實(shí)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)訂閱式傳輸［20］。圖6為地磁場(chǎng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)磁場(chǎng)實(shí)時(shí)變化示意。

目前項(xiàng)目組基于低成本地磁場(chǎng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)觀測(cè)設(shè)備供電控制器和RM3100芯片抗干擾性能進(jìn)行提升，滿足更復(fù)雜野外觀測(cè)環(huán)境的需要。同時(shí)，聯(lián)合中國(guó)地震局昆明地震預(yù)報(bào)研究所，計(jì)劃在滇西南地區(qū)部署多套該類型設(shè)備，開(kāi)展針對(duì)多發(fā)地震地區(qū)的連續(xù)不間斷觀測(cè)。

4.2 觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

天津低成本地磁場(chǎng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)建成以來(lái)，為天津地區(qū)震情跟蹤工作開(kāi)拓了一種新的思路，更加密集的觀測(cè)點(diǎn)位能夠捕捉到過(guò)去不曾捕捉到的微震前的異常信息［21］。2022年6月23日天津?qū)氎鎱^(qū)發(fā)生了一次M2.0地震，實(shí)施組選取了距離震中1.2 km的中關(guān)村中學(xué)、5.8 km的寶坻臺(tái)和20.1 km的新安鎮(zhèn)三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，對(duì)2022年6月20—24日的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，距離震中最近的中關(guān)村中學(xué)觀測(cè)數(shù)據(jù)在震前72 h出現(xiàn)周期變化異常，而距離震中較遠(yuǎn)的寶坻臺(tái)和新安鎮(zhèn)觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)一致性較好，且觀測(cè)數(shù)據(jù)周期變化一致。同時(shí)發(fā)現(xiàn)在震前24 h至震前12 h期間，中關(guān)村觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)下降趨勢(shì)，而寶坻臺(tái)和新安鎮(zhèn)觀測(cè)數(shù)據(jù)為上升趨勢(shì)。在數(shù)值變化趨勢(shì)上反映出天津低成本地磁場(chǎng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于微小地震發(fā)生前也能有所察覺(jué)，證明通過(guò)增加地磁觀測(cè)臺(tái)站密度可以捕捉到地震引發(fā)的局部磁場(chǎng)變化。

5 結(jié)論

實(shí)施組基于大數(shù)據(jù)思想，利用MEMS芯片和無(wú)線傳輸技術(shù)研制了低成本地磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，滿足了野外快速建設(shè)高密度觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)的需求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)地磁場(chǎng)、氣壓、氣溫和重力加速度觀測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。業(yè)務(wù)中心采取時(shí)序存儲(chǔ)方式對(duì)各測(cè)項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，滿足大樣本數(shù)據(jù)快速存儲(chǔ)、讀取和計(jì)算的需要。采用大數(shù)據(jù)分析方法，對(duì)磁場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并以數(shù)據(jù)可視化的方式形成地磁場(chǎng)實(shí)時(shí)變化熱力圖，用直觀的方式反映天津區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)弱變化。地震預(yù)報(bào)從監(jiān)測(cè)科學(xué)向數(shù)據(jù)科學(xué)邁進(jìn)。

致謝：低成本地磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備在研制、測(cè)試過(guò)程中得到了中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心呂傳振，天津大學(xué)人工智能與計(jì)算學(xué)部馬勝、趙靖老師的大力支持和幫助，在此表示衷心的感謝。

參考文獻(xiàn)（References）

［1］ 倪喆，袁潔浩，王粲，等.2014年云南魯?shù)?.5級(jí)、永善5.0級(jí)地震前巖石圈磁場(chǎng)局部異常特征分析［J］.地震研究，2014，37（4）：537-541.

NI Zhe，YUAN Jiehao，WANG Can，et al.Analysis of local anomalous characteristics of lithospheric magnetic field before Ludian M6.5 and Yongshan M5.0 earthquakes in Yunnan in 2014［J］.Journal of Seismological Research，2014，37（4）：537-541.

［2］ 王青華，陳政宇，張忠龍，等.2014年魯?shù)?.5級(jí)地震相關(guān)斷裂的巖石圈磁異常分析［J］.地震研究，2017，40（3）：377-381.

WANG Qinghua，CHEN Zhengyu，ZHANG Zhonglong，et al.Lithosphere magnetic anomaly analysis of related faults of the 2014 Ludian MS6.5 earthquake［J］.Journal of Seismological Research，2017，40（3）：377-381.

［3］ 陳宏濤.基于MEMS的小型高精度測(cè)斜儀的設(shè)計(jì)［J］.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2019，2：27-30.

CHEN Hongtao.Design of a small high-precision inclinometer based on MEMS［J］.Internet of Thing Technology，2019，2：27-30.

［4］ 王建國(guó)，栗連弟，崔曉峰，等.數(shù)字化地震前兆臺(tái)網(wǎng)日常工作管理軟件［J］.地震研究，2009，32（1）：79-83.

WANG Jianguo，LI Liandi，CUI Xiaofeng，et al.Management software for daily routine of digital seismic precursor network［J］.Journal of Seismological Research，2009，32（1）：79-83.

［5］ 羅靜博，林春生，陳浩.基于RM3100磁傳感器的艦船磁場(chǎng)信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2021，40（2）：86-88.

LUO Jingbo，LIN Chunsheng，CHEN Hao.Design of vessel magnetic field signal acquisition system based on RM3100 magnetic sensor［J］.Transducer and Microsystem Technologies，2021，40（2）：86-88.

［6］ 陳斌，袁潔浩，王粲，等.流動(dòng)地磁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理流程［J］.地震研究，2017，40（3）：335-339，510-511.

CHEN Bin，YUAN Jiehao，WANG Can，et al.Data processing flowchart of Chinese mobile geomagnet monitoring array［J］.Journal of Seismological Research，2017，40（3）：335-339，510-511.

［7］ 任保宏，徐科軍.MSP430單片機(jī)原理與應(yīng)用：MSP430F5xx/6xx系列單片機(jī)入門、提高與開(kāi)發(fā)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2014.

REN Baohong，XU Kejun.Principle and application of MSP430 single chip microcomputer：introduction，improvement and development of MSP430F5xx/6xx series single chip microcomputer［M］.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2014.

［8］ 魏小龍.MSP430系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

WEI Xiaolong.Interface technology and system design example of MSP430 series single chip microcomputer［M］.Beijing：Beijing University of Aeronautics & Astronautics Press，2002.

［9］ 楊學(xué)慧，王赟輝，姚休義.云南地區(qū)巖石圈磁場(chǎng)特征及震磁特性［J］.地震研究，2020，43（4）：745-750.

YANG Xuehui，WANG Yunhui，YAO Xiuyi.Characteristics of lithospheric magnetic field and seismomagnetic characteristics in Yunnan area［J］.Journal of Seismological Research，2020，43（4）：745-750.

［10］ 于勇吉，林春生.構(gòu)建一種PNI磁傳感器的艦船磁場(chǎng)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)［J］.數(shù)字海洋與水下攻防，2018，1（3）：54-57.

YU Yongji，LIN Chunsheng.Detection system of ship's magnetic field signal based on PNI magnetic sensor［J］.Digital Ocean & Underwater Warfare，2018，1（3）：54-57.

［11］ 孫永林，姜鑫.基于MEMS/地磁的無(wú)人機(jī)航姿自適應(yīng)估計(jì)算法［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2020，39（11）：122-125.

SUN Yonglin，JIANG Xin.Adaptive algorithm for attitude estimation for UAV based on MEMS and geomagnetic［J］.Transducer and Microsystem Technologies，2020，39（11）：122-125.

［12］ 安亮亮，王良明，鐘陽(yáng).彈載三軸磁強(qiáng)計(jì)的橢球擬合補(bǔ)償方法［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2020，39（12）：4-6，13.

AN Liangliang，WANG Liangming，ZHONG Yang.Ellipsoid fitting compensation method for three-axis magnetometer on projectile［J］.Transducer and Microsystem Technologies，2020，39（12）：4-6，13.

［13］ 周陽(yáng).電子羅盤消除固定位置變磁場(chǎng)干擾方法［J］.粘接，2021，47（8）：158-161.

ZHOU Yang.The method of electronic compass to eliminate the interference of fixed position and variable magnetic field［J］.Adhesion，2021，47（8）：158-161.

［14］ 武建軍，封維忠，于瑋.基于MEMS三維磁阻傳感器的電子指南針的研究［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2011，30（8）：83-85，88.

WU Jianjun，F(xiàn)ENG Weizhong，YU Wei.Study on electronic compass based on MEMS 3D magnetoresistive sensor［J］.Transducer and Microsystem Technologies，2011，30（8）：83-85，88.

［15］ 吳瓊，滕云田，黃大倫，等.絕對(duì)重力儀研制中一種新的自由落體軌跡重建算法［J］.地震學(xué)報(bào)，2012，34（4）：549-556.

WU Qiong，TENG Yuntian，HUANG Dalun，et al.A new type of algorithm for rebuilding the trace of free-fall body in absolute gravimeter development［J］.Acta Seismologica Sinica，2012，34（4）：549-556.

［16］ 周潤(rùn)景，李茂泉.常用傳感器技術(shù)及應(yīng)用［M］.2版.北京：電子工業(yè)出版社，2020.

ZHOU Runjing，LI Maoquan.Common sensor technology and its application［M］.2nd ed.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2020.

［17］ 張堅(jiān)，林春生，鄧鵬，等.基于小波域OBF分解的磁異常信號(hào)檢測(cè)算法［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2011，31（6）：187-189，196.

ZHANG Jian，LIN Chunsheng，DENG Peng，et al.Detection of magnetic anomaly signal based on OBF decomposition in wavelet domain［J］.Journal of Projectiles，Rockets，Missiles and Guidance，2011，31（6）：187-189，196.

［18］ 李英玲，牛美雅，蘭宏富.基于uni-app+SpringBoot的移動(dòng)智能辦公系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.西南民族大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2022，48（3）：313-321.

LI Yingling，NIU Meiya，LAN Hongfu.Design and implementation of smart mobile office system based on uni-app and SpringBoot［J］.Journal of Southwest Minzu University （Natural Science Edition），2022，48（3）：313-321.

［19］ 王建國(guó)，劉春國(guó)，張彬，等.地下流體臺(tái)網(wǎng)（天津）基礎(chǔ)資料綜合管理系統(tǒng)研制與應(yīng)用［J］.地震工程學(xué)報(bào)，2021，43（5）：1014-1023.

WANG Jianguo，LIU Chunguo，ZHANG Bin，et al.Development and application of an integrated management system for basic data of underground fluid network in Tianjin［J］.China Earthquake Engineering Journal，2021，43（5）：1014-1023.

［20］ 張晁軍，陳會(huì)忠.密集地震觀測(cè)帶來(lái)的變革［J］.地震研究，2017，40（1）：1-14，167.

ZHANG Chaojun，CHEN Huizhong.The challenges brought by dense seismic observation［J］.Journal of Seismological Research，2017，40（1）：1-14，167.

［21］ 周克昌，紀(jì)壽文，鄭智江，等.地球物理場(chǎng)流動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)建設(shè)［J］.震災(zāi)防御技術(shù)，2017，12（1）：78-84.

ZHOU Kechang，JI Shouwen，ZHENG Zhijiang，et al.Construction of system of geophysical data management for field mobile surveying［J］.Technology for Earthquake Disaster Prevention，2017，12（1）：78-84.

（本文編輯：任 棟）

基金項(xiàng)目：中國(guó)地震局地震科技星火計(jì)劃項(xiàng)目（XH23003C）；中國(guó)地震局三結(jié)合課題（3JH-202402036）

第一作者簡(jiǎn)介：孫路強(qiáng)（1985-），男，高級(jí)工程師，主要從事地震預(yù)警風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防和監(jiān)測(cè)新技術(shù)研究工作。E-mail：lqsun850330@163.com。

孫路強(qiáng)，張明東，康健，等.低成本地磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.地震工程學(xué)報(bào)，2024，46（3）：665-671.DOI：10.20000/j.1000-0844.20220906003

SUN Luqiang，ZHANG Mingdong，KANG Jian，et al.Low-cost geomagnetic field monitoring equipment：design and implementation［J］.China Earthquake Engineering Journal，2024，46（3）：665-671.DOI：10.20000/j.1000-0844.20220906003