地震站网运行监控关键技术分析与实践.pdf
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1、书书书第 卷第 期()年 月中 国 地 震 师宏波,王坦,张锐,等 地震站网运行监控关键技术分析与实践 中国地震,():地震站网运行监控关键技术分析与实践师宏波)王坦)张锐)樊春燕)何案华)张慧娟)中国地震台网中心,北京 )应急管理部国家自然灾害防治研究院,北京 )杭州叙简科技有限公司,杭州 摘要随着地震系统信息化和现代化推进,观测站点数量不断增加,地震站网运行监控势在必行。本文根据地震台网运行特点和实际需求,从地震站网监控要素、运行状态流解析、故障判断与告警、数据质量分析、监控信息数据库存储等诸多关键技术进行分析研究。同时,结合已有地震站网运行监控平台的研发实践,给出具体的思路和方法,并提出
2、未来发展新考量,为地震省域台网或其他行业站网监控提供参考。关键词:地震站网监控技术运行维护信息化 文章编号 ()中图分类号 文献标识码 收稿日期 修定日期 项目类别 地震台站全流程一体化监控平台项目资助 作者简介 师宏波,男,年生,高级工程师,主要研究方向为大地测量与 地壳形变监测分析。:中国地震局 国家地震烈度速报与预警工程初步设计方案和投资概算报告 引言中国是地震多发国家,地震断裂带活动性较强,经过几十年的发展,分布在全国的地震观测站能够有效地进行断裂带活动性监测和地震速报,并为地震监测、预报和预警提供基础观测资料服务。据统计,全国已正式运行的测震台网(测震、强震动)和地球物理台网(、重力
3、、定点形变、地磁、地电和流体)等站点数量达 余个,待“国家地震烈度速报与预警工程”(简称“预警工程”)建成,站网数量将新增至 个。地震台站运行正常与否和数据质量好坏会直接影响断裂带活动性或物理参数的正确获取和判断,最终左右地震监测和预测预报的依据和结果。目前,地震站网的运行管理和维护主体是各省地震局、中心台或台站值守技术人员,站网运行情况获取以人工判断为主,且运维管理方式方法较为简单,个别省局或学科依托单位在站网运行过程中形成了相关系统或平台,但存在方法单一、信息技术应用不足、实时性差、监控维度少、不成体系、台站信息化程度低、已有平台或系统老旧、功能各异不统一、缺少一体化监控等问题(钟磊,)。
4、随着地震系统站网改革和信息化、现代化推进,地震站网运行监控平台可实时监视站网运行的状态和数据质量情况,为站网运维提供了有效手段,从而推动防震减灾事业现代化进展。监控涉及地震台站多种观 期师宏波等:地震站网运行监控关键技术分析与实践测手段、电力系统、通信系统以及数据流、状态流和远程控制等方面,要保障专业观测数据稳定以及站网运维便捷、智能,经过实践检验的监控技术和方法显得尤为重要(左湘文等,)。架构设计根据现有地震监测体系,地震站网运行监控平台按照业务层级可设计为接入层、数据层、应用层和业务展示层四层架构(图 )图 现有监控平台业务架构图()接入层:省地震局平台应用流数据处理技术,对测震台网和地球
5、物理台网一般监测站的监控信息流数据进行接入、解析和预处理,为数据处理分析、告警处理和可视化展示提供基本支撑。数据采集层支持多维的设备数据采集,包含观测设备、辅助设备、网络节点等防震减灾“十三五”专项规划 地震信息化规划 中震测发 号 中国地震 卷的运行状态、数据流状态等,支持 等多种接口采集形式。()数据层:基于监控平台的信息数据库,实现监控信息的存储和管理,同时具有对平台自身产生的业务数据、运行数据等数据库的访问和信息提取,运维数据的数据清洗、抽取、转换、过滤、计算等一系列功能,完成监控平台的监控信息的展示和统计。()应用层:平台切合实际应用,形成观测数据流监视、观测设备与辅助设备状态监控、
6、信息网络传输节点监视、动力环境安全监控、业务系统监测、监测故障告警与处置、值班管理、站网运行质量计算、统计分析与查询等系列应用功能。()业务展示层:整个平台业务应用的终端设备展示和查看,主要包括:大屏、图形工作站和移动图形工作站等,直接为运维人员提供服务,也可在操作终端上直观地进行操作实时查看数据处理情况。监控采集要素监控平台的基础是采集或解析的站网运行信息,从监控要素的紧迫性来讲,平台首先要监视的是“有”、“无”的问题,如数据是否中断,电力系统是否正常等,其次才是“好”、“坏”的问题,如数据质量、站网连续性如何等。因此报警也应该分先后等级,并非所有的监视异常都要告警,也并非所有的告警都有高紧
7、迫性而必须立刻处置,其中,以影响到数据产出和质量的故障尤为重要原则。因此,对于台站运行状态的监视集中体现在影响观测数据质量的基本信息和动态信息的采集(吴小飞等,)。本文尽可能给出了必要的监控因素,在实际实施中可按需选择或补充。基础静态信息地震台站参数包含位置交通、地质构造、地基岩性、场地布局、观测设施、建站时间、测项组成、运维信息等属性参数;专用设备参数包含唯一识别码()、制造厂商、出厂日期、设备型号、专业用途、观测精度、工作环境范围;通用设备参数包含其序列号、生产日期、厂家参数、用途等;通用软件参数包含其属性参数和部署参数等;其他参数可包含中心站地震监测人员的基本参数和岗位参数。仪器动态信息
8、地震监测设备基本的采集监视项应包含设备整机状态、输入电压、机体温度、数据记录可用存储空间、授时和时间同步、运行连续时长、用户登录记录等必要因素。根据设备供应商开放的协议,对设备运行状态进行远程采集和控制,包括查看设备运行状态属性、实时数据、运行参数设置、变更与展示、远程断电重启仪器、时钟校对等协议规定功能。能够对供电系统的电压、电流、输出端口、负载电压电流以及观测室观测环境的温度、湿度、压强等监控状态进行采集。设备如异常或故障会首先进入自动处理流程,若能够自行修复,则系统只会生成自动处理的日志文件,对于不能自动处理的设备故障会直接通知相关管理人员和技术人员,并转入自动报修模块,等待系统派单维护
9、。除此之外,每套观测设备用途不同,采集监视的具体内容有较大差异,按照测震和地球物理台网设备分类归纳,如表 所示。中国地震局 地震信息化行动方案(年)期师宏波等:地震站网运行监控关键技术分析与实践表 地震台站观测仪器状态监控项监控项描述涉及仪器观测手段加电运行观测状态观测设备或仪器是否在运行的综合情况数据采集器或主机;地震全部手段专业观测仪器或设备或传感器全学科仪器工作输入电压提供给地震观测仪器或传感器工作的输入电压数据采集器或主机;地震全部手段专业观测仪器或设备或传感器全学科仪器或设备内部温度观测设备或辅助仪器机箱或主板温度数据采集器;接收机全学科设备自身数据存储空间用于本地存储数据的空间量,
10、单位:数据采集器;接收机全学科授时校钟状态标准时间源对地震设备或辅助设备的内部时间伺服校准情况数据采集器部分学科地震计校准状态阶跃波信号校准测震仪测震地震计观测系统标定状态正弦波信号校准或是否按规定标定测震仪;强震动仪测震南北向、东西向和垂向摆体零位电压零位电压为 ,并符合规定范围测震仪;强震动仪测震、强震动地震事件触发在触发条件下生成一条记录强震动仪;烈度仪强震动事件触发传输地震事件触发信息传输正常强震动仪;烈度仪强震动接收到信号的卫星数量任何一个卫星系统所能锁定的有效卫星个数 接收机 最高高度角卫星信噪比所接收到信号且高度角最高的卫星信噪比 接收机 电极供电电压供电电压是否稳定电极地电地电
11、装置稳定性稳定度降低情况地电观测装置地电补偿(或偏置)电流在补偿(或偏置)测量法中,流过分量线圈产生补偿(或偏置)磁场的电流地磁观测装置地磁传感器漏电情况检测传感器电缆(或线圈)是否有破损地电、地磁和流体装置地电、地磁和流体水位仪量程超限水位仪传感器处于量程最佳观测范围水位仪流体流体传感器自校准传感器自校准结果流体传感器流体测氡仪固有本底在没有被测辐射源存在的条件下,测量仪器的固有计数测氡仪流体测氡仪工作高压值选定的光电倍增管工作点电压测氡仪流体 观测数据信息观测数据流或文件中包含的一些基本信息对于后续数据处理分析至关重要,缺失或者失真会导致结果偏差,具体参考监控内容见表 。辅助设施监控信息辅
12、助设备信息主要包括数据传输网络链路和供电系统,监控内容见表 。()网络链路:通过 、等协议完成对网络设备监控管理,具备网络设备状态链路流量、网络设备配置信息的自动备份、变更对比等功能,其中备份功能可选择手动或者自动备份,具备动态的网管信息展现,包括端口列表、设备部件表等数据表以及网络设 中国地震 卷表 观测数据监控内容监控内容描述数据记录产出观测数据记录是否正常产出数据流的完整性数据流是否丢包数据流或文件内容记录格式规范性数据记录和传输格式的正确性数据采样率数据记录的历元时间间隔数据文件名或代码合规性数据文件命名与代码的正确性数据描述信息的正确性和完整性时间、仪器参数等是否属实、完整表 地震台
13、站辅助设备信息对象监控内容描述网络通信数据通信设备在线状态使用 协议查询设备是否在线设备接口连通状态接口是否连通的状态设备接口带宽使用率通信接口使用带宽与通信接口设定带宽之比的百分数设备时延时间监测网络通信设备时延时间,单位:设备时延抖动时间监测网络通信设备时延抖动时间,单位:丢包率监测网络通信设备丢包数量与网络发送数据包数量之比的百分数内存使用率设备已使用的内存值与设备总内存值之比的百分数存储空间使用率数据处理设备已使用存储空间值与存储空间总值之比的百分数设备故障信息设备 、内存、硬盘等硬件的故障信息电源系统运行模式供电设备运行时负载电力提供的模式,包括正常模式、放电模式、旁路模式三种。输入
14、电压交流市电作为供电设备外接输入时的当前电压量值或状态。输出通道状态供电设备输出通道开关状态输出电压供电设备各通道的输出电压值输出电流供电设备各通道的输出电流值负载率供电设备实际承担稳定的负载总功率与其额定输出功率之比负载总功率供电设备提供电力的各负载功率之和,单位:蓄电池剩余电量蓄电池当前可用电量与其额定容量之比蓄电池放电剩余时间供电设备在放电模式下运行,蓄电池当前剩余放电时间,单位:蓄电池充电电压给蓄电池充电当前电压值,单位:蓄电池充电电流给蓄电池充电当前电流值,单位:蓄电池内阻蓄电池在工作时,电流流过蓄电池内部所受到的阻力备的端口流量、丢包率、错包率、延时和丢包等运行参数,并可给出这些指
15、标的趋势、平均值和最大值,为故障的预测提供有力的分析工具。对网络链路的监控能够及时反映网络设备运行状态的变化,具备拓扑设备的详细信息查询功能,实时跟踪和更新网络拓扑变更信息,支持网络设备面板状态仿真图形化展示。()电力系统:智能电源(或 )监控可通过 网口的 协议、总线等方式进行监控信息和供电状态采集,包括输入市电电压,输出各路电压、电流、机内温度、负 期师宏波等:地震站网运行监控关键技术分析与实践载率、蓄电池充电电压、蓄电池充电率,接口状态等,并将采集的信息通过中央数据采集器进行实时处理、协议转换,传送到数据库服务器,再通过平台进行数据展示。同时,平台对电源进行远程控制,分路进行操作。()视
16、频监控:支持通过 或者标准化接口接入 、或通过 协议接入 摄像机的视频监控图像功能,通过后台参数配置,实时对接一般监测站视频流信息,日常处于关闭状态,按需调用查看视频图像。利用增强视频行为识别侦测技术,当发现台站内外部物体位移后,发送信号到摄像头和服务器,启动拍摄和录影,存储于省局视频监控平台,从而有效地提取和跟踪运动目标,异常情况出现时自动向值班人员进行短信或邮件告警,实现智能报警功能。日常无须实时记录视频文件或查看监控屏,以减少磁盘空间占用。除安全监视外,可通过视频实现与现场维护人员进行运维互动(钟乐海等,)。系统融合不同厂家、品牌、多种标准协议,支持不同分屏显示,具有查看历史视频记录及可
17、追溯功能。()温湿压环境监视:现场温度设备应具备能够监测台站观测室内的温度、湿度和压强信息功能,并支持 、串口协议对接,获取环境条件数据。()其他传感器接入:通过平台远程实现观测室门禁系统开合,并记录时间等相关信息。同时支持水浸、烟感等环境监控接入。监控功能关键点监控平台是用于状态显示、故障报警、运维处置、信息统计的综合平台,作为运维人员日常交互的工具以支撑业务,可包括地震站网运行监控的各个环节,根据重要程度,筛选以下五个方面阐述。设备运行故障判断逻辑和报警现代化的站网运行监控以信息“网络”为根本,因此,对于大多数台站,监控平台发现异常后,首先判断平台至站点的通信网络是否正常,若故障,直接按记
18、录的中断时刻报警,作为该时刻台站的唯一报警信息发布,而台站前端包括观测设备在内的其他设备因网络中断而无法得知情况,暂不报警,待网络故障恢复后再进行运行状态判断。当然,对于有条件的站点增加 无线网络“旁路”,在有线网络中断情况下,做进一步判断。以实时数据流为基础的报警逻辑:对于实时性要求比较高的监控对象或者以数据流为基础的业务通常采用此模式,如速报预警业务对测震台网的监视,即通过实时数据流的有无。若数据流中断,则记录站网故障秒级时刻,进而判断可能出现故障节点,依次为省局和中心站通信网络、单个站点通信网络、站点电力系统、数采设备(可选)、观测设备以及其他监控设备运行状态,系统判断出故障节点,以最先
19、判断出现的相应的故障类型结合故障时刻,便形成了一条新的报警信息,若数据流未中断,则可进行观测环境、视频等辅助监控项(图 )。固定周期性监视模式:监控平台按具体业务需求设置监视时长(如 、或更长),定时启动监控任务,对站网监视对象进行监视判断,逻辑顺序同上述实时数据流为基础的报警逻辑。由于存在固定周期性,无法得知精确的故障时刻,只能按照平台判断出故障的时刻进行记录,部分故障时间与真实故障时间存在误差,误差延迟的最大值取决于设定的固定周期,但这种误差对于非实时监控模式可忽略不计。例如,对 观测设备文件本地存储空间大小的监视间隔为 。中国地震 卷注:虚框表示部分测项中无该单独设备。图 以实时数据流状
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