基于物联网的国家地震烈度速报一般站组网方案的设计与实现.pdf
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1、2024/02/DTPT0 引言地震烈度速报是指利用一般站观测记录,无需现场调查即可快速计算各观测点的地震影响程度(以仪器烈度和地震动参数表示),进而给出完整的地震影响场,可在震后数分钟内为政府和社会发布人员伤亡估计、经济损失评估、应急救援决策和工程抢险修复决策提供依据。安装在一般站的监测设备为专业地震烈度测量仪。由国家发改委投资的国家地震烈度速报与预警工程项目在全国已经完成了10 349个一般站的建设,考虑到节省基础建设投资及通信与能源共享,一般站的设备架设在铁塔公司的基站中,设备运行环境相对可靠、稳定。一般站采集烈度信号的连续较低中断传输直接决定着烈度速报产品产出的时效与准确性。如果采用专
2、线传输,庞大的台站数量将导致通信费用相当高。因此,在一般站的建设中,如基于物联网的国家地震烈度速报一般站组网方案的设计与实现Design and Implementation of Network Scheme for National EarthquakeIntensity Quick Report General Station Based on Internet of Things关键词:一般站;烈度速报;物联网;组网技术doi:10.12045/j.issn.1007-3043.2024.02.010文章编号:1007-3043(2024)02-0050-07中图分类号:TN929.5
3、文献标识码:A开放科学(资源服务)标识码(OSID):摘要:以物联网组网为基础,立足于资源和能源共享,以降低建设成本及建设周期为目的,依托中国铁塔布设有烈度仪的各基站FSU监控平台、中国联通云机房等资源,从底层到应用层详细介绍了一般站烈度仪的组网原理及实现过程,解决了中国地震烈度速报一般站运行中的网络传输、运行监控、故障处理控制等具体的实际问题。Abstract:Based on the Internet of Things,focusing on resource and energy sharing,with the aim of reducing construction costs a
4、ndconstruction cycles,and relying on the intensity meter of each base station FSU monitoring platform of China Tower,telecomcloud machine room of China Unicom and other resources,it introduces the networking principle and implementation processof intensity meter of general station in detail from the
5、 bottom to the application layer.The practical problems such as networktransmission,operation monitoring,and fault handling and control in the operation of the earthquake intensity rapid report ingeneral station in China are solved.Keywords:General station;Quick report of intensity;Internet of Thing
6、s;Networking technology段云鹏1,赵莉2,公欣波1(1.中国联通甘肃分公司,甘肃 兰州 730000;2.中国铁塔股份有限公司甘肃省分公司,甘肃 兰州730000)Duan Yunpeng1,Zhao Li2,Gong Xinbo1(1.China Unicom Gansu Branch,Lanzhou 730000,China;2.China Tower Corporation GansuBranch,Lanzhou 730000,China)基金项目:甘肃省重点研发计划(22YF7GA056);地震动力学国家重点实验室开放基金课题(LED2020B01);甘肃省敦煌文
7、物保护研究中心开放课题(GDW2021YB13);中国地震局地震预测研究所基本科研业务专项(2017IESLZ02);甘肃省自然科学 基 金(18JR3RA414);甘 肃 省 应 急 流 动 台 网 运 维 项 目(ZX1903001)收稿日期:2023-12-04段云鹏,赵莉,公欣波基于物联网的国家地震烈度速报一般站组网方案的设计与实现无线通信Radio Communication引用格式:段云鹏,赵莉,公欣波.基于物联网的国家地震烈度速报一般站组网方案的设计与实现 J.邮电设计技术,2024(2):50-56.50邮电设计技术/2024/02何用较低成本保证较高的运行率,是实现台站组网与
8、监控的关键。本设计拟基于物联网搭建地震烈度速报的一般站运行网络,为物联网在地震烈度速报预警中的应用打开大门2。其基本思路是利用中国铁塔原有通信机房及附属通信设施,将国家地震烈度速报一般站设备并入通信基础设施维护网中,通过对中国铁塔原有物联网监控平台进行一系列的改造,解决传输通道的问题,并借助中国铁塔724 h、遍布全国各个县区的维护力量保证一般站的日常维护及故障处理。在传输、通信、日常监控维护等一系列难点得到解决后,形成立体监测网络3,保障烈度采集数据的实时传输。1 物联网技术在地震行业中的应用基础近年来,随着物联网技术的不断发展,我国愈发注重将物联网引入到防震减灾工作当中。早在2016年,我
9、国政府就制定了防震减灾规划(20162020年),其中明确强调了信息化支撑的重要性,并要求防震减灾实施“互联网+”行动计划,拓展物联网等新技术应用7。通过地震感知设备建立点多面广的监测分布点,实时采集地震烈度信息,并利用云计算技术提高地震预警能力及震后灾害评估效率,为地震灾害预警提供可靠的保障,此外物联网可及时推送产出的地震信息,是灾后应急救援的有力助手8。1.1 在地震灾害监测中的应用通过对地震灾害不同评估指标的分析,实时动态预测灾害发生的可能性,并根据地震发生后的烈度情况进行烈度图的绘制。针对灾后烈度情况,根据采集回传数据的先后不断修正烈度图,最终可在几分钟内绘制出比较完善的烈度图,为灾后
10、救援提供可靠的数据依据。在此过程中,需要在数据库中添加各种地质灾害数据,并根据不同灾害类型对评估区域中的危险度进行划分。在此基础上,将其敏感度进行叠加,绘制区域地质灾害分布图,结合区域的社会属性,设定灾害预警安全阈值,并通过手机通信端的APP接入地震监控预警系统中,以确保对地质灾害的实时监控。地质灾害实时动态预测过程如图1所示。按照上述方式,对区域地质灾害进行实时动态预测及灾后地震烈度快速预估,并根据终端输出的数据,制定对应的灾害防治及灾后救援方案,降低地震灾害对区域经济发展与周围居住群体带来的危害5。1.2 在地震信息推送中的应用地震预警系统本身就是一个全自动且可实现秒级响应的物联网系统。在
11、震区布设大量监测仪,当地震发生时,这一物联网系统可利用电波比地震波传播速度快的原理,在破坏到来前几秒或几十秒向民众发出预警警报,从而为民众争取逃生的黄金时间。在预警发出后,民众可能对于逃生比较迷茫,无法确认安全方位,这时物联网可再度发挥价值7。2023年我国青海、云南等地接连突发强震,物联网便展现出了强大的抗震价值,其中最为明显的就是对于地震的预警。在云南漾濞县地震发生时,物联网发挥了巨大作用,很多当地居民在电视、相关APP上收到同步预警信息7。此外,对于环境恶劣的灾区来说,指挥调度、医疗救援力量想尽快赶往前线,也离不开远程指挥、远程医疗的助力,这背后同样需要物联网支撑。总之,物联网在地震行业
12、中的应用,对监测预警、民众逃生、应急救援和远程调度等,都发挥巨大作用。2 地震烈度采集组网方案现状2.1 地震烈度采集组网方案根据地震行业的监测特点,采用工业路由器,构建一整套地震监控系统解决方案,实现地震背景场探测系统的自动化、信息化、网络化,加强地震科学研究、监测预报、震灾预防及紧急救援的基础设施。工业路由器与固定观测台站数据采集仪连接,并通过以太网将现场的地震数据上传到地震背景场探测系统中心。工业路由器能够适应严苛的室外环境,采用3G/4G高速无线网络作为数据承载网络,为远程设备和站点之间的联网提供安全高速的无线连接。无论观测站点身在何处,都可通过3G/4G网络快速接入互联网,并通过VP
13、N与地震背景场探测系统中心建立通信连接,便于技术工程师使用专业软件对强震数图1地质灾害实时动态预测过程客户端OCX控件播放矢量地图网络服务请求地图控件数据显示操作HTML数据服务器端OCX控件接口管理空间数据库服务器段云鹏,赵莉,公欣波基于物联网的国家地震烈度速报一般站组网方案的设计与实现无线通信Radio Communication512024/02/DTPT据进行分析处理。地震无线监控系统网络解决方案如图2所示。系统管理员对所有地震台站工业路由器进行在线状态监控、批量管理、流量监控,提高管理效率;基于地图的网管系统方便用户进行现场定位,精细化管理设备现场;优化的网管协议适合低带宽、高延时的
14、网络环境,符合无线移动网络特点。2.2 现有烈度采集组网方案存在的问题传统的地震烈度采集组网技术采用基准站、基本站、一般站的“三网合一”方式,该方式采用有线组网,部署耗资巨大,施工难度大,组网复杂,达不到地震预警系统秒级响应、全自动化运行的实时系统数据通信要求。中国铁塔的解决方案主要利用中国铁塔 FSU为地震烈度仪提供数据回传,并采取无线VPN的方式将采集的数据直接透传至地震局平台,可根据需要增加边缘路由器。FSU主要用于建立和维护VPN链路,并不断解析和处理地震烈度仪采集的数据。中国铁塔的解决方案的组网功能特点如下。a)双无线链路智能切换备份,有线与无线智能切换备份。设备选配 GPS、5G
15、通信模式,可选配双 SIM配置,实现双无线带宽叠加,双无线链路智能切换备份,有线与无线智能切换备份。b)超强无线通信能力,巨量数据实时传输。工业路由器采用工业级高速4G无线通信模块,配置32位高性能处理器,FLASH、RAM提升2倍,巨量数据无线传输速度提升,可满足地震预警系统秒级响应要求。c)Wi-Fi热点覆盖,数据吞吐率高,为各项增值服务提供保障。强大的Wi-Fi热点功能使每一台终端设备都是一个Wi-Fi热点,可为周围100 m范围的空间提供Wi-Fi联网服务,可同时连接60个以上的设备,为各项服务提供高速网络通道。d)提供更多安全部署方案,数据传输达金融级标准。支 持 APN/VPDN
16、专 网,同 时 设 备 具 有 IPSec、PPTP、L2TP、GRE、OPENVPN 多 种 VPN 连 接,具 有VPN客户端、服务端等功能。在专网的基础上再增加一层加密方式传输,充分保障交易数据、管理数据的安全性、准确性。e)易部署易实施。可便捷地将遍布各地的采集终端安全、稳定、可靠组网,组网规模大、部署距离不受限制、建设工期短、预算初投资小,为数据无线通信传输提供技术保障。f)适应各类无人值守工业应用环境,724 h稳定工作。地震烈度仪具有强大的智能防掉线机制,保证无线通信永远在线;具有耐高低温、防潮、防雷特性,在各种恶劣的自然气候环境下均可稳定工作;其高等级的EMC抗干扰设计,强电磁
17、干扰环境下工作优势明显。g)设备远程配置、升级与维护,极大提升管理效率。设备远程管控将大量分散各区域的设备进行集中监测、配置、升级、诊断、维护、管控,能极大降低运营方、集成商、设备提供商等各方的维护成本,提高管理效率。h)高可靠性网络功能。采用软硬件看门狗及多级链路检测机制,具备故障自动检测、自动恢复的能力,保证设备稳定可靠运行。i)网络安全。支持基于标准IPSec的VPN服务,其中支持的加密方式包括DES、3DES、AES,数据验证方式包括MD5和SHA-1。中国铁塔以遍布全国超过210万的铁塔站址为支撑,基于互联网、云计算和全国统一的平台能力,逐步将通信塔升级为“数字塔”。通过在通信塔挂载
18、应急通信设备、摄像机,使其变身为“应急电子哨兵”,一旦出现险情,政府相关部门可以及时发布信息,并通过高点采集的视频数据进行分析、综合研判,提升应急指挥调度能力。3 一般站组网技术与一体化监控平台3.1 组网原理本次按照物联网技术架构逻辑进行组网,划分为感知层、网络层和应用层(见图3),每部分包括业务实现方式、技术原理、后期规划等内容。3.1.1 总体架构地震烈度仪通过有线方式接入FSU,FSU不解析图2地震无线监控系统网络解决方案数据分析服务器数据存储服务器操作服务器监测控制中心地震检测仪ORB305现场端4G/5G4G/5G基站IPSec VPN核心路由器段云鹏,赵莉,公欣波基于物联网的国家
19、地震烈度速报一般站组网方案的设计与实现无线通信Radio Communication52邮电设计技术/2024/02端口数据,只负责建立数据上下行通路,数据将透传至地震局服务器。地震局服务器可通过全网唯一内网 IP识别 FSU。FSU支持无线/有线网络连接上传数据至预警平台,FSU同时接入双VPN(见图4)。在通信机房原有的开关电源柜中设置专用地震烈度仪接电端口,通过直流转换模块为地震烈度仪提供直流供电,同时将接电端口接入原有通信保障的蓄电池,设置为一次下电端口,以保证在市电中断的情况下提供不间断的直流供电,确保地震烈度仪724 h正常工作。3.1.2 逻辑路由逻辑路由为:地震烈度仪通过 LA
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