裴 晓 林航毅

（上海市地震局，上海 200062）

引言

地震流动观测台的架设，可以扩展地震监测的空间领域，不再局限于已建有的测震、前兆和强震台网的台站。为了收集更多的震例，需要将流动台架设到野外的多震地带，以期得到宝贵的流动台资料。譬如将前兆设备地电仪架设在有前兆异常的地点进行实时监测，可获得宝贵的震前数据，用采集回来的数据做分析，积累更多的前兆分析经验。

流动台架设在野外，能否保证设备正常运转显得至关重要。经调查，观测人员发现流动台曾有多次、多种类型的不稳定运行情况：①前兆流动台架设的电磁扰动设备因电压供电不稳定，烧坏了设备的变压器，原计划采集一周的数据，只收集到半天的数据。②前兆流动台仅采用蓄电池供电，续航能力有限，导致当台站架设好、观测人员离开后，无法远程得知供电情况和数据采集是否连续、完整。③前兆流动设备架设在野外时，一般依靠铅酸蓄电池供电，铅酸蓄电池体积大、分量重、携带不便，使得流动观测变成了苦力活，阻碍了流动观测的铺设。

针对上述情况，本文介绍了一套针对流动台观测的智能伺服系统，能够为流动台提供能源、传输和监控等服务，确保流动台在野外顺利的运行及铺展。

1 系统结构及主要功能

本文介绍的针对流动台观测的智能伺服系统，能够为流动台提供能源、传输和监控服务，确保流动台设备在野外的顺利运行。图1为系统结构，系统采用便携式太阳能板和锂电池组合作为能源供给，具备体积小、分量轻、便于携带的优势；系统将流动台数据传输端口与无线传输设备的端口对接匹配，通过成熟、稳定的无线技术实现数据流实时传输；系统可实时监控流动观测设备的运行状态，及时发回状态信息，以供观测人员远程采取相应措施，为流动台设备保驾护航。

图1 系统结构Fig. 1 System structure

1.1 供电系统

系统采用便携式太阳能板和锂电池组合作为能源供给，这种组合具有体积小、分量轻、便于携带等特性，适用于流动观测台。

太阳能供电系统由太阳能电池板将太阳能转换成电能。太阳能板因材质可以分为单晶硅、多晶硅和其他材质。单晶硅的光电转换效率最高，最高可达到25%左右[1]。本系统采用高转换效率的单晶硅太阳能板。

锂电池材质有多种，本系统选用了磷酸铁锂电池。该电池具有比能量高，能量密度高，单体电压高（可以减少串并联带来的问题，提高输出能量和输出功率），充放电功率大（在最短的时间内充电，同时具有良好的大电流负载性能），自放电率低，循环寿命长，且无重金属污染等众多优势特性。

供电系统为地震观测设备、传输设备、监控系统等设备提供稳定的12 V或者5 V的直流电。按照地电场流动台观测的实际功耗进行了供电能力匹配，采用便携式单晶硅太阳能板（120 W）和磷酸铁锂电池（80 Ah、1 200 W）。同时整个系统预留了太阳能板和锂电池的扩容接口，可按照流动观测实际需求进行供电能力升级。

1.2 传输系统

本系统选取“全网通”通讯设备，可因地制宜地选择通讯运营商，以便高质量传输数据。同时采用动态域名解析方案实现了IP方式中单点对多点的通信，不受限于行业网，观测人员可随时随地通过电脑或者智能手机的浏览器对地震仪器进行网页访问，并下载数据（图2和图3）。

图2 远程电脑连接流动台设备界面Fig. 2 Interface of computer connected remotely to mobile stations

图3 手机连接流动台设备界面Fig. 3 Interface of mobile phone connected remotely to mobile stations

1.3 监控系统

远程监控系统基于无线4G/5G全网通技术，具有电压监控等更多的功能接口，如测量工作环境温度、工作环境图像摄取、告警台站异常状态、继电器动作、远程重启设备等[2]。

（1）数据采集模块。具有数据测量和图像摄取功能，可以同时测量8道AD数据或图像数据，包括工作环境的温度、直流电压值数据；系统的拍照端口可根据观测人员的手机短信命令，将摄取的图片反馈至观测人员[3]。

（2）告警模块。由3个功能分模块组成：①电压阈值报警模块，当实时监测的电压超出阈值时，主动发送告警短信。②温度报警模块，实时监测的室温、仪器温度超出设置的阈值时，进行温度告警。③系统还预留了红外侦测告警模块接口。

（3）控制模块。观测人员可以通过发送短信的方式远程控制电源的硬件开关，也可以通过设置电压等测量的阈值，让继电器自动开启切换。

图4和图5为电脑和观测人员手机的操作界面，远程可以通过客户端进行实时数据的测量、监测，并联合继电器进行继电器的开关操作。在此例中，观测人员通过监控装置设置了以1 800 s的周期定时测量系统的各类电压数据（太阳能板输出电压、蓄电池电压、传输系统电压），并开启了告警功能。当电压值超过或者低于设置的阈值，装置将给观测人员发送告警信息。

图4 监控中心远程管理系统操作界面Fig. 4 Operating interface of remote management system of monitoring center

图5 手机短信操作界面Fig. 5 Operating interface of mobile phone SMS

监控系统对传输系统和流动观测仪具有远程重启功能。当发生设备死机、堵包等情况时，可通过监控系统远程管理的操作界面或者手机短信，对相应的设备单独重启、恢复。该监控系统也对运行状况进行实时监控，能够及时发现设备故障等异常情况，并迅速进行预判，可大幅度提升流动观测台的运行质量。

2 系统运行

目前，上海前兆流动台经常将地电场仪架设在野外，以收集震前、震后的地电场信号，采集的数据成功地为科研工作提供了宝贵的资料，将研制的系统与地电场仪做好供电、接口匹配，不仅满足供电的需求，也扩展了传输和监控的功能。

整个装置安放在上海市闵行水中心顶楼，太阳能板做了扩充，共240 W。磷酸铁锂电池规格为80 Ah—1 200 W，通讯和监控部分安装在箱体中。箱体有散热和防水功能，满足野外工作的要求。流动台设备选用地电场仪ZD9A，供电输入端为12 V。

系统搭建后，观测人员可通过监控模块对整个系统进行实时监控，定时测量电压。图6为野外试运行测得的数据，各端口的电压和工作环境温度数据以不同颜色显示。

从图6可以看出，装置内部温度随日夜变化显著，同时装置的散热孔可避免长期处于高温工作。

图6 系统运行情况Fig. 6 System operation

锂电池不仅可储备太阳能能源，同时也给设备供电。锂电池作为系统中最关键的考量指标，可直接反应系统的续航能力。为了直观体现锂电池的工作能力，我们将锂电池的电压值放大并显示在如图7中，锂电池电压在这段时间内最低为12.832 V，即使在夜间也能正常供电，说明了锂电池可以为设备提供长期、稳定的供电。

图7 锂电池运行情况Fig. 7 Lithium battery operation

通过对通讯设备online的电压值实时测量，可判断通讯设备是否正常工作。当online模块电压值为0 V时，通讯设备未接入供电；当online模块电压值为3.4 V左右时，说明处于搜寻网络阶段，未正常工作；当online模块电压值为2.6—2.7 V时，通讯设备处于正常工作。图8为运行期监控的online电压值，3月18日20:42:47发生了1次断网，其余时间通讯设备工作稳定。

图8 通讯系统运行情况Fig. 8 Communication system operation

从该系统的运行情况来看，该系统运行稳定，能够为野外流动观测提供稳定的供电、传输和监控，可满足野外观测的需求。

3 结束语

针对流动台中能源供给难的特征，采用了便携式太阳能板和磷酸铁锂电池，并利用相关领域的前沿技术研制出的流动台伺服系统，解决了流动观测的供电、监控难题，成功实现了“一提就走，打开即用”的目标，降低了流动台的架设难度。

将该系统的研发和应用与监测预报结合起来，能为流动台获取宝贵数据提供必要的外围技术支撑，将架设流动台由难变易，挣脱了人力、传输的束缚，不受地理、空间的局限。该系统不仅能为环境恶劣的流动台提供伺服功能，还能为条件较好的已建成的台站提供技术服务，可以将技术服务延伸至台网所有台站，以便提升地震监测的能力。