四川西昌地球物理站網故障分析及運維建議

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測中心站，四川 西昌 61500）

地球物理觀測儀器是地震監測預報的重要保障，其質量直接決定了數據產出的準確性（劉高川等，2021）。經過多年發展，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行概況進行分析統計，發現故障原因，并提出解決方案；陳?？〉龋?013）通過統計分析山西省地球物理觀測儀器運行以來發生的故障及其維護情況，對故障現象、原因查找過程和采取的應對措施進行總結，找出儀器設備運行維護的共性問題；李延峰等（2016）對青海省地震局地球物理觀測儀器的整體運行情況進行了概述，對2010—2014 年期間前兆儀器出現的各種故障進行了統計、分析，發現故障出現的原因多為數采故障及供電系統故障，為排除儀器運行存在的隱患、保證前兆設備正常運行提出了解決方案；趙希磊等（2017）研究了安徽前兆臺網運行情況，對儀器典型故障進行了分析，總結了通信故障、供電故障、儀器自身故障和環境因素等內容；周洋等（2020）根據多年工作經驗，分析總結了幾種地下流體觀測儀器運行故障類型，并提出了對應的解決辦法。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，這些問題會影響地震監測數據的準確性。特別是在交通不便且地球物理臺站分布較遠的涼山地區，一旦發生故障，將會嚴重影響數據的連續性和完整性。因此，對涼山地區運行的地球物理觀測儀器的故障原因和影響因素進行分析具有重要意義，這有助于降低故障發生概率和縮短故障維修時間，從而保證地震監測精度并提高地震預測能力。本文旨在探討地球物理觀測儀器故障相關問題，首先詳細分析了其故障原因，然后進一步探討了故障對地震監測工作的影響，并提供了故障處理和預防措施，以期為進一步提高地震監測水平提供參考依據。

1 西昌地球物理站網概況

西昌地震監測中心站所轄涼山地區屬青藏高原東南部的橫斷山系，境內有安寧河斷裂、則木河斷裂、大涼山斷裂、昔格達斷裂等主要斷裂。涼山地區地質結構復雜，區域構造運動強烈，決定了該區域地震活動頻度高、強度大的背景。西昌地球物理站網經歷了“模擬和人工”觀測、“數字化”和“網絡化”3 個階段的建設和優化，最終建成由13 個臺站組成的站網。目前該站網共擁有42 套流體、形變和電磁3 個學科的地球物理觀測儀器，其中包括數字水位儀、水溫儀、地下水數據監測系統、測氡儀、痕量汞氣體在線自動分析儀、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變儀等。由于各觀測系統建成時間、技術體系均有所差異，并且臺站分布范圍廣，遍布西昌市、鹽源縣、木里縣、昭覺縣、冕寧縣等地，地球物理站網運行維護工作面臨一定的困難。近年來，隨著舊設備的升級更新和運維措施的不斷完善，西昌地球物理站網的運行率、數據完整率和有效率也穩步提升，其中2018—2022 年的運行率分別為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在2018—2022 年各類儀器所出現的故障情況，按照故障類型進行分類統計（表1），結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%。從故障次數的年度分布看，2018—2020 年地球物理觀測儀器的總故障次數較高，每年均在20 次以上，而在2021 年之后則明顯下降。這主要是因為從2021 年開始全面改造了西昌站地球物理臺站的供電系統，提高了供電保障能力。此外，西昌站網還依托重點地區地球物理監測儀器升級項目更換了部分年限較長且故障率較高的設備，整體運行率得到了顯著提高。

2.1 供電系統故障

西昌地球物理站網的臺站主要采用交流市電接入UPS 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，當市電中斷時，UPS 供電系統會將蓄電池的直流電轉換成交流電，然后由儀器內部的開關電源再次轉換回直流電，這種方式導致整體輸出效率較低。如果一個臺站內所有觀測儀器都通過UPS 供電，一旦市電長時間中斷或需要更換蓄電池組，將導致該臺所有儀器停止工作，并影響數據質量。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。太陽能供電系統故障的主要原因包括：負載耗電量大于組件發電量從而導致電力供應不足；太陽能電池板被建筑物或植被等遮擋而導致蓄電池虧電；控制器故障只放電未充電；蓄電池老化使得內阻增大和容量下降，不足以支持系統供電等。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站直流電氣設備而設計的智能化設備。它可以支持交流和太陽能控制器同時接入，為負載設備提供持續穩定的電力供應。此外，該設備還配備電源監控軟件，可通過有線網絡實現讀取運行數據、通斷負載、改變運行模式、遠程重啟儀器等功能。

供電系統是儀器正常工作的基本保障。根據西昌站2018—2022 年儀器故障情況統計（表1），約40%的故障都是由于供電問題引起的。西昌站地球物理監測臺站均分布在偏遠山區，在日常工作中，停電情況較為普遍。一旦出現長時間停電，將直接導致數據缺失。因此，設計一套穩妥可靠的臺站供電系統對于確保地球物理觀測儀器的高效運行至關重要。

2.2 通訊系統故障

西昌地球物理站網網絡通信方式主要有2 種：MSTP 專線和無線網絡傳輸。（1）MSTP 專線主要用于西昌站地球物理觀測數據的匯集、共享、上報和日常辦公，MSTP 設備與核心交換機位于西昌站中心機房內，配備UPS 供電系統，如遇長時間交流供電故障，采用柴油發電機輔助供電。MSTP 網絡故障，主要為電信光纖線路故障和光纖收發器故障。（2）無線網絡傳輸主要用于野外觀測臺站，其通信鏈路如圖1 所示。目前各移動運營商的4G 網絡通信技術已非常成熟，而且信號覆蓋范圍廣，利用4G 網絡工業無線路由器構建的4G無線網絡通訊，可以很好地解決野外臺站的數據傳輸問題。4G 無線網絡通訊故障主要有：臺站無線路由器故障、數據卡故障、外置天線故障等。

圖1 無線網絡傳輸線路圖

圖2 瀘沽湖地震臺GEF-2 型地電場儀故障波形

2.3 主機故障

主機故障主要表現為：數據采集和儲存出錯，主機不能正常獲取或保存傳感器數據；主機的硬件（比如主板、CPU 等）故障，導致設備不能啟動或運行；軟件故障，主機的軟件程序有問題，導致數據采集和數據文件生成錯誤。

2019 年8 月初，瀘沽湖地震臺的GEF-2 型地電場儀出現了故障，主機會不定期地缺少數據。經過運維人員的查看，儀器供電電源和程序運行狀態均正常，判斷為主機存在硬件問題。在運維人員現場拆機檢查時，發現主機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ZKGD3000-M 型氣象三要素儀出現故障，導致數據處理人員未能采集前一日的數據。運維人員進入了儀器網頁進行查看，發現該儀器未產出前一日的數據文件，因此判斷為軟件故障。5 日14 時，運維人員到現場將最新版軟件程序拷貝到儀器SD 卡中，并進行安裝操作后，成功恢復到正常狀態。2022 年2 月12 日，鹽源臺同型號的氣象三要素儀出現了相同的故障，運維人員進行了現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，運維人員隨后對冕寧臺和西昌川32 井同廠家的氣象三要素儀以及地下流體監測設備進行了軟件升級安裝操作，避免類似故障發生。

2.4 傳感器故障

地球物理觀測傳感器由探測元件、轉換元件、信號調理轉換電路等部分組成，具有靈敏度高和實時性強等特點。然而，傳感器故障也是普遍存在的，這些故障主要源自3 個方面：一是傳感器長期在惡劣環境下工作，導致元件老化、腐蝕等問題，觀測數據表現出突跳、階變或持續漂移等；二是傳感器與信號采集器之間的電纜故障，觀測數據顯示99999（如水溫儀、磁通門磁力儀等）；三是傳感器信號干擾，傳感器信號可能會受到其他電磁干擾或接地問題的影響而出現干擾，這可能會導致傳感器的信號變得不穩定或者出現錯誤的信號值。

2021 年9 月8—10 日，鹽源干海井的SZW-2 型水溫觀測曲線出現不連續的突跳和階躍現象（圖3）。運維人員檢查了儀器供電系統和主機工作狀態，發現均處于正常工作狀態。運維人員初步判斷問題可能出在傳感器上面，進一步確認后在現場更換了傳感器，問題得到了迅速解決，觀測曲線恢復了正常。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多日出現突跳情況（圖4），運維人員檢查了儀器供電系統，發現不存在電壓不穩定的情況，主機程序的運行狀況正常，鑒于固體潮形態明顯，初步判斷存在傳感器受到干擾的可能性。經現場排查，發現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險，移除后，數據恢復正常。

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 運維建議

地球物理觀測儀器種類較多，故障原因復雜多變，如何有效地保障儀器連續穩定運行，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

在地球物理觀測臺站的供電系統方面，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儀器相對獨立，以充分保證各儀器不間斷地得到電力供應。例如，在鹽源地震臺，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，要定期開展臺站巡檢工作，檢查供電線路并及時更換老化的線路；檢查太陽能電池板表面是否有遮擋物，并及時清理，以確保足夠光照；檢查蓄電池容量、內阻和壽命等，及時更換狀態較差的蓄電池。

3.2 加強備機備件配置和管理

隨著中國地震科學實驗場建設工程和重點地區地球物理監測儀器升級項目的實施，地球物理觀測儀器的類型和數量會進一步增加，可能會出現各種難以排除的故障。因此，各臺站應適當增加備機備件的種類和數量，以確保在儀器發生復雜故障時能夠在短時間內恢復正常工作。備機的配置應按照在線設備數量的一定比例進行，對于數量較多的在線設備，應優先考慮配置備機。通用配件（如PC104 工控板、直流穩壓模塊和其他易損元器件）也應考慮配置。同時，長期未使用的備機應定期開機檢測，以提高故障處理效率。

3.3 加強與廠家的溝通

隨著地震監測儀器數字化、網絡化和智能化的發展，儀器市場化程度不斷提高，越來越多的地球物理類設備通過地震監測專業設備定型，增加了能夠入網運行的各種儀器的種類。與儀器廠家達成高度密切的溝通反饋機制，可以快速了解儀器工作原理、熟悉儀器結構、規范儀器操作，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，可以促進廠家開展儀器軟硬件升級，提高儀器運行穩定性。

3.4 提高運維人員業務水平

為了提高運維質量和效率，運維人員需要通過實際工作不斷積累經驗、提高技能水平。通過總結和積累經驗，可以更好地應對設備故障，提高設備維護效率，保證設備穩定運行。業務水平高的運維人員可以更熟練地操作和維護儀器，快速發現并處理故障。當然，除了積累經驗和提高技能，運維人員也需要持續學習新技術、新知識，以適應新時代的要求。同時，運維人員還應該具備較強的學習能力和自學能力，通過不斷學習新知識、新技術來提高工作效率，并在實踐中不斷完善自己的技能和知識體系。這樣，運維人員才能更好地勝任自己的工作，確保設備的穩定運行，為地震監測提供可靠的技術支持。

4 結束語

在地震前兆監測中，地球物理觀測儀器扮演著至關重要的角色。通過對地球物理觀測儀器故障原因和維護方法等的深入研究和探討，可以提高地震監測數據的精度和可靠性。本文詳細闡述并探討了地球物理觀測儀器在供電系統、網絡通訊系統、儀器軟硬件及傳感器等方面可能遇到的故障現象。借鑒實際工作經驗，對各類故障現象進行了深入分析，并提出了切實可行的解決途徑與方法。這些建議供地震系統內的同仁參考，以期為解決實際工作中所面臨的問題提供實用且具操作性的方案。

在未來的工作中，我們應持續提高維護人員的技能水平，加強培訓，不斷優化儀器維修維護流程，提高運維工作效率和質量，推動地球物理觀測儀器的技術創新和發展，為地球物理研究和地震預測提供更加可靠和精確的數據支持。