福建省簡易烈度計地震預(yù)警試驗區(qū)觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)

付 萍，鄭韶鵬，汪 豪

（廈門地震勘測研究中心，福建 廈門 361021）

0 引言

由于烈度儀臺站成本低廉，易于密集布設(shè)，其較準(zhǔn)確的震級估計結(jié)果，對于地震預(yù)警信息的準(zhǔn)確產(chǎn)出具有重要意義[1]。為加快推進地震預(yù)警體系建設(shè)，根據(jù)中國地震局黨組統(tǒng)一部署和要求，2015年度在京津冀地區(qū)、福建沿海地區(qū)以及川滇交界地區(qū)組織開展簡易烈度計地震預(yù)警示范區(qū)建設(shè)。

福建簡易烈度計地震預(yù)警示范區(qū)建設(shè)建設(shè)內(nèi)容是建設(shè)覆蓋廈門、漳州、泉州及莆田部分地區(qū)的300個烈度儀觀測系統(tǒng)及配套網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、部署地震預(yù)警與烈度速報中心數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及預(yù)警信息服務(wù)系統(tǒng)，為各級政府在中強以上地震發(fā)生后的緊急處置以及地震應(yīng)急救援提供依據(jù)，也為地震研究、工程場地地震安全性評價、建筑物的結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)研究和各類工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范編制提供基礎(chǔ)資料?？傮w目標(biāo)是依托福建沿?，F(xiàn)有及在建地震觀測臺站資源，組建三網(wǎng)融合的地震預(yù)警與地震烈度速報臺網(wǎng)。在福建沿海試驗區(qū)形成地震預(yù)警能力，網(wǎng)內(nèi)發(fā)生破壞性地震后首臺觸發(fā)5～10 s發(fā)布地震預(yù)警信息，5～10 min產(chǎn)出烈度速報結(jié)果，儀器烈度速報網(wǎng)格精度約為10 km。

根據(jù) 《福建簡易烈度計地震預(yù)警試驗區(qū)建設(shè)2015年度任務(wù)專項實施方案》的部署，福建省地震局承建國家地震烈度速報與預(yù)警工程項目-簡易烈度計地震預(yù)警示范項目（福建沿海地震預(yù)警實驗網(wǎng)），由廈門地震勘測研究中心負(fù)責(zé)觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)工作。

1 福建地震預(yù)警試驗區(qū)烈度計網(wǎng)的分布

為盡可能的提高預(yù)警效率并減小預(yù)警盲區(qū)，計劃以地震烈度計建立鄉(xiāng)鎮(zhèn)級別的地震烈度計網(wǎng)，即每個鄉(xiāng)鎮(zhèn)設(shè)立一個儀器烈度觀測點。示范項目計劃在福建省境內(nèi)建設(shè)簡易烈度計觀測站900個，其中首期計劃建設(shè)300個臺站，臺址要盡可能均勻分布在福建省沿海廈門市、漳州市、泉州市和莆田部分地區(qū)，觀測站平均間距控制10 km。經(jīng)過兩輪招標(biāo)、談判，最終達成了與中國電信股份有限公司福建分公司的合作。即依托電信公司，原則上將新建觀測站選址于電信公司符合條件的通訊基站中。福建簡易烈度計臺站分布見圖1。

圖1 福建簡易烈度計臺站分布圖Fig.1 Distribution map of simple intensity meter stations in FuJian

2 技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)成

福建省簡易烈度計地震預(yù)警試驗區(qū)臺站觀測系統(tǒng)由烈度儀、供電系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)3部分組成。圖2為烈度計臺站觀測系統(tǒng)構(gòu)成圖。

圖2 烈度計臺站觀測系統(tǒng)Fig.2 Intensity meter station observation system

2.1 地震烈度儀

福建簡易烈度計地震預(yù)警試驗區(qū)建設(shè)烈度儀設(shè)備全部選用臺灣三聯(lián)科技有限公司研制、北京科益靈動科技有限公司生產(chǎn)的Palert Advance烈度儀。該烈度儀是Palert的進階版，主要加強了儀器的防水功能、CPU指令周期及地震波形的儲存功能 。中國地震局監(jiān)測預(yù)報司在河北省唐山市建成的唐山簡易烈度計臺網(wǎng)，在網(wǎng)運行的100臺套地震烈度儀就是使用的Palert，其相關(guān)性能、成果均得到河北省地震局的肯定。另外，廈門地震勘測研究中心在福建省莆田市仙游縣建有一個23個觀測點的Palert地震烈度速報與地震預(yù)警信息發(fā)布示范項目，具有相關(guān)設(shè)備安裝、運行、維護經(jīng)驗。

Palert Advance內(nèi)含三分向微機電（MEMS）加速度計、兩組固態(tài)繼電器可連接控制外界設(shè)備、10/100MHz網(wǎng)絡(luò)與RS-232/RS-485通訊能力、并內(nèi)嵌小型信息顯示LED，是一款體積小、功能強All-in-one設(shè)計的地震儀器。特點：

（1）兩組DO，可根據(jù)使用者不同需求做個別設(shè)定。

（2）采用16bit 80MHz CPU及三分向機電加速度計，即時數(shù)位處理，提供高精度的數(shù)值判斷。

（3） 地 震 判 斷 邏 輯 采 用 Pd、 PGA、Displacement與STA/LTA模式，三軸合成向量即時輸出，可記錄地震的最大合成及三分向加速度、瞬時三分向最大加速度。

（4）提供Modbus RTU與Modbus TCP協(xié)定與NTP校時功能，可直接連接電腦、PLC與人機界面，使用Modbus TCP協(xié)定時，最多可同時連接三部電腦或主機。

2.2 電源供電單元

地震烈度儀采用直流供電，所有配電線均嵌入明線槽靠墻鋪設(shè)，電源走線橫平豎直。取電模式分為二種，具體方式如下：

（1）運營商機房若不在基站一層，則安裝位置根據(jù)實際情況優(yōu)先選擇一層的進線室、配電房等位置，由市電220 V通過電源轉(zhuǎn)換器供電。為保證系統(tǒng)運行的連續(xù)可靠性，控制在一定距離內(nèi)（不超過50 m）將220 V交流電引入臺站烈度儀防護機箱內(nèi)。

（2）運營商機房若在基站一層，則儀器安裝于機房內(nèi)，利用機房48 V不間斷電源通過電源轉(zhuǎn)換器供電，并控制直流電源引電距離 （不超過10 m）。

為確保安全，保證系統(tǒng)運行的連續(xù)可靠性，所用電源引入線采用三芯2.5 mm2銅芯電纜，插座、開關(guān)等使用高質(zhì)量的產(chǎn)品。

以上供電系統(tǒng)建設(shè)均包含在通訊系統(tǒng)內(nèi)，由運營商按要求統(tǒng)一負(fù)責(zé)鋪設(shè)。

2.3 通訊系統(tǒng)

簡易烈度計臺站通訊系統(tǒng)主要采用以下的技術(shù)思路：在臺站安裝地震烈度儀、通信端口、電源配電單元等設(shè)備，采集到的地震動信號由通信端口通過有線網(wǎng)絡(luò)傳回省地震局臺網(wǎng)中心，同時傳回廈門地震勘測研究中心的數(shù)據(jù)中心。烈度計臺站通信系統(tǒng)依賴運營商承載網(wǎng)，采用MPLSVPN專網(wǎng)方式，實現(xiàn)不同通信節(jié)點的互聯(lián)。臺站數(shù)據(jù)傳輸以MPLS VPN 2M專線網(wǎng)為主，3G/4G無線網(wǎng)絡(luò)電路為輔，以兩條MPLS VPN 20M電路作為省局中心及廈門地震勘測研究中心匯聚接入[6]，數(shù)據(jù)傳輸示意圖見圖3。

簡易烈度計臺網(wǎng)IP地址按地區(qū)規(guī)劃，采用每個地市分配一個B類地址（表1），共劃分302個子網(wǎng)，同時考慮未來的業(yè)務(wù)需求，預(yù)留足夠子網(wǎng)。

3 站點勘選

3.1 勘選原則

項目組依據(jù) 《地震臺站建設(shè)規(guī)范地震烈度速報與預(yù)警臺站》（DB/T 60-2015）及《國家地震烈度速報與預(yù)警臺網(wǎng)工程一般站場址勘選技術(shù)指南》相關(guān)要求，確定了烈度計臺站場址的勘選方案。臺址勘選調(diào)查遵循以下原則：

（1）臺站均勻分布在監(jiān)視區(qū)內(nèi)，同時根據(jù)我省地震地質(zhì)構(gòu)造條件和城鎮(zhèn) (人口相對密集)分布情況作適當(dāng)調(diào)整，觀測站平均間距10 km左右。

（2）臺站布設(shè)在自由場地上，臺址宜布設(shè)在平坦穩(wěn)定的一般 （中硬）場地上，盡量避開局部地形變化大，平面分布上成因、巖性、狀態(tài)明顯不均勻的土層地點 （如高聳孤立的山丘、陡坡、陡坎、河岸和邊坡的邊緣、軟弱土、液化土、高填方區(qū)等）。

（3）臺站選擇背景振動噪聲較小的地點，避開大型的馬達、泵站、發(fā)電機、塔柱狀結(jié)構(gòu)、重型車輛通路、大型管道等設(shè)施，優(yōu)先選擇各鎮(zhèn)區(qū)行政單位的辦公服務(wù)場所內(nèi)。

（4）安裝點選擇建筑物樓高不超過底層10 m，樓層數(shù)不超過兩層，儀器布設(shè)在建筑物地層人流量少，環(huán)境安靜的位置，距離地面20～40 cm，放置于儀器墩或承重墻上，按儀器所要求的水平及南北朝向安裝。

（5）臺址場地的最大背景振動加速度噪聲小于0.0001 gn。

（6）臺站有穩(wěn)定的交流/直流電源、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)，交通方便，并有安全保障。

（7）防盜、防潮、通風(fēng)、保溫等符合相關(guān)規(guī)范要求。

根據(jù)上述原則并結(jié)合福建省實際情況，項目組與中國電信集團公司 （福建）分公司進行合作，經(jīng)勘選確認(rèn)的300個一般站除廈門集美敬賢公園選擇原有強震臺外，其余均選擇租用電信公司的基站機房，并由電信公司負(fù)責(zé)供電系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及托管。原則上選擇每個鄉(xiāng)鎮(zhèn)電信部門的模塊局機房，可以保證人口密度，鑒于臺站均勻分布的考慮，部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)選擇村莊附近的接入網(wǎng)或C網(wǎng)機房，且較大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)可能布置2個站點，一些較小且靠在一起的鄉(xiāng)鎮(zhèn)適當(dāng)舍去。

3.2 現(xiàn)場勘選

2015年下半年項目組開始著手進行烈度計臺站的現(xiàn)場勘選工作，通過與電信公司積極溝通配合，完成了廈門、泉州、漳州、莆田等地市300個臺站的現(xiàn)場踏勘選點工作，其中廈門23個、泉州128個、漳州127個、莆田22個。每個站點都詳細記錄，形成點之記（表2）。

圖3 烈度計臺站數(shù)據(jù)傳輸示意圖Fig.3 Data transmission diagram of intensity meter station

表1 簡易烈度計臺網(wǎng)IP地址分配方案Table 1 Ip address assignment scheme for simple intensity meter network

3.3 臺站名稱命名

臺站名稱采用5位命名規(guī)則，字符為大寫字母和數(shù)字。 “Xabcd”：X為地級市名縮寫 (參考汽車編碼)，abcd為四位數(shù)字，a為地級市電話區(qū)號尾數(shù)，b為縣級代碼 （見表3），cd為縣內(nèi)臺站順序數(shù)字代碼。例如表2中的臺站名稱 “C5609”代表 “泉州市德化縣第九個臺站”。

4 儀器安裝與調(diào)試

項目組在完成烈度計臺站的現(xiàn)場勘選工作后，2016年5月下旬開始在漳州南靖縣、漳浦縣完成二十七個臺站觀測設(shè)備測試安裝，測試設(shè)備及數(shù)據(jù)傳輸可行性及穩(wěn)定性。2016年7月至11月進行剩余臺站的觀測設(shè)備安裝、調(diào)試工作。

地震烈度儀安裝位置一般選擇條件較好的電信機房，若機房不在一層，則選擇底層的進線室、配電房、油機房等，儀器布設(shè)在距離一層地面50 cm處以下。為了確保強震動記錄的可靠性，必須保證烈度計與安裝面之間牢固緊密的接觸。如果地震時烈度計發(fā)生滑動，將會造成記錄失真，甚至無法使用。另外，為確保烈度儀在安裝運行后能有較好的運行環(huán)境，減少人為和其它外界因素的影響或破壞，還采用了增加防護機箱的防護措施。烈度儀安裝位置按儀器尺寸在機箱背板開出安裝孔，達到儀器和墻直接接觸的目的。

表2 一般站站點點之記Table 2 General station site record table

表3 簡易烈度計臺站名稱縣級代碼表Table 3 County-level code for the name of the simple intensity meter stations

在墻壁上確定安裝孔并用沖擊鉆取好孔后，用魚式尼龍膨脹管配Φ10*50螺釘將防護機箱安裝于承重墻上，烈度儀置于機箱鏤空位置內(nèi)用膨脹管配Φ10*50螺釘和墻壁鎖固，設(shè)備安裝方式如圖4所示。地震烈度儀設(shè)備現(xiàn)場詳細安裝流程見圖5～7。

每個站點儀器設(shè)備全部安裝后，應(yīng)進行功能測試、人工觸發(fā)試驗、本地和遠程測試。

圖4 福建地震預(yù)警實驗網(wǎng)設(shè)備安裝圖Fig.4 Equipment installation for Fujian earthquake early warning experimental network

圖5 沖擊鉆取孔、儀器調(diào)水平并鎖固Fig.5 Impact drilling，instrument leveling and locking

圖6 測量安裝方位角、配置網(wǎng)絡(luò)及臺站參數(shù)Fig.6 Measuring installation azimuth，configuration of network and station parameter

圖7 安裝防護機箱Fig.7 Installation of protective chassis

5 結(jié)語

地震觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)是一項集地震觀測技術(shù)、建筑技術(shù)、電力技術(shù)、電子計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)于一體的綜合性工程。在設(shè)計及實施過程中做到以下幾點：

（1）觀測房做到抗震、避雷、屏蔽、防潮、防水、防盜等科學(xué)化、人性化設(shè)計。

（2）臺站專用設(shè)備選型滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

（3）電信機房有直流電源的臺站，可以提供不間斷48 v直流電源，通過變壓方式，直接給簡易烈度計供電。少部分電信機房沒有提供直流電源的臺站，采用220 V、50 Hz交流轉(zhuǎn)直流12 V輸出供電方式。

（4）傳輸鏈路基于Internet VPN撥號連接實現(xiàn)雙向網(wǎng)絡(luò)通信。

福建簡易烈度計地震預(yù)警試驗區(qū)建設(shè)項目經(jīng)過兩年多的建設(shè)，經(jīng)歷了工程方案設(shè)計、臺址勘察、臺站建設(shè)、儀器設(shè)備安裝、系統(tǒng)集成等階段。通過建設(shè)覆蓋示范區(qū)300個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，具有地震預(yù)警及烈度速報功能的簡易烈度計臺網(wǎng)及數(shù)據(jù)處理、信息發(fā)布中心，組建了由測震臺網(wǎng)、強震動臺網(wǎng)及低成本烈度計臺網(wǎng)融合形成 “三網(wǎng)合一”的福建省地震預(yù)警觀測網(wǎng)絡(luò)，使得福建省在觀測臺網(wǎng)規(guī)模和密度、觀測技術(shù)水平、強震動記錄的獲取能力和質(zhì)量、數(shù)據(jù)處理速度和信息發(fā)布功能等方面，達到國內(nèi)先進水平，為日后的國家地震烈度速報與預(yù)警工程項目的全面實施建設(shè)也打下了堅實的基礎(chǔ)。

6 主要問題及解決方案

通過福建省簡易烈度計地震預(yù)警示范項目近一年的試運行發(fā)現(xiàn)，大批量的烈度計運維是個嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。烈度計臺站低成本的特性使供電及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境相對較差，導(dǎo)致儀器故障率較高，加之維護工作人員較少，無法滿足烈度計臺網(wǎng)高運行率的要求。國家地震烈度速報與預(yù)警工程實施后臺站數(shù)量更大（福建區(qū)域未來是800臺左右），建議配備足夠數(shù)量的備機，以購買服務(wù)的方式，依托社會力量進行臺站運維。針對現(xiàn)有的烈度計儀器不穩(wěn)定、系統(tǒng)集成度低的弊病，研發(fā)高度集成化的新型烈度計也勢在必行。

另外，由于電信公司擴容需要，電信機房光纖改造，大量的接入網(wǎng)機房無法滿足烈度計的布設(shè)要求。有些接入網(wǎng)機房是租用民房，民房租用時間一般3～5年，面臨到期無法續(xù)租、臺站被迫改遷或停用的問題。為充分利用現(xiàn)有數(shù)量更加龐大的國家基礎(chǔ)設(shè)施和社會資源提高數(shù)據(jù)傳輸效率、降低建設(shè)成本，項目組也嘗試與中國鐵塔公司開展合作，充分利用鐵塔公司的FSU（基站智能動環(huán)監(jiān)控單元）冗余的帶寬資源，聯(lián)合進行了地震烈度儀接入FSU數(shù)據(jù)測試工作，測試結(jié)果表明：在網(wǎng)絡(luò)信號質(zhì)量較好時，通過FSU技術(shù)傳輸?shù)卣鸨O(jiān)測數(shù)據(jù)的方式，數(shù)據(jù)連續(xù)率基本穩(wěn)定在99%以上，但在無線網(wǎng)絡(luò)信號質(zhì)量上、信號無法回落上還存在一些問題，比如FSU的數(shù)據(jù)流量卡因信號問題回落至3G網(wǎng)絡(luò)后，無法在信號好轉(zhuǎn)時自動恢復(fù)成4G網(wǎng)絡(luò)，需人工重啟操作后方能恢復(fù)。解決方案可采取優(yōu)化FSU的無線模塊，并盡量選擇無線網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量較好的基站等措施，通過在后續(xù)工作中進一步與鐵塔公司密切配合，逐步加以解決，為國家地震烈度速報與預(yù)警工程一般站建設(shè)項目的開展提供充足的可用臺站資源。