黑龍江測震臺站綜合系統故障分析

徐建權 高峰 高東輝 李繼業 張思萌 張永剛 張雁翔

（中國哈爾濱150090 黑龍江省地震局）

0 引言

故障診斷、預測和系統健康管理是在實際應用條件下對產品或系統進行可靠性評估的方法。其包括：使用保險或預警裝置進行可靠性評估；基于數據驅動對故障征兆進行監測和推理；基于系統應用環境和壽命周期載荷開展失效物理建模（派克·邁克爾等，2010）。對于數字化系統來說,其自身精密性、精確性要求較高,同時系統大多數是由光、機、電元件所組合而成,每一環節都是具備著自身特點和相關專業領域的（黃圣棕，2019）。高業欣等（2022）通過匯集SSY 型伸縮儀維修知識開發了故障診斷指導系統，進而融合推理機平臺對設備進行狀態檢測。陶志剛等（2021）對流體監測系統及其輔助系統的主要故障按功能進行了分類與統計，在整理歷史故障的基礎上分析典型故障并給出了處理建議。本文以分析黑龍江測震系統的可靠度及故障類型為目的，對黑龍江全省測震及相關方面故障進行系統分析。從外部通信、外部供電、內部測震、綜合系統等多角度研究故障的誘因、分類、發生時段、時長、維修周期等，進而提出解決問題的辦法，以提升測震臺網監測系統的可靠度。

1 臺網概況

1.1 地震監測系統運行環境

黑龍江省面積47.3 萬 km2，地理緯度較高。山地海拔300—1 000 m，占總面積的58%。平原占總面積的28%（黑龍江省地震局，2004）。黑龍江省極端最高氣溫為龍江縣41.1℃。最低氣溫出現在漠河及呼中之間高海拔地區，可低至-55.1℃（蔣慧亮等，2022）。

黑龍江31 個地震速報監測站包括9 個國家直屬臺站、22 個區域直屬臺站。其中，山洞觀測12 個；地面觀測17 個；井下觀測2 個。均采用市電供電，4 M 移動專線與接收端通信，監測站平均間距70 km，中部區域分布相對密集，五大連池北部、望奎西部監測站數量較少且間距較遠，該區域也是設備維護、供電、通信較不便利的地帶。黑龍江地震監測站分布如圖1 所示。

圖1 黑龍江地震速報監測站分布Fig.1 Basic distribution of quick earthquake observation stations in Heilongjiang Province

1.2 地震監測系統基本結構

監測站內部系統可分為專業設備、輔助設備2 類。專業監測設備包括數據采集器和地震計，二者用來采集地脈動信號；輔助監測設備是以地震監測為最終目的的具有其他功能的設備，包括交直流供電、網絡通信、避雷設施等。監測站內部技術系統連接如圖2 所示。

圖2 監測站內部技術系統連接示意圖Fig.2 Internal technical system connection of observation station

外部市電的輸電線普遍懸空架設，因相距遠、路況差等原因，另有部分監測站使用風光互補供電方式。外部通信方面，運營商接入端采用雙線路、雙路由模式接入，區域中心至運營商上聯基站采用雙線路、雙路由模式上聯至2 個不同的運營商基站，經由市級傳輸網上聯至骨干傳輸網（圖3）（方瑤等，2022）；臺站端采用單線路、單路由模式接入，經市級傳輸網上聯至骨干傳輸網。

圖3 監測站外部網絡通信示意圖（據方瑤等，2022）Fig.3 External network communication diagram of observation station（Fang et al,2022）

2 監測系統故障分析

2.1 設備故障分類

監測系統故障即在工作過程中因某種原因導致設備功能失效或不能達到預定技術指標，繼而影響相關系統正常運行。地震監測系統故障可分為2 大類：①臨時性故障。此類故障包括間歇性故障，通常由停電、機械作業、風動干擾等外部原因導致設備產出數據不能達到預定技術指標。當干擾消除，設備可自行恢復正常工作，但臨時故障也可能導致永久性故障。②永久性故障。此類故障又可進一步按時間、發展過程、故障原因、嚴重程度等進行分類（圖4）。永久性故障無法自行恢復，必須進行維修或更換。

圖4 監測系統故障分類Fig.4 Fault classification of monitoring system

2.1.1 按時間分類。①早發性故障：由儀器正常工作前存在的問題所引起的故障，如設備內部虛焊、運輸時的振動、錯誤的調試安裝等。②突發性故障：受各種不利因素或偶然外界因素的影響而發生的故障。此類故障的特點是具有偶然性、突發性，一般與使用時間無關，事先無任何征兆，難以預測，如信號線遭破壞所導致的數據中斷、插口松動所導致的相應功能失效、遭到雷擊等。③漸進性故障：由設備技術參數劣化所導致的故障，包括長期的不良因素影響和設備自身零件、接線的老化。此類故障會導致設備工作狀態或產出數據長期不正常，并逐步惡化。通過定期檢查設備輸出數據及標定結果、設備使用年限等可預測此類故障。

2.1.2 按發展過程分類。①潛在故障：是一種預示功能故障即將發生的可鑒別狀態。故障逐漸發展，但尚未在功能方面表現出來，卻又接近萌發的階段。當這種情況能夠被鑒別時，認為也是一種故障現象。對于潛在故障，可以嘗試通過獲取設備參數、信息，校驗設備標定結果來鑒別。②功能故障：在無外界因素干擾的情況下，設備不能達到功能預定的工作要求或狀態，設備應有的工作能力明顯降低，甚至不能工作。這類故障可通過操作者的感受及輸出的參數、數據來進行判斷。

2.1.3 按故障原因分類。①人為故障：由于在制造、維修、使用、運輸、管理等方面存在問題，使設備過早喪失了其應有功能，或其他作業影響及人為故意破壞所導致的故障；②自然環境故障：設備在其使用期內，因受周圍自然因素影響而出現的故障，如雷擊、低溫、潮濕、腐蝕、動物等；③自身故障：儀器內部程序故障、儀器或線路硬件自然老化、標定結果偏離基準值等影響到儀器功能，導致儀器無法正常運行、產出數據。

2.1.4 按嚴重程度分類。①臨界故障：即潛在故障，是危及設備正常工作的故障誘因；②輕度故障：影響設備不常用功能，如不接受標定命令或指示燈損壞等故障，此類故障不影響設備日常監測及數據傳輸；③嚴重故障：影響設備日常工作，需及時修復的故障，如插口損壞、內部電路板損壞等影響監測系統日常監測、供電、通信的故障。

2.2 歷史故障匯總與分析

為研究測震系統正常運轉的可靠度，在不考慮人為主動中斷信號的前提下對2018—2021 年黑龍江31 個監測站3 套子系統故障進行分析（表1）。

表1 2018—2021 年黑龍江省測震系統故障統計Table 1 Fault Statistics of Seismic system in Heilongjiang Province from 2018 to 2021

2.2.1 外部通信系統故障分析。外部通信系統故障是指監測站所在地的通信系統出現故障，導致監測站信號無法上傳至運營商骨干網，繼而造成對省臺傳輸信號的中斷。由于架設位置偏遠、缺乏養護、損耗老化等原因，長期連續工作的通信設備會出現工作不穩定、傳輸數據丟包等功能性故障，進而影響整套通信系統的運轉。這類故障對于通信設備、通信系統而言是漸進性的。通信設備的故障次數占外部通信系統故障總次數的87.31%，時長占比為77.87%。

為屏蔽干擾，通常對信號傳輸光纜進行埋地鋪設，但光纜質量、鋪設長度、凍土、施工等因素都會對其可靠度造成影響，黑龍江省光纜故障最主要的原因是人為誤操作，在農耕、修路、地下管網施工等作業時會出現誤將光纜挖斷、刮破，影響信號傳輸的情況。所以，光纜故障對于通信系統而言既有漸進性的也有突發性的。光纜故障次數占通信系統故障總次數的11.13%，時長占比為20.33%。

露天架設的通信設備除日常損耗及老化外，也容易受到自然災害的影響和破壞，2018—2021 年通信鏈路4 次被凍雨、大風等自然力破壞。自然災害引起的故障對于通信系統和監測系統來講都是突發性故障。自然災害導致的故障占外部通信系統故障總次數的0.78%，時長占比為1.35%。

2022 年黑龍江省測震通信系統優化改造之前，外部通信系統故障具有連鎖反應，如負責信息中轉的基站出現故障，不僅會使當地信號中斷，還會使下層地區基站和監測站的信號無法通過，而中斷原因就是中轉基站的問題，與下層地區系統無關，但對于省局接收端或地震監測系統來講兩地信號屬于同時中斷，所以，將下層監測站信號無法通過中轉基站的次數與時長算作外部通信系統的間接故障來統計。2018—2021 年有4 次5 個監測站受到此類影響出現信號中斷。間接故障次數占外部通信系統故障總次數的0.78%，時長占比為0.45%。

2.2.2 外部供電系統故障分析。此處的外部供電系統是指地震監測站外部的相關供電設施。供電線路的鋪設與通信系統一樣，路途遠，路況差，相對于市區缺乏維護保障，同時變壓器及供電線等設施裸露室外，易受外界因素影響，如電壓不穩定的臨時性故障。監測站外部供電中斷后，由4 只100 A·H 蓄電池供應黑龍江省地震監測站所配備的設備，可連續供電4—7 d（賈軍等，2012 年）。但直接使用市電且自身無蓄電功能的設備在市電停電后則會立刻斷電并停止運行。如果蓄電池虧電，智能電源會自動開啟虧電保護，全部設備停止運行，這時遠程才可能發現信號出現問題。另一種情況是當地市電故障導致當地基站停電，在供電部門恢復供電或通信部門恢復通信之前也會發生信號中斷，即通信中斷不會影響市電，而市電中斷有可能影響通信。外部供電設備故障次數占外部供電系統故障總次數的88.95%，時長占比為88.2%。

向監測站供電的電纜普遍架設在空中，到達監測站周邊才可能埋地鋪設，而多數監測站地處山區，架空的電纜會面臨雷擊、風擾、線桿老化等問題，埋地的電纜也遭到過人工作業的誤傷。供電線路故障次數占外部供電系統故障總次數的4.07%，時長占比為3%。

12 次自然災害導致的故障中雷擊2 次，大風9 次，大雪1 次。外部供電系統故障中自然災害次數占總次數的6.98%，時長占比為8.8%。

2.2.3 監測站測震系統故障分析。潮濕、雷擊、設備老化是影響監測站監測系統正常運行的主要因素，監測站密閉不通風，溫差會導致墻體返潮及設備、接線表面結露、結冰，甚至造成短路、腐蝕等傷害。雷擊會使硬件失去全部或部分功能以及產出數據的失效，即雖有信號，但波形沒有地脈動，屬無效數據。黑龍江省31 個監測站在用設備中2004—2010 年生產的地震計19 臺，數據采集器13 臺，智能電源22 臺。設備現處在浴盆曲線的損耗故障期，已屬于超期服役，在面臨極端環境時其承受能力遠不如前。外部震動可能導致波形無法識別，加速硬件損耗，而正常的地脈動波形周期小且均勻，雖有地震計零漂現象，但波形形態沒有特殊變化。觀測房電瓶受潮如圖5 所示。雷擊、震動及正常情況下120 s 波形形態對比如圖6 所示。

圖5 電瓶受潮濕影響Fig.5 The battery is affected by humidity

圖6 120 s 記錄波形形態對比（a）數據采集器受雷擊波形；（b）地震計受震動干擾波形；（c）正常波形Fig.6 Comparison of recorded waveforms for 120 s

2018—2021 年數據采集器故障21 次，其中，自身故障18 次，雷擊3 次。雷電會通過供電線路、GPS 天線擊中數據采集器，若只有數據采集器遭雷擊，未殃及其他用電設備，則為GPS 引雷；若雷電經市電進入沒有防雷措施的監測站會破壞連接交流電的設備，還可能陸續擊傷、擊毀其他相關聯設備。專業監測設備故障次數占監測站測震系統總故障次數的44.68%，時長占比46.25%。

對于遠程接收端，內部輔助通信系統與外部通信系統發生故障時信號狀態相同，都是網絡信號不穩定或中斷，但故障點不同，相應的維修人員、方式、周期也不同。由環境影響造成的監測站內部通信系統故障3 次，其中，雷擊2 次、洪水1 次，其他5 次為通信設備自身故障。輔助通信系統故障次數占監測站測震系統總故障的19.15%，時長占比36.62%。

若監測站供電出現問題，遠程接收端很難及時發現，通常只有電量耗盡導致數據中斷時才會報警，內部供電與外部供電的停電狀態都是瞬時的。監測站供電系統故障中智能電源自身故障7 次，室內交流供電故障6 次，環境影響導致室內總開關跳閘3 次。輔助供電系統故障占監測站測震系統總故障的36.17%，時長占比17.13%。

外部通信、外部供電、監測站測震等3 套子系統故障在整套監測系統故障中占比情況如表2 所示。

表2 3 套子系統故障次數及時長占比Table2 Proportion of failure times and duration of three sets of subsystems

由表2 可計算出外部通信、外部供電、監測站測震等3 套子系統平均單次故障維修周期分別為14.96 h、18.43 h、133.79 h，綜合系統平均單次故障維修周期為23.42 h。其原因是地方監測人員維護能力較弱，手段較少，沒有固定的巡檢、維修流程，發現故障時主要由省地震臺人員前往維修或郵寄更換故障設備，各中心臺即使有維修水平，也沒有備機備件，所以出現反應不夠迅速、路程較遠、維修周期較長的結果。外部通信、供電故障不是省內總部工作人員前往維修，而是故障設備所在地的供電或通信運維機構及時反應，有效維修的結果。測震設備的優勢是儀器性能、工作環境相對穩定，所以長期保持在浴盆曲線的偶然故障期，但漫長的維修周期也較大程度上降低了監測站測震系統的可靠度。

2.3 月故障累計及分析

黑龍江省監測站主用的EDAS-24 型數據采集器極限工作溫度為-20℃、55℃，所以低溫對系統穩定運行不利。每年從4 月開始，人、牲畜等各類活動逐漸開展，甚至野生動物結束冬眠也會直接或間接影響外部通信、供電系統的正常運轉。除溫差外，從4 月開始的降雨、雷電等因素可導致外部設備、線纜潮濕或受到雷擊，這對觀測房內、外部系統運行也產生了一定影響。下面以月為單位對2018—2021 年故障在外部通信、外部供電、監測站測震系統等3 個方面進行統計。月故障柱狀圖如圖7 所示。

由圖7 可見，外部通信系統每年1—3 月故障次數較少，同時也較穩定，因為在該時段黑龍江空氣干燥且濕度變化小，人畜活動較少，這在很大程度上減少了對外部通信系統的干擾和破壞，通信和供電的用量也相對較少且穩定。4 月初溫差、潮濕、人畜活動、降雨等問題開始出現，故障增加較明顯。從5 月開始，隨著生產生活的恢復及降雨次數的增加，系統故障次數激增，5—8 月降雨較頻繁，雷雨直接影響通信基站等設施正常運行，該時段成為外部通信系統故障高發期。9—12 月通信系統故障次數相比故障高發期均有減少，且2018—2021年這4個月的月累積故障數穩定在47次左右。外部通信系統除設備故障外，較常見的是光纜線路故障，2018—2021 年光纜直接故障57 次，間接故障2 次。黑龍江每年12 至來年2 月處于嚴冬，凍土堅硬，非必要情況是不進行野外作業及道路、管網整修的，因此，該時段通信光纜基本不受溫差及人為干擾，運行較穩定，2018—2021 年這3 個月光纜故障共3 次。而10 月光纜故障較其他月份頻繁，有17 次，占全部光纜故障次數的29.83%，通信光纜都是埋地鋪設，10 月雨水、溫度對其影響有限，主要是人工作業中的誤操作使光纜損傷嚴重。4—9 月的雨季并沒有過多的光纜故障，同樣是人工作業失誤所致，歷次光纜故障均源于光纜被挖斷?？傮w來講，每年1—4 月是外部通信系統故障低谷期，5—8 月為高峰期，9—12 月為平穩期。

監測站外部供電系統普遍裸露在室外，所以雷雨、溫差、潮濕、人畜等因素對室外供電系統的正常運行有直接影響。每年進入5 月，采礦、建筑、旅游等行業用電量激增，外部供電故障次數隨之增加并達到頂峰，6 月末用電量趨于穩定，故障有所減少?？傮w來講，每年5—9 月是外部供電系統故障高發期，1—4 月為低谷期，10—12 月為平穩期。

由圖7 可見，2018—2021 年設備故障次數明顯小于室外通信、供電設備故障，這說明對設備進行針對性防護很有必要且效果顯著。但若監測站因雷擊跳閘，即斷開市電，那么在蓄電池電量低于保護電量或監測站有直接連接市電的設備時，觀測系統將出現相關故障。雨季期間，尤其是那些為了優良基巖質量及較小臺基噪聲而地處山洞或背靠巖體的監測站會出現嚴重返潮、滲水問題，而設備運轉時自身帶有一定溫度，這種環境下在設備縫隙及線纜接口處更容易受潮、結露，從而引發設備故障。觀測設備故障高發期為6—7 月，恰巧也是雨季，其他時段故障次數較均衡。

3 監測系統可靠度計算

4 年為35 040 h，將每1 h 的波形數據看作1 個產品，那么整套系統工作到35 040 h，根據下式（李良巧，2012）

及表 1 數據可以計算4 年中3 套系統自行運轉的可靠度，即N0=35 040 h，外部通信、外部供電、監測站測震系統的可靠度計算結果分別為

綜合測震系統的可靠度為

2018—2021 年監測站內部系統故障總數僅為47 次，占整體系統故障總數的6.43%，但其故障時長占總故障時長的36.74%。由此可見，測震設備從發現故障到維修再到恢復運行是較長的過程，而外部通信、供電故障次數則分別占整體系統故障總次數的70.04%、23.53%，但二者故障時長依次占故障總時長的44.74%、18.52%，

根據下式（李良巧，2012）

得到監測系統平均故障間隔時間

4 故障的處理建議

4.1 外部通信系統

為監測站設置雙流傳輸模式，使用有自動切換信道功能的H3 三層12 V 交換機，在光纖與無線傳輸之間進行智能切換。此方法要注意交換機與映翰通的網絡地址設置需在同一網段且IP 不能沖突。傳輸方式如圖8 所示。

圖8 雙信道自動切換傳輸模式Fig.8 Dual channel automatic switching transmission mode

4.2 外部供電系統

對監測站相關供電系統進行了解和備案，如供電源、線路架設、中轉設備等情況。將每次供電故障情況進行咨詢和記錄，統計嚴重故障點或環節。在此基礎上，由地震相關部門與當地電業部門進行有針對性的交涉以提升供電系統可靠性。針對監測站內部供電，在必要情況下安裝風光互補供電設備，由當地臺站人員視情維護。對于某些臺站光電轉換器使用交流電的情況，應酌情采用UPS 供電，或改為直流供電設備并由智能電源供電，以此應對短時間的市電中斷。

4.3 監測站測震系統

雷擊將設備硬件損毀后，通常只能返廠更換，但可以早作預防，如啟動智能電源隔離供電模式、傳輸線纜埋地及安裝避雷箱、避雷地網、GPS 避雷器、避雷針等，但黑龍江省監測站尚無安裝避雷針的先例。GPS 具有引雷的隱患，為監測站安裝避雷針并連接地網或圈梁，可以避免GPS 遭雷擊。h為避雷針高度；p為影響因數；hp為被保護物高度；Rp為避雷針在hp水平面上的保護半徑；當h≤30 m時，p=1；當hp≥0.5 h時，Rp=（h-hp）p=hap，ha為避雷針有效高度（盧偉輝等，2005 年）。假設GPS 接收器距地面高度為3 m，避雷針距地面高度為4 m 或比GPS 接收器位置高1 m，將避雷針安置在距GPS 接收器1 m 以內就可以對GPS 天線起到有效的避雷保護作用。

目前，黑龍江監測站防潮方式為通過苯板或防潮涂層對監測站內墻進行隔潮，地震計的防潮措施是在泡沫箱內使用泡沫顆粒吸濕。以上做法成本高，針對性不強，容易出現防潮能力降低，且所有監測站無法隔絕地面返潮?？捎嗅槍π缘匮兄品莱毖b置以保護測震設備，降低費效比?？茖W有效的防護可提高設備保養水平、減少環境問題造成的故障率，從而提高地震臺站數據質量、觀測質量等（徐建權等，2017）。

針對設備老化問題，可以通過PHM 進行預估。PHM 方法允許在系統的實際生命周期條件下對其可靠性進行評估，以預測將發生故障的時間、地點，從而消除系統風險（派克·邁克爾等，2010）。利用此方法，也可對遠程設備進行主動維護，即通過對設備反饋狀態或產出數據的檢查、計算、對比，分析設備或系統的當前正常狀態，或存在的故障隱患。

針對監測系統維修問題，省地震臺或地震中心站可以從歷次維修中報廢設備里拆除一些未損壞的零件，替換出現相應故障的設備，可以較大程度降低維護成本及周期，但需要了解設備內部結構、功能，具備維修理論基礎，且設備保質期內應酌情拆卸。

5 結論

在整體地震監測系統中，外部通信系統故障次數較多，故障時間較長，外部供電系統故障次數位列第2，但故障時長遠比監測站監測系統短。從平均單次維修周期來看，監測系統相比其他2 套系統反應慢，路程遠，手段不多，所以導致故障時長遠大于外部通信、供電系統。

從時間段來看，每年1—3 月運行環境相對穩定，所以監測系統故障較少，4 月冬春交替時節系統故障有明顯上升趨勢，5—9 月雷雨及人畜活動對系統影響較嚴重，是監測系統故障高發期，10 月光纜故障次數較多且均為人工作業中誤操作所致，10—12 月總體故障相對高發期有所減少且較穩定。

通過計算得到，黑龍江地震監測系統可靠度僅為0.51，平均故障間隔時間為47.93 h，這對于常年自行運轉的系統及不間斷監測數據來講，故障過于頻繁，應對系統進行更有針對性的維護，并由被動維護向主動維護轉變，以提高系統可靠度。