基于物聯網的國家地震烈度速報一般站組網方案的設計與實現

段云鵬，趙 莉，公欣波（.中國聯通甘肅分公司，甘肅 蘭州 730000；.中國鐵塔股份有限公司甘肅省分公司，甘肅蘭州 730000）

0 引言

地震烈度速報是指利用一般站觀測記錄，無需現場調查即可快速計算各觀測點的地震影響程度（以儀器烈度和地震動參數表示），進而給出完整的地震影響場，可在震后數分鐘內為政府和社會發布人員傷亡估計、經濟損失評估、應急救援決策和工程搶險修復決策提供依據。安裝在一般站的監測設備為專業地震烈度測量儀。由國家發改委投資的國家地震烈度速報與預警工程項目在全國已經完成了10 349 個一般站的建設，考慮到節省基礎建設投資及通信與能源共享，一般站的設備架設在鐵塔公司的基站中，設備運行環境相對可靠、穩定。一般站采集烈度信號的連續較低中斷傳輸直接決定著烈度速報產品產出的時效與準確性。如果采用專線傳輸，龐大的臺站數量將導致通信費用相當高。因此，在一般站的建設中，如何用較低成本保證較高的運行率，是實現臺站組網與監控的關鍵。

本設計擬基于物聯網搭建地震烈度速報的一般站運行網絡，為物聯網在地震烈度速報預警中的應用打開大門［2］。其基本思路是利用中國鐵塔原有通信機房及附屬通信設施，將國家地震烈度速報一般站設備并入通信基礎設施維護網中，通過對中國鐵塔原有物聯網監控平臺進行一系列的改造，解決傳輸通道的問題，并借助中國鐵塔7×24 h、遍布全國各個縣區的維護力量保證一般站的日常維護及故障處理。在傳輸、通信、日常監控維護等一系列難點得到解決后，形成立體監測網絡［3］，保障烈度采集數據的實時傳輸。

1 物聯網技術在地震行業中的應用基礎

近年來，隨著物聯網技術的不斷發展，我國愈發注重將物聯網引入到防震減災工作當中。早在2016年，我國政府就制定了防震減災規劃（2016—2020年），其中明確強調了信息化支撐的重要性，并要求防震減災實施“互聯網+”行動計劃，拓展物聯網等新技術應用［7］。

通過地震感知設備建立點多面廣的監測分布點，實時采集地震烈度信息，并利用云計算技術提高地震預警能力及震后災害評估效率，為地震災害預警提供可靠的保障，此外物聯網可及時推送產出的地震信息，是災后應急救援的有力助手［8］。

1.1 在地震災害監測中的應用

通過對地震災害不同評估指標的分析，實時動態預測災害發生的可能性，并根據地震發生后的烈度情況進行烈度圖的繪制。針對災后烈度情況，根據采集回傳數據的先后不斷修正烈度圖，最終可在幾分鐘內繪制出比較完善的烈度圖，為災后救援提供可靠的數據依據。

在此過程中，需要在數據庫中添加各種地質災害數據，并根據不同災害類型對評估區域中的危險度進行劃分。在此基礎上，將其敏感度進行疊加，繪制區域地質災害分布圖，結合區域的社會屬性，設定災害預警安全閾值，并通過手機通信端的APP 接入地震監控預警系統中，以確保對地質災害的實時監控。

地質災害實時動態預測過程如圖1所示。按照上述方式，對區域地質災害進行實時動態預測及災后地震烈度快速預估，并根據終端輸出的數據，制定對應的災害防治及災后救援方案，降低地震災害對區域經濟發展與周圍居住群體帶來的危害［5］。

圖1 地質災害實時動態預測過程

1.2 在地震信息推送中的應用

地震預警系統本身就是一個全自動且可實現秒級響應的物聯網系統。在震區布設大量監測儀，當地震發生時，這一物聯網系統可利用電波比地震波傳播速度快的原理，在破壞到來前幾秒或幾十秒向民眾發出預警警報，從而為民眾爭取逃生的黃金時間。在預警發出后，民眾可能對于逃生比較迷茫，無法確認安全方位，這時物聯網可再度發揮價值［7］。

2023 年我國青海、云南等地接連突發強震，物聯網便展現出了強大的抗震價值，其中最為明顯的就是對于地震的預警。在云南漾濞縣地震發生時，物聯網發揮了巨大作用，很多當地居民在電視、相關APP 上收到同步預警信息［7］。

此外，對于環境惡劣的災區來說，指揮調度、醫療救援力量想盡快趕往前線，也離不開遠程指揮、遠程醫療的助力，這背后同樣需要物聯網支撐?？傊?，物聯網在地震行業中的應用，對監測預警、民眾逃生、應急救援和遠程調度等，都發揮巨大作用。

2 地震烈度采集組網方案現狀

2.1 地震烈度采集組網方案

根據地震行業的監測特點，采用工業路由器，構建一整套地震監控系統解決方案，實現地震背景場探測系統的自動化、信息化、網絡化，加強地震科學研究、監測預報、震災預防及緊急救援的基礎設施。

工業路由器與固定觀測臺站數據采集儀連接，并通過以太網將現場的地震數據上傳到地震背景場探測系統中心。工業路由器能夠適應嚴苛的室外環境，采用3G/4G 高速無線網絡作為數據承載網絡，為遠程設備和站點之間的聯網提供安全高速的無線連接。無論觀測站點身在何處，都可通過3G/4G 網絡快速接入互聯網，并通過VPN 與地震背景場探測系統中心建立通信連接，便于技術工程師使用專業軟件對強震數據進行分析處理。地震無線監控系統網絡解決方案如圖2所示。

圖2 地震無線監控系統網絡解決方案

系統管理員對所有地震臺站工業路由器進行在線狀態監控、批量管理、流量監控，提高管理效率；基于地圖的網管系統方便用戶進行現場定位，精細化管理設備現場；優化的網管協議適合低帶寬、高延時的網絡環境，符合無線移動網絡特點。

2.2 現有烈度采集組網方案存在的問題

傳統的地震烈度采集組網技術采用基準站、基本站、一般站的“三網合一”方式，該方式采用有線組網，部署耗資巨大，施工難度大，組網復雜，達不到地震預警系統秒級響應、全自動化運行的實時系統數據通信要求。

中國鐵塔的解決方案主要利用中國鐵塔FSU 為地震烈度儀提供數據回傳，并采取無線VPN 的方式將采集的數據直接透傳至地震局平臺，可根據需要增加邊緣路由器。FSU 主要用于建立和維護VPN 鏈路，并不斷解析和處理地震烈度儀采集的數據。中國鐵塔的解決方案的組網功能特點如下。

a）雙無線鏈路智能切換備份，有線與無線智能切換備份。設備選配GPS、5G 通信模式，可選配雙SIM配置，實現雙無線帶寬疊加，雙無線鏈路智能切換備份，有線與無線智能切換備份。

b）超強無線通信能力，巨量數據實時傳輸。工業路由器采用工業級高速4G 無線通信模塊，配置32 位高性能處理器，FLASH、RAM 提升2 倍，巨量數據無線傳輸速度提升，可滿足地震預警系統秒級響應要求。

c）Wi-Fi熱點覆蓋，數據吞吐率高，為各項增值服務提供保障。強大的Wi-Fi熱點功能使每一臺終端設備都是一個Wi-Fi 熱點，可為周圍100 m 范圍的空間提供Wi-Fi 聯網服務，可同時連接60 個以上的設備，為各項服務提供高速網絡通道。

d）提供更多安全部署方案，數據傳輸達金融級標準。支持APN/VPDN 專網，同時設備具有IPSec、PPTP、L2TP、GRE、OPENVPN 多種VPN 連接，具有VPN 客戶端、服務端等功能。在專網的基礎上再增加一層加密方式傳輸，充分保障交易數據、管理數據的安全性、準確性。

e）易部署易實施?？杀憬莸貙⒈椴几鞯氐牟杉K端安全、穩定、可靠組網，組網規模大、部署距離不受限制、建設工期短、預算初投資小，為數據無線通信傳輸提供技術保障。

f）適應各類無人值守工業應用環境，7×24 h 穩定工作。地震烈度儀具有強大的智能防掉線機制，保證無線通信永遠在線；具有耐高低溫、防潮、防雷特性，在各種惡劣的自然氣候環境下均可穩定工作；其高等級的EMC 抗干擾設計，強電磁干擾環境下工作優勢明顯。

g）設備遠程配置、升級與維護，極大提升管理效率。設備遠程管控將大量分散各區域的設備進行集中監測、配置、升級、診斷、維護、管控，能極大降低運營方、集成商、設備提供商等各方的維護成本，提高管理效率。

h）高可靠性網絡功能。采用軟硬件看門狗及多級鏈路檢測機制，具備故障自動檢測、自動恢復的能力，保證設備穩定可靠運行。

i）網絡安全。支持基于標準IPSec 的VPN 服務，其中支持的加密方式包括DES、3DES、AES，數據驗證方式包括MD5和SHA-1。

中國鐵塔以遍布全國超過210萬的鐵塔站址為支撐，基于互聯網、云計算和全國統一的平臺能力，逐步將通信塔升級為“數字塔”。通過在通信塔掛載應急通信設備、攝像機，使其變身為“應急電子哨兵”，一旦出現險情，政府相關部門可以及時發布信息，并通過高點采集的視頻數據進行分析、綜合研判，提升應急指揮調度能力。

3 一般站組網技術與一體化監控平臺

3.1 組網原理

本次按照物聯網技術架構邏輯進行組網，劃分為感知層、網絡層和應用層（見圖3），每部分包括業務實現方式、技術原理、后期規劃等內容。

圖3 物聯網結構原理

3.1.1 總體架構

地震烈度儀通過有線方式接入FSU，FSU 不解析端口數據，只負責建立數據上下行通路，數據將透傳至地震局服務器。地震局服務器可通過全網唯一內網IP 識別FSU。FSU 支持無線/有線網絡連接上傳數據至預警平臺，FSU同時接入雙VPN（見圖4）。

圖4 組網搭建拓撲圖

在通信機房原有的開關電源柜中設置專用地震烈度儀接電端口，通過直流轉換模塊為地震烈度儀提供直流供電，同時將接電端口接入原有通信保障的蓄電池，設置為一次下電端口，以保證在市電中斷的情況下提供不間斷的直流供電，確保地震烈度儀7×24 h正常工作。

3.1.2 邏輯路由

邏輯路由為：地震烈度儀通過LAN 鏈路連接至FSU，FSU 通過L2TP 鏈路連接至VPN 服務器，VPN 服務器通過GRE 鏈路連接至地震局邊緣路由器，地震局邊緣路由器通過LAN鏈路連接至數據接收服務器。

路由配置思路為：配置GRE over IPSec（見圖5），實現地震烈度儀（PCA）與數據接收服務器（PCB）之間的安全互訪，具體如下。

圖5 一般站組網路由

a）DeviceA 與DeviceB 之間建立GRE 隧 道，對組播、廣播報文進行GRE封裝。

b）DeviceA 和DeviceB 之間建立IPSec 隧道，對GRE封裝后的報文進行IPSec加密。

3.2 感知層

感知層包含網關和終端等底層設備，主要為FSU、地震烈度儀、連接網線等。

3.2.1 FSU版本

3.2.1.1 主要功能

在原有軟件功能的基礎上，FSU 建立第2 條通信鏈路，利用鏈路透傳地震烈度儀數據至數據接收服務器。

3.2.1.2 定制版本

專門定制了地震專用版本的FSU，可為規模性搭建地震預警網絡提供數據鏈接通道及日常監測數據，與其他FSU功能有明顯差異。在原有鐵塔業務版本號的基礎上，末位增加“-D”標識。如FSU 原版本號為30SPC708_SMU02B，則地震專用版本號為30SPC708_SMU02B-D，可有效識別并管理相關FSU。

3.2.1.3 數據信號

地震專用定制版本增加了以太網端口通信中斷告警和備用VPN 通信中斷告警（以不再獲取內網IP為準）功能。

a）以太網端口通信中斷告警。若FSU 任意以太網端口通信狀態中斷，即端口DOWN，則上傳告警。

b）備用VPN 通信中斷告警。若FSU 除鐵塔業務以外的任意備用VPN（不僅包含地震局業務）通信中斷，與平臺無法建立連接，則上傳告警。

3.2.1.4 備電要求

方式1：從開關電源引電，并增加直直轉換（48 V→12 V）模塊。

方式2：FSU提供12 V直流供電。

所有臺站均支持方式1 和方式2。出現停電情況時，站點供電不會立刻中斷，而是利用蓄電池和發電等手段，延長供電時長。

3.2.2 北向接口

3.2.2.1 雙VPN上聯

FSU 同時上聯雙VPN（鐵塔業務與地震局業務），雙VPN 相互獨立、互不影響。在連接地震局VPN 時，FSU 獲取全網唯一的靜態IP。FSU 通過無線上網卡或專線接入公網，向鐵塔機房VPN 撥號，建立L2TP 隧道，為地震局設備建立一個安全的私網。

3.2.2.2 上聯方式

FSU 支持通過無線/有線網絡連接將數據上傳至平臺，可根據成本、網絡質量等因素選擇上聯方式。針對無線信號差、通信管制等情況，可采用專線版FSU，通過專線（固定IP）連接廣域網上傳數據。

3.2.2.3 組網方式

地震烈度儀設置統一的私網IP、子網掩碼、網關，FSU 通過NAT 功能將地震烈度儀的私網地址映射至FSU本機的網絡IP（通常為10.0.0.0/8網段的私網IP）。

3.2.3 南向接口

地震烈度儀安裝在中國鐵塔的基站機房，通過RJ45（以太網口）與鐵塔FSU 連接。FSU 通過IP 地址尋址，接口物理位置不會影響數據上傳。

3.3 網絡層

網絡層包括公網、VPN 網絡、服務器網絡、IP 地址等。

FSU 接入公網，向地震局VPN 撥號，建立L2TP 隧道，通過建立隧道的方式，給地震局設備建立一個安全的私網。

3.3.1 組網方式

3.3.1.1 分布式網絡部署

目前，中國鐵塔通過中國聯通云機房進行網絡部署。中國聯通云機房是中國聯通CHINANET 骨干網節點，網絡質量和網絡帶寬優異，VPN 接入服務器和撥號認證服務器可以部署在該機房。通過前期試點測試發現，該機房網絡延時很小，完全滿足業務要求。中國聯通云機房優勢如表1所示。

表1 中國聯通云機房優勢

3.3.1.2 網絡規劃

a）網管規劃。數據接收服務器不再直接進行VPN撥號，只需要接入臺網中心和省地震局局域網。每個省地震局布設一臺專用的邊緣路由器，通過邊緣路由器與鐵塔機房分配的VPN 建立GRE 隧道，通過GRE 隧道與下掛地震烈度儀的FSU組成安全的私網［10］。

b）IP 地址規劃。云機房提供16 384個地址，地址段為10.192.20.0～10.193.81.255，可按照省份映射不同地址段。后期將匹配臺站代碼與IP 地址，顆粒度聚焦到站點。

3.3.2 網絡隔離

a）網絡隔離。地震局VPN 服務器將與鐵塔的其他業務網絡隔離，避免業務間互相影響。

b）IP 地址隔離。VPN 接入可以根據撥入賬號分配固定IP，為不同接入區域規劃不同的IP 地址段，在網絡層實現邏輯隔離。

3.4 應用層

3.4.1 動環信息共享

鐵塔共享動環信息有2種方式，具體如下。

方式1：在運維系統中為地震局建立賬號。該賬號可以查詢所有地震局所屬站址的站址信息、告警、性能、工單等信息，并且可以在拓撲圖中查看站址的分布情況。性能查詢模塊可查詢溫度、濕度、水浸、空調、電源、電壓、斷電告警、數據卡信號強度監控等信息。

方式2：服務器交互。通過FTP 協議將地震局站址、性能數據發送到指定服務器，可分省局發送，此種方式主要用于資源數據和性能數據的傳遞。通過軟件接口（kafka接口），將地震局站址的告警數據實時發送至kafka 中間服務器，地震局服務器從kafka 中間服務器讀取告警，在獲取數據后可自行處理后續顯示、關聯等操作（見圖6）。此種方式主要用于告警數據的傳遞。

圖6 服務器交互示意

3.4.2 運行率共享

現階段主要通過網頁查詢烈度儀運行率，在少量試點的情況下，該方式可以滿足運維需求。但在批量部署的情況下，網頁查詢方式存在響應時間長、耗費人力、影響故障處理等問題?？刹捎梅掌鹘换シ绞讲樵冞\行率，通過軟件接口（FTP 協議）將運行率發送到鐵塔指定服務器，實時共享運行率，提升運維保障效率。

賬號分配以分權分域為原則，分別配置總局賬號和省局賬號?？偩仲~號可查看全部站點的數據，省局賬號只能查看本省數據，總局權限高于省局權限。

3.4.3 工單對接

方式1：直接采用鐵塔動環的Web 頁面，在自定義派單頁面上自行派發工單。運行率共享后，可自定義派單規則，實現系統自動派單。

方式2：采用接口方式向鐵塔服務器發送工單信息，鐵塔支持webservice 和MQ 總線2 種方式的Kafka工單接入接口。

3.4.4 反控地震烈度儀

通過無線網絡，平臺遠程單點或批量控制地震烈度儀，具體操作包括修改參數、升級設備、設備重啟等。鐵塔公司現有平臺可以提供并支持OMC 的反向控制功能，具體方案如圖7所示。

圖7 反控地震烈度儀方案

3.5 一般站監控平臺

3.5.1 預警系統

本預警系統是在原有鐵塔運維系統中加入一般站監測點的標簽，將其與通信基站本身的標簽進行綁定。動力環境指標（如電壓、溫度、濕度、信號強度、維護人員信息）等信息由原運維系統中的指標移植得到，地震監測需要的信息（如路由狀態、ping在線時間、ping 離線時間、FSU 延遲、FSU 丟包率、注冊狀態、烈度儀廠家）則通過在原有運維系統中增加標簽實現。

3.5.2 系統部署

預警系統基于.net core 平臺開發，采用了微服務架構和B/S 架構進行設計，可跨平臺部署，支持PC 端、移動端（Android、iOS）訪問。其主要模塊包括數據采集、數據分析、GIS 展示、震動圖生成、運維管理、安全審計等，同時采用了關系型和GIS 2種數據庫。

硬件系統主要由5 臺物理服務器和1 臺存儲組成（見圖8），采用Kubernetes（k8s）實現容器集群部署模式。k8s 集群需要設置管理節點實現對工作節點、容器的調度和健康監測等。為了提高可用性，管理節點共部署2 臺，防止單臺管理節點宕機故障。工作節點共設置3臺，預警應用系統、數據庫均以容器形式部署到工作節點中，每臺工作節點中均部署1 份數據庫系統容器和多份預警應用系統容器。

圖8 預警系統網絡部署拓撲

3.5.3 應用效果

從目前的運行效果來看，本應用平臺運行穩定。該項目的監測平臺關鍵監控信息顯示，被監控的一般站烈度儀時延（各臺站到國家及省數據中心）不大于1 s，整體月運行率在95%以上，達到了預期的系統搭建效果。圖9為平臺搭建完成后部分站點在監測平臺上的運行狀態。

圖9 國家地震項目監測平臺

全國各地開展了分鐘級儀器設備地震烈度速報與重點地區秒級地震預警項目?，F階段，該項目開展順利，并在一部分早已完工的地區發揮關鍵功效。四川省內江市資中縣產生5.2 級地震災害，四川地震烈度速報與預警系統震后8 s 發出報警信息，第一報4.5級，2 s后更新為4.8級，2分33秒產出自動速報，4分50秒產出儀器烈度圖，并將地震情況即時傳輸至四川省應急管理廳，強有力地支撐了地震災害應急處置工作，為群眾合理緊急避險爭得了寶貴時間。在地震預警上，中國鐵塔依托遍布全國的站址資源和專業化能力，高效完成全國10 349 個一般站的建設工作，助力國家地震部門建設和國家地震烈度速報與預警工程。2021 年9 月16 日，四川省瀘州市瀘縣發生6.0 級地震。震后5 s，中國預警網發布地震警報；震后6 min，產出儀器烈度圖。瀘州市、宜賓市、自貢市、內江市等地用戶在震后5 s 到幾十秒內通過不同終端成功接收不同級別的警報信息。其中，由中國鐵塔負責運維保障的地震監測臺站發揮了重要作用，中國鐵塔應急搶險、運維保障效率高，基站恢復速度快。這一項目在2021年云南漾濞地震、2022 年青海海北州門源縣地震中也發揮了積極有效的作用，為防震減災、應急指揮、快速救援提供了有力保障。

4 結論與討論

根據國家地震烈度速報工程項目一般站烈度儀在線監控、采集數據實時傳輸的需求，考慮到節省投資、避免重復建設等因素，本文基于物聯網技術，從感知層、網絡層、應用層3個層面詳細介紹了一般站烈度儀的組網原理及實現過程，并對一體化監控平臺的設計進行了介紹。目前該組網技術及監控平臺已正式應用于中國地震局烈度速報系統，從運行情況來看，網絡運行穩定，整體時延小于1 s，大部分地震局一般站的運行率在95%以上。

對于組網中存在的諸如IP 地址映射過程中被跨網絡占用、個別L2TP 賬號掉線率高、烈度儀不在線卻能遠程Ping 通等問題，還需進一步研究解決，優化網絡建設，以便為國家地震烈度速報提供更加可靠的網絡傳輸環境。我國是全世界地震災害主題活動最明顯和自然災害比較嚴重的國家之一，地震預警可借助震區周邊的地震臺網，在地震后幾秒內迅速估計地震災害危害范疇和水平，搶在毀滅性地震災害抵達總體目標地前公布報警，挽救老百姓生命和資產的重大損失。