0 引言

随着“十五”数字化地震观测网络项目的完成，地震观测实现了数字化、网络化和自动化，观测仪器可以更多地被布设在无人值守台站；而有人值守台站则向着综合化的方向发展，通过对本区仪器进行监控管理，充分发挥近地维修的区位优势和仪器管理人员集中的优势。通常，一个地震台站的观测仪器种类繁多，如河北怀来地震台既有形变、流体、电磁等观测所用的标准的“十五”仪器、“‘九五’转‘十五’”仪器，又有测震仪、强震仪，以及砂层应力仪、多分量应变仪、极低频等实验仪器，共29台套，75个测项。这些仪器的工作状态，有的使用“前兆数据管理系统”进行查看，有的需要网页查看，有的需要FTP下载数据，有的需要仪器专用软件查看是否有缺测、突跳、超限、阶跃等。由于采样率、仪器测项的不同，对仪器工作状态的判定不是简单的“网通有数”即可，需值班员不断地巡视和利用经验进行判断。其次，根据观测规范的要求，台站值班人员每天进行数据处理，填写工作日志，日志主要为使用Word、Excel格式的文件在网页填报。对一个台站而言，描述性语言的格式相对固定，但每一项人为错误或不规范填写都会造成扣分。再者，台站日常工作中还有一些事件性工作，如流体学科要求每周一进行仪器时钟校对、形变类仪器超出预警电压需及时调零、测震及网络运行要求本地网络时刻不能中断等，其中任一项的疏忽都可能造成数据缺测或资料检查错情。

针对这些繁复且易疏忽的工作任务，经过对怀来台、阳原台、赤城台、张家口台的实际调研，研发了台站自动监控与管理软件应用于日常工作中，以最大程度地实现台站仪器监控和日常观测工作的自动化、规范化，该软件实用高效，减轻了台站值班人员的工作强度和心理负担，为提高台站的观测质量，及时发现数据异常发挥了一定的积极作用。

1 软件设计 1.1 软件开发环境

软件采用Visual Basic语言编写，在Win7、Win10等操作系统下“SETUP.EXE”安装后运行。建议把主程序zdhjk.exe的快捷方式放入“开始”启动菜单，以使电脑每次重新启动后自动运行。计算机应安装IE8.0以上浏览器，以便引用Microsoft Internet Controls控件进行仪器网页登录和浏览。应安装Office 2007，以便引用Microsoft Word 12.0 Object Library和Microsoft Excel 12.0 Object Library控件进行Word、Excel文档的填写。

建议为电脑配置声卡及音箱在音乐告警时使用；计算机有网口，可进行网络链接或基于网络平台的短信告警；若选用短信猫告警，则需一个串口或USB口。

1.2 设计思路

软件设计的思路就是充分发挥程序的人工智能优势，使其代替或提醒值班员更好地完成工作。利用该软件可主要完成以下任务：

（1）手动监控。可查看仪器的网络状态、基本信息、属性、工作参数等，进行网页浏览、时钟校准、设备复位、显示动态曲线等。

（2）仪器自动监控。把台站所有的数字网络化仪器统一纳入监控范围，根据设定时间定时启动，依次进行网络连接、用户登录、下载当天或当前数据，判断是否缺测、突跳、超阈值、产生台阶等，然后根据测项分量特征发出告警信息。

（3）工作日志填写。按照观测规范要求，每日填写工作日志，对仪器工作状况、数据处理情况、天气过程等进行记录。纳入地球物理台网观测的仪器统一在中国地震局前兆数据管理系统的网页上填写，另有Word格式的如极低频观测日志、工作日志，Excel格式的如电磁波工作日志等。气温、气压、降雨时段从仪器文件中读取识别，正常情况下相对固定，描述自动填入；另外，对一些常见事件的描述提供模板，以方便粘贴，统一规范。

（4）日常事件提醒。台站日常工作琐碎，每一个环节都不能疏忽，既有固定的工作规定，也有针对突发事件的。固定的如星期一仪器时钟校对；突发的如本地网络中断、形变仪器的调零预警、观测数据异常阈值超限等都需及时处理。

（5）告警方式。除电脑桌面提示外，还有音乐、短信报警。短信告警有2种方法，一种通过短信猫发送，其优点是在网络故障时仍可工作；另一种依靠网络平台，不需要外属设备，经济方便。

图 1为软件系统功能模块图。

2 软件功能与使用

软件运行主界面如图 2所示。

2.1 系统设置

系统设置主要包括：①“台站信息设置”即添加台站仪器实际布设情况，包括台站名称、台站代码、仪器名称、IP、ID、用户名、口令等内容，没有ID的仪器填写“XXXXXXXXXXXX”，“数据文件路径设置”即对“十五”格式的前兆文件、“九五”前兆原始文件、“九五”格式的前兆文件保存路径进行设置；②“值班设置”是以月为周期的值班排表；③“自动监控时间设置”可根据台站仪器数量及工作需要进行设置，使用“添加”“删除”按扭设置任意次数、任意时刻，保存后按时间先后自动排序。由于大部分仪器主机系统较为“娇气”，频繁大量访问有时会造成设备死机或工作不正常，故间隔1—2 h为宜，且应注意避开整点时刻。

2.2 手动模式

手动模式是对选中的一个仪器进行浏览器查看，或以命令方式连接登录，查看状态信息、属性信息，设置工作参数，进行时钟校对等，与仪器网页功能基本一致。“数据采集”可对地球物理观测仪器实现整体数据、当天数据、当前数据的下载。“实时曲线”主要应用于分钟、秒采样实时数据采集并绘图。图 3为怀来地震台SQ-70DSI水平摆EW向实时曲线。由图 3可见，摆体的固有周期约为32 s。经笔者实测，按照校准要求从图 3读5个周期取平均，得到的周期值和进洞实测的结果一致。利用此周期法标定水平摆就可不必再进洞调摆，以免造成2—3 h的干扰缺测。

2.3 自动模式

自动模式也是软件的主要功能与应用，即通过预先设置实现对仪器的自动连接登录、数据采集、数据判断、告警服务等。

2.3.1 连接登录

软件根据“自动监控时间设置”启动自动监控模式，依次连接登录各仪器。如果重复4次仍不能进行正常连接，则发出该仪器“网络或仪器故障”的告警。

软件可对多种类型的仪器进行监控，如“十五”“‘九五’转‘十五’”、测震、强震、多分量应变仪、砂层应力等多种实验性仪器，它们的共同点是可通过网口登录，只是登录的端口、用户名和密码各异，数据保存格式、传送下载的方式也不尽相同，因此需根据仪器名称特征单独判断处理。用户登录命令：get /length+ID+lin+username+password /http/1.1。

2.3.2 数据采集

数据采集主要有3种方式：

（1）“十五”仪器命令方式。台站正式运行的地球物理观测数字化仪器多数按照中国数字地震观测网络项目的要求，通过以太网、基于SOCKET连接的HTTP协议，接受并响应客户端指令或由网页方式控制，完成与客户端、数据库的数据信息交换。软件同样利用地球物理观测仪器的指令端口（缺省值81）来完成数据采集任务。关键代码为

dtshuju = “get “ & “/” & 23 & “+” & ID & “+dat+” & “1 0 /http/1.1”

Form1.Winsock1.SendData dtshuju

（2）FTP方式。如SQ-70DSI水平摆倾斜仪，通过当天数据采集命令方式只能调收到8时、16时以前时段的数据，而16时至第2天8时若发生故障或大震靠摆等则很难发现；而采用FTP方式，即可调收到当天的即时数据。再如德国生产的ADU—07大地电磁观测仪，也只响应FTP登录方式。关键代码如下

ftpdata=FtpGetFile(hConnection, szFileRemote, szFileLocal & szFileRemote, False, INTERNET_FLAG_RELOAD, dwType, 0)

（3）“九五”转“十五”方式。目前，各个台站仍有很多仪器采用这种方式，即当天数据保存在仪器里面，通过串口和协议转换器连接，网口采集数据，即RS232—IP。调收当天数据时必须登录网页进行用户验证及重新启动，然后采集查看。软件调收时先对“‘九五’协转”自动重启，转换成当天的“十五”数据，再以命令方式调收。关键代码：

chxqd = “get “ & “/19” & “+” & ID & “+rbt /http/1.1”

Winsock1.SendData chuxqd

为防止因网络或其他原因长时间收数而造成仪器死机，对采数时间作了180 s的时间计数，超时则自动退出。

2.3.3 数据判断

软件可判断以下几类数据异常。

（1）缺数。“十五”文件中以“NULL”表示数据缺测，这可能是由主机故障无输出、数采故障、时钟误差、线路故障、观测数值超量程等造成的。在分钟或秒采样的情况下，产生1—2个“NULL”一般并不代表地球物理观测仪器或数采的故障，无需告警。软件将分钟采样单分量3个连续“NULL”、秒采样180个连续“NULL”、时值采样1个“NULL”作为告警阈值。特例，ZD8M型地电仪、ZKGD3000-NL型水位仪应用命令方式接收到的当天数据文件中，从当前时刻到当天结束以“NULL”补齐，程序判断时首先把收数时刻到23:59之间的“NULL”扣除，然后进行判别。

（2）突跳。突跳的判别是通过观测数据一阶差分来进行的。根据测项特性提前设定好突跳判断的阈值和数量阈值，设x_i为某测项、某时刻的测值，差分值$\Delta x_{i}=x_{i+1}-x_{i}$（i=1，2，3，…，n），$|\Delta x|=\left(\sum\limits_{i=1}^{n-1}\left|\Delta X_{i}\right|\right) /(n-1)$，取3×|Δx|为异常阈值。在当天观测数据文件中用差分值检验，若阈值超限1—2次，则判断为突跳。突跳为瞬间干扰，一般无需告警。继续判断，若突跳数量超限，则曲线形态呈毛刺或高频跳动，这可能是仪器故障，也可能是震扰或其它干扰造成的，需告警值班员检查仪器。

（3）超阈值数。正常情况下，每个台站每个仪器都有其正常有效值，该值可通过多年观测的均值得到。如据2014—2017年统计结果，怀来台气温有效值为-23.0℃—37.0℃、气压值有效值为910.0—965.0 hPa、洞温有效值为10.85℃—10.95℃。如果产生明显偏大或偏小的数据，一可能是仪器故障产生的错误数据，二可能是需多加注意的地震地球物理异常数据。如怀来台流体学科值班规定，气氡浓度≥90 Bq/L、气汞浓度≥0.5 ng/L、气氦浓度≥0.03%时就要及时反馈，落实异常情况。软件判断时在每个台站、仪器、测项预先设定的阈值文件中读取上限、下限值，并对连续不变的直线状“死数”进行判别。与缺数判别类似，软件将分钟采样3个连续坏数、秒采样180个连续坏数、时值采样1个坏数作为告警值。

（4）阶跃。对于数据阶跃的判别，各地球物理测项没有统一的标准，各个学科差异很大，没有严格的数学界定。及时发现阶跃，不仅对仪器故障的判别具有及时意义，而且对地震异常的及时发现更具有实际意义。如水位阶跃，其变化机理清晰，就是岩层在大震前的微破裂会运行到岩层中的地下水，通过连通器原理就会反映到水位的变化之中（殷志刚等，2012）；再如水平摆倾斜仪震前产生的阶跃异常（段立新等，2003）。因此，及时识别这些变化并能在第一时间通知值班员和分析人员进行判断是必要的。

程序中对阶跃的判别方法如下：从“十五”文件中读取当天数据，给每个时刻（时：分：秒）赋值；计算每个时刻的差分值；把差分值序列和已经设定的阶跃阈值进行比较；如果超限，则对该时刻前后10个（秒采样为300个）数据的均值和阶跃阈值再进行比较；如果再超限，则判定为有阶跃产生。

计算均值时如果没有产生数据或缺测“NULL”，则均值个数不参加统计。阶跃一般指延续一段时间的连续变化，程序中将2次阶跃的时间间隔设定为15 min，以防止更多的误报。

经过多次参数调试和实际检验，台站人员可以通过数据计算检索发现曲线的阶跃，软件基本达到设计目的。

2.3.4 告警服务

告警分为音乐告警和短信告警，其中，短信告警有2种方式，①短信猫方式，其优点是在本地网络故障时仍可报警，图 4为短信猫设置图。由图 4可见，在初始设置完成后，主界面中的短信猫图标为红色，表示短信猫工作状态正常。②网络平台方式，目前网络上有许多专门从事短信开发的第三方公司，可提供短信服务，使用时只需按照相关要求接入即可，且费用相对较低，不需外购设备，经济方便。

为防止对同一事件重复报警，在报警选项中有“同一事件只告警一次”和“每次检查都告警”选项方便用户选择。所有仪器监控信息都保存在当天监控日志中，便于日后查阅。

关键代码如下

https://IP+Port/ws/LinkWS.asmx（具体接口地址）

ss = “CorpID=” & 用户账号 & “ & Pwd=” & 密码 & “ & Mobile=” & 短信号码 & “ & Content=” & 短信内容 & “ & Cell= & SendTime=”

xmlHttp.send ss

说明：CorpID：类型String，必填参数，用户账号；Pwd：类型String，必填参数，应用集成中的短信请求秘钥，为25—28位加密字符串；Mobile：类型String，必填参数，发送内容（1—500个汉字）UTF-8编码；Content：类型String，必填参数，发送的短信号码，多个号码以逗号分隔；Cell：类型String，选填参数，短信签名建议2—8字符，ID可在管理后台获取、添加、编辑。

2.4 日志填写

图 5为地震前兆数据管理系统网页中怀来后郝窑地震台工作日志填写截图。由图 5可见，气温、气压、降雨量等通过电脑后台从气象三要素观测仪的数据文件中自动读取8时的气温、气压得到，雨量为分钟值求和，系统将其填入对应文本框。如果雨量不是0，则天气栏选填为“雨”。值班员姓名从值班表中自动读取，其它常规项，如“台站在运行仪器13套，正常运行13套。”从该台日志模板中自动读取填入。如有变化，可以从右侧文本框中的参照模板处进行修改填写，以达到规范化填写的目的；自动单击“暂存”，以方便继续修改。

Word、Excel文档格式的日志填写。软件利用Visual Basic for Application宏语言对文档进行操控、读写、保存等。如极低频台站工作日志填写时对气温、气压等自动读取；有降雨时，判断降雨时段，何时开始，何时结束，然后填入“XX时—XX时降雨量为XX.Xmm”。其他变化内容仍由人工填写。

日志填写过程中对常见错误，如缺项漏项、粘贴位置错误、晴天有雨、缺测填“有”、必有说明等加以判别提醒，以减少低级失误。

2.5 事件预警

（1）本地网络连接状况。利用Timer控件的Interval属性，随时判定本地网络连接情况，若网络中断，则通过音乐或短信猫发短信告警。

（2）流体学科要求每周一对仪器进行时钟校对。软件连接的是中国科学院国家授时中心（原陕西天文台http://www.time.ac.cn）提供的网络标准时间，可以对仪器进行时钟校对。

（3）对仪器设定的调零预警电压进行告警，如形变观测的水管仪、伸缩仪可设定预警电压为±1 700 mV，VP型垂直摆为±2 000 mV，SQ-70DSI水平摆调零限位为6—30 mm。

（4）其他如监控日志、工作日志是否报送，以及每周一作数据异常跟踪分析等日常事务提醒。

3 系统应用

软件于2018年初设计完成，并开始在怀来台、阳原台、赤城台以及张家口无人值守测震台网安装试用。

怀来台主要有东良形变、后郝窑流体及测震、极低频、电磁扰动等测项。软件安装后对几次仪器死机停测、仪器故障数据中断、水平摆大震靠摆、调零预警等及时发出了告警，减少了工作失误，为及时抢修仪器争取了时间。

阳原台主要是地电阻率观测和电场观测。为保证观测数据的连续率，台站要求值班员白天每2 h查看一下仪器，并截屏留证。软件安装后实现自动监控，特别是解决了夜间监控的盲点问题，对几次仪器死机、缺测等及时发出了告警。

张家口无人值守测震台网由14个强震测点、100个烈度测点和13个测震测点组成，仪器数量多，台站工作人员主要负责仪器维修、台网维护。根据维修经验，测震仪主要是网络故障，即只要能连接登录、时钟正常，则仪器工作正常，无需数据采集、判断等环节。软件安装后，每小时巡检1次，发现问题及时告警，为提高台网运行效率发挥了积极作用。

4 结束语

地震台站自动监控与管理软件具有通用性，适合在更多的台站推广应用。软件在张家口地震中心台所属的几个台站应用以来，得到台站工作人员一致好评，可及时发现网络或仪器故障及数据异常，减少人工操作的工作量和错误率，提高了工作效率和质量，为台站仪器正常运行发挥了重要作用。但该软件也存在一定的局限性，如对地球物理观测数据阶跃、突跳的告警阈值需根据每个台的曲线特征反复设定，即警报的灵敏度需适当；对人工查看都存在困难的地球物理观测数据的曲线畸变、渐变台阶等的判别问题，软件还未较好解决，今后可考虑引入固体潮理论值进行判别，以及时发现异常是仪器故障所致还是地震地球物理异常。