0 引言

近年来，随着我国社会经济全面、快速的发展，城市规模迅速扩大，导致地磁观测环境日趋恶化，干扰日益增多，如车辆影响、基建干扰、地铁轻轨影响、高压直流输电影响等（陈俊等，2010a）。目前，全国在运行200多套地磁秒采样仪器，观测精度高，产出数据量大。观测仪器主要是磁通门磁力仪FGM01、GM4、GM3和FHDZ-M15等相对记录仪，灵敏度高，易受到各种干扰，并在一定程度上影响地磁观测数据质量（陈俊等，2010b），同时，若仪器出现故障，易产出错误数据，不利于数据的正确使用。

在地磁日常观测中，一些干扰具有临时性、不固定性、突发性等特点，而地磁仪器和观测环境不易被监控，干扰发生时不能及时发现并处理，无法有效确定干扰源及成因，造成地磁观测资料处理困难、日志不易填写。同时，磁暴、磁扰、仪器故障等时有发生，异常数据和错误数据相互叠加，增加了干扰识别和处理的难度，这就对地磁观测人员资料处理水平提出了更高要求。为此，统计并分析地磁观测中的各类干扰现象，寻找每种干扰造成的数据异常特征，利用现有编程技术开发智能分析系统，对地磁各分量进行实时智能分析，发现数据异常及时报警并提示相关原因，实现对仪器状态和观测环境的实时监控，应对日益复杂的各类干扰，为地震研究等提供有效的基础数据。

1 系统设计思路与实现

地磁秒采样数据智能分析系统软件于2020年由河南省洛阳地震台自主研发，并应用于多个地磁台站。该软件由实时数据智能监控软件和多台对比智能分析软件2部分组成，主要应用于数据异常报警、当天高压直流输电干扰及线路判别等，以便为台站值班人员提供干扰信息参考，提高工作效率。

1.1 设计思路

该系统利用Visual studio 2013开发环境中的C#语言进行编程，通过通信协议与秒采样仪器建立通信，实时获取地磁秒采样仪器数据记录，分析异常数据变化特征，据此识别相应干扰，并进行报警提示，同时，监控仪器工作状态，进行数据曲线绘制、时间检查和实时数据备份等操作，对于复杂的异常数据，通过多个台站数据对比，智能分析并识别干扰。

1.2 数据采集、监控、智能分析的实现 1.2.1 与秒采样仪器建立连接并通信获得数据

建立socket网络通信接口，利用Connect函数与服务端建立TCP/IP连接。根据前兆数据库标准通信协议，向仪器发送实时指令（get /42+ “+仪器ID +” +lin+ “+用户名+” + “+密码+” /http/1.1），若回复“ack”则表示与仪器通信成功，返回“error”则表示失败。通信成功后向仪器发送实时回传指令get /21+ “+ 仪器ID +” + dat + 0 “+” /http/1.1，仪器将向请求方每秒发送1组数据。代码如下

private void liantong()//GM4数据实时通信协议

{ _socket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);

_socket.Connect (edthost.Text, int.Parse(edtport.Text)); //建立连接

AppendLog (“连接服务器成功”); zt = 1; button3.Text = “中断服务器”;

statusLine1 = “get /42 +” + tzcs[1] + “+lin+” + tzcs[2] + “+” + tzcs[3] + “/http/1.1”;

byte[] statusLineBytes = utf8.GetBytes(statusLine1); //状态行

var data = statusLineBytes;

AsyncSend (_socket, sdata); //发送通信指令

statusLine1 = “get /21 +” + tzcs[1] + “+ dat + 0” + “/http/1.1”;

byte[] statusLineBytes = utf8.GetBytes(statusLine1); //状态行

var data = statusLineBytes;

AsyncSend(_socket, sdata); //发送回传指令

}

1.2.2 数据分离和备份的实现

系统软件接收到数据后，利用msg.Split(‘ ’)分离出时间、H、Z、D、T等数据，按照2种格式进行文件存储，即排列式文件（方便数据查看）和前兆数据入库标准格式文件。排列式以“时间+ 空格+ H + 空格+ D + 空格+ T”按行排列，其中时间通过北京时间授时软件对计算机授时而获得。入库标准格式以“年月日+ 空格+ 台站代码+ 空格+ 仪器ID + 空格+ 02（秒）+ 空格+测项总数+ 空格+ H + 空格+ D + 空格+ Z + 空格+ T + 空格+ H + 空格+ D + 空格+ Z + 空格+ T …”依次排列。通过StreamWriter类，将2种格式的字符串分别实时写入2个文件。

1.2.3 数据实时绘图、数据时间监控的实现

将各分量数据实时存储在数组变量中，调用Graphics类中DrawLine方法，结合Pen对象绘制直线，利用for循环依次取出数组中的数据，对前后2 s数据按一定绘图坐标绘制直线，最终形成曲线。在绘图的同时，对每个分量秒数据进行差值对比，该分量超过设定值即报警，同时存入LOG日志文件。通过DateTime函数获取当前系统授时，利用AddHours（-8）函数获得世界时，与接收的每一组数据时间做对比，超过设定时间则表示GPS授时无效，报警并将该信息存入LOG日志文件。

1.2.4 多台对比智能分析实现

利用socket和TCP/IP协议，与本台及相邻两地震台仪器建立连接，依次发送当天回传指令，如“get /21 + 仪器ID + dat + 0 /http/1.1”，利用socket.Receive函数接收数据并保存，接收完毕使用socket.Close()函数关闭通信连接。使用StreamReader函数读取每个台站的地磁秒数据文件，利用Split函数分离存入数组，采用高斯滤波公式计算，转换成分钟值。设计算第i分钟（i min）的分钟值，则取i min00 s及其前后各45 s共91 s的秒采样数据，进行高斯滤波计算。公式如下

$ {B_i} = \sum\limits_{n = - 45}^{ - 1} {{C_n}} \times {b_{i - 1, 60 + n}} + {C_0} \times {b_{i, 0}} + \sum\limits_{n = 1}^{45} {{C_n}} \times {b_{i, n}} $

式中，B_i是第i分钟的分钟值，b_i, j是第i分钟第j秒的秒采样数据，i、j的取值范围为：00-59，C_n = C_-n。

利用多台对比差值法来实现干扰智能分析，依据相邻相近台站的地球磁场变化相近为原则，也就是，其中一台数据与其他两台变化不同步即判定为干扰，可较好识别每个台站的异常数据。差值法选取第1个台站H分量第1分钟和第3分钟的差值，然后选第2个台站H分量第1分钟和第3分钟的差值，得到2个台差值之差，同样得到第1和第3个台站的差值之差。若第1个台站与第2、第3个台站的差值之差均较大，说明第1个台站数据异常；若第1和第2个台站差值之差较大，第1和第3个台站的差值之差接近零，则第2个台站数据异常；同理，可得出第3个台站数据异常。通过循环语句，将当天所有数据进行差值分析，利用Bitmap类中的DrawRectangle函数，将异常数据用方框标出。

高压直流输电对台站产生的干扰，可通过多台Z分量干扰幅度对比来实现智能分析。根据高压直流输电线路中段区和离线路近的台站，Z分量变化远大于H分量幅度（蒋延林等，2014）。利用高压直流输电线路位置不变、台站位置不变、干扰距离不变，干扰幅度比就不会变的原则，实现此类干扰的自动识别。通过“地磁台网高压直流输电判别处理系统”网站，找到相邻相近的3个台站同一时间某条线路最大干扰幅度，换算成幅度比，如：第1个台/（第1+第2+第3）=幅度比，依次计算另外2个台的幅度比，计算并保存3个台站相关线路的干扰幅度比，用于日后数据对比。用第1个台站的Z分量做3 min值差值幅度计算，超过设定值为高压直流干扰，调取另外2个台站的相应差值幅度，3个台站幅度相加获得总幅度，与已知各线路幅度比做比较，一致或接近即为那条线路的干扰。选台距离以≤300 km为宜，以洛阳、信阳、浚县3个台站为例，统计高压直流输电对各台的干扰幅度比，结果见表 1。

2 系统软件工作原理

系统软件向磁通门磁力仪GM4、FGM01、FHDZ-M15发送实时数据回传指令，获取数据记录，进行数据实时绘图、备份和分析等，从中识别各种干扰、磁暴、仪器故障等，并自动弹出报警提示框，提醒工作人员进行现场检查并及时处理。若无法准确判定复杂干扰、磁暴或高压直流干扰，自动调取3个台站的地磁仪器进行智能对比分析，标示干扰位置和类型，对于高压直流输电干扰，可提示干扰类型、线路名称、干扰数据位置等。智能分析系统工作流程见图 1。

3 系统软件功能

该系统软件具有智能报警、数据实时监控、数据备份和多台智能分析等功能，对仪器工作状态、磁场变化及人为干扰等，具有一定监控和智能分析能力。

3.1 智能报警功能

利用地磁秒采样数据智能监控系统软件，实时监控磁通门磁力仪工作状态及仪器时间错乱、数据走直线、网络中断、死机等现象。软件内部设置报警参数，超过设定值即报警，如：仪器时间和世界时差值超过设置时间，自动报警并提示“GPS授时可能出现故障，建议检查”；仪器内部数据连续记录不变被视为走直线，提示“数采故障，建议检查数据线或仪器重启”。对于各分量出现的数据异常变化，针对相应干扰特征，能够简单识别出入车辆和施工、磁暴、高压直流输电等干扰，并报警提示。

该软件根据干扰幅度大小判定是否需要报警，以台站标准化改造过程中的人为干扰为例，干扰曲线见图 2，图中干扰系工人进入磁房测量尺寸时造成，软件即时发出报警信息，弹出“请检查仪器和磁房周围环境是否变化”。根据工作经验，无干扰情况下地磁观测数据相对稳定，前后秒差值一般在0.2 nT左右，超过设定值该软件即发出报警信息，同时根据H、D分量干扰幅度判定干扰源，若二者均大于Z分量干扰幅度，则为铁磁物质干扰，即车辆、施工干扰等。

由图 2可知，H、D、Z分量干扰幅度分别为14.5 nT、17 nT、6 nT，可见D、H分量干扰均大于Z分量，系统软件据此发出报警信息，提示为人为干扰，值班人员只需现场查看即可判定干扰原因。

3.2 软件实时监控功能

地磁秒采样仪器每秒钟产出一组数据，数据变化无法直观可见，通过系统软件实时监控功能，可查看各分量数据变化曲线，见图 3，还可通过“全天绘图”功能，查看全天数据曲线，了解当天磁场变化趋势，对于细微的异常数据变化，可用绘图放大功能予以查看，实时了解仪器工作状态和环境变化，方便对观测仪器和环境的维护。

3.3 数据备份功能

该系统软件对仪器产出数据具有实时备份功能。若仪器出现故障，导致数据无法实时获取，可利用备份数据手工入库，以保证数据资料的正常使用。若仪器授时出现错误，可能造成仪器内部数据的丢失，通过系统备份数据入库，以保证观测资料连续、可靠、真实。

3.4 多台智能分析功能

如何正确识别各种干扰，使预处理后的数据能正确反映磁场的正常变化，成为困扰观测人员的难题（郅红魁等，2012）。对于较为复杂或较小而不易识别的干扰，可通过软件的多台对比智能分析功能来识别，即利用3台差值法寻找异常数据，根据数据特征自动识别并标示。该功能主要用于复杂干扰和高压直流输电干扰。在日常地磁数据处理中，诸多小干扰和磁暴、磁扰叠加，难以识别且易漏或错误处理，造成预处理数据错误，影响数据处理质量。另外，高压直流输电对台站观测干扰已常态化，干扰线路多且不易识别。利用该系统软件多台智能分析功能，可有效识别以上诸多干扰（图 4）。

2020年6月，中国新增青海到驻马店高压直流供电线路（简称海驻线），对河南省地磁台站均产生影响。选择洛阳（豫西）、信阳（豫南）、浚县（豫北）3个地磁台FGM01磁通门磁力仪观测数据，进行多台干扰幅度对比分析，结果见图 5。由图 5可见，7-16时3个台站出现多处高压直流干扰台阶，且均在同一时间，即07:06-07:09。由系统软件自动获取洛阳、信阳、浚县台Z分量第1个台阶幅度，分别为1.03 nT、2.376 nT、0.31 nT，将每个幅度除以3个幅度之和，得到幅度比分别为0.28、0.639、0.08，与表 1中结果基本一致，达到干扰自动识别功能。

4 结束语

随着社会经济的建设发展，越来越多的地磁台站观测环境受到影响，各种不明干扰不断增多，对地磁正常观测产生影响，加大了数据资料处理的难度。该系统软件能够较好地发现和识别干扰并快速报警，以便工作人员及时排除干扰，有效提高观测资料的连续性、可靠性，对地磁数据日常处理工作起到积极作用。随着科技创新的进步，各行各业在大力发展智能化、自动化设备，而智能化监控和分析将是未来发展的一个方向。