0 引言

2018年5月12日汶川M_S 8.0地震后，公众对地震信息的关注度提高，尤其是对快速获取地震三要素信息的期望值进一步提升。随着国家投入和重点项目的实施，如“国家地震烈度速报与预警工程”和中国地震实验场项目，拟建并建成大量地震监测台站，数万套监测设备并入地震监测网络。布设密集地震监测台站，优化地震监测台网布局，可以快速获取震后三要素信息和震前预警信息，回应社会关切，进一步为防灾减灾事业服务。

地震监测台网由若干地震监测台站组成，地震台站运维管理的好坏，决定了观测数据的连续性、完整性和可靠性。在密集台阵建设过程中，要求台站既要符合台间距标准，又要尽量远离干扰源，无人值守台站成为建设优选。无人值守台站点多、面广，给运维管理工作带来挑战。本文将物联网技术和网络安全领域的“态势感知”概念引入地震监测台站运维管理工作，以提高工作效率，更好地为地震监测服务。

1 地震监测台站运维现状

地震监测站网包括测震（包含测震和强震动）和地球物理（包含地壳形变、重力、电磁、地下流体）2大站网，下辖台站为有人值守和无人值守2种类型。台站运维管理的主要工作对象是观测仪器、供电和通信系统。据台站运维经验统计，导致监测数据中断的原因多为监测仪器死机、仪器供电系统异常等，需要维修的仪器故障占比较小。监测数据中断，有人值守台站可及时检查仪器，快速判定原因，仪器死机、停电甚至出现故障均能得到及时处理；而无人值守台站则需派人现场查看，维护成本增加，仪器停测时间加长，导致数据连续率下降。

近年来，通过“九五”时期的数字化改造和“十五”到“十三五”期间的网络化提升，我国地震监测台站信息化建设取得长足进步，台站监测实现了数字化和网络化。2018年以来，通过顶层设计，地震信息化建设脉络更加清晰。如：在地震预警工程中，信息化技术得到普遍应用。云南省建成预警信息发布平台，实现了预警台和预警终端的远程监控和预警信息的自动发布，并在2021年云南漾濞M_S 6.4地震中得到实战检验（赵至柔等，2021）。在相关文件和方案指导下，在台站改造过程中，部分台站已实现智能供电、远程监视、远程控制的全流程一体化运维管理。受多种原因影响，台站建设中尚存一些问题，如：技术标准不统一；设备缺乏开放性、兼容性和互联性等。

目前，物联网技术高速发展，在地震系统智能地震台站（黄显良等，2013）及远端无人值守台站和智慧机房建设、军事领域（郭萃，2021）、气象部门（王美琪等，2021）、智慧社区建设（宫艳雪等，2014）、海洋环境监测系统（何世钧等，2011）中得到广泛应用。引入物联网技术的智慧地震监测台站正处于探索性实施阶段，如：在大型地震区域监控系统设计（邹霞玲等，2018）、台站运维平台设计（杨羽等，2019；赵婷婷等，2020）、台站远程供电管理（胡玉良等，2021）、台站光伏供电（刘光能等，2020）、机房动力环境监控（彭聪等，2021）等方面进行了探索和实践，并取得一定成效。应用物联网技术及态势感知，可以解决目前台站运维管理中存在的问题，为台站的全面智能化发展提供技术支撑。

2 物联网（IoT）技术和态势感知概念

物联网（Internet of Things，简称IoT）是实现物物相连的互联网络，狭义上的物联网指连接物品到物品的网络，实现物品的智能化识别和管理；广义上的物联网则可看作是信息空间与物理空间的融合，将一切事物数字化、网络化，在物品之间、物品与人之间、人与现实环境之间实现高效信息交互方式，并通过新的服务模式使各种信息技术融入社会行为，是信息化在人类社会综合应用达到的更高境界。目前，国内物联网技术的关注热点集中在传感器、RFID、云计算及普适服务等领域（孙其博等，2010）。

态势感知（Situation Awareness）最早出现在军事领域，代指指挥官了解己方优势和敌方弱点从而进行战场决策的过程（王娟等，2007），覆盖感知、理解和预测3个层次。态势感知在信息网络安全领域有较为成熟的研究和应用。态势强调环境、动态性以及实体间的关系，是一种状态，一种趋势，一个整体和宏观的概念，任何单一情况或状态都不能称其为态势（龚正虎等，2010）。

在智慧地震监测台站运维管理中引入态势感知概念，以物联网技术为基础，安装部署必要的传感器或智能设备，收集台站的电力、气象、安防等数据，结合台站地理信息，建立必要的异常指标，结合机器深度学习，开发地震监测台站态势感知系统，应用于地震台站日常维护管理工作。

3 智慧（智能）地震监测台站架构

对智慧地震监测台站的定义存在多种理解，文中对其定义为：智慧地震监测台站是一种应用物联网技术提升台站管理的全新运维管理形态，以物联化的形式将台站（台网）管理人员和台站监测设备通过网络互联互通，形成网络化、信息化和智能化的新型台站运维管理模式，运用智能供电、智能环境感知设备、智能仪器及其他智能传感设备提供态势感知，实现台站管理全面智能化和智慧化。

智慧地震监测台站由感知层、网络层、应用层构成。感知层通过智慧供电系统、环境感知系统和数据采集系统的感知设备采集必要数据，通过网络层传输到应用层，态势感知系统从各种业务数据处理系统中提取态势感知必要的数据与感知层上传的数据进行融合，通过机器学习或数据分析，对台站存在的潜在“威胁”（仪器死机、停电、观测数据突高突低等）进行决策处理，以可视化形式展示异常台站，通过短信息、微信、App等方式发出预警通知，管理人员根据态势决定是否采取人工干预处置措施。

智慧地震监测台站逻辑架构见图 1，物理架构见图 2。

3.1 数据采集（感知层）

感知层实现对动力数据、环境数据、安防数据的采集，并通过网络层上传至态势感知系统（平台）。

（1）动力数据采集：电量仪采集市电电压、电流、功率等参数，智能UPS采集UPS电压、电流、频率、功率、电池后备时间等参数，配电模块采集各路输入、输出电压和负载电流等参数，蓄电池监控套件实现蓄电池电压、充放电电流、内阻、温度等参数采集。

（2）环境数据采集：温湿度仪采集观测站室内、外温度及湿度数据，串口相机采集观测仪器工作状态指示灯等图像数据，大气电场仪采集电场变化数据，漏水监测仪捕获观测室渗漏数据，新风机实现对新风系统的风速、开关机次数等数据采集。

（3）安防数据采集：门磁系统采集各门禁系统开关数据（开、关门时间等），烟感设备实现烟雾浓度等数据采集，全景摄像头实现台站外部和观测室内部实时图像数据采集。

（4）观测数据采集：各类观测仪器实现对各个学科观测数据的采集。

3.2 数据传输

感知层的各种传感器数据采集完成后，汇聚到综合数据采集器，通过有线或无线方式，以互联网、专线网渠道，传输至后端服务器。除观测数据外，动力数据、环境数据、安防数据在设计时，要求供货设备厂商遵从物联网传输协议，实现物与物之间的自动化无线通信（赵婷婷等，2020）。对于各类观测仪器，建议顶层以物联网传输协议为基础，定义统一的数据传输协议，研发适应新协议的通信单元适配存量仪器，逐步实现各设备间的互联。

3.3 数据处理

各类观测数据的数据处理分别由测震、形变、地下流体、地震预警、电磁及其他专业业务处理系统完成，提供数据接口，态势感知系统通过接口实现数据读取，建立台站资产，结合专家经验及历史震例，建立数据算法，通过机器的自我学习，建立一定的态势感知功能。台站的动力、环境、安防等数据则直接由态势感知系统进行分析处理。

3.4 台站态势感知系统设计

态势感知系统（平台）负责观测数据与历史震例数据的对比分析，结合感知层收集的电力、环境等数据，在观测数据中断或异常时，先期进行智能处理并发出警报，是实现智慧台站运维管理的关键。系统采用B/S结构进行设计，主要实现以下功能。

3.4.1 台站资产管理

从原有据处理系统提取台站、仪器、测项等信息，建立台站资产数据，并以可视化方式，通过态势感知系统进行显示。每次维修维护信息均记录在相关数据表中，资产之间以外键方式形成关联，提供查询、修改、删除数据等服务。

3.4.2 台站状态展示

以绿色、橙色、红色表示正常、需要注意和必须处置等3种状态，借助WebGIS技术，将台站状态显示在地图上。台站状态显示绿色，表明台站运行正常；显示橙色时，表示观测仪器工作正常，但观测环境可能发生变化（市电断电由UPS供电、雷电预警、电池电量过低等），应引起注意；显示红色时，表示观测数据中断，态势感知系统向管理人员发送短信、微信等提示，同时发出报警声音，管理人员必须处置，处置情况流程自动或人工录入日志，以备后查。

3.4.3 自动控制

台站运维过程中，供电、仪器死机在故障事件中占比较大，通过部署智能设备，可实现台站交直流电的自动转换及仪器自动排障。

（1）供电转换及UPS电池管理。通过大气电场仪（雷电预警仪）监测电场变化，对可能发生的雷击事件进行预判，当雷击危险性较高时，由智慧供电系统切断交流供电，自动切换至UPS直流供电，避免雷电通过交流线路对设备造成影响。雷电消失后，自动切换回市电交流供电。

（2）自动排障。若某台仪器观测数据中断记录，态势感知平台向管理人员发送短信、微信提醒，同时发出报警声音，台站状态显示为红色并不断闪烁，此时进入自动排障流程。根据设置的中断时长数值，自动重启仪器（软重启），仍不能恢复正常，台站智慧供电系统将根据预先设置的断电重启时间间隔值（如30 s），对该路仪器进行断电再供电操作，实现仪器的断电重启（硬重启）。仪器恢复正常后，感知平台报警声音消失，台站状态恢复绿色，向管理人员发送仪器恢复正常的信息，同时自动写入日志数据表。若仪器仍未恢复正常，则再次发送仪器故障信息，提醒管理人员介入处理。

3.4.4 远程监控

管理人员在省级地震台网中心或中心站态势感知系统（平台），点击台站图标进入台站管理页面，实现远程监控。

（1）动力监控：智能采集终端（电量仪）、智能UPS、智慧太阳能供电系统将动力参数通过移动互联网或地震内网传输至台网中心态势感知系统，实现对市电、UPS供电、发电机状态的监视和智能管理，远程切换市电、UPS或太阳能供电，远程控制UPS电池的充放电、开关照明、摄像头。

（2）环境监控：借助温湿度传感器、大气电场仪（雷电预警仪）、雷电峰值记录仪等设备，实现对环境温湿度、大气电场、雷电脉冲等环境的监控。

（3）安全监控：借助全景视频摄像头，实现观测室内外部环境视频监控；借助门禁、烟感、红外、防盗传感器等设备，实现防盗、防火监控。临时授权门禁，可供当地县市地震局人员进出观测室等。

（4）仪器监控：管理人员可以通过态势感知系统查看仪器工作状态，远程控制仪器的软重启或断电重启。

3.4.5 观测数据异常感知

建立震例数据异常指标库，或通过观测数据与历史同期数据对比等方法，当观测数据出现异常时，台站位置以不同颜色显示在态势感平台地图上，并以短信方式通知管理人员，管理人员可以点击异常台站图标进入管理页面，查看动力、环境等监测参数，判断是否由于环境改变或电压、电流突变引起异常。对于地球物理场观测台站，当同一地区多个台站出现异常时，甚至可以辅助判断是否为地震前兆异常。观测数据异常感知是整个台站态势感知系统设计的难点所在，目前尚无成熟算法和数据模型，需要进行长期探索。

4 智慧台站与传统台站运维管理对比

数据中断后，传统台站与智慧台站仪器的处理流程不尽相同，见图 3所示。可以看出，对于传统台站，管理人员无法立即判断数据中断原因。对于智慧台站，通过部署的各种传感器，出现异常情况时，会自动向管理人员发送相关通知消息，也会将异常情况显示在态势感知平台上，并以声音、图像、短信等方式发出报警，管理人员可以远程监控台站情况，并对断电、仪器死机等事件进行远程处理，缩短了仪器恢复正常工作的时间，观测数据质量得到保障。仅当远程操作无效时，才进行现场处置，节省了人力、物力和财力。

5 结束语

随着物联网技术和态势感知概念的普及应用，实现地震监测台站管理智慧化、资源管理集中化、业务调度智能化将是大势所趋。本文简要讨论了智慧台站建设的一些粗浅想法，但距真正实现台站智慧化运维管理仍任重道远，需要从顶层设计并制定相关标准，引导仪器生产厂商统一物联接口，开放软件API，实现动力、环境、监测、网络的有机统一，业务数据处理智能（AI）化，建立权限明晰的集中管理态势感知平台，提高台站运维管理效率，保障监测数据的连续性和完整性，才能为科研人员提供可靠的监测数据。