地震地倾斜仪器超量程可预估与通信监控软件设计应用

常 城，白若冰，王卫平，古云鹤，张 璐，杜睿攀

（陕西省地震局，陕西 西安 710068）

0 引 言

为连续并精确观测地壳形变数据，自中国地震局“十五”数字化地震观测网络项目建设完成后，各地震台大都采用DSQ型水管倾斜仪和VS型垂直摆倾斜仪作为地震前兆地倾斜仪器。此类仪器采用的位移传感器有一定的量程范围，当仪器经过一段时间的观测或受到某些因素影响后，就会超出传感器量程（通常为±2 000 mV），导致仪器观测精度大幅降低甚至无法正常观测，此时就需要仪器运维人员对仪器进行手动调零，使仪器恢复到正常工作状态。由于电力和网络故障，仪器通信偶尔也会中断。对于上述情况的处理以陕西省地震局为例，台站值班人员大多会对仪器状态进行定期检查或根据经验预判，发现仪器即将超出量程或通信发生故障时及时对仪器进行调零和查修等操作。但这样会增加值班人员的工作量，且实际工作中经常会由于值班人员经验不足或未及时查看仪器状态等原因不能及时发现仪器超量程或通信中断，或者是发现超量程或通信中断后也无法及时赶到仪器观测室进行相应操作，导致仪器会中断观测或产生几个小时甚至几天的无效数据，影响数据的完整性和连续性。

为提高形变仪器观测质量，减少运维人员工作量，近年来多位学者通过编写桌面软件实现对此类形变仪器的超量程和通信实时监控，并通过声音和邮箱等方式进行报警[1-3]。此外，也有部分学者利用企业微信平台进行监控并报警[4]。但目前此类软件大多只对仪器进行被动监控，无法依据数据变化趋势对超量程日期进行提前大致预估，运维人员也无法根据大致的超量程日期进行运维工作统筹安排。因此，有必要编写地震地倾斜仪器超量程可预估与通信监控软件，对地倾斜仪器超量程和通信等状态进行监控，并根据观测数据对仪器超量程日期进行预估，以便运维人员可以更灵活安排日常巡检工作，提高观测数据质量[5]。

1 软件设计

软件基于Qt框架编写，该框架是一个跨平台的C++图形用户界面应用程序开发框架，具有简单易用、性能强大以及软件开源等优势，适合图形界面程序开发。

1.1 软件功能

陕西省地震局地倾斜仪器主要有DSQ型水管仪和VS型垂直摆倾斜仪等，这两种型号的仪器可以通过访问仪器网页实现实时运行状态查看、参数设置以及启动标定等操作。本软件通过定时访问网页获取仪器工作状态，并进行超量程和通信状态判断。若数据超过设置阈值（默认为±1 800 mV）或通信中断，则通过弹窗、声音、邮件或短信等方式向值班人员报警。若数据和通信正常，则保存数据，同时与先前保存的数据一并进行计算，预估仪器超量程日期，并显示在软件主界面，以供值班人员查看。

1.2 软件框架

软件分为界面模块、仪器状态获取模块、配置文件存取模块、仪器数据存取模块、数据拟合计算模块以及超量程与通信报警模块等。其中，软件界面模块主要负责显示监控仪器信息和各项设置操作交互；仪器状态获取模块负责对开启监控的仪器定期进行轮询并获取状态数据；配置文件存取模块负责对仪器型号、IP地址及报警邮箱设置等参数进行存取；仪器数据存取模块负责对定时读取的仪器状态数据进行保存及预估计算时对已保存数据进行读取；数据拟合计算模块负责对仪器超量程日期进行预估；超量程与通信报警模块负责对仪器超量程和通信中断状态进行弹窗、声音或邮件等方式报警。

1.3 软件流程

软件流程如图1所示。

图1 软件流程图

2 超量程日期预估实现

2.1 观测曲线趋势拟合

根据地倾斜仪器等形变仪器的工作原理和地壳形变规律，结合经验判断，在无明显干扰及地壳形变异常的情况下，观测数据曲线应清晰体现固体潮信息，总体变化趋势应趋于线性。在仪器进行过调零操作后的一段时间内，定期读取仪器端点读数并进行记录，根据记录到的数据采用最小二乘法对曲线大致变化趋势进行拟合，即可预估仪器超量程日期。据此原理，可通过程序实现对仪器状态数据的定期记录，并在每次记录后自动进行后续运算，得出仪器超量程日期预估值并显示在软件主界面，供运维人员参考。

2.2 编程实现

2.2.1 仪器状态获取

在日常运维中，DSQ型水管仪和VS型垂直摆等仪器一般可以通过访问实时数据网页获取端口电压读数，编写仪器状态获取模块可模拟访问网页对仪器实时数据进行提取。

软件首先通过Qt框架中的QNetworkRequest发起对仪器运行状态网页的网络协议请求，其次通过QNetworkAccessManager发送网络请求，创建网络响应，最后通过QnetworkReply获取响应并读取网页数据。若无法建立通信或读取数据为空白，则判断仪器通信中断并进行报警。若通信正常，则进行下一步数据获取。通过在浏览器开发者工具中使用调试代码“document.charset”得知网页编码为GBK格式，则获取网页代码时需使用相同编码格式进行处理或转换。拉取全部网页代码后，通过分析可知网页中“＜html＞”字符表明其为HTML文档，包含标题“＜title＞”和主体“＜body＞”。需要提取的仪器端点读数则在主体中“南”、“北”等对应端点名称字符后，其中间隔着一定长度的字体格式等代码。程序会使用indexOf和mid两个函数进行数据筛选和提取，indexOf函数可以查找网页中的关键字并返回关键字所在位置，mid函数可以截取从指定位置开始指定长度的数据。先使用indexOf函数查找网页中“北”、“南”、“斜”等关键字，定位至所需关键字后，再用mid函数根据所需端点读数与关键字中间隔的字符数截取关键字后对应的数据，即可获得仪器端点读数。获取各端点读数和仪器时间后，转换为double和QDate Time类型，方便后续计算。

2.2.2 超量程预估日期计算

软件每隔1 h获取仪器端点读数，若判断未超出预设阈值，则将读取的时间和数据保存至文件中，此数据为仪器各端点小时值采样。用最小二乘法将该段时间内端点数据进行线性拟合，即可得到此区间的拟合直线近似方程。软件读取保存在数据文件中的端点读数后，将QDate Time类型的时间数据转换为时间戳格式，进行最小二乘法拟合计算，得出数据曲线整体变化趋势拟合线性方程，然后代入设定好的超量程阈值求解，即可预估仪器超量程日期，并在软件主界面显示，如图2所示。

图2 超量程预估日期显示

由于采取的算法为线性拟合，因此随着读取的仪器端点数据量的累积，计算得出的超量程预估日期也将更加准确。软件为小时采样，仪器出现少量突跳点和台阶等异常数据也只影响个别采样点，拟合结果也基本可保持稳定。

当仪器出现长时间大幅数据异常变化影响端点曲线变化趋势或运维人员进行调零操作过后，值班人员可手动对软件超量程预估模块进行重置，软件会从重置时抛弃历史数据重新开始读取仪器数据，保存并使用新数据进行拟合计算。

3 软件使用

软件主界面如图3所示，包含仪器列表、状态显示、超量程预估日期显示以及报警设置等区域。首次运行时会提示先选择台站，软件会从device.ini配置文件中读取选择台站辖区内的地倾斜仪器和主要参数等信息，并在仪器列表中显示仪器与其工作状态。选择列表中仪器后，下方会显示仪器运行状态数据及超量程预估日期，日期预估需先读取并累积5～7天数据供拟合计算。右下方可以设置弹窗、声音或邮箱等报警方式的开关，也可在此处试听报警声音或设置报警邮箱地址。

图3 软件主界面

根据图3，点击“台站选择”按钮可重新选择监控仪器台站，点击“仪器参数修改”按钮对仪器IP地址、报警阈值以及监控开关等进行设置，点击“刷新”按钮可对超量程预估日期进行刷新，点击“重置”按钮可对仪器监控状态和超量程预估日期进行重置。

当软件监控到仪器超出预设阈值或通信中断时，则会触发已开启的报警手段，提醒值班人员及时查看仪器状态，并进行相应操作，如图4、图5及图6所示。

图4 仪器超量程弹窗报警

图5 仪器超量程邮件报警

图6 仪器通信中断报警

为防止软件误关闭，点击软件右上角关闭按钮后，软件默认最小化至系统托盘。如需退出软件，可在系统托盘上点击右键选择退出。退出软件后，前期保存的仪器数据不进行自动清除，若在短期无较大影响或人工调零情况下再次打开软件，即可根据保存的数据直接进行仪器超量程预估，无需重新积累数据。

4 软件应用

软件可用于地震台网和中心地震台等值班人员和运维人员对地倾斜仪器的监控和超量程预估日期的查看，具有操作简便和界面简洁明了等特点。以宝鸡上王DSQ型水管仪为例，图7为北端2020年4月20日—6月1日分钟值原始数据，可见在无明显干扰和地壳形变异常等情况下，端点读数大致趋近一条直线。

图7 宝鸡上王DSQ水管仪北端2020年4月20日—6月1日分钟值原始数据

使用软件对该仪器进行监控，设置超量程阈值为±1 500 mV，并记录每次超量程预估日期计算后的结果。仪器实际端点读数为-1 500 mV时的日期为6月2日，若取误差为±5天，则在开始监控7天后软件即可对仪器超量程日期进行较为准确的预估，并且结果稳定，与实际超量程日期始终在误差范围内，如图8所示。由此可知软件在对形变地倾斜仪器超量程日期监控报警及预估方面有一定实际意义。

图8 宝鸡上王DSQ水管仪北端超量程预估日期

5 结 论

通过在宝鸡中心地震台实际部署和应用地震地倾斜仪器超量程可预估与通信监控软件，可以发现其对仪器超量程及通信中断监控报警及时，超量程日期预估较为准确，可有效提升观测数据质量，减少值班人员工作量，有一定实际应用价值。未来将对软件进行进一步优化和监控手段升级，继续完善软件各项功能。