測震臺站數據傳輸模式改進

李 勇 潘志宏 蔡紹平

（中國昆明650224云南省地震局）

測震臺站數據傳輸模式改進

李 勇 潘志宏 蔡紹平

（中國昆明650224云南省地震局）

為提高數字化地震監測臺站的數據連續率及可用率，在綜合考慮傳輸成本、建設難度、運維管理等因素基礎上，提出測震臺站雙鏈路傳輸方案。經驗證，該方案能有效提高測震臺站數據傳輸連續率及可用率，為測震臺站高效穩定的數據傳輸提供保障。

測震臺站；串口服務器；DTU；鏈路冗余

0 引言

隨著中國數字化地震監測技術的高速發展，地震監測臺網規模日益擴大，臺站數量劇增，臺網種類日益多元化，導致測震臺網中心的實時測震數據傳輸量及負載急劇增加。截至2014年6月，云南數字化測震臺網已建成并正式運行的臺站達到92個，包括國家臺、省級區域臺、地方臺及企業臺等，相比“十五”網絡項目建設完成時的48個，數量增加了將近1倍。在地震臺網規模急劇擴大的同時，地震科學研究、地震預報等工作對數字化地震臺站的數據連續率、數據可用率等提出越來越高的要求。受條件所限，地震臺站運行維護壓力越來越大。

通過對測震臺站運行及數據長期監控及分析，認為造成當前數字化測震數據中斷的原因主要包括供電故障、通信鏈路故障、地震儀器自身故障、雷擊、人為損害等，其中供電故障及通信鏈路故障為主要因素，截至2013年1月，在云南測震臺網日常運行故障中，供電故障導致數據中斷占48.1%，通信鏈路故障導致中斷占39.5%，儀器自身故障導致的數據中斷占10.3%，其他因素僅占2.1%。

為了解決當前測震臺網數據非正常中斷問題，云南測震臺網從2013年起，對該省境內大部分國家臺及省級區域臺進行供電線路改造，在保留原有供電線路基礎上，增加太陽能供電線路，對老化的UPS及蓄電池進行更換，采用市電及太陽能雙線路同時供電，自動切換等技術，較好解決了供電故障導致臺站數據非正常中斷問題。

供電改造完成后，通信鏈路故障成為測震臺站數據中斷的主要原因，當前云南省境內測震臺站大多采用SDH線路進行數據傳輸，中斷后由運營商負責檢查及進行維修，由于大部分測震臺站地處偏遠鄉村，運營商在縣級以下村鎮的運維力量薄弱，發生通信鏈路故障后不能及時進行檢修及恢復，將嚴重影響測震臺站數據連續率。為解決此問題，本文探索采用臺站雙鏈路傳輸技術，增強測震臺站的可靠性及數據連續率，從而保障測震臺站的穩定運行。

1 設計目標

結合地震監測臺站特點及實際情況，在采用雙鏈路備份技術對臺站進行升級改造過程中，主要考慮以下設計目標：①實施成本。由于測震臺站每年運維經費有限，主要用于保障原有系統及SDH鏈路的正常運行，在增加備份鏈路時不能大幅度提高測震臺站運維成本，應控制在原有費用的10%以下為宜；②兼容性。增加的鏈路定位為原有鏈路的備份及補充，在實施過程中不應干擾原有傳輸鏈路及模式，僅在原有SDH鏈路出現故障時采用，應支持當前測震臺站使用的各種主流數據采集器及傳輸設備，在不更換原有設備情況下進行升級及擴展；③維護性。增加的鏈路定位為原有鏈路的備份，主要為了減輕臺站維護負擔，提高數據連續率。

2 實施方案

2.1 基于3G網絡的VPDN數據傳輸

VPDN（Virtual Private Dial-up Network）又稱虛擬專用（或私有）撥號網，是虛擬專用網（VPN） 業務的一種，以撥號接入方式上網，在其之上傳輸數據，并對數據進行封包和加密的一種網絡。它是利用IP網絡的承載功能結合相應認證和授權機制建立的安全的VPN，是近年來隨著Internet的發展而迅速發展起來的一種技術。VPDN可以實現將數據流量強制到特定的目的地，并提供必要數據安全支持。3G（the 3rd Generation）技術，指第三代移動通信技術，是支持高速數據傳輸的蜂窩移動通信技術。3G技術能夠同時傳送聲音（通話）及數據信息（電子郵件、即時通信等），其特點是提供高速數據業務。地震臺站備份鏈路采用中國電信推出的CDMA 2000 3G移動通信業務，理論帶寬可達3.1 Mb/s，可以滿足地震實時波形數據傳輸業務需要。

測震臺站選用3G網絡作為備份鏈路進行傳輸，可以有效控制臺站運維成本。以“十五”數字化測震臺為例，采用EDAS-24IP數據采集器，采樣率100，3通道，采用3G網絡進行24小時不間斷傳輸，每月產生的數據流量約2 GB，地震較多時可達3 GB，相比原有固定SDH鏈路，成本增加控制在10%以內，可以用較低成本實現鏈路的實時備份，滿足設計要求。

在以往基于3G網絡的流動地震監測中，通常采用傳統的VPN方案來組建虛擬數據專網，傳統VPN方案部署困難、維護量大，需要測震臺網自行進行整個數據傳輸網絡的維護，同時需要維護人員具有一定網絡水平和網絡管理知識，無形中增加了臺網運行維護負擔和工作量。VPDN的出現有效解決了這一問題。VPDN網絡應用隧道技術，在公網上建立虛擬專用網絡，屬于VPN的一種形式，與普通VPN不同的是，在基于3G撥號網絡的情況下，VPN需要進行2次撥號，使用戶能夠接入虛擬專用網，用戶認證過程在臺網中心服務器端完成，而VPDN僅需1次撥號，就可以實現公網和專線接入，無縫結合，用戶認證及權限分配僅通過撥號時使用的用戶名和密碼進行控制，同時用戶認證服務器可以交由鏈路運營商代為管理和維護，地震臺網維護人員只需監控鏈路的通斷狀態，無需管理和維護具體的實現過程，減輕測震臺網中心和臺站端日常工作負擔。

2.2 基于串口服務器的地震數據傳輸

在“十五”數字化地震臺網建設規劃中，中國地震觀測網絡提出儀器IP化概念，以及網絡到臺站，IP到儀器的建設目標，很多公司生產開發了具有IP傳輸功能的地震數據采集器（李勇等，2007）。由于儀器自身局限，當前中國測震臺網使用的數據采集器只具有單網口輸出，網絡信號接入SDH鏈路進行日常地震數據傳輸，基于備份鏈路與SDH鏈路相互獨立，互不影響的原則，備份鏈路與數據采集器的網絡輸出口不能連接，以保證主要數據傳輸鏈路的正常運行。

當前中國測震臺網使用的主流數據采集器配備串口+網口的雙通道輸出，能夠同時輸出相同無差別的實時地震監測信號。因此，在備份鏈路中，可采用數據采集器串口輸出作為數據源，由于VPDN是基于TCP/IP協議的數據傳輸鏈路，需要對數據采集器的串口輸出進行IP化后進行傳輸，經過長期實驗及比較，當前較為穩定的有基于串口服務器和基于DTU設備的兩種傳輸方案。

在基于串口服務器的傳輸方案中，串口服務器成功實現了傳統串口數據的IP化，使得數據采集器串口輸出數據可以進入基于3G網絡的VPDN鏈路進行傳輸，該方案的網絡拓撲見圖1。

圖1 基于串口服務器的地震數據傳輸方案Fig.1 Data transmission using the data stream server

在基于串口服務器的傳輸方案中，通過串口服務器IP化后的實時監測數據需要接入3G路由器進行數據傳輸，通過串口服務器轉換為標準的IP數據流，可以適用于當前市場上各種3G路由器，適應范圍廣。在實際應用中，可以選用具備開機自動撥號、自動維護通信鏈路、掉線自動重播、鏈路永遠在線、自動定時上線和下線、遠程短信重啟等功能的工業級3G路由器，可以收到較好的鏈路備份及傳輸效果。

2.3 基于DTU設備的地震數據傳輸

DTU（Data Transfer unit）設備是近年來廣泛采用的專門用于將串口數據轉換為IP數據，通過無線通信網絡進行傳送的無線終端設備。DTU設備提供RS232、RS485、RS422接口或者TTL接口，可以直接與數據采集器的數據輸出串口連接，并通過設備內集成的3G路由器進行數據傳輸，DTU設備同時具備開機自動撥號、自動維護通信鏈路、掉線自動重播、鏈路永遠在線、自動定時上線和下線、遠程短信重啟等功能，可以較好的實現測震臺站的鏈路備份及數據傳輸。該方案的網絡拓撲見圖2。

圖2 基于DTU設備的地震數據傳輸方案Fig.2 Data transmission using the DTU

3 試運行

為了測試雙鏈路備份技術的實際應用效果，云南測震臺網選取3個較為典型的地震臺站進行試運行測試。測試臺站為：滄源臺（YN/CAY）、漫灣臺（YN/MWT）、拖麻臺（YN/ L5320）。其中：滄源臺為無人值守區域固定臺站，采用SDH鏈路進行傳輸；漫灣臺為無人值守水庫固定臺站，采用SDH鏈路進行傳輸；拖麻臺為大震現場流動觀測臺站，采用CDMA鏈路進行傳輸。這3個臺站由于數據鏈路故障、供電故障、儀器故障等原因，數據連續率較低。

從2015年3月起，云南測震臺網對3個臺站按照以上方案進行升級改造，增加了基于3G網絡的VPDN備份數據傳輸鏈路，采用獨立數據流服務器接收備份鏈路實時波形數據，截至2015年6月，共90天，運行統計數據見表1。由表1可見，3個臺站原有傳輸模式運行率都不高，但備份鏈路數據傳輸運行率均99%以上，效果優于故障率較高的主傳輸鏈路。可見，按照以上方案進行傳輸方式升級改造成功。

表1 運行統計結果Table 1 Statistic results of performance in 3 stations

4 結束語

綜上所述，通過長期實驗研究，作為傳統固定SDH數據傳輸鏈路的備份及補充，基于3G網絡的VPDN數據傳輸鏈路具有成本低廉、安裝部署方便、維護簡單、兼容性好等優點。將地震數據采集器的串口輸出通過備份鏈路進行傳輸，在測震臺網中心部署一臺或多臺數據流服務器，即可與原有臺網流服務器實現互為備份，同時各自獨立，互不干擾，穩定運行，在數據采集器正常工作情況下，即使原有SDH鏈路出現故障，也不會造成實時數據非正常中斷，有效避免了通信鏈路故障造成的數據中斷，提高了測震臺站數據連續率及可用率，為測震臺網高效穩定的數據傳輸提供保障。

李勇，潘志宏.串口服務器在地震數據傳輸中的應用［J］.地震地磁觀測與研究，2007，28（2）：73-77.

劉可，張亦梅，等.如何在湖北省地震網絡系統中架構VPDN平臺［J］.大地測量與地球動力學，2010，30（Z1）：157-161.

徐建斌，吁亮.基于3G的VPDN技術在高速公路備份鏈路中的應用［J］.中國交通信息化，2014，（3）：74-77.

The optimization and improvement of data transformation for seismic station

Li Yong，Pan Zhihong and Cai Shaoping
（Earthquake Administration of Yunnan Province，Kunming 650224，China）

To reduce the interruptions of seismic data transformation，considering the costs，the diffculties of construction and maintenance，a solution based on the technology of network redundancy is provide in this paper.The results indicate that the network redundancy of seismic stations can improve continuity of the seismic data，making the seismic stations work stably and effciently.

seismic station，data stream server，DTU，network redundancy

10.3969/j.issn.1003-3246.2015.05.018

李勇（1980—），男，工程師，主要從事地震臺網維護及地震監測技術研究工作。E-mail： yneq@qq.com

云南省地震局青年基金項目（201308）和云南省地震局傳幫帶項目聯合資助

本文收到日期：2015-07-22