基于虛擬儀器技術的地震震動警報預警研究

雷 丹

(西安科技大學高新學院,陜西 西安 710109)

0 引言

我國屬于地震頻發國家,涉及的大陸境內地震斷裂帶多達23條,而地震災害發生給人民生命財產帶來了巨大損害,因此,盡管地震屬于小概率的自然災害事件,但所造成的危害程度不容忽視。有關于基于虛擬儀器技術的地震震動警報預警研究具有現實意義,可以勘探出地震監測系統的預知范圍,從而有效提升地震預警能力。我國地震預警系統研究形成了地震預警綜合試驗,從而具備閾值報警和P波預警一系列功能[1]。

隨著國家社科技術的逐漸發展,對地質問題探究需求越來越大,因此,給有關地震預警反射波成像的方法研究帶來了新的挑戰,需要形成地質問題模塊化,設計一整套符合精細化、復雜化、模塊化的方案,類似于結合模型提出仿真實現方法構建原始數據濾波處理法,并結合虛擬儀器技術構建硬件。虛擬儀器技術的應用,在硬件上采集嵌入式的數字集中器,設計上位GPC硬件端,并形成網絡協議,構建交互連接。軟件上并非所有功能在一個主體上得以實現,而是借助LabVIEW編程語言通過子程序、子過程組合構成框架結構形成流程,調試輸入輸出,構建鏈接關系,從而提升地震震動警報預警系統探測技術,并構建地震波反射波成像系統,應用于實驗當中提升預警能力[2]。

結合計算機軟件,針對地震預警系統予以發波測試,經過反復多次測試,使其降低成本。綜合地震臺網中心強震觀測臺站布設的地震斷裂帶符合國家區域選址建立臺站,獲取的地震震動信息更加準確,基于虛擬儀器技術的地震震動警報預警的模擬測試具有應用優勢。工程領域中振動測試儀器的虛擬儀器技術問世,推動了振動測試儀器的進一步發展。而虛擬儀器開發的lab應用編寫軟件能夠模仿現實,綜合頻譜儀信號發生器以及工具包采集信號波形成波形、儲存數據,結合網絡協議實現數值計算、信號變化、數據采集,滿足振動測試的關鍵技術要求。

由此可見,基于虛擬器技術開發的地震震動波形信號采集軟件以及信號發生器的核心硬件,所構建的地震預警測試系統可以形成S波預制報警、P波預警,通過驗證測試證明該模型測試方案成本低、靈活性強、擴展性好,應用于地震震動警報預警具有參考價值。

1 基于虛擬儀器技術的地震震動警報預警總體設計及可行性分析

地震預警警報的研制,主要綜合軟件儀器設計思想,在虛擬儀器開發平臺Lab基礎上構建波形信號與軟件測試系統,形成核心軟件。在硬件平臺綜合信號作為測試系統的核心硬件,實現數據采集、工控機、分配器、服務器搭建的測試系統,從而為地震震動預警提供功能驗證測試基礎條件。

1.1 測試系統的總體設計

基于虛擬儀器技術產生的信號發生器,替代了原來天然地震波干擾地震,預警系統測試總體框架結構如圖1所示。

圖1 地震震動警報預警系統總體框架

1.2 可行性分析

虛擬機開發當中使用的平臺是LabVIEW,包含有控件程序框圖,而數據流動方向決定程序框圖的代碼執行順序,避免復雜與定義,有助于有效開發地震震動測試測量系統[3]。綜合MATLAB和C等高級編程語言節點,連接API接口,實現高級編程語言混合式編程,與Lab SQL工具包實現了odbc訪問MYSQL數據庫,以便于數據的管理儲存。由于地震屬于天然震動,現場測試方案難以滿足,而借助于虛擬儀器技術與PXI硬件平臺測試系統對地震震動波測試操作融合性、可靠性度高,測試效率高,成為解決地震預警系統測試的有效方案。

2 硬件設計

2.1 信號發生器

由于信號發生器只能發送正弦波、方波形成周期性信號,對地震的天然波這一類非周期信號難以發射。為保障適用性和經濟性,預測地震波采用的信號發生器,以ra Co px le1071型號的p Xi。信號發生器內部包含有一臺嵌入式的p Xi控制器以及3塊p Xi數據采集板卡,連接到定時同步功能的高性能背板當中,結合LabVIEW編寫應用程序接口,輸入矩形波等一系列標準函數信號和自定義模型信號。由此嵌入了PXI控制器,形成信號發生器的主要核心部分,使這一發生器的波形有助于數據采集、保存、分析。而這一類的嵌入式PXI控制器包含有以太網硬盤驅動器、隨機存儲器、中央處理器,形成了標準設備功能,以提高8 GB/s的系統吞吐量[4]。因此,本文主要應用的是嵌入式PXI控制器,主頻是2.6 GHz,還有320 GB的硬盤、擴展槽,以及標準的I/O功能。

所形成的信號發射器共計18個信號通道,以波形信號發送的輸出通道共計12條,波形信號回采的輸入通道有6條,結合地震預警形成的多臺站測試輸入輸出通道編號構建,編號1—3以模擬不同站臺的傳感器波形,編號4—6輸出通道以模擬不同傳感器從XYZ方向形成的波形,以此類推,構建信號發生器的各個輸入輸出模塊相關性能指標以及重要參數,具體如表1所示。

表1 信號發生器參數指標

2.2 分配器

地震預警系統使用的分配器由科學研究院研制,CRES-LGA-016信號,包含有4個信號輸出端口和2個輸入端口。每個輸入端口對應2個輸出端口,模擬地震波并能夠抗干擾,將所輸出轉發的數據轉發給數據采集器[5]。

2.3 數據采集器

本文采用的數據采集器有2臺,主要是記錄地震波信號發生器的數據信息,并記錄抗干擾波數據,將這一部分數據傳輸給工控機,而數據采集器主要參數,涉及通道數有8個,通道信號輸入方式劃分為5 VPP、10 VPP、40 VPP,滿量程范圍在-20～+20 V。支持標的信號發生器設置8個通道,標定輸出600 MV,支持記錄功能和斷點續傳,通信接口以以太網和RS232為主,支持監測設置管理軟件,以Web管理為主,有避雷保護裝置,整機功耗16 W。支持自啟動的功能,工作溫度在-20～70 ℃,安裝以機駕式為主。

2.4 監控主機

地震預警測試系統的監控主機設置有2臺,每臺都要安裝預警監控軟件,用于處理和接收相應的數據,采集實時波形數據以進一步生成地震預警警報。預警報警包含有地震S波的預制報警和P波預警,IPC-610-H型號的監控主機主要參數和性能指標如表2所示,其中CPU為Inter E5300,內存為2 GB,硬盤為500 GB,接口RJ45以太網接口,網絡寬帶網速為100 M,電源為AC 176～253 V,安裝采用的方式為機架式。

表2 監控主機參數指標

2.5 前端預警服務器

地震預警地震震動警報預警系統需要安裝有1臺預警軟件形成前端預警服務器,綜合處理接收來自主監控機的數據,一次生成地震震動相關警報的信息。具體監測的是多臺P波預警以及S波閾值報警,注意前端預警服務器型號是IBM-system-x3650型號[6]。內存8 GB硬盤2×300 GB,接口設置有4個pcle3.0端口,4個p cix端口以及USB接口前2后4,VGA接口前1后1,安裝以機架式安裝為主,陣列控制器是M5110E,以支持READ0和READ1。

綜上可見,硬件系統構成部分主要以信號發生器輸入輸出模塊形成的數模轉換器有24位,與以往的12位精度有所提升,配合以24位數據采集器有助于接收地震波的信號,接收到的地震震動波形屬于更低閾值,實現更高的信噪比,由此可見該地震震動測試系統效果更佳。

3 軟件設計

3.1 軟件功能需求分析

波形數據讀取以支持抗干擾的文件讀取地震波動數據,解析頭段文件信息,并加載顯示,結合數據文件當中的波形數據及預警,實現波形信號的生成與發送,主要是用戶在自定義的差值模式轉化比例當中,將采集到的數據文件波形數據生成原始的波形信號予以顯示,通過手動設置輸出通道行實現用戶發波,以支持連續發波模式讀取預先準備的表單文件,而波形信號實時回采,是對原始的波形符號回采并加載顯示。

3.2 軟件操作流程分析

在LabVIEW的波形信號數據采集當中,讀取解析波形數據文件,以此進一步生成發送該波形信號,實現單獨配置通道,又能實現連續發波模式[7]。具體操作流程如圖2所示,具體的步驟:啟動,選擇差值運算模式,設置基線偏移量,通過設置幅值轉化因子,確定是否連續模式。如果屬于單獨配置通道,則需要使能信號進行采集,使能信號發生停止信號發生,然后停止信號采集,退出應用程序。

圖2 操作流程

3.3 軟件設計與實現

為進一步降低地震震動警報預警開發難度,便于后期維護波形信號的采集,軟件借助模塊化思想設計開發采集軟件,劃分為數據讀取和解析以及波形信號生成發送,并進行實時回采,構建模塊為層次化思想劃分,形成若干個子功能,以便于軟件后期編程擴展維護。因此,波形信號發生與采集的軟件包含信號生成與發送、數據讀取解析,波形信號的實時回采相關功能模塊主要包含波形信號生成與采集,是由文件讀取、解析以及信號生成發送模塊、顯示模塊、實時回采顯示模塊構成,結合LabVIEW編程,構建基于虛擬儀器技術開發的應用程序。各模塊由若干個子虛擬儀器VI構成,由數據流動方向驅動,內部數據會從一個VI流向另一個VI,因此,文件讀取、解析與顯示形成了信號生成與發送,然后是實時回采。

基于虛擬儀器技術開發的LabVIEW屬于標準狀態及模式、生產消費者數據模式等多模式構成的程序,設計在循環結構和入隊列出隊列操作當中構成的數據源各數據類型較為多樣,設計的數據在讀取、解析處理當中相對較為獨立,為了避免地震數據讀取過長、速度過慢等問題,設計模式處理,解析讀取相對較為獨立。從而使程序框圖應用相對簡單清晰,再考慮到地震震動警報的波形信號與采集軟件形成的波形數據要相互連接、持續處理,實現人機交互,單一模式并不能滿足數據采集以及信號生成,為此選擇的是經典生產者和消費者的數據模式,構建成了混合設計模式[8]。綜合LabVIEW波形型號的采集發生,構建前面板的程序框圖,綜合人機交互界面,應以正常工作,利用內置函數圖標和連線采集波形信號,并對圖形進行控制操作。

3.3.1 前面板設計

前面板設計綜合軟件和使用者開發的交互界面滿足美觀,協調適用,操作便捷,配置參數和控件以讀取地震波波形數據文件并進行解析、生成信號,實現實時回采和發送,以達到對地震震動警報預警監測功能。如圖3所示,軟件控制包含有按鈕控件、文本顯示控件、數值輸入框、下拉菜單等。

圖3 前面板的表單選擇

3.3.2 程序框圖設計

波形信號發生采集程序框圖包含有解析程序框圖、數據讀取界面、程序框圖、原始波形、顯示程序框圖和頭段信息,以此形成框架圖,主要包含有主界面程序、插值模式程序、數據讀取和解析。

3.4 測試系統運行與分析

在現行的地震震動警報預警系統當中,主要包含的功能有牽變觸發和地震監測。牽變觸發功能主要是對現場的地震進行監測,基于虛擬儀器技術形成的測試系統在監測地震時,結合現實進行測試,而基于LabVIEW波形信號采集軟件模擬生成地震波以替代現場測試的地震傳感作用,形成的地震預警軟件,可以適時接收來自地震波形的數據,應對數據予以處理,從而識別是否屬于地震事件,便捷高效地驗證該地震震動是否屬于預警系統當中的S波閾值,從而觸發報警系統,進行警報預警[9]。

如果屬于P波預警以提高地震監測功能,在虛擬儀器技術地震震動警報預警的監測測試系統當中,不需要地震傳感器,只是基于LabVIEW波形信號以采集這一信號,從而形成地震波動的監測高效測試功能。該預警裝置具有高可靠性、有效性。

3.4.1 測試方案

測試方案測試時是根據地震數據查詢系統獲取對應的數據,并結合干擾數據選取大于報警閾值的波形數據文件,結合經緯度傳輸給工控器進行監控,使其充當虛擬臺站,然后利用LabVIEW研發的波形信號采集軟件讀取地震波形并進行解析。在模擬生成波形信號之后將其反饋給采集器,通過系統將這一類地震震動波形輸入到預警系統,如果屬于閾值報警范圍以內,就會生成報警系統發出警報信息,需要提供多級報警機制。

3.4.2 地震P波預警功能測試

對地震預警系統當中的P波預警功能測試,以驗證其是否屬于實現震級連續估算。通過地震數據查詢系統獲得符合地震P波的預警,如果屬于誤報狀態,就可以解除波形數據文件,結合數據文件的頭段信息獲取經緯度,實現工控機的運行監控。在數據讀取、解析、模擬生成的過程當中,通過采集器測試是否屬于P波預警誤報狀態,如果屬于,需要解除功能。

3.4.3 驗證結果分析

驗證證明,在系統當中讀取解析強振動的相關記錄報警信號查看主機和前端預警服務器的有關地震預警系統的閾值報警,分析P波預警信息,綜合軟件硬件驗證能否達到預期的檢測功能,利用強震臺站的信息登記某區域的震級數據波形[10]。為測試該警報預警系統精度,對比不同地震波形測試輸入數據的前后波形是否具有一致性,最終發現測試前后加速度峰值平均誤差在0.005 gal,標準差在0.002 gal。由此可見,該測試系統幅值精度達到了0.005 gal,符合地震預警系統測試性能要求。

4 結語

本文從實際出發,基于虛擬儀器開發的LabVIEW編程對于地震預警系統當中的波形予以采集、驗證、測試,分析S波閾值報警、P波預警,通過信號發生采集在室內原型模擬,從而更高效率、更低成本地提高地震震動警報預警測試的有效性和可靠性?；谔摂M技術的地震震動警報預警通過系統測試,模擬生成發送地震波分析確定儀器開發平臺上LabVIEW當中地震監測功能方案優勢更加明顯,統計地震波以及干擾波以提高多臺站P波的預警測試數據選取效率,結果表明,測試系統的幅值精度提升到0.005 gal。由此可見,基于虛擬儀器技術的地震震動警報預警測試更精確可靠,驗證該虛擬技術應用于地震預警具有可行性和高效性。