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一种快速获取地震动参数分布的监测网络构建系统及方法
【专利摘要】本发明涉及一种快速获取地震动参数分布的监测网络构建系统及方法，所述系统包括地震动参数传感网络系统、数据传输网络和监控中心；所述地震动参数传感网络系统，其密集布设有若干地震动参数监测仪，各地震动参数监测仪分别用于采集并计算各自监测区域内的地震动参数，并将获取的地震动参数数据通过数据传输网络传输给监控中心；所述监控中心，用于接收并处理各地震动参数监测仪传输的数据，并通过数据传输网络远程监控地震动参数传感网络系统。本发明通过大量密集布设地震动参数监测仪而组建的地震动参数监测网络，其地震动参数由各地震动参数监测仪“分布式”计算，减轻了监控中心的运算负荷，能够快速产出高分辨率的精细震动图。
【专利说明】一种快速获取地震动参数分布的监测网络构建系统及方法

【技术领域】
[0001]本发明涉及地震监测台网建设领域，特别是涉及一种快速获取地震动参数分布的监测网络构建系统及方法。

【背景技术】
[0002]在出现区域地震后，为了迅速展开有效的应急救援行动，需要及时准确了解烈度分布。目前震动图的获得有震后人工调查、震源参数计算、地震监测台网、地震烈度速报台网等几种方式，其中最有效的是在重点监护区建立烈度速报台网。但烈度速报台网建设往往沿用地震监测台网的模式，建设成本高、台站密度有限、实时数据传输量大。而对于能够带来较大灾害损失的大地震的应急救援系统，所要观测的地震信号幅度较大，对传感器分辨率要求不高，但要尽量满足成本低、体积小、功耗低、安装简便、快速响应等要求，便于组建高密度高精度的灾害速报网络系统。
[0003]因此，本发明提出了一种快速获取地震动参数分布的监测网络构建系统及方法。


【发明内容】

[0004]本发明所要解决的技术问题是提供一种快速获取地震动参数分布的监测网络构建系统及方法，用于解决目前的地震灾害速报台网系统存在的建设成本高、产出的震动图不够精细、自动化水平低等问题。
[0005]本发明解决上述技术问题的技术方案如下:一种快速获取地震动参数分布的监测网络构建系统，包括地震动参数传感网络系统、数据传输网络和监控中心；
[0006]所述地震动参数传感网络系统，其密集布设有若干地震动参数监测仪，各地震动参数监测仪分别用于采集并计算各自监测区域内的地震动参数，并将获取的地震动参数数据通过数据传输网络传输给监控中心；
[0007]所述监控中心，用于接收并处理各地震动参数监测仪传输的数据，并通过数据传输网络远程监控地震动参数传感网络系统。
[0008]在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
[0009]进一步，各地震动参数监测仪通过有线方式或GSM无线短信方式接入数据传输网络。
[0010]进一步，所述各地震动参数监测仪分别用于采集并计算各自监测区域内的地震动参数具体包括:实时采集各监测区域内的地面震动，进行地震事件预判，若是地震事件，则根据内嵌的地震信息实时处理算法，进行地震动参数计算，并通过数据传输网络向监控中心发送地震动参数。
[0011]这里，地震动参数由监测传感网络的地震动参数监测仪分布式计算而获得，监测仪向监控中心传输的只是数据量很小的地震动参数，而不是大数据量的实时观测数据，提高了传输效率，减轻了监控中心的数据处理负担，因而系统可靠性得以提高，并可以实现快速响应。
[0012]进一步，所述监控中心处理各地震动参数监测仪传输的数据包括:进行地震事件判别和发出警报，并产生高分辨率震动图。
[0013]进一步，所述地震动参数监测仪包括地震传感单元、ARM控制器、存储模块、网络模块、GSM无线模块和电源管理单元，且存储模块、网络模块、GSM无线模块和电源管理单元均与所述ARM控制器连接；
[0014]所述地震传感单元，其连接所述ARM控制器，用于采集地面震动信息，并将采集的地面震动信息传输给所述ARM控制器；
[0015]所述ARM控制器，其连接所述地震传感单元及所述存储模块，用于接收地面震动信息，并将地面震动信息实时传输至所述存储模块进行存储；还用于根据实时采集的地面震动信息计算地震动参数，并将获得的地震动参数存储至所述存储模块；
[0016]所述存储模块，其连接所述ARM控制器，用于存储地面震动信息；
[0017]所述网络模块，其连接所述ARM控制器，用于有线传输地震动参数和实时观测数据，并远程下载存储数据文件；
[0018]所述GSM无线模块，其连接所述ARM控制器，用于无线传输地震动参数；
[0019]所述电源管理单元，其连接所述ARM控制器，用于将12V直流电源转换为3.3V工作电压和1.8V工作电压。
[0020]进一步,所述地震传感单元采用三轴MEMS加速度计。
[0021]本发明的技术方案还包括一种快速获取地震动参数分布的监测网络构建方法，包括以下步骤:
[0022]步骤1，构建地震动参数传感网络，在该网络中密集布设有若干地震动参数监测仪，各地震动参数监测仪分别用于采集并计算各自监测区域内的地震动参数，并将获取的地震动参数数据通过数据传输网络传输给监控中心；
[0023]步骤2，监控中心接收并处理各地震动参数监测仪传输的数据，并通过数据传输网络远程监控地震动参数传感网络系统。
[0024]进一步，各地震动参数监测仪通过有线方式或GSM无线短信方式接入数据传输网络。
[0025]进一步，步骤I中各地震动参数监测仪分别用于采集并计算各自监测区域内的地震动参数具体包括:实时采集各监测区域内的地面震动，进行地震事件预判，若是地震事件，则根据内嵌的地震信息实时处理算法，进行地震动参数计算，并通过数据传输网络向监控中心发送地震动参数。
[0026]进一步，步骤2中监控中心处理各地震动参数监测仪传输的数据包括:进行地震事件判别和发出警报，并产生高分辨率震动图。
[0027]本发明的有益效果是:本发明涉及的地震动参数监测仪采用了 MEMS加速度计为测震传感器和ARM+Linux嵌入式计算机技术,具有体积小、成本低、功耗低、一体化、智能化、响应速度快、可靠性高的特点，其硬件功能相当于集成了一个地震烈度速报台站，安装简便。本发明通过大量密集布设地震动参数监测仪而组建的地震动参数监测网络，其地震动参数由各地震动参数监测仪“分布式”计算，减轻了监控中心的运算负荷，监控中心直接接收到地震动参数，因此不必再进行各台站的实时波形的海量数据处理，可以快速得出震动图，提高了运行效率，降低了对监控中心硬件设施的要求，有利于节约设备投入。这种具有数据传输量小、分布式计算的监测网络，可靠性高，能够快速产出高分辨率的精细震动图，能在应用中取得很大社会效益，并节约社会资源。

【专利附图】

【附图说明】
[0028]图1为本发明所述的快速获取地震动参数分布的监测网络构建系统的结构示意图；
[0029]图2为本发明实施例中所述地震动参数监测仪的结构示意图；
[0030]图3为本发明实施例中所述存储模块的存储过程示意；
[0031]图4为本发明实施例中所述电源管理单元的结构示意图；
[0032]图5为本发明实施例中地震动参数监测仪的数据采集与处理流程的示意图；
[0033]图6为本发明实施例中地震动参数监测仪的数据传输方式示意图。

【具体实施方式】
[0034]以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0035]如图1所示，本实施例给出了一种快速获取地震动参数分布的监测网络构建系统，包括地震动参数传感网络系统、数据传输网络和监控中心，且各地震动参数监测仪通过有线方式或GSM无线短信方式接入数据传输网络。
[0036]所述地震动参数传感网络系统，其密集布设有若干地震动参数监测仪，各地震动参数监测仪分别用于采集并计算各自监测区域内的地震动参数，并将获取的地震动参数数据通过数据传输网络传输给监控中心。这里，各地震动参数监测仪分别用于采集并计算各自监测区域内的地震动参数具体包括:实时采集各监测区域内的地面震动，进行地震事件预判，若是地震事件，则根据内嵌的地震信息实时处理算法，进行地震动参数计算，并通过数据传输网络向监控中心发送地震动参数。
[0037]所述监控中心，用于接收并处理各地震动参数监测仪传输的数据，并通过数据传输网络远程监控地震动参数传感网络系统。这里，监控中心处理各地震动参数监测仪传输的数据包括:进行地震事件判别和发出警报，并产生高分辨率震动图。
[0038]对应地，构建该监测网络的步骤为:
[0039]步骤1，构建地震动参数传感网络，在该网络中密集布设有若干地震动参数监测仪，各地震动参数监测仪分别用于采集并计算各自监测区域内的地震动参数，并将获取的地震动参数数据通过数据传输网络传输给监控中心；
[0040]步骤2，监控中心接收并处理各地震动参数监测仪传输的数据，并通过数据传输网络远程监控地震动参数传感网络系统。
[0041]该构建该监测网络的步骤涉及的具体实施过程中上述的监测网络构建系统相同，这里不再多述。
[0042]如图2所示，本实施例采用的地震动参数监测仪包括地震传感单元、ARM控制器、存储模块、网络模块、GSM无线模块、电源管理单元和串口模块，且存储模块、网络模块、GSM无线模块和电源管理单元均与所述ARM控制器连接。
[0043]所述地震传感单元，其连接所述ARM控制器，用于采集地面震动信息，并将采集的地面震动信息传输给所述ARM控制器；
[0044]所述ARM控制器，其连接所述地震传感单元及所述存储模块，用于接收地面震动信息，并将地面震动信息实时传输至所述存储模块进行存储；还用于根据实时采集的地面震动信息计算地震动参数，并将获得的地震动参数存储至所述存储模块；
[0045]所述存储模块，其连接所述ARM控制器，用于存储地面震动信息；
[0046]所述网络模块，其连接所述ARM控制器，用于有线传输地震动参数和实时观测数据，并远程下载存储数据文件；
[0047]所述GSM无线模块，其连接所述ARM控制器，用于无线传输地震动参数；
[0048]所述电源管理单元，其连接所述ARM控制器，用于将12V直流电源转换为3.3V工作电压和1.8V工作电压；
[0049]所述串口模块，其连接所述ARM控制器，作为系统调试和程序下载端口。
[0050]为了实现数据采集、地震事件判别和地震动参数计算等数据处理、响应网络远程多用户实时监控和FTP数据文件下载等数据传输、以及仪器本地的数据库存储管理等多任务处理，本实施例的系统运行经剪裁的Linux操作系统作为软件平台，采用多线程实现各功能模块的多任务并行处理。
[0051]本实施例中，以型号为MMA8451Q的小型三轴MEMS加速度计为地震传感单元，负责实时采集地面震动信息，采集数据通过数据接口由控制器读入和处理。ARM控制器采用高性能低功耗的32位ARM嵌入式CPU为控制处理器，负责管理数据采集、数据处理、数据存储和数据传输等仪器功能模块。
[0052]另外，如图3所示，所述存储模块包括三类存储器，其中64MB SDRAM存储器提供软件系统的运行空间，256MB Flash存储器是操作系统和应用软件的程序存储空间，采集数据则存储于32GB的SD卡上。
[0053]如图4所示，所述电源管理单元由充电锂电池、充放电保护电路、充电管理电路、切换开关以及电源变换和稳压电路几个部分组成。内置的充电锂电池在外部电源断电时可向仪器应急供电，续航能力大于24小时。充放电保护电路采用型号为S8232的充放电保护电路，具有充放电过程的过充电、过放电、以及过电流等电池保护功能，保护锂电池在正常的工作状态下。充电管理电路采用ASC8512的充电管理电路，对锂电池的充放电过程进行管理，指示电池的工作状态，并具有温度保护、最大充电时间限制、输出短路等保护功能，在没有外部电源输入或外部电源输入断电或电压过低的情况下，通过同切换开关的相组合自动切换为内置电池对系统供电。电源变换和稳压电路则把电压转换为仪器需要的3.3V稳定电压和1.8V工作电压。
[0054]地震动参数监测仪的数据采集与处理流程如图5所示，传感器实时采集地面震动，实时采集数据按每小时一个文件长度存入存储模块的“实时数据波形”目录下，同时控制ARM控制器对采集数据进行幅度判别是否有震动事件。若是震动事件则进一步从震幅和持时等方面的处理预判是否是地震事件，如满足触发阀值则监测仪确认为地震事件，并把地震波形数据存入存储模块的“事件波形”目录下，同时计算地震动参数。地震动参数数据也存入存储模块的“参数”目录下，并通过数据传输网络传输给监控中心。
[0055]本实施例的数据传输网络用于地震动参数监测仪与监控中心的数据传输，包括远程实时波形监控、FTP数据文件下载、地震动参数传输、仪器状态监控以及对仪器的采集参数进行配置等。如图6所示，地震动参数监测仪采用有线和无线两种传输方式，有线接入Internet链接稳定，有可靠的数据传输带宽，可用于远程实时波形监控、FTP远程数据文件下载等数据传输量大的链接；无线传输可以在不能通过有线网络接入Internet的情况下实现对仪器的远程监控和地震动参数传输，特别是在特大地震来临时，一般建筑物可能倒塌，民用供电线路也可能会中断，有线/WIFI网络线路就很难保证工作，但只要GSM基站不至损坏，就仍可通过无线传输地震动参数，为震后应急救援提供观测数据。
[0056]监控中心用于通过数据传输网络远程监控管理地震动参数传感网络系统的工作、下载地震动参数传感网络系统的监测数据、接收地震动参数传感网络系统检测到地震事件时发送的地震动参数，并进一步进行地震事件判别和发出警报，产生高分辨率震动图。
[0057]为了测试本实施例设计的监测网络的实际应用效果，以在云南玉溪市架设了地震动参数监测网络为例，由23台地震动参数监测仪组成，这些地震动参数监测仪架设在社区服务站、政府机关、学校等单位的楼梯间、杂物间、车库等闲置房间或人为活动较少的角落，通过短信方式发送数据到监控中心，发送数据内容由记录触发时间、仪器架设点经纬度(经纬度数据是架设时由手持GPS测量并存入仪器配置文件)、地震动参数几个部分组成。地震动参数对事件的判断即事件触发条件设置为震动达到一定幅度且持续作用达到一定的时间长度，以滤掉在实际中占大多数的短时脉冲型干扰噪声，同时监控中心再根据某一时间段内报警仪器的数量及其空间分布等因素进一步判断是否是地震事件。通过一年多的实验网络监测表明，本实施例的监测网络架设方便，无须铺设专用通信线路，观测期间几乎不需人工维护，观测费用低廉(仅需很少的短信通信费)，消耗电源也较小，且实验期间仪器工作稳定可靠，便于推广应用。
[0058]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种快速获取地震动参数分布的监测网络构建系统，其特征在于，包括地震动参数传感网络系统、数据传输网络和监控中心； 所述地震动参数传感网络系统，其密集布设有若干地震动参数监测仪，各地震动参数监测仪分别用于采集并计算各自监测区域内的地震动参数，并将获取的地震动参数数据通过数据传输网络传输给监控中心； 所述监控中心，用于接收并处理各地震动参数监测仪传输的数据，并通过数据传输网络远程监控地震动参数传感网络系统。
2.根据权利要求1所述的监测网络构建系统，其特征在于，各地震动参数监测仪通过有线方式或GSM无线短信方式接入数据传输网络。
3.根据权利要求1所述的监测网络构建系统，其特征在于，所述各地震动参数监测仪分别用于采集并计算各自监测区域内的地震动参数具体包括:实时采集各监测区域内的地面震动，进行地震事件预判，若是地震事件，则根据内嵌的地震信息实时处理算法，进行地震动参数计算，并通过数据传输网络向监控中心发送地震动参数。
4.根据权利要求1所述的监测网络构建系统，其特征在于，所述监控中心处理各地震动参数监测仪传输的数据包括:进行地震事件判别和发出警报，并产生高分辨率震动图。
5.根据权利要求1所述的监测网络构建系统，其特征在于，所述地震动参数监测仪包括地震传感单元、ARM控制器、存储模块、网络模块、GSM无线模块和电源管理单元，且存储模块、网络模块、GSM无线模块和电源管理单元均与所述ARM控制器连接； 所述地震传感单元，其连接所述ARM控制器，用于采集地面震动信息，并将采集的地面震动信息传输给所述ARM控制器； 所述ARM控制器，其连接所述地震传感单元及所述存储模块，用于接收地面震动信息，并将地面震动信息实时传输至所述存储模块进行存储；还用于根据实时采集的地面震动信息计算地震动参数，并将获得的地震动参数存储至所述存储模块； 所述存储模块，其连接所述ARM控制器，用于存储地面震动信息； 所述网络模块，其连接所述ARM控制器，用于有线传输地震动参数和实时观测数据，并远程下载存储数据文件； 所述GSM无线模块，其连接所述ARM控制器，用于无线传输地震动参数； 所述电源管理单元，其连接所述ARM控制器，用于将12V直流电源转换为3.3V工作电压和1.8V工作电压。
6.根据权利要求5所述的监测网络构建系统，其特征在于，所述地震传感单元采用三轴MEMS加速度计。
7.一种快速获取地震动参数分布的监测网络构建方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1，构建地震动参数传感网络，在该网络中密集布设有若干地震动参数监测仪，各地震动参数监测仪分别用于采集并计算各自监测区域内的地震动参数，并将获取的地震动参数数据通过数据传输网络传输给监控中心； 步骤2，监控中心接收并处理各地震动参数监测仪传输的数据，并通过数据传输网络远程监控地震动参数传感网络系统。
8.根据权利要求8所述的监测网络构建方法，其特征在于，各地震动参数监测仪通过有线方式或GSM无线短信方式接入数据传输网络。
9.根据权利要求8所述的监测网络构建方法，其特征在于，步骤I中各地震动参数监测仪分别用于采集并计算各自监测区域内的地震动参数具体包括:实时采集各监测区域内的地面震动，进行地震事件预判，若是地震事件，则根据内嵌的地震信息实时处理算法，进行地震动参数计算，并通过数据传输网络向监控中心发送地震动参数。
10.根据权利要求8所述的监测网络构建方法，其特征在于，步骤2中监控中心处理各地震动参数监测仪传输的数据包括:进行地震事件判别和发出警报，并产生高分辨率震动图。
【文档编号】G01V1/00GK104166155SQ201410361043
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年7月25日 优先权日:2014年7月25日
【发明者】胡星星, 高孟潭, 滕云田, 李彩华, 范晓勇, 卢红娅 申请人:中国地震局地球物理研究所