一種快速獲取地震動參數分布的監測網絡構建系統及方法
【專利摘要】本發明涉及一種快速獲取地震動參數分布的監測網絡構建系統及方法，所述系統包括地震動參數傳感網絡系統、數據傳輸網絡和監控中心；所述地震動參數傳感網絡系統，其密集布設有若干地震動參數監測儀，各地震動參數監測儀分別用于采集并計算各自監測區域內的地震動參數，并將獲取的地震動參數數據通過數據傳輸網絡傳輸給監控中心；所述監控中心，用于接收并處理各地震動參數監測儀傳輸的數據，并通過數據傳輸網絡遠程監控地震動參數傳感網絡系統。本發明通過大量密集布設地震動參數監測儀而組建的地震動參數監測網絡，其地震動參數由各地震動參數監測儀“分布式”計算，減輕了監控中心的運算負荷，能夠快速產出高分辨率的精細震動圖。
【專利說明】一種快速獲取地震動參數分布的監測網絡構建系統及方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及地震監測臺網建設領域，特別是涉及一種快速獲取地震動參數分布的監測網絡構建系統及方法。

【背景技術】
[0002]在出現區域地震后，為了迅速展開有效的應急救援行動，需要及時準確了解烈度分布。目前震動圖的獲得有震后人工調查、震源參數計算、地震監測臺網、地震烈度速報臺網等幾種方式，其中最有效的是在重點監護區建立烈度速報臺網。但烈度速報臺網建設往往沿用地震監測臺網的模式，建設成本高、臺站密度有限、實時數據傳輸量大。而對于能夠帶來較大災害損失的大地震的應急救援系統，所要觀測的地震信號幅度較大，對傳感器分辨率要求不高，但要盡量滿足成本低、體積小、功耗低、安裝簡便、快速響應等要求，便于組建高密度高精度的災害速報網絡系統。
[0003]因此，本發明提出了一種快速獲取地震動參數分布的監測網絡構建系統及方法。


【發明內容】

[0004]本發明所要解決的技術問題是提供一種快速獲取地震動參數分布的監測網絡構建系統及方法，用于解決目前的地震災害速報臺網系統存在的建設成本高、產出的震動圖不夠精細、自動化水平低等問題。
[0005]本發明解決上述技術問題的技術方案如下:一種快速獲取地震動參數分布的監測網絡構建系統，包括地震動參數傳感網絡系統、數據傳輸網絡和監控中心；
[0006]所述地震動參數傳感網絡系統，其密集布設有若干地震動參數監測儀，各地震動參數監測儀分別用于采集并計算各自監測區域內的地震動參數，并將獲取的地震動參數數據通過數據傳輸網絡傳輸給監控中心；
[0007]所述監控中心，用于接收并處理各地震動參數監測儀傳輸的數據，并通過數據傳輸網絡遠程監控地震動參數傳感網絡系統。
[0008]在上述技術方案的基礎上，本發明還可以做如下改進。
[0009]進一步，各地震動參數監測儀通過有線方式或GSM無線短信方式接入數據傳輸網絡。
[0010]進一步，所述各地震動參數監測儀分別用于采集并計算各自監測區域內的地震動參數具體包括:實時采集各監測區域內的地面震動，進行地震事件預判，若是地震事件，則根據內嵌的地震信息實時處理算法，進行地震動參數計算，并通過數據傳輸網絡向監控中心發送地震動參數。
[0011]這里，地震動參數由監測傳感網絡的地震動參數監測儀分布式計算而獲得，監測儀向監控中心傳輸的只是數據量很小的地震動參數，而不是大數據量的實時觀測數據，提高了傳輸效率，減輕了監控中心的數據處理負擔，因而系統可靠性得以提高，并可以實現快速響應。
[0012]進一步，所述監控中心處理各地震動參數監測儀傳輸的數據包括:進行地震事件判別和發出警報，并產生高分辨率震動圖。
[0013]進一步，所述地震動參數監測儀包括地震傳感單元、ARM控制器、存儲模塊、網絡模塊、GSM無線模塊和電源管理單元，且存儲模塊、網絡模塊、GSM無線模塊和電源管理單元均與所述ARM控制器連接；
[0014]所述地震傳感單元，其連接所述ARM控制器，用于采集地面震動信息，并將采集的地面震動信息傳輸給所述ARM控制器；
[0015]所述ARM控制器，其連接所述地震傳感單元及所述存儲模塊，用于接收地面震動信息，并將地面震動信息實時傳輸至所述存儲模塊進行存儲；還用于根據實時采集的地面震動信息計算地震動參數，并將獲得的地震動參數存儲至所述存儲模塊；
[0016]所述存儲模塊，其連接所述ARM控制器，用于存儲地面震動信息；
[0017]所述網絡模塊，其連接所述ARM控制器，用于有線傳輸地震動參數和實時觀測數據，并遠程下載存儲數據文件；
[0018]所述GSM無線模塊，其連接所述ARM控制器，用于無線傳輸地震動參數；
[0019]所述電源管理單元，其連接所述ARM控制器，用于將12V直流電源轉換為3.3V工作電壓和1.8V工作電壓。
[0020]進一步,所述地震傳感單元采用三軸MEMS加速度計。
[0021]本發明的技術方案還包括一種快速獲取地震動參數分布的監測網絡構建方法，包括以下步驟:
[0022]步驟1，構建地震動參數傳感網絡，在該網絡中密集布設有若干地震動參數監測儀，各地震動參數監測儀分別用于采集并計算各自監測區域內的地震動參數，并將獲取的地震動參數數據通過數據傳輸網絡傳輸給監控中心；
[0023]步驟2，監控中心接收并處理各地震動參數監測儀傳輸的數據，并通過數據傳輸網絡遠程監控地震動參數傳感網絡系統。
[0024]進一步，各地震動參數監測儀通過有線方式或GSM無線短信方式接入數據傳輸網絡。
[0025]進一步，步驟I中各地震動參數監測儀分別用于采集并計算各自監測區域內的地震動參數具體包括:實時采集各監測區域內的地面震動，進行地震事件預判，若是地震事件，則根據內嵌的地震信息實時處理算法，進行地震動參數計算，并通過數據傳輸網絡向監控中心發送地震動參數。
[0026]進一步，步驟2中監控中心處理各地震動參數監測儀傳輸的數據包括:進行地震事件判別和發出警報，并產生高分辨率震動圖。
[0027]本發明的有益效果是:本發明涉及的地震動參數監測儀采用了 MEMS加速度計為測震傳感器和ARM+Linux嵌入式計算機技術,具有體積小、成本低、功耗低、一體化、智能化、響應速度快、可靠性高的特點，其硬件功能相當于集成了一個地震烈度速報臺站，安裝簡便。本發明通過大量密集布設地震動參數監測儀而組建的地震動參數監測網絡，其地震動參數由各地震動參數監測儀“分布式”計算，減輕了監控中心的運算負荷，監控中心直接接收到地震動參數，因此不必再進行各臺站的實時波形的海量數據處理，可以快速得出震動圖，提高了運行效率，降低了對監控中心硬件設施的要求，有利于節約設備投入。這種具有數據傳輸量小、分布式計算的監測網絡，可靠性高，能夠快速產出高分辨率的精細震動圖，能在應用中取得很大社會效益，并節約社會資源。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1為本發明所述的快速獲取地震動參數分布的監測網絡構建系統的結構示意圖；
[0029]圖2為本發明實施例中所述地震動參數監測儀的結構示意圖；
[0030]圖3為本發明實施例中所述存儲模塊的存儲過程示意；
[0031]圖4為本發明實施例中所述電源管理單元的結構示意圖；
[0032]圖5為本發明實施例中地震動參數監測儀的數據采集與處理流程的示意圖；
[0033]圖6為本發明實施例中地震動參數監測儀的數據傳輸方式示意圖。

【具體實施方式】
[0034]以下結合附圖對本發明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發明，并非用于限定本發明的范圍。
[0035]如圖1所示，本實施例給出了一種快速獲取地震動參數分布的監測網絡構建系統，包括地震動參數傳感網絡系統、數據傳輸網絡和監控中心，且各地震動參數監測儀通過有線方式或GSM無線短信方式接入數據傳輸網絡。
[0036]所述地震動參數傳感網絡系統，其密集布設有若干地震動參數監測儀，各地震動參數監測儀分別用于采集并計算各自監測區域內的地震動參數，并將獲取的地震動參數數據通過數據傳輸網絡傳輸給監控中心。這里，各地震動參數監測儀分別用于采集并計算各自監測區域內的地震動參數具體包括:實時采集各監測區域內的地面震動，進行地震事件預判，若是地震事件，則根據內嵌的地震信息實時處理算法，進行地震動參數計算，并通過數據傳輸網絡向監控中心發送地震動參數。
[0037]所述監控中心，用于接收并處理各地震動參數監測儀傳輸的數據，并通過數據傳輸網絡遠程監控地震動參數傳感網絡系統。這里，監控中心處理各地震動參數監測儀傳輸的數據包括:進行地震事件判別和發出警報，并產生高分辨率震動圖。
[0038]對應地，構建該監測網絡的步驟為:
[0039]步驟1，構建地震動參數傳感網絡，在該網絡中密集布設有若干地震動參數監測儀，各地震動參數監測儀分別用于采集并計算各自監測區域內的地震動參數，并將獲取的地震動參數數據通過數據傳輸網絡傳輸給監控中心；
[0040]步驟2，監控中心接收并處理各地震動參數監測儀傳輸的數據，并通過數據傳輸網絡遠程監控地震動參數傳感網絡系統。
[0041]該構建該監測網絡的步驟涉及的具體實施過程中上述的監測網絡構建系統相同，這里不再多述。
[0042]如圖2所示，本實施例采用的地震動參數監測儀包括地震傳感單元、ARM控制器、存儲模塊、網絡模塊、GSM無線模塊、電源管理單元和串口模塊，且存儲模塊、網絡模塊、GSM無線模塊和電源管理單元均與所述ARM控制器連接。
[0043]所述地震傳感單元，其連接所述ARM控制器，用于采集地面震動信息，并將采集的地面震動信息傳輸給所述ARM控制器；
[0044]所述ARM控制器，其連接所述地震傳感單元及所述存儲模塊，用于接收地面震動信息，并將地面震動信息實時傳輸至所述存儲模塊進行存儲；還用于根據實時采集的地面震動信息計算地震動參數，并將獲得的地震動參數存儲至所述存儲模塊；
[0045]所述存儲模塊，其連接所述ARM控制器，用于存儲地面震動信息；
[0046]所述網絡模塊，其連接所述ARM控制器，用于有線傳輸地震動參數和實時觀測數據，并遠程下載存儲數據文件；
[0047]所述GSM無線模塊，其連接所述ARM控制器，用于無線傳輸地震動參數；
[0048]所述電源管理單元，其連接所述ARM控制器，用于將12V直流電源轉換為3.3V工作電壓和1.8V工作電壓；
[0049]所述串口模塊，其連接所述ARM控制器，作為系統調試和程序下載端口。
[0050]為了實現數據采集、地震事件判別和地震動參數計算等數據處理、響應網絡遠程多用戶實時監控和FTP數據文件下載等數據傳輸、以及儀器本地的數據庫存儲管理等多任務處理，本實施例的系統運行經剪裁的Linux操作系統作為軟件平臺，采用多線程實現各功能模塊的多任務并行處理。
[0051]本實施例中，以型號為MMA8451Q的小型三軸MEMS加速度計為地震傳感單元，負責實時采集地面震動信息，采集數據通過數據接口由控制器讀入和處理。ARM控制器采用高性能低功耗的32位ARM嵌入式CPU為控制處理器，負責管理數據采集、數據處理、數據存儲和數據傳輸等儀器功能模塊。
[0052]另外，如圖3所示，所述存儲模塊包括三類存儲器，其中64MB SDRAM存儲器提供軟件系統的運行空間，256MB Flash存儲器是操作系統和應用軟件的程序存儲空間，采集數據則存儲于32GB的SD卡上。
[0053]如圖4所示，所述電源管理單元由充電鋰電池、充放電保護電路、充電管理電路、切換開關以及電源變換和穩壓電路幾個部分組成。內置的充電鋰電池在外部電源斷電時可向儀器應急供電，續航能力大于24小時。充放電保護電路采用型號為S8232的充放電保護電路，具有充放電過程的過充電、過放電、以及過電流等電池保護功能，保護鋰電池在正常的工作狀態下。充電管理電路采用ASC8512的充電管理電路，對鋰電池的充放電過程進行管理，指示電池的工作狀態，并具有溫度保護、最大充電時間限制、輸出短路等保護功能，在沒有外部電源輸入或外部電源輸入斷電或電壓過低的情況下，通過同切換開關的相組合自動切換為內置電池對系統供電。電源變換和穩壓電路則把電壓轉換為儀器需要的3.3V穩定電壓和1.8V工作電壓。
[0054]地震動參數監測儀的數據采集與處理流程如圖5所示，傳感器實時采集地面震動，實時采集數據按每小時一個文件長度存入存儲模塊的“實時數據波形”目錄下，同時控制ARM控制器對采集數據進行幅度判別是否有震動事件。若是震動事件則進一步從震幅和持時等方面的處理預判是否是地震事件，如滿足觸發閥值則監測儀確認為地震事件，并把地震波形數據存入存儲模塊的“事件波形”目錄下，同時計算地震動參數。地震動參數數據也存入存儲模塊的“參數”目錄下，并通過數據傳輸網絡傳輸給監控中心。
[0055]本實施例的數據傳輸網絡用于地震動參數監測儀與監控中心的數據傳輸，包括遠程實時波形監控、FTP數據文件下載、地震動參數傳輸、儀器狀態監控以及對儀器的采集參數進行配置等。如圖6所示，地震動參數監測儀采用有線和無線兩種傳輸方式，有線接入Internet鏈接穩定，有可靠的數據傳輸帶寬，可用于遠程實時波形監控、FTP遠程數據文件下載等數據傳輸量大的鏈接；無線傳輸可以在不能通過有線網絡接入Internet的情況下實現對儀器的遠程監控和地震動參數傳輸，特別是在特大地震來臨時，一般建筑物可能倒塌，民用供電線路也可能會中斷，有線/WIFI網絡線路就很難保證工作，但只要GSM基站不至損壞，就仍可通過無線傳輸地震動參數，為震后應急救援提供觀測數據。
[0056]監控中心用于通過數據傳輸網絡遠程監控管理地震動參數傳感網絡系統的工作、下載地震動參數傳感網絡系統的監測數據、接收地震動參數傳感網絡系統檢測到地震事件時發送的地震動參數，并進一步進行地震事件判別和發出警報，產生高分辨率震動圖。
[0057]為了測試本實施例設計的監測網絡的實際應用效果，以在云南玉溪市架設了地震動參數監測網絡為例，由23臺地震動參數監測儀組成，這些地震動參數監測儀架設在社區服務站、政府機關、學校等單位的樓梯間、雜物間、車庫等閑置房間或人為活動較少的角落，通過短信方式發送數據到監控中心，發送數據內容由記錄觸發時間、儀器架設點經緯度(經緯度數據是架設時由手持GPS測量并存入儀器配置文件)、地震動參數幾個部分組成。地震動參數對事件的判斷即事件觸發條件設置為震動達到一定幅度且持續作用達到一定的時間長度，以濾掉在實際中占大多數的短時脈沖型干擾噪聲，同時監控中心再根據某一時間段內報警儀器的數量及其空間分布等因素進一步判斷是否是地震事件。通過一年多的實驗網絡監測表明，本實施例的監測網絡架設方便，無須鋪設專用通信線路，觀測期間幾乎不需人工維護，觀測費用低廉(僅需很少的短信通信費)，消耗電源也較小，且實驗期間儀器工作穩定可靠，便于推廣應用。
[0058]以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種快速獲取地震動參數分布的監測網絡構建系統，其特征在于，包括地震動參數傳感網絡系統、數據傳輸網絡和監控中心； 所述地震動參數傳感網絡系統，其密集布設有若干地震動參數監測儀，各地震動參數監測儀分別用于采集并計算各自監測區域內的地震動參數，并將獲取的地震動參數數據通過數據傳輸網絡傳輸給監控中心； 所述監控中心，用于接收并處理各地震動參數監測儀傳輸的數據，并通過數據傳輸網絡遠程監控地震動參數傳感網絡系統。
2.根據權利要求1所述的監測網絡構建系統，其特征在于，各地震動參數監測儀通過有線方式或GSM無線短信方式接入數據傳輸網絡。
3.根據權利要求1所述的監測網絡構建系統，其特征在于，所述各地震動參數監測儀分別用于采集并計算各自監測區域內的地震動參數具體包括:實時采集各監測區域內的地面震動，進行地震事件預判，若是地震事件，則根據內嵌的地震信息實時處理算法，進行地震動參數計算，并通過數據傳輸網絡向監控中心發送地震動參數。
4.根據權利要求1所述的監測網絡構建系統，其特征在于，所述監控中心處理各地震動參數監測儀傳輸的數據包括:進行地震事件判別和發出警報，并產生高分辨率震動圖。
5.根據權利要求1所述的監測網絡構建系統，其特征在于，所述地震動參數監測儀包括地震傳感單元、ARM控制器、存儲模塊、網絡模塊、GSM無線模塊和電源管理單元，且存儲模塊、網絡模塊、GSM無線模塊和電源管理單元均與所述ARM控制器連接； 所述地震傳感單元，其連接所述ARM控制器，用于采集地面震動信息，并將采集的地面震動信息傳輸給所述ARM控制器； 所述ARM控制器，其連接所述地震傳感單元及所述存儲模塊，用于接收地面震動信息，并將地面震動信息實時傳輸至所述存儲模塊進行存儲；還用于根據實時采集的地面震動信息計算地震動參數，并將獲得的地震動參數存儲至所述存儲模塊； 所述存儲模塊，其連接所述ARM控制器，用于存儲地面震動信息； 所述網絡模塊，其連接所述ARM控制器，用于有線傳輸地震動參數和實時觀測數據，并遠程下載存儲數據文件； 所述GSM無線模塊，其連接所述ARM控制器，用于無線傳輸地震動參數； 所述電源管理單元，其連接所述ARM控制器，用于將12V直流電源轉換為3.3V工作電壓和1.8V工作電壓。
6.根據權利要求5所述的監測網絡構建系統，其特征在于，所述地震傳感單元采用三軸MEMS加速度計。
7.一種快速獲取地震動參數分布的監測網絡構建方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1，構建地震動參數傳感網絡，在該網絡中密集布設有若干地震動參數監測儀，各地震動參數監測儀分別用于采集并計算各自監測區域內的地震動參數，并將獲取的地震動參數數據通過數據傳輸網絡傳輸給監控中心； 步驟2，監控中心接收并處理各地震動參數監測儀傳輸的數據，并通過數據傳輸網絡遠程監控地震動參數傳感網絡系統。
8.根據權利要求8所述的監測網絡構建方法，其特征在于，各地震動參數監測儀通過有線方式或GSM無線短信方式接入數據傳輸網絡。
9.根據權利要求8所述的監測網絡構建方法，其特征在于，步驟I中各地震動參數監測儀分別用于采集并計算各自監測區域內的地震動參數具體包括:實時采集各監測區域內的地面震動，進行地震事件預判，若是地震事件，則根據內嵌的地震信息實時處理算法，進行地震動參數計算，并通過數據傳輸網絡向監控中心發送地震動參數。
10.根據權利要求8所述的監測網絡構建方法，其特征在于，步驟2中監控中心處理各地震動參數監測儀傳輸的數據包括:進行地震事件判別和發出警報，并產生高分辨率震動圖。
【文檔編號】G01V1/00GK104166155SQ201410361043
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年7月25日 優先權日:2014年7月25日
【發明者】胡星星, 高孟潭, 滕云田, 李彩華, 范曉勇, 盧紅婭 申請人:中國地震局地球物理研究所