基于CompactRIO的多通道强震监测和警报系统开发

作者：

吴华灯 - 广东省地震局
叶春明 - 广东省地震局

开发地震数据采集系统给工程师带来了许多挑战，比如在现场可编程门阵列(FPGA)上实现GPS同步、数字降采样、信号校准的多路复用控制和各种复杂的触发策略；在数据接口中实现MiniSEED地震数据包和NetSeisIP地震数据流之间的通信；以及进行所需的时域指数分析、频率分析和联合时频分析(JTFA)。此外，我们还必须构建强震警报。

利用CompactRIO，我们在很短的时间内开发了一款高度可靠的低成本地震数据采集系统。该系统具有强大的专业数据触发和存储功能，可支持地震监测行业使用的标准文件格式，并满足地震信号处理和分析的专业需求。这款基于CompactRIO的多通道强震监测和警报系统已经成功应用于中国广东虎门珠江大桥的地震反应专用台阵。

强震监测和警报系统的构成

我们设计了基于CompactRIO的多通道强震监测和警报系统，用于在较长测试周期内远程实时监测和分析重点项目、生命线工程、高层建筑和特殊结构的结构健康状态和强震状态。我们可以将其作为一个分布式系统或一个单一监测系统来操作。

该系统由三部分组成：地震观测台、专线网络和数据中心（图1）。

通过采用CompactRIO数据采集模块、GPS模块和电源模块，我们在地震观测台建立了数据采集器。CompactRIO系统包括NI cRIO-9014嵌入式实时控制器、NI cRIO-9104嵌入式机箱、NI 9205模拟输入模块、NI 9263模拟输出模块和NI 9401高速数字I/O (HSDIO)模块（图2）。

系统软件框架的设计

通过数据采集终端和上位机的控制与分析终端，可查看系统软件框架。数据采集终端的所有软件均由两部分组成：数据采集和通信。数据采集在FPGA和实时控制器上实现，因此集成了一些非常具有挑战性的功能，如GPS同步、数字降采样、信号校准的多路复用控制，以及各种复杂的触发动作。在通信接口中，数据采集器会直接压缩实时数据流，将数据打包成MiniSEED格式，按照NetSeisIP地震数据流的通信协议将其发送给远程地震流服务器或上位机的控制和分析软件（图3）。

通信控制与分析软件

上位机的通信控制和分析软件由四个主要模块构成：记录仪配置模块、实时监测模块、数据管理模块和数据分析模块。记录仪配置模块包括常规设置、数据采集设置、通道设置和事件记录信息设置。实时监测模块包括实时显示、通道表示、本地记录配置、远程记录、校准信号、站点信息、系统状态、连接状态、GPS捕获状态、秒脉冲锁定状态、强震警报及关键参数实时计算和显示。数据管理模块包括数据采集器中的数据回收和数据消除，以及本地数据的更新和消除。数据分析模块可以实时或离线分析信号的时域信息（包括最大值、最小值、峰值、RMS值和平均值），并对波形进行频率分析或JTFA，从而计算出系统运行状况诊断和警报状态等关键参数。

 利用强大、高效且用户友好的LabVIEW图形化编程软件和先进的CompactRIO硬件平台，我们设计了一个多通道强震监测和警报平台，可以实现地震信号调理、数据采集、时钟同步、数据压缩和传输、实时数据分析、离线分析、系统运行状况诊断、突发破坏性地震事件警报、网络通信及仪器控制等复杂功能，大大缩短了新产品的开发周期。

基于CompactRIO的多通道强震监测和警报系统满足了高动态范围、高定时精度、高频谱纯度、多通道和实现数据压缩的设计要求。此创新系统采用了NI平台和基于NetSeisIP协议的传输。未来，我们计划在地震监测行业的类似研发项目中使用NI产品。

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吴华灯
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