地下流體站網(wǎng)運(yùn)行管理與產(chǎn)品服務(wù)平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陶志剛 劉春國 樊春燕 葉 青 劉 穎

1）中國北京100045 中國地震臺網(wǎng)中心

2）中國北京101121 北京華盛旭升科技有限公司

0 引言

我國地下流體觀測始于1966 年邢臺地震以后，經(jīng)20 世紀(jì)80 年代的調(diào)整，2000 年以來的數(shù)字化升級改造，現(xiàn)已初步建成覆蓋中國大陸多個主要地震構(gòu)造帶的地下流體站網(wǎng)。目前，納入國家地下流體站網(wǎng)管理的臺站約491 個，儀器約1 200 多套，監(jiān)控測項(xiàng)主要包括水位、水溫及氡、汞、氫氣、氦氣和水質(zhì)離子等，觀測方式主要為人工觀測、模擬觀測和數(shù)字化觀測，采樣率為日、小時和分鐘，其中水位觀測儀器主要有SWY-2、LN-3A、ZKGD3000 等，水溫觀測儀器主要有SZW 系列、ZKGD3000NT 等，氡、汞、氦氣、氫氣濃度測項(xiàng)觀測儀器主要有FD-125、SD-3A、RG-BS、ATG-6138M、WGK-1、ATG-6118H 等（陶志剛等，2021）?？傊瑖业叵铝黧w站網(wǎng)規(guī)模大，觀測手段多，儀器種類復(fù)雜，但信息化程度較低，且從事站網(wǎng)運(yùn)行管理的人員較少，為日常管理帶來巨大挑戰(zhàn)。

隨著地下流體監(jiān)測業(yè)務(wù)的發(fā)展，站網(wǎng)的產(chǎn)出能力備受關(guān)注，要求地下流體站網(wǎng)能夠快速加工并產(chǎn)出高質(zhì)量的地下流體專業(yè)產(chǎn)品，以滿足震情監(jiān)測、地震科研以及其他防震減災(zāi)工作的迫切需要，現(xiàn)有軟件系統(tǒng)已無法滿足上述需求（劉春國等，2014）。在此背景下，國家地下流體臺網(wǎng)中心于2021 年設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了地下流體站網(wǎng)運(yùn)行管理與產(chǎn)品服務(wù)平臺（以下簡稱平臺）。該平臺基于B/S 架構(gòu)設(shè)計(jì)、Spring Cloud 微服務(wù)架構(gòu)思路，采用一級部署、三級應(yīng)用的管理模式，實(shí)現(xiàn)全國地下流體站網(wǎng)運(yùn)行管理的在線綜合業(yè)務(wù)，為我國地下流體監(jiān)測業(yè)務(wù)的開展提供技術(shù)支撐和保障，同時為全國監(jiān)測、預(yù)報(bào)人員以及科研院所等科研人員提供產(chǎn)品產(chǎn)出服務(wù)，顯著提高了國家地下流體站網(wǎng)運(yùn)行管理和產(chǎn)品產(chǎn)出工作效率。

1 平臺框架設(shè)計(jì)

詳細(xì)梳理國家地下流體站網(wǎng)常規(guī)工作業(yè)務(wù)流程，根據(jù)各項(xiàng)工作特征及邏輯關(guān)系，設(shè)計(jì)平臺應(yīng)用框架。該框架主要包括5 層：①數(shù)據(jù)層：將與地下流體相關(guān)的數(shù)據(jù)源整合到一個平臺上，包括觀測數(shù)據(jù)、觀測日志、工作日志、跟蹤分析事件、地震目錄、地圖信息、基礎(chǔ)信息等。數(shù)據(jù)層為平臺運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支持，是整個平臺的基礎(chǔ)；②管理層：用戶統(tǒng)一對臺站基礎(chǔ)信息、臺網(wǎng)變更（儀器變更、儀器停測、測點(diǎn)變更）、觀測條件（數(shù)據(jù)變化背景信息、環(huán)境干擾、觀測裝置）、臺項(xiàng)清單等進(jìn)行管理；③監(jiān)控層：國家級用戶從全國層面對所有站點(diǎn)進(jìn)行日常質(zhì)量監(jiān)控、月尺度評價(jià)和年尺度評估；④產(chǎn)出層：數(shù)據(jù)產(chǎn)品、報(bào)告產(chǎn)品、圖件產(chǎn)品、跟蹤分析事件、大震應(yīng)急等產(chǎn)品；⑤應(yīng)用層：主要服務(wù)于站網(wǎng)運(yùn)行管理、地震預(yù)測預(yù)報(bào)應(yīng)用、地震科學(xué)研究、大震應(yīng)急應(yīng)用等方面。此外，平臺增加了系統(tǒng)管理模塊，包括用戶管理、角色管理、系統(tǒng)菜單、通知公告、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、數(shù)據(jù)字典、用戶統(tǒng)計(jì)，主要方便用戶對平臺進(jìn)行多維管理和權(quán)限設(shè)置。平臺設(shè)計(jì)框架見圖1。

圖1 地下流體站網(wǎng)運(yùn)行管理與產(chǎn)品服務(wù)平臺設(shè)計(jì)框架Fig.1 The design framework of underground fluid station network operation management and product service platform

2 系統(tǒng)架構(gòu)

為滿足平臺資源按需使用及可擴(kuò)展性要求，平臺基于java 語言開發(fā)、B/S 架構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)開發(fā)及運(yùn)行基于Spring Cloud 微服務(wù)架構(gòu)并結(jié)合海量數(shù)據(jù)實(shí)時、離線處理的業(yè)務(wù)場景，采用容器管理，支持集群組件，具備負(fù)載自動均衡、實(shí)時存儲、大數(shù)據(jù)量存儲、實(shí)時計(jì)算、離線計(jì)算等功能。平臺通過redis 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)的存儲與訂閱、Oracle 進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的存儲、Elasticsearch 進(jìn)行全文檢索，支持對Word、Excel、PDF 等格式文檔進(jìn)行輔助加工和標(biāo)引，并完成自動入庫。平臺整體系統(tǒng)架構(gòu)見圖2。

圖2 平臺整體系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 The overall architecture framework of the platform

平臺部署在地震行業(yè)專業(yè)網(wǎng)內(nèi)，簡化了客戶端工作，用戶可以使用瀏覽器登錄訪問，無需安裝軟件，操作便捷。

3 功能實(shí)現(xiàn)

國家地下流體站網(wǎng)所有常規(guī)業(yè)務(wù)均集成在同一個平臺上進(jìn)行統(tǒng)一管理，業(yè)務(wù)鏈條更加清晰。平臺采用一級部署、三級應(yīng)用的管理模式，建立了國家級、省局級和中心站級三級管理用戶，支持多人協(xié)同在線管理辦公，臺網(wǎng)管理更加動態(tài)高效。平臺包含6 大業(yè)務(wù)模塊，24 項(xiàng)功能，主要功能包括站網(wǎng)監(jiān)控、臺網(wǎng)管理、質(zhì)量評估、產(chǎn)品服務(wù)、學(xué)科綜合、系統(tǒng)管理，見圖3。

圖3 地下流體站網(wǎng)運(yùn)行管理與產(chǎn)品服務(wù)平臺功能框架Fig.3 Functional framework of underground fluid station network operation management and product service platform

平臺設(shè)置了登錄前后2 個界面，用戶登錄前只能瀏覽臺網(wǎng)簡介、產(chǎn)品服務(wù)、通知公告、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等文件（不能下載），只有注冊賬號才能訪問平臺的各個功能。

3.1 站網(wǎng)監(jiān)控功能

平臺首頁：用戶登錄平臺后，在首頁可以查看全國所有臺站分布、斷層分布以及當(dāng)月發(fā)生的地震分布情況。首頁增加了模糊查詢功能，可以快速搜索任意臺站的基本信息。背景地圖提供了中國行政區(qū)劃圖和中國地形圖2 種模式。從全國臺站分布圖上可以隨時查看儀器運(yùn)行狀態(tài)（黃色圓點(diǎn)代表儀器故障，綠色代表儀器正常），點(diǎn)擊任意臺站，即可查看具體測點(diǎn)、測項(xiàng)的基本信息。

3.2 臺網(wǎng)管理功能

（1）基礎(chǔ)信息：作為一切數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，決定了觀測數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性和可用性。用戶可以查看轄區(qū)內(nèi)所有臺站信息、測點(diǎn)信息、井信息、泉信息、井泉測項(xiàng)、儀器信息、斷層信息，見圖4。

圖4 臺站基礎(chǔ)信息展示Fig.4 Display of basic station information

（2）臺網(wǎng)變更：用于統(tǒng)計(jì)全國所有流體觀測儀器的變更信息、停測信息和測點(diǎn)變更信息。

（3）觀測條件：包含觀測數(shù)據(jù)的背景信息、觀測裝置和環(huán)境干擾信息。其中：①背景信息：平臺自動計(jì)算觀測數(shù)據(jù)的年度最大值、最小值、均值、變化速率等信息；②觀測裝置：包含所有觀測裝置出現(xiàn)問題的臺項(xiàng)清單；③環(huán)境干擾：包含了所有受環(huán)境干擾的臺項(xiàng)信息。

（4）臺項(xiàng)清單：用戶可以查看轄區(qū)內(nèi)臺網(wǎng)所有臺項(xiàng)清單信息，包括臺站代碼、測點(diǎn)、測項(xiàng)代碼、測項(xiàng)名稱、儀器型號、開始觀測時間、采樣率、井泉觀測場地等信息。

（5）上報(bào)管理：國家中心級用戶、省地震局用戶、中心站級用戶可以在平臺上傳相關(guān)文件及產(chǎn)品。

3.3 質(zhì)量評估功能

質(zhì)量評估功能涵蓋日常監(jiān)控、月度評價(jià)和年度評估3 部分。

（1）日常監(jiān)控：對全國地下流體臺網(wǎng)產(chǎn)出的觀測數(shù)據(jù)、預(yù)處理和觀測日志的質(zhì)量情況進(jìn)行監(jiān)控（劉春國，2017）。平臺在借鑒原監(jiān)控軟件的基礎(chǔ)上，從數(shù)據(jù)有效性、動態(tài)穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)突跳等6 個方面優(yōu)化模型算法，根據(jù)不同測項(xiàng)數(shù)據(jù)的變化特征，設(shè)置不同的篩選閾值，篩選條件靈活可控，可以更加準(zhǔn)確地篩選問題臺項(xiàng)，快速進(jìn)行問題核實(shí)，并且每周定時自動掃描問題臺項(xiàng)，人工核實(shí)后自動產(chǎn)出監(jiān)控報(bào)告，監(jiān)控時效得到顯著提升。

（2）月度評價(jià)：國家級用戶每月對臺網(wǎng)觀測資料進(jìn)行評價(jià)。從數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量、儀器運(yùn)行評價(jià)（儀器運(yùn)行和故障統(tǒng)計(jì)）、數(shù)據(jù)完整性（連續(xù)率和完整率）3 個方面給出單項(xiàng)評價(jià)結(jié)果以及綜合月度評價(jià)結(jié)果。省級和臺站用戶可從宏觀層面了解臺網(wǎng)整體質(zhì)量，也可查看省地震局、臺站的數(shù)據(jù)質(zhì)量評價(jià)結(jié)果，見圖5。

圖5 全國月度評價(jià)結(jié)果展示圖Fig.5 Display of national monthly evaluation results

（3）年度評估：平臺增加了年度評估資料申報(bào)和上傳功能，評比資料全部電子化，優(yōu)化了申報(bào)流程，具有自動填寫參評臺項(xiàng)基本信息、一鍵生成全國參評信息表的功能。國家地下流體臺網(wǎng)中心從數(shù)據(jù)質(zhì)量和觀測運(yùn)維2 個方面進(jìn)行評估，并給出綜合評估結(jié)果。評比打分采用人工與平臺自動判定相結(jié)合的方式，評價(jià)效率顯著提升。

3.4 產(chǎn)品服務(wù)功能

產(chǎn)品服務(wù)功能是平臺開發(fā)的核心功能之一。平臺產(chǎn)出包含數(shù)據(jù)、圖像、臺站和臺網(wǎng)報(bào)告、跟蹤分析事件、大震應(yīng)急等產(chǎn)品。

（1）數(shù)據(jù)產(chǎn)品：包含原始數(shù)據(jù)、預(yù)處理數(shù)據(jù)、整點(diǎn)值數(shù)據(jù)以及日均值、五日均值、十日均值和月均值數(shù)據(jù)，平臺可以一鍵繪制臺站所有測項(xiàng)觀測數(shù)據(jù)，同時可以查看觀測日志和數(shù)據(jù)跟蹤分析事件記錄，見圖6。觀測日志和數(shù)據(jù)跟蹤分析事件是對數(shù)據(jù)異常變化的原因說明，二者配套使用，可以減少“盲數(shù)據(jù)”的比例，提高觀測數(shù)據(jù)的實(shí)用性。此外，在觀測曲線上可以標(biāo)注地震信息（地震三要素），加強(qiáng)了觀測數(shù)據(jù)與地震信息的綜合使用。

圖6 觀測數(shù)據(jù)曲線產(chǎn)品展示圖Fig.6 Product display of monitoring data curve

（2）多年對比：平臺具有一鍵繪制5 年觀測數(shù)據(jù)曲線對比功能，可以進(jìn)行不同年度同時期的數(shù)據(jù)變化差異對比，識別年度數(shù)據(jù)變化異常，見圖7。多年對比曲線與臺站基礎(chǔ)信息配套使用，方便用戶查詢所有與數(shù)據(jù)相關(guān)的前端信息。

圖7 多年對比觀測曲線展示Fig.7 Multi-year comparative monitoring curves display

（3）臺站報(bào)告：包括臺站的觀測運(yùn)行年報(bào)、觀測數(shù)據(jù)月報(bào)表、儀器校測標(biāo)定記錄、觀測數(shù)據(jù)原始記錄等文件，方便用戶查看儀器的運(yùn)行維護(hù)情況、臺站周邊環(huán)境干擾情況，了解每個臺站、每套儀器的產(chǎn)出數(shù)據(jù)的可靠性。

（4）臺網(wǎng)報(bào)告：包括全國地下流體臺網(wǎng)月度運(yùn)行報(bào)告、年度運(yùn)行報(bào)告和分研究報(bào)告，從宏觀層面了解國家地下流體臺網(wǎng)規(guī)模、臺網(wǎng)運(yùn)行、數(shù)據(jù)質(zhì)量和產(chǎn)品產(chǎn)出等內(nèi)容。

（5）圖像產(chǎn)品：用戶可以查看全國各個測項(xiàng)（水溫、水位、氡、汞、氫氣、氦氣）的日尺度和月尺度的空間變化分布圖。

（6）應(yīng)急查詢：地震發(fā)生后，輸入地震信息（經(jīng)緯度坐標(biāo)）可以快速查詢震中幾百公里范圍內(nèi)的臺項(xiàng)清單，篩選記錄同震響應(yīng)的臺項(xiàng)清單以及數(shù)據(jù)異常變化的臺項(xiàng)清單。

（7）事件產(chǎn)品：平臺可以查詢數(shù)據(jù)跟蹤分析產(chǎn)出的各類事件產(chǎn)品（觀測系統(tǒng)事件、自然環(huán)境干擾、場地環(huán)境干擾、地球物理事件、人為干擾事件和不明原因事件）。

3.5 學(xué)科綜合功能

地下流體臺網(wǎng)中心除完成流體常規(guī)業(yè)務(wù)工作外，還承擔(dān)牽頭形變、重力、地電、地磁、流體、GNSS 學(xué)科產(chǎn)品匯總?cè)蝿?wù)，主要包括臺網(wǎng)質(zhì)量監(jiān)控日報(bào)、數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量評價(jià)、區(qū)域質(zhì)量評價(jià)3 部分。該平臺開發(fā)前，各學(xué)科完成相關(guān)產(chǎn)品后，通過郵件發(fā)送到中國地震臺網(wǎng)中心，由專人匯總并形成地球物理臺網(wǎng)產(chǎn)品，發(fā)送至各省地震局和臺站，臺站修改后通過郵件進(jìn)行逐級反饋，流程復(fù)雜，時效性差（圖8）。

圖8 平臺開發(fā)前評價(jià)結(jié)果反饋流程Fig.8 The past evaluation result feedback process

該平臺開發(fā)后，各學(xué)科完成相關(guān)產(chǎn)品后直接上傳平臺進(jìn)行自動匯總，一鍵生成相關(guān)產(chǎn)品，各省局、中心站登錄平臺即可查看權(quán)限范圍內(nèi)問題臺項(xiàng)清單，并進(jìn)行在線反饋，顯著提高了問題反饋的時效性，建立了學(xué)科與中心站之間業(yè)務(wù)溝通的橋梁（圖9）。

圖9 平臺開發(fā)后評價(jià)結(jié)果反饋流程Fig.9 The current evaluation result feedback process

4 平臺特點(diǎn)

相比過去地下流體各項(xiàng)業(yè)務(wù)工作，該平臺具有以下特點(diǎn)：①提高自動化水平。利用信息化手段，提高了臺網(wǎng)運(yùn)行管理與產(chǎn)品產(chǎn)出的自動化水平，臺網(wǎng)管理的便捷性及產(chǎn)出產(chǎn)品的時效性得以提高；②一級部署、三級應(yīng)用。平臺涵蓋了地下流體臺網(wǎng)所有常規(guī)業(yè)務(wù)，采用一級部署三級應(yīng)用管理模式，建立了國家中心級、省級、中心站級三級管理，不同層級用戶登錄平臺即可管理轄區(qū)范圍內(nèi)所有站點(diǎn)；③產(chǎn)品豐富化。產(chǎn)品類別豐富，包含了數(shù)據(jù)、圖像、臺站報(bào)告、臺網(wǎng)報(bào)告、應(yīng)急查詢等產(chǎn)品；④觀測資料透明化。用戶不僅可以獲取原始數(shù)據(jù)、預(yù)處理數(shù)據(jù)、均值類數(shù)據(jù)，查詢觀測日志和跟蹤分析事件記錄，還可以了解前端臺站基本情況、觀測環(huán)境、儀器運(yùn)行狀況，從而判斷數(shù)據(jù)的可靠性；⑤臺網(wǎng)管理無紙化。臺網(wǎng)運(yùn)行管理與產(chǎn)品產(chǎn)出電子化，方便用戶在線瀏覽和下載。

5 結(jié)束語

該平臺是國家地下流體臺網(wǎng)首個綜合性業(yè)務(wù)在線管理平臺，功能全面，產(chǎn)品豐富，自動化水平高，面向地震系統(tǒng)開放使用。希望各級用戶在使用的同時，多向國家地下流體臺網(wǎng)中心提出寶貴意見，共同完善平臺各個業(yè)務(wù)模塊功能。此外，隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用在地震行業(yè)的深入，平臺將會開發(fā)新的功能和產(chǎn)品，更好地服務(wù)于防震減災(zāi)事業(yè)。