國家地震應急指揮技術系統(tǒng)建設中的關鍵技術及應用1

楊天青 帥向華

（中國地震臺網中心，北京 100045）

國家地震應急指揮技術系統(tǒng)建設中的關鍵技術及應用1

楊天青 帥向華

（中國地震臺網中心，北京 100045）

地震應急指揮系統(tǒng)是國家公共安全平臺的一個重要組成部分，同時也是地震應急指揮技術系統(tǒng)為國家與各級地方政府進行地震應急指揮服務的專業(yè)技術支持系統(tǒng)。本文以數字觀測網絡項目為背景，全面歸納和總結了國家地震應急指揮技術系統(tǒng)建設中的關鍵技術及具體應用。

地理信息系統(tǒng) 真正應用集群 企業(yè)服務總線 集成會議控制技術 衛(wèi)星通信

引言

地震應急指揮技術系統(tǒng)是“十五數字地震觀測網絡項目”的一個重要組成部分，它是一個集工程技術、信息技術、空間技術、地震專業(yè)模型、決策支持于一體的綜合系統(tǒng)。在地震發(fā)生時，該系統(tǒng)能夠在基礎數據庫和現場信息的支持下，迅速判斷地震的規(guī)模、影響范圍、損失等情況，并結合災區(qū)現場的實際情況提出一系列科學的救災方案和調度方案，協(xié)助指揮人員實施各種地震救災行為，實現地震應急信息快速傳遞、高效處理，提高應急救災指揮與決策的技術水平，最大限度地減少震時的混亂和人員傷亡。

從我國的地震應急指揮系統(tǒng)建設來看，在“九五”期間中國地震局已初步建立了國家級地震應急快速響應系統(tǒng)和北京市、天津市、河北省地震快速響應系統(tǒng)。這些系統(tǒng)在較為先進的軟、硬件條件支撐下已經初具規(guī)模，基本實現了應急響應的功能（姜立新等，2003）。但是從整體上看，當時建立的應急響應系統(tǒng)各個功能模塊還是獨立的、不連貫的，不具備系統(tǒng)性。并且在響應速度、信息處理能力、通信能力、決策分析能力等方面還存在明顯的不足。通過“十五”期間投資建設的國家地震應急指揮技術系統(tǒng)，從全局出發(fā)，結合具體業(yè)務需求，充分吸收和整合了當前的IT技術以及其它領域的先進技術，建立了智能化的系統(tǒng)架構，提高了系統(tǒng)的集成度和共享程度，目前已經具備對破壞性地震的快速反應能力、初步實時災情監(jiān)測能力和科學指揮決策能力（帥向華等，2009）。

1 地理信息系統(tǒng)（GIS）技術

1.1 技術介紹

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，簡稱GIS）是在計算機軟、硬件支持下，對各種地理空間信息進行采集、存儲檢索、綜合分析和可視化表達的信息處理和管理系統(tǒng)，它是集計算機學、地理學、測繪遙感學、環(huán)境科學、空間科學、信息科學、管理科學和現代通訊技術為一體的一門新興邊緣學科（張超等，1995）。

常用的GIS軟件有：ArcGIS、MapInfo、MapGIS、SuperMap、GeoStar、AutoDeskGIS等。

1.2 地理信息系統(tǒng)的應用

應急指揮離不開地圖的支撐，同樣，地震應急指揮技術系統(tǒng)也離不開地理信息系統(tǒng)的支撐。國家地震應急指揮技術系統(tǒng)中各類應用軟件、數據庫、顯示模塊等均須運行在GIS平臺上。通過GIS的相關操作，對各類信息進行計算編輯，并生成專題圖件。

根據國家地震應急指揮技術系統(tǒng)的服務支撐能力和整體穩(wěn)定性要求，綜合比較各GIS平臺的組成、技術特點、二次開發(fā)能力、空間信息服務以及穩(wěn)定性等因素，選擇目前功能最為完善、性能最為穩(wěn)定的專業(yè)地理信息系統(tǒng)軟件平臺ArcGIS，作為地震應急指揮技術系統(tǒng)的基礎GIS平臺。國家地震應急指揮技術系統(tǒng)的ArcGIS應用主要集中在以下4個方面。

（1）采用桌面系統(tǒng)進行數據編輯整理

國務院抗震救災指揮部涉及各種來源的數據，其數據組織方式都不盡相同，要求按照中國地震局統(tǒng)一制定的《國家級抗震救災指揮部地震應急基礎數據庫格式規(guī)范》進行重新編輯整理，以滿足應急指揮的需要。

（2）采用ArcSDE構建空間數據庫

ArcSDE具有海量數據處理能力強、性能高、穩(wěn)定性較強等優(yōu)點，在系統(tǒng)建設中采用ArcSDE構建空間數據庫。

（3）采用ArcEngine構建專業(yè)地理信息桌面應用與服務

系統(tǒng)開發(fā)具有專業(yè)的地理信息分析和復雜數據編輯的需要，ArcEngine能實現各種復雜數據處理、地圖可視化和制圖、多用戶環(huán)境下的數據編輯、網絡分析、地理統(tǒng)計分析等。因此，確定使用ArcEninge實現復雜數據編輯、高級地圖可視化和制圖、專業(yè)分析等工作。

（4）采用ArcIMS進行地圖發(fā)布

ArcIMS提供基于Web的GIS服務，可以集中建立大范圍的GIS地圖、數據和應用，并將這些結果提供給行業(yè)內部或Internet上的用戶。

2 Oracle真正應用集群（RAC）技術

2.1 技術介紹

Oracle RAC（Oracle Real Application Clusters）通常稱作Oracle 真正應用集群，其實質是使多臺服務器訪問同一個Oracle數據庫，這樣一方面可以避免一個服務器宕機時數據庫不能訪問（即高可用性），同時也可以進行并行運算和負載均衡。從軟件組件上來講，一個Oracle集群由多臺服務器組成，每臺服務器有自己的監(jiān)聽器（Listener），用于監(jiān)聽自己的網絡端口；每臺服務有自己的Oracle RAC服務，用于數據庫的集群訪問；每臺服務器有自己的集群就緒服務（ClusterWare），用于集群管理；所有的服務器通過自己的操作系統(tǒng)訪問一個共享的存儲設備。從邏輯結構上來講，集群中的每臺服務器有一個實例，每臺服務器上的實例都對應到同一個數據庫，數據庫存儲在共享磁盤上。節(jié)點之間通過高速緩存合并技術，實現內存高速緩存的同步和共享，達到高速集群、高效互聯，從而最大限度地降低磁盤 I/O。高速緩存最重要的優(yōu)勢在于它能夠使集群中所有節(jié)點的磁盤共享對所有數據的訪問，數據無需在節(jié)點間進行分區(qū)。

將Oracle RAC運行于集群之上，可為Oracle數據庫提供最高級別的可用性、可伸縮性和低成本計算能力。如果集群內的一個節(jié)點發(fā)生故障，Oracle將可以繼續(xù)在其余的節(jié)點上運行；如果需要更高的處理能力，新的節(jié)點可輕松添加至集群。

2.2 Oracle RAC的應用

在應急指揮過程中，應用軟件直接讀取數據庫中的各類應急數據，要求服務器具有極強的處理能力，同時還要求數據庫服務器系統(tǒng)具有很高的可靠性，以保證應用系統(tǒng)能夠隨時訪問到數據庫中的數據，并且隨著數據的日益增加，數據庫系統(tǒng)必須具備一定的擴展能力以滿足將來發(fā)展的需求。因此，必須制定較好的備份策略，采用多重保護以確保數據不會丟失。

基于上述特點，應急數據庫建設采用Oracle數據庫RAC高性能網格計算系統(tǒng)。在該方案中，利用2臺SUN服務器構建基于Oracle數據庫群集組件服務器，數據庫計算能力隨著計算節(jié)點的增加而增強，而某個節(jié)點的故障并不會影響到整個 RAC數據庫正常的運作。這樣的方案使得數據庫處理能力突破了單臺服務器所無法突破的性能瓶頸，同時又為服務器的不間斷運行提供了最大的保障。

3 企業(yè)服務總線（ESB）技術

3.1 技術介紹

企業(yè)服務總線（Enterprise Service Bus，簡稱ESB）在當前IT領域中并沒有一個明確的定義。ESB從集成供應商的角度來看，一方面它是一個提供一體化功能、開發(fā)工具和管理環(huán)境的產品；另一方面，從面向服務架構SOA（Service-Oriented Architecture）的角度來看，ESB又可以作為一個能夠把現有的IT技術和應用變?yōu)榉盏闹悄芑善脚_（Tijs等，2009）。

由于ESB提供了一種開放的、基于標準的消息機制，通過它的簡單標準適配器和接口，即可完成粗粒度應用（服務）和其它組件之間的互操作，滿足大型異構企業(yè)環(huán)境的集成需求。同時，它還可以在不改變現有基礎結構的情況下，讓幾代技術實現互操作。

一方面，企業(yè)服務總線本身作為一個企業(yè)服務組件，提供了消息動態(tài)路由、消息操縱、日志管理、消息校驗、協(xié)議橋、異常報警、數據轉發(fā)等公共基礎服務。運行在企業(yè)服務總線上的所有服務組件，都可以簡單的、標準化通用插件接口調用來獲取這些共享服務。另一方面，企業(yè)服務總線在整個系統(tǒng)中扮演著總控的角色，實現了系統(tǒng)監(jiān)控、參數配置、異常監(jiān)控、消息跟蹤、統(tǒng)計分析等全面的服務運行和生命周期的管理，從而確保了系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性。

3.2 企業(yè)服務總線的應用

國家地震應急指揮技術系統(tǒng)中包含地震快速觸發(fā)系統(tǒng)、地震災害快速評估與動態(tài)跟蹤系統(tǒng)、地震應急輔助決策系統(tǒng)、地震綜合信息查詢系統(tǒng)、地震指揮命令與反饋系統(tǒng)等許多業(yè)務應用子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)功能各異、實現技術不一，對業(yè)務信息需求差異較大。如何將這些業(yè)務子系統(tǒng)無縫地集成起來，建立高效、穩(wěn)定、技術領先的地震應急指揮技術系統(tǒng)，以滿足地震應急對響應時效性的緊迫要求，ESB技術提供了一個簡便快捷、且穩(wěn)定可靠的企業(yè)信息化集成解決方案。

國家地震應急指揮技術系統(tǒng)的應用集成企業(yè)服務總線，是以WebLogic Server 9.2為消息中間服務器，基于Java J2EE平臺開發(fā)，支持JMS/HTTPS和SOAP/HTTPS兩種協(xié)議標準。消息的傳遞及服務的調用，采用訂閱和發(fā)布的方式進行異步通訊，服務的自注冊通過 JNDI完成。

各業(yè)務子系統(tǒng)，通過應用集成的企業(yè)服務總線（ESB）進行服務調用、消息流轉，以完成整個業(yè)務流程。業(yè)務系統(tǒng)之間的調用和消息流轉分別通過ESB開發(fā)的不同接口來實現。這樣的接口有：JMS、EJB、WebService。具體的接口邏輯調用關系如圖1所示。

圖1 地震業(yè)務系統(tǒng)邏輯調用關系Fig.1 The logic call-relationship of application system

從圖1可以看出：快速觸發(fā)響應、災害評估與動態(tài)跟蹤、現場數據接收處理系統(tǒng)與應用集成之間是通過HTTP或SOAP協(xié)議進行消息傳遞的，并通過WebService的方式進行服務調用；應用集成前端、地震應急指揮命令記錄與反饋、地震應急指揮輔助決策和地震應急綜合信息查詢等系統(tǒng)是通過JMS或EJB的方式進行消息傳遞，利用RMI的方式進行遠程調用；安全日志管理系統(tǒng)接收各個應用系統(tǒng)通過服務總線轉發(fā)過來的系統(tǒng)日志，傳遞采用JMS的方式。

4 集成會議控制技術

4.1 技術介紹

集成會議控制技術是利用數字信號處理技術和自動控制技術，將多媒體會議系統(tǒng)中的調控設備及調音臺、功放、顯示等功能集成于一體，使會議控制具有高度集成化、數字化調控功能。

4.2 集成會議控制技術的應用

國務院抗震救災指揮部是進行地震應急指揮的主要場所，一方面要集中匯集展示各類地震災情信息、震情信息、救援信息以及現場視頻等地震應急指揮需要的各類信息，靈活調度各類信號的接入與展示，應具有良好的音響視頻顯示效果；另一方面，還要滿足應急指揮時對各級地震應急指揮部、應急人員的指揮調度需求；同時，還保證具有靈活方便的易操作智能化控制平臺。

基于上述應用需求，利用現有的成熟高新技術手段和集成會議控制技術，建立地震應急指揮集成會議控制系統(tǒng)，可以通過操作單一控制終端以實現應急指揮大廳會議及顯示系統(tǒng)的遠程控制，同時還可以通過遠程監(jiān)控方式實現故障設備的自動定位，使操作自動化、集成化，進一步提高對指揮大廳工作過程中的集成化控制。

為使整個會議系統(tǒng)達到投資有效、性能優(yōu)良、管理方便的良好效果，針對指揮大廳內大屏幕顯示系統(tǒng)、音響擴聲系統(tǒng)、數字會議系統(tǒng)、視頻會議系統(tǒng)、多媒體錄播系統(tǒng)等的不同特點和彼此的兼容性，在進行集中控制設計時主要按照以下集成設計思路：

（1）建立以大屏幕為主的統(tǒng)一的多媒體顯示系統(tǒng)，實現現場、遠程各類信號的集中控制和管理，以滿足應急指揮時多種信號的顯示需求和操作的便捷性。

（2）建立統(tǒng)一的音響、視頻管理控制系統(tǒng)，使數字會議、視頻會議、現場音響等多個系統(tǒng)的音響、視頻應用達到最佳集成效果。集成內容包括：視頻信號分配系統(tǒng)、RGB信號分配系統(tǒng)、音頻信號處理及分配系統(tǒng)、燈光調光控制系統(tǒng)、集中控制系統(tǒng)等。

（3）按照地震應急大廳承擔的任務特點，設置了3種會議的控制模式：參觀模式、演習模式和應急模式。

5 衛(wèi)星通信技術

5.1 技術介紹

衛(wèi)星通信是指利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉發(fā)無線電信號，在兩個或多個地面站之間進行的通信過程或方式。衛(wèi)星通信系統(tǒng)由衛(wèi)星和地球站兩部分組成。衛(wèi)星在空中起中繼站的作用，即把地球站發(fā)上來的電磁波放大后，再返送回另一個地球站。地球站則是衛(wèi)星系統(tǒng)與地面公眾網的接口，地面用戶通過地球站出入衛(wèi)星系統(tǒng)形成鏈路。衛(wèi)星通信屬于宇宙無線電通信的一種形式，在微波頻段工作（丁龍剛等，2006）。

衛(wèi)星通信網絡具有覆蓋面大、傳輸距離遠、通信質量好、可靠性高、頻帶寬、通信容量大、機動性好、建站迅速等優(yōu)點。

甚小口徑天線地球站（Very Small Aperture Terminal，簡稱VSAT）系統(tǒng)是近年來發(fā)展起來的衛(wèi)星通信新技術之一。它是指一類具有甚小口徑天線的智能化小型或微型地球站，主要工作在14/11GHz的KU頻段以及C頻段。綜合利用分組信息傳輸與交換、多址協(xié)議、頻譜擴展等多種先進技術，進行數據、語言、視頻圖像、傳真、計算機信息等多種信息的傳輸。與傳統(tǒng)衛(wèi)星通信網絡相比，VSAT具有直接面向用戶、智能化、集成度高、低功率、安裝方便等特點，一般用于專用網絡建設。

5.2 衛(wèi)星通信技術的應用

現場地震應急指揮系統(tǒng)是開展地震現場應急指揮相關工作內容的技術支撐和后勤保障；也是抗震救災指揮部技術系統(tǒng)在地震現場的延伸。當破壞性地震發(fā)生后，該系統(tǒng)能夠迅速到達地震現場，開展應急救援的工作。根據地震現場工作任務的通信需求和特點，需要具有有線、無線、衛(wèi)星等多種通信手段，確保與各級抗震指揮部之間的圖像、數據和語音傳輸。

地震應急衛(wèi)星通訊網絡系統(tǒng)是現場應急指揮系統(tǒng)的網絡出口之一，其規(guī)模包括1個衛(wèi)星中心站、19個衛(wèi)星固定站和21套機動衛(wèi)星站。衛(wèi)星中心站部署在國家地震應急指揮中心；19個衛(wèi)星固定站部署在19個區(qū)域地震應急指揮中心；21套機動衛(wèi)星站中有2套部署在國家地震應急指揮中心，另外19套與固定站配套，部署在區(qū)域地震應急指揮中心。機動衛(wèi)星通信站包括機動車載站和便攜移動站兩種結構形式。

地震應急衛(wèi)星通訊網絡選擇亞洲4號通訊衛(wèi)星，地面衛(wèi)星站均采用VSAT系統(tǒng)，網絡結構為星狀網和網狀網相結合的應用結構。在非地震應急時期，中心站為系統(tǒng)主站，19個省級衛(wèi)星固定站為遠端站，全網為星狀網應用結構；當某地因發(fā)生破壞性地震而進入地震應急工作狀態(tài)時，機動衛(wèi)星通信站趕赴地震現場，架設啟用，此時機動衛(wèi)星通信站既是星狀網的遠端節(jié)點，同時還與地震破壞所屬的省地震局固定站建立網狀連接（最多4點），實現網狀網應用結構。地震應急衛(wèi)星網絡拓撲圖如圖2所示。

圖2 地震應急衛(wèi)星網絡拓撲圖Fig.2 Topology of earthquake emergency satellite network

6 結語

國家地震應急指揮技術系統(tǒng)是一個集各類高科技軟硬件為一體的集成系統(tǒng)，在建設過程中充分吸收了目前主流的科技技術，并經過多輪次的系統(tǒng)集成，目前已形成了運行穩(wěn)定、結果可靠、可7×24小時業(yè)務運行的系統(tǒng)。

丁龍剛，馬虹，2006. 衛(wèi)星通信技術. 北京：機械工業(yè)出版社.

姜立新，聶高眾，帥向華等，2003. 我國地震應急指揮技術系統(tǒng)初探. 自然災害學報，12（2）：1—6.帥向華，姜立新，王棟梁，2009. 國家地震應急軟件系統(tǒng)研究. 自然災害學報，18（3）：99—105.

張超，陳丙咸，鄔倫，1995.地理信息系統(tǒng).北京：高等教育出版社.

Tijs Rademarkers, Jos Dirksen, 2009. Open Source ESB in Action. Minning Greenwich.

Application of Key Techniques in National Earthquake Emergency Commanding Technical System

Yang Tianqing and Shuai Xianghua

(China Earthquake Network Center, Beijing 100045, China)

Earthquake emergency commanding system is an important part of National Public Security Platform. Earthquake emergency commanding technical system is responsible for providing technical support of earthquake emergency commanding service for the central and local governments. Based on the China Digital Seismological Observation Network Project, several key techniques and their application in construction of national earthquake emergency commanding technology system are concluded and summarized in this paper.

GIS; RAC; ESB; Integrated control technology; Satellite communication technology

楊天青，帥向華，2010. 國家地震應急指揮技術系統(tǒng)建設中的關鍵技術及應用. 震災防御技術，5（2）：208—214.

地震聯合基金“基于地理格網的地震災害動態(tài)評估方法研究（106040）”資助

2009-12-27

楊天青，女，生于1978年，助理研究員。主要從事地震應急指揮和地震災害方面研究。Email:ytq@seis.ac.cn