賈漯昭 張亞琳 陳力剛 趙大鵬
摘 要 根據(jù)地震臺網(wǎng)地震速報特征,研究并解決了地震臺網(wǎng)速報模擬過程中遇到的系統(tǒng)的時間同步問題,模擬過程控制問題,地震速報評價問題,把研究結(jié)果形成算法并程序化,形成了河南省地震臺網(wǎng)速報模擬考評系統(tǒng)。
【關(guān)鍵詞】地震速報 MSDP 地震臺網(wǎng) 速報模擬
目前各個省級地震臺網(wǎng)和國家基準(zhǔn)臺都承擔(dān)著地震速報任務(wù),但由于國家多數(shù)地區(qū)地震事件少,地震速報員缺乏臨場實戰(zhàn)機(jī)會,容易導(dǎo)致速報工作生疏,從而影響地震速報效率和地震速報分析精度。如何對地震速報工作整體流程做一個完備而有效的評價,增加地震速報臨場工作的機(jī)會,是提高臺網(wǎng)工作人員工作能力重要方法。
在研究的過程中,我們發(fā)現(xiàn)時間的精確控制,速報流程的按環(huán)節(jié)監(jiān)控以及速報整體流程的客觀評價是系統(tǒng)實現(xiàn)難點(diǎn)。我們通過類似軟件系統(tǒng)的研究,參考國內(nèi)同行的實踐經(jīng)驗,解決了這些難點(diǎn),并把解決方法形成算法實現(xiàn)了河南地震臺網(wǎng)速報模擬考評系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)設(shè)計
考慮速報員操作的便捷性和控制的便利性,整個系統(tǒng)設(shè)計為三個部分,分別為模擬速報客戶端,計算服務(wù)端和控制端。
客戶端由若干安裝有JAVA運(yùn)行環(huán)境的Windows平臺計算機(jī)組成,在模擬地震速報演習(xí)時,速報員在速報工作計算機(jī)上完成地震的分析定位和速報工作。速報成績的初步評定在客戶端運(yùn)行。服務(wù)端由高性能的邏輯服務(wù)器云系統(tǒng)組成,為整個系統(tǒng)提供實時計算以及存儲服務(wù)。速報成績的最終核定、對比工作以及對外狀態(tài)顯示服務(wù)在該部分實現(xiàn)。控制端為管理操作界面,通過WebService的方式對服務(wù)端發(fā)送指令,管理端通過WEB方式和移動APP的形式提供用戶界面??芍С制桨逵嬎銠C(jī),手機(jī)以及普通計算機(jī)。
整個系統(tǒng)主要用到了三種主要的程序算法:時間同步算法、速報評價算法和速報過程控制算法?,F(xiàn)將算法的研究原理和實現(xiàn)過程詳述如下。
2 算法實現(xiàn)
2.1 時間同步算法實現(xiàn)
要做到服務(wù)器系統(tǒng)與所有的參與演練的客戶端系統(tǒng)準(zhǔn)確對接,需要有誤差在5秒以內(nèi)的時間同步體系。直接的辦法是使用NTP(NetworkTimeProtoco)服務(wù),但復(fù)雜的客戶機(jī)環(huán)境,并不是都可以隨時成功部署NTP服務(wù),為提高系統(tǒng)整體的健壯性,做到所有的客戶機(jī)綠色部署,就必須設(shè)計一個適合于本系統(tǒng)的時間同步算法并無縫集成到軟件系統(tǒng)中來,以求得所有客戶機(jī)時間基本同步,體現(xiàn)速報考評的公平性。本文所設(shè)計的時間同步算法,不依賴傳統(tǒng)的NTP時間服務(wù),自成體系。不需要另外的部署。具體實現(xiàn)如圖1。
在該算法中,客戶端和服務(wù)端同時并發(fā)執(zhí)行。服務(wù)端首先獲得服務(wù)器本地時間,然后使用NTP服務(wù)從互聯(lián)網(wǎng)國家授時中心獲得標(biāo)準(zhǔn)時間,對比和校正服務(wù)器本地時間。以WebService函數(shù)服務(wù)方式向客戶端提供統(tǒng)一的時間服務(wù)。
客戶端首先獲得本地時間后,調(diào)用服務(wù)端時間服務(wù)函數(shù)服務(wù)器端獲得時間,與本地時間對比,如果時間誤差超過5秒,則使用服務(wù)器時間同步本地時間。在此時間傳輸中,可能因為網(wǎng)絡(luò)延遲產(chǎn)生誤差,但考慮到系統(tǒng)主要部署于局域網(wǎng)以及本系統(tǒng)所要求的誤差范圍,所以時間誤差可以忽略。在算法中直接使用靜態(tài)Win32 API時間函數(shù)可減少網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)纫蛩貛淼臅r間誤差。
2.2 速報評價算法實現(xiàn)
對速報整體流程及速報最終結(jié)果準(zhǔn)確度的評價需要一個客觀,公平,量化,程序資源消耗少的算法以供系統(tǒng)對地震速報過程及結(jié)果實時評價。理論來說,地震速報目的是快速得出準(zhǔn)確的地震要素信息,包含震中地點(diǎn)(坐標(biāo)及地名),震級,震源深度,發(fā)震時刻等。而地震速報的好壞與這幾個要素的準(zhǔn)確度有直接的關(guān)聯(lián)關(guān)系。因此,設(shè)定地震速報成績?yōu)楹瘮?shù) f(x),根據(jù)《省級測震臺網(wǎng)速報評比標(biāo)準(zhǔn)》 (中國地震局監(jiān)測司,2013)。設(shè)定震中地點(diǎn)要素特征為f(x1),震級特征為f(x2),震源深度特征為 f(x3),發(fā)震時刻為特征為f(x4)。同時記錄速報耗時為評定加權(quán)值lt。
則有震相交匯結(jié)果指紋特征序列 f(x)=f(f(x1),f(x2),f(x3),f(x4))(1),即得出總評定成績S =f(x)+lt (2)。
設(shè)定原始正確速報結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)答案,提取其地震要素,經(jīng)過上述特征序列運(yùn)算,得出答案特征序列值,即地震特征唯一指紋。
系統(tǒng)運(yùn)行時,收集速報員當(dāng)次地震分析定位計算出的地震要素,經(jīng)過同樣的特征序列運(yùn)算,得出當(dāng)次地震速報特征序列值,即當(dāng)次地震速報的唯一特征指紋值。與計算出的標(biāo)準(zhǔn)答案指紋值對比,其匹配度即為本次速報的震相交匯正確性,加上速報耗時加權(quán)值lt,即得出本次速報的速報員總評成績。
具體過程:服務(wù)端從地震速報答案文件中提取地震要素經(jīng)過速報評價模塊的特征序列運(yùn)算,得出地震標(biāo)準(zhǔn)答案的指紋特征值,附加在地震信息結(jié)構(gòu)體中,推送到客戶端。
客戶端首先提取震相結(jié)果,經(jīng)過速報評價模塊的特征序列運(yùn)算,生成了本次地震速報的指紋特征值,與服務(wù)器發(fā)送過來的標(biāo)準(zhǔn)答案特征值進(jìn)行匹配度計算,得出震相匹配評價分?jǐn)?shù)。
而后提取本次速報耗時,根據(jù)速報管理規(guī)定,進(jìn)行加權(quán)處理,得出最終速報總成績,如圖2。
2.3 速報過程控制算法實現(xiàn)
在模擬地震速報的過程中,需要設(shè)計一套整體控制算法,全過程監(jiān)控速報員速報程度,以及速報結(jié)果的傳遞和正確性判研。在本系統(tǒng)中,設(shè)計了速報過程控制算法。
首先在控制端進(jìn)行模擬速報地震事件選取,模擬演習(xí)地震觸發(fā)時間設(shè)置,在服務(wù)端進(jìn)行信息封裝,以加密結(jié)構(gòu)體的方式推送到客戶端,客戶端設(shè)計輪循接收模塊接收該加密結(jié)構(gòu)信息。在算法中設(shè)計輪循間隙時間為1秒。
當(dāng)包含時間戳的地震觸發(fā)結(jié)構(gòu)體到達(dá)客戶端后,客戶端檢測時間戳與本地時間差異,如果符合要求,則觸發(fā)報警,初始化波形接收。速報員這時可以接收地震事件波形,并調(diào)用MSDP分析軟件,進(jìn)行地震分析定位。