測(cè)震儀器數(shù)據(jù)訪問中間件的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

孫貴成董一兵，楊 銳張環(huán)曦劉 麗

1）中國(guó)石家莊050021河北省地震局

2）中國(guó)合肥230026中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院

測(cè)震儀器數(shù)據(jù)訪問中間件的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

孫貴成1）董一兵1），2）楊 銳1）張環(huán)曦1）劉 麗1）

1）中國(guó)石家莊050021河北省地震局

2）中國(guó)合肥230026中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院

分析幾種地震數(shù)據(jù)采集器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和數(shù)據(jù)格式，設(shè)計(jì)一種儀器數(shù)據(jù)訪問中間件，為實(shí)現(xiàn)上位機(jī)應(yīng)用程序與數(shù)采網(wǎng)絡(luò)通信、多種數(shù)據(jù)流接收和發(fā)布，提供方法和工具。利用中間件開發(fā)測(cè)震儀器數(shù)據(jù)自動(dòng)同步軟件，實(shí)現(xiàn)地震臺(tái)站參數(shù)和儀器健康狀態(tài)的自動(dòng)同步，在河北測(cè)震臺(tái)網(wǎng)的成功應(yīng)用證明了中間件的實(shí)用性。

測(cè)震儀器；數(shù)據(jù)流；中間件；數(shù)據(jù)同步；應(yīng)用軟件

0 引言

地震數(shù)據(jù)采集器是測(cè)震臺(tái)網(wǎng)技術(shù)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備，從地震計(jì)采集三分向地震動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波、采樣、量化、編碼等一系列處理得到數(shù)字信號(hào)，通過(guò)以太網(wǎng)接口以數(shù)據(jù)流形式實(shí)時(shí)輸出（中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司，2003）。與關(guān)系型數(shù)據(jù)集不同，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流具有連續(xù)生產(chǎn)、實(shí)時(shí)到達(dá)、潛在無(wú)限的特點(diǎn)（Gehrke J，2003）?；诖?，在上位機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)中，可以在系統(tǒng)底層設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)接入單元，執(zhí)行數(shù)據(jù)接收和發(fā)布操作，為系統(tǒng)上層提供數(shù)據(jù)訪問接口。這種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)接入和數(shù)據(jù)應(yīng)用進(jìn)程的解耦和異步，有利于提高實(shí)時(shí)系統(tǒng)的健壯性和吞吐量，在測(cè)震臺(tái)網(wǎng)軟件系統(tǒng)已有應(yīng)用，例如，JOPENS系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)流服務(wù)模塊，用于地震波形數(shù)據(jù)的接收和分發(fā)（吳永權(quán)等，2013）；董一兵等（2013，2015）在測(cè)震臺(tái)站健康狀態(tài)數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)中設(shè)計(jì)健康狀態(tài)的接收與發(fā)布模塊。已有應(yīng)用系統(tǒng)均面向某一種數(shù)據(jù)流，在實(shí)際工作中，由于數(shù)采最大并發(fā)連接數(shù)限制（如：港震EDAS24-GN的最大并發(fā)連接數(shù)是4），為每一種數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)獨(dú)立應(yīng)用程序是對(duì)資源的浪費(fèi)，理想的解決方案是，引進(jìn)綜合數(shù)據(jù)訪問服務(wù)，為各種數(shù)據(jù)提供統(tǒng)一的訪問接口。為此，系統(tǒng)分析幾種數(shù)采的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和數(shù)據(jù)格式，開發(fā)一套測(cè)震儀器數(shù)據(jù)訪問中間件，為實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與數(shù)采的網(wǎng)絡(luò)通信、多種數(shù)據(jù)流的統(tǒng)一接收和發(fā)布，提供方法和工具。

1 需求分析

中間件是一種獨(dú)立的系統(tǒng)軟件或服務(wù)程序，位于客戶機(jī)/服務(wù)器的操作系統(tǒng)，管理計(jì)算資源和網(wǎng)絡(luò)通信，分布式應(yīng)用軟件通過(guò)它在不同技術(shù)之間共享資源（周園春等，2002）。測(cè)震儀器數(shù)據(jù)訪問中間件位于地震數(shù)據(jù)采集器和上位機(jī)系統(tǒng)之間，數(shù)采可視為服務(wù)器端，上位機(jī)系統(tǒng)是客戶端，中間件發(fā)揮的作用類似于代理服務(wù)器——為上位機(jī)系統(tǒng)屏蔽儀器和數(shù)據(jù)流差異，向上提供統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問接口。應(yīng)用環(huán)境具有以下特點(diǎn)：①異構(gòu)性：儀器的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)格式因廠家而異，產(chǎn)生數(shù)據(jù)源的異構(gòu)性；②并發(fā)性：中間件通常同時(shí)面向多個(gè)服務(wù)器端（數(shù)采）和多個(gè)客戶端（上位機(jī)）；③實(shí)時(shí)性：數(shù)據(jù)流的實(shí)時(shí)性和易逝性特征對(duì)系統(tǒng)的快速響應(yīng)和處理能力提出較高要求；④異步性：服務(wù)器端（數(shù)采）和客戶端（上位機(jī)）通常在異步模式工作，通過(guò)中間件進(jìn)行協(xié)同。

測(cè)震儀器數(shù)據(jù)訪問中間件的主要功能如下：①提供主流地震數(shù)據(jù)采集器的適配器程序，能夠與數(shù)采建立數(shù)據(jù)通信連接，支持的儀器類型包括港震機(jī)電技術(shù)有限公司EDAS-24GN、EDAS-24IP和Guralp的CMG-DM24；②提供各種數(shù)據(jù)流適配器程序，解析上述儀器各類型數(shù)據(jù)；③提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問協(xié)議，包括數(shù)據(jù)請(qǐng)求、數(shù)據(jù)應(yīng)答的語(yǔ)義、語(yǔ)法和時(shí)序。

根據(jù)功能和應(yīng)用特點(diǎn)，對(duì)測(cè)震儀器數(shù)據(jù)訪問中間件提出以下基本性能要求：①通用性：支持多種儀器和數(shù)據(jù)流類型，并提供統(tǒng)一的訪問接口；②并發(fā)性：應(yīng)用并發(fā)設(shè)計(jì)模式，支持與多服務(wù)器端（數(shù)采）、多客戶端（上位機(jī)）的并發(fā)操作；③健壯性：模塊間松散耦合，提供可靠的容錯(cuò)機(jī)制；④兼容性：程序應(yīng)與測(cè)震臺(tái)網(wǎng)目前的軟硬件系統(tǒng)及儀器良好兼容，并行不悖；⑤易用性：接口應(yīng)方便用戶調(diào)用。

2 中間件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 總體設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)并發(fā)，引進(jìn)生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式。生產(chǎn)者/消費(fèi)者是一種經(jīng)典的并發(fā)設(shè)計(jì)模式，將生產(chǎn)與消費(fèi)過(guò)程分離，用緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)二者數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者與消費(fèi)者的解耦，簡(jiǎn)化工作負(fù)載的管理（Goetz B et al，2012）。使用面向?qū)ο蠓椒ㄟM(jìn)行頂層設(shè)計(jì)，將中間件功能分解為儀器適配器、數(shù)據(jù)流緩沖區(qū)、數(shù)據(jù)流適配器、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、數(shù)據(jù)分發(fā)器等5個(gè)核心功能模塊（圖1）。

圖1 中間件業(yè)務(wù)流程Fig.1 Business fow of the middleware

儀器適配器是數(shù)據(jù)流對(duì)象的生產(chǎn)者，負(fù)責(zé)與儀器建立通信連接，發(fā)送查詢指令，獲得數(shù)據(jù)流，將數(shù)據(jù)流打包成數(shù)據(jù)流對(duì)象，寫入數(shù)據(jù)流緩沖區(qū)；數(shù)據(jù)流適配器既是數(shù)據(jù)流對(duì)象消費(fèi)者又是數(shù)據(jù)對(duì)象生產(chǎn)者，負(fù)責(zé)從數(shù)據(jù)流緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)流對(duì)象，解析、創(chuàng)建數(shù)據(jù)對(duì)象，并寫入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；數(shù)據(jù)分發(fā)器是數(shù)據(jù)對(duì)象的消費(fèi)者，負(fù)責(zé)從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)對(duì)象并向用戶進(jìn)行發(fā)布，提供兩種發(fā)布接口供用戶選擇：①直接進(jìn)行持久化；②通過(guò)消息代理服務(wù)器，以JMS消息的方式對(duì)外發(fā)布。由于緩沖區(qū)的解耦合作用，儀器適配器、數(shù)據(jù)流適配器和數(shù)據(jù)分發(fā)器可以并行工作，保證系統(tǒng)的吞吐量，同時(shí)，模塊內(nèi)的錯(cuò)誤被抑制在內(nèi)部而不會(huì)擴(kuò)散至全局，增強(qiáng)系統(tǒng)健壯性。由于系統(tǒng)同時(shí)存在多個(gè)生產(chǎn)者和消費(fèi)者，緩沖區(qū)必須選擇線程安全的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如：阻塞隊(duì)列，這種結(jié)構(gòu)在JDK 1.6中已有實(shí)現(xiàn)，可以直接使用。中間件的業(yè)務(wù)流程見圖1。

2.2 儀器適配器

儀器適配器的主要功能是，與數(shù)采通信、生成數(shù)據(jù)流對(duì)象。與數(shù)采通信需了解數(shù)采的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與數(shù)據(jù)格式。TCP/IP是數(shù)采普遍采用的協(xié)議集合，由一系列分層組織的協(xié)議組成，自上而下依次為應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和接口層（Fall K R et al，2012）。應(yīng)用層與傳輸層之間有一個(gè)抽象層——套接字層（Socket），為應(yīng)用層提供使用傳輸層服務(wù)的接口。根據(jù)傳輸層協(xié)議的不同，套接字可分為流套接字（適用于TCP）和數(shù)據(jù)報(bào)套接字（適用于UDP）。TCP和UDP均為傳輸層協(xié)議，其中TCP是一種面向連接的、可靠協(xié)議，UDP則是一種無(wú)連接的、不可靠協(xié)議。TCP適用于可靠性要求高的應(yīng)用，UDP則適用于可靠性要求低、傳輸經(jīng)濟(jì)的應(yīng)用。

EDAS-24系列數(shù)采（包括EDAS-24IP、EDAS-24GN）的傳輸層采用TCP協(xié)議，使用控制端口和數(shù)據(jù)端口進(jìn)行通信，其中控制端口用于建立連接時(shí)實(shí)現(xiàn)用戶驗(yàn)證和服務(wù)申請(qǐng)，采用字符串方式通信，數(shù)據(jù)端口用于數(shù)據(jù)服務(wù)和系統(tǒng)配置，采用二進(jìn)制方式通信。與EDAS-24建立通信連接的過(guò)程見圖2（a）。CMG-DM24的傳輸層采用UDP協(xié)議。盡管UDP可靠性不高，但在主流測(cè)震儀器中依然應(yīng)用廣泛，主要原因是：①網(wǎng)絡(luò)環(huán)境好。測(cè)震臺(tái)網(wǎng)普遍使用專用通信鏈路（如光纖），數(shù)據(jù)通信質(zhì)量高，即使無(wú)流量控制、差錯(cuò)控制機(jī)制，正常情況下數(shù)據(jù)包不易丟失；②數(shù)據(jù)容量小。儀器單次輸出的數(shù)據(jù)量小，如：1個(gè)實(shí)時(shí)地震波形數(shù)據(jù)包的容量通常是1 s的三分向數(shù)據(jù)；③通信效率高。在較好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和較少數(shù)據(jù)量前提下，由于缺少建立和維護(hù)連接的過(guò)程，UDP開銷小、速度快?？梢姡琔DP與測(cè)震臺(tái)網(wǎng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)需求比較相匹配。與DM24建立通信連接過(guò)程見圖2（b）。

圖2 建立通信連接流程Fig.2 Process of building sockets with digitizer

讀入數(shù)據(jù)流后，儀器適配器并不進(jìn)行解析，而是將其封裝進(jìn)一個(gè)數(shù)據(jù)流對(duì)象，同時(shí)增加一個(gè)“儀器類型”屬性作為該數(shù)據(jù)流的標(biāo)識(shí)，放入數(shù)據(jù)流緩沖區(qū)?！皟x器類型”的取值范圍是：EDAS-24IP、EDAS-24GN和CMG-DM24，是數(shù)據(jù)流適配器選擇解析方法的依據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)多臺(tái)并發(fā)，采用一儀器一連接一線程的方式，即為每一個(gè)儀器創(chuàng)建一個(gè)Socket，每一個(gè)Socket在一個(gè)單獨(dú)線程中執(zhí)行。

2.3 數(shù)據(jù)流適配器

數(shù)據(jù)流本質(zhì)是經(jīng)過(guò)編碼的字節(jié)序列，每個(gè)序列由一個(gè)標(biāo)識(shí)符和若干數(shù)據(jù)字段組成，具體內(nèi)容和含義由儀器廠家定義。北京港震機(jī)電技術(shù)有限公司定義了4種類型的幀，包括查詢幀、應(yīng)答幀、設(shè)置幀、廣播幀，每種幀由同步碼、幀標(biāo)志、幀長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)項(xiàng)、檢查和等字段組成，其中幀標(biāo)志字段用于指示該幀類型（北京港震機(jī)電技術(shù)有限公司，2006）。CMG-DM24數(shù)采使用流標(biāo)識(shí)字段區(qū)別不同類型的數(shù)據(jù)，例如：健康狀態(tài)數(shù)據(jù)流00（流標(biāo)識(shí)），三分向地震波形數(shù)據(jù)流Z2、N2、E2，擺錘零位數(shù)據(jù)流M8、M9、MA等（Guralp Systems，2009）。DM24的UDP數(shù)據(jù)報(bào)通常由以下字段組成：GCF塊、版本號(hào)、字節(jié)序、序列號(hào)、字符串長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)源。GCF是Guralp定義的數(shù)據(jù)壓縮格式，每個(gè)GCF塊由一個(gè)固定長(zhǎng)度的首部和一組數(shù)據(jù)記錄組成，首部中的流ID字段用于標(biāo)識(shí)報(bào)文類型。

數(shù)據(jù)流適配器從流緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)流對(duì)象，根據(jù)該對(duì)象的儀器類型屬性值選擇對(duì)應(yīng)方法，對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行解析，將解析后的數(shù)據(jù)組裝成數(shù)據(jù)對(duì)象，放入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。每一種數(shù)據(jù)流類型對(duì)應(yīng)一種數(shù)據(jù)對(duì)象。以EDAS-24IP實(shí)時(shí)波形數(shù)據(jù)幀為例，介紹數(shù)據(jù)對(duì)象的創(chuàng)建過(guò)程：①測(cè)試儀器類型屬性值，結(jié)果是EDAS-24IP；②調(diào)用EDAS-24IP數(shù)據(jù)幀的通用解析方法，測(cè)試幀標(biāo)志屬性值，結(jié)果是0x55dd；③調(diào)用EDAS-24IP實(shí)時(shí)波形數(shù)據(jù)幀的專用解析方法，得到其屬性值，包括：幀同步碼、地震計(jì)號(hào)、幀標(biāo)志、幀長(zhǎng)度、保留、時(shí)間碼、標(biāo)定標(biāo)志、采樣率標(biāo)志、壓縮標(biāo)志、分向、壓縮數(shù)據(jù)段、檢查和等；④創(chuàng)建數(shù)據(jù)對(duì)象，增加儀器類型。流標(biāo)識(shí)屬性作為該對(duì)象的標(biāo)識(shí)，在本例中是EDAS-24IP.0x55dd，該屬性將作為數(shù)據(jù)分發(fā)器區(qū)別不同數(shù)據(jù)類型的依據(jù)。

3 中間件應(yīng)用

利用中間件，設(shè)計(jì)開發(fā)一套測(cè)震儀器數(shù)據(jù)自動(dòng)同步軟件。該軟件采用B/S架構(gòu)，分為服務(wù)器端和客戶端。服務(wù)器端包括數(shù)據(jù)訪問中間件、數(shù)據(jù)庫(kù)和Web服務(wù)器等組件，數(shù)據(jù)訪問中間件定時(shí)更新數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，與臺(tái)站數(shù)據(jù)保持同步，Web服務(wù)器使用Tomcat。客戶端使用JSP技術(shù)開發(fā)，提供基于Web瀏覽器的交互式圖形用戶界面。系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 測(cè)震儀器數(shù)據(jù)自動(dòng)同步軟件框架結(jié)構(gòu)Fig.3 Framework of seismic-station data auto sync system

同步數(shù)據(jù)包括臺(tái)站基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和健康狀態(tài)數(shù)據(jù)，見表1。同步周期可由用戶配置，缺省設(shè)置是3 600 s。這些參數(shù)可以通過(guò)儀器廠家提供的客戶端軟件查詢得到（朱小毅等，2006）。

表1 同步數(shù)據(jù)Table 1 Synchronizing data

用戶通過(guò)瀏覽器進(jìn)行操作，以管理員身份登錄打開客戶端主頁(yè)，見圖4（原圖為彩圖）。頁(yè)面右側(cè)是測(cè)震臺(tái)站專題地圖，三角形表示臺(tái)站，綠色底紋標(biāo)識(shí)“狀態(tài)正常”，即實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)值均在正常閾值范圍內(nèi)。頁(yè)面左側(cè)是臺(tái)站信息列表，可以瀏覽臺(tái)站基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括臺(tái)網(wǎng)代碼、臺(tái)站代碼、行標(biāo)代碼、中文臺(tái)名、英文臺(tái)名、臺(tái)站類型、通道數(shù)量等字段，列表下方提供操作列表的控件。頁(yè)面右上角顯示當(dāng)前操作員為“管理員”。

圖4 客戶端主頁(yè)Fig.4 Main page of the client

單擊列表上臺(tái)站記錄或者地圖上臺(tái)站圖標(biāo)可進(jìn)入臺(tái)站狀態(tài)頁(yè)，見圖5。頁(yè)面上部是實(shí)時(shí)狀態(tài)值列表，下部是模擬儀表盤。該頁(yè)面采用自動(dòng)刷新技術(shù)，列表和儀表數(shù)據(jù)與儀器自動(dòng)同步更新，無(wú)需用戶手動(dòng)刷新頁(yè)面，便于用戶對(duì)單臺(tái)監(jiān)控。

圖5 臺(tái)站狀態(tài)頁(yè)Fig.5 Page of station status

4 結(jié)束語(yǔ)

測(cè)震儀器數(shù)據(jù)訪問中間件，為實(shí)現(xiàn)上位機(jī)應(yīng)用程序與數(shù)采的網(wǎng)絡(luò)通信、多種數(shù)據(jù)流的接收和發(fā)布提供統(tǒng)一接口。利用中間件開發(fā)測(cè)震儀器數(shù)據(jù)自動(dòng)同步軟件，實(shí)現(xiàn)臺(tái)站參數(shù)和儀器健康狀態(tài)的自動(dòng)同步。測(cè)震儀器數(shù)據(jù)自動(dòng)同步軟件在河北測(cè)震臺(tái)網(wǎng)進(jìn)行應(yīng)用，功能和性能均達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期，對(duì)提高地震臺(tái)站運(yùn)維效率、保障臺(tái)站數(shù)據(jù)質(zhì)量發(fā)揮了積極作用，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

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Design and application of the data-access-middleware for seismometric instruments

Sun Guicheng1），Dong Yibing1），2），Yang Rui1），Zhang Huanxi1）and Liu Li1）
1） Earthquake Administration of Hebei Province，Shijiazhuang 050021，China
2） School of Earth and Space Science of USTC，Hefei 230026，China

In this paper，the TCP/IP stack embedded in digitizers is frstly analyzed，and then the design and implementation of a data-access-middleware is introduced，which provides methods and tools to build communication with the seismometric instruments，and implements tasks such as data receiving，decoding and publishing of all kinds of streams.At last，the middleware is applied in a distributed application software system which is designed to synchronize data with the instruments automatically.It was proved a successful example for the application of the system in the seismometric network of Hebei Province.

seismometric instrument，data stream，middleware，data synchronizing，application software

10.3969/j.issn.1003-3246.2015.05.022

孫貴成（1975—），男，本科，工程師，主要從事地震監(jiān)測(cè)工作。E-mail：sgch0818@163.com

董一兵（1983—），男，博士生，工程師，主要從事區(qū)域測(cè)震臺(tái)網(wǎng)工作。E-mail：yuehun06@163.com

地震科技星火計(jì)劃項(xiàng)目（XH14006Y）、測(cè)震臺(tái)網(wǎng)青年骨干培養(yǎng)專項(xiàng)（20140303）、河北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（13275407D）和河北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（15275402D）聯(lián)合資助

本文收到日期：2015-05-12