地震前兆臺網(wǎng)數(shù)據(jù)跟蹤分析平臺設(shè)計

劉高川　李正媛　王建國　鄒鐘毅　葉　青

1　中國地震臺網(wǎng)中心，北京市三里河南橫街5號，100045 2　中國地震局地球物理研究所，北京市民族大學(xué)南路5號 ，100081 3　天津市地震局，天津市友誼路19號，300201 4　煙臺市地震監(jiān)測中心臺，煙臺市南山溝17號，264000

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地震前兆臺網(wǎng)數(shù)據(jù)跟蹤分析平臺設(shè)計

劉高川1,2李正媛1王建國3鄒鐘毅4葉青1

1中國地震臺網(wǎng)中心，北京市三里河南橫街5號，100045 2中國地震局地球物理研究所，北京市民族大學(xué)南路5號 ，100081 3天津市地震局，天津市友誼路19號，300201 4煙臺市地震監(jiān)測中心臺，煙臺市南山溝17號，264000

對地震前兆臺網(wǎng)數(shù)據(jù)跟蹤分析平臺的構(gòu)架設(shè)計、事件數(shù)據(jù)庫設(shè)計和一些關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計與實現(xiàn)進(jìn)行分析和闡述。該平臺現(xiàn)已在全國地震前兆臺網(wǎng)大范圍部署，具有使用方便、功能齊全、擴(kuò)展性好的優(yōu)點(diǎn)，每日產(chǎn)出大量的事件分析記錄和專題報告，可供地震分析預(yù)報會商與臺網(wǎng)運(yùn)維管理使用。

地震前兆；數(shù)據(jù)跟蹤；事件記錄；自動產(chǎn)出；分析平臺

新研發(fā)的地震前兆臺網(wǎng)數(shù)據(jù)跟蹤分析平臺(以下簡稱數(shù)據(jù)跟蹤分析平臺)實現(xiàn)了事件分析提取與錄入、產(chǎn)品自動產(chǎn)出等功能[1-3]。本文對該軟件的設(shè)計思路、事件數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述。

1　數(shù)據(jù)跟蹤分析工作基本內(nèi)容

1.1工作基本流程

地震前兆臺網(wǎng)數(shù)據(jù)跟蹤分析工作流程如圖1所示，是以地震前兆臺站(以下簡稱臺站)工作為基礎(chǔ)，由臺站人員利用數(shù)據(jù)跟蹤分析平臺，定期對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析、落實，形成事件分析記錄，保存到事件庫中。事件分析記錄匯集遵守現(xiàn)有地震前兆臺網(wǎng)的數(shù)據(jù)流程，分別同步到區(qū)域地震前兆臺網(wǎng)中心、國家地震前兆臺網(wǎng)中心和學(xué)科臺網(wǎng)中心(以下分別簡稱為區(qū)域中心、國家中心和學(xué)科中心)。區(qū)域中心、學(xué)科中心利用數(shù)據(jù)跟蹤分析平臺分別對臺站上報的事件記錄進(jìn)行質(zhì)量審核，并定期產(chǎn)出本臺網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)跟蹤分析月報告和年報告。審核結(jié)果將匯集到國家中心數(shù)據(jù)庫，并將信息及時反饋給相應(yīng)臺站。

圖1　前兆臺網(wǎng)數(shù)據(jù)跟蹤分析工作流程Fig.1　Data tracking and analysis process of the precursor network

1.2事件分析記錄基本內(nèi)容

根據(jù)事件包含的信息內(nèi)容，將事件分為6類：觀測系統(tǒng)故障事件、場地環(huán)境干擾事件、自然環(huán)境干擾事件、人為干擾事件、地球物理事件和不明原因事件。另外作為一種特殊事件，正常動態(tài)事件也單獨(dú)歸為一類。根據(jù)各類型事件包含的信息，進(jìn)一步將事件類型細(xì)分為各種具體影響因素(也可稱為事件，以便與事件類型進(jìn)行區(qū)分)，如自然環(huán)境干擾事件有降雨、氣壓影響等。由于各學(xué)科測項所觀測的物理量和觀測原理各不相同，引起各學(xué)科數(shù)據(jù)變化的具體影響因素也不相同，因此，根據(jù)不同學(xué)科的特點(diǎn)，按照學(xué)科、事件類型和影響因素分別進(jìn)行歸類。

事件分析記錄的內(nèi)容包括3個基本要素：具體儀器和測項分量(事件發(fā)生地點(diǎn))、事件的起始時間(事件發(fā)生時間)、事件類型和影響因素(具體事件)。由于目前所觀測到的很多事件缺乏定量化分析或智能化判斷，需要大量臺站人員人工參與分析、實地調(diào)查，最后才可能作出判斷，因此，對事件分析的過程和依據(jù)也是事件分析記錄的重要內(nèi)容。除此以外，事件分析記錄還包括事件的數(shù)據(jù)變化形態(tài)、數(shù)據(jù)變化幅度、數(shù)據(jù)曲線及標(biāo)注、分析人員、錄入人員和數(shù)據(jù)類型等信息。通過事件分析記錄中記載的信息，也能查看分析使用的數(shù)據(jù)。

2　數(shù)據(jù)跟蹤分析平臺設(shè)計

2.1總體設(shè)計

根據(jù)地震前兆臺網(wǎng)數(shù)據(jù)跟蹤分析工作的基本流程及工作內(nèi)容等需求，將數(shù)據(jù)跟蹤分析平臺設(shè)計為事件分析與產(chǎn)品產(chǎn)出兩個子平臺(圖2)。同時，設(shè)計新的地震前兆事件數(shù)據(jù)庫，用于保存事件分析記錄。數(shù)據(jù)跟蹤分析平臺基于地震前兆數(shù)據(jù)庫和地震前兆事件數(shù)據(jù)庫運(yùn)行。

圖2　前兆臺網(wǎng)數(shù)據(jù)跟蹤分析平臺總體架構(gòu)示意圖Fig.2　Schematic diagram of the overall structure of the data tracking and analysis platform of the precursor network

事件分析子平臺主要完成數(shù)據(jù)檢查分析、事件分析記錄添加與修改、事件分析記錄審核及基礎(chǔ)信息維護(hù)等功能。產(chǎn)品產(chǎn)出子平臺主要是針對數(shù)據(jù)庫中的事件分析記錄，按照需求完成查詢統(tǒng)計、專題報表、專題報告和專題圖件自動產(chǎn)出等功能。這種松耦合的模塊設(shè)計有利于程序的功能擴(kuò)展和開發(fā)。

地震前兆數(shù)據(jù)庫和事件數(shù)據(jù)庫部署在同一臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上。事件分析子平臺主要是從地震前兆數(shù)據(jù)庫中讀取觀測數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和相關(guān)輔助信息，不進(jìn)行任何DML操作，但對前兆事件數(shù)據(jù)庫進(jìn)行DML操作。產(chǎn)品產(chǎn)出子平臺則僅對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行讀取操作。

數(shù)據(jù)跟蹤分析工作過程中需要讀取長時間序列的觀測數(shù)據(jù)及相關(guān)輔助信息，并進(jìn)行大量的人機(jī)圖形化交互操作。因此，數(shù)據(jù)跟蹤分析平臺總體采用C/S架構(gòu)設(shè)計，使用C#編程語言開發(fā)實現(xiàn)。事件分析記錄審核結(jié)果發(fā)布作為事件分析子平臺的一項功能，采用B/S架構(gòu)設(shè)計，Java語言實現(xiàn)，以網(wǎng)頁形式集成到數(shù)據(jù)跟蹤分析平臺中。根據(jù)工作需要，數(shù)據(jù)跟蹤分析平臺將在全國地震前兆臺網(wǎng)的相關(guān)工作計算機(jī)上部署。

2.2功能設(shè)計

按照數(shù)據(jù)跟蹤分析工作的整體需求及總體設(shè)計，數(shù)據(jù)跟蹤分析平臺包括7個功能模塊(圖3)。

1)數(shù)據(jù)檢查。利用時序圖和算法模型，結(jié)合輔助日志信息(包括觀測日志、儀器運(yùn)行日志、工作日志等)及相關(guān)異常落實等工作，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，包括人工識別和算法自動識別、提取事件、填寫相關(guān)信息并保存入庫。該模塊包括檢查和繪圖兩個核心功能。算法模型包括通用算法模型(所有學(xué)科都適用，如標(biāo)準(zhǔn)差、一階差分、移動平均、周期分析等)和專業(yè)算法模型(僅限于某個學(xué)科適用，如差值、突變判定等)。繪圖功能包括時序曲線繪制、輔助曲線繪制和圖件標(biāo)注。時序曲線繪制即根據(jù)所選數(shù)據(jù)繪制時序曲線。輔助曲線根據(jù)數(shù)據(jù)屬性和特點(diǎn)，通過算法模型對所選數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理之后繪制。為確保圖件信息的完整性，圖件要素包括時序曲線、臺站名稱、測點(diǎn)編碼、儀器名稱、測項分量名稱、數(shù)據(jù)類型、物理量、均值線、控制線、主網(wǎng)格線、次網(wǎng)格線和標(biāo)量等。

圖3　前兆臺網(wǎng)數(shù)據(jù)跟蹤分析平臺功能示意圖Fig.3　The function of the data tracking and analysis platform of the precursor network

2)修改/審核。包括事件分析記錄查詢、修改以及區(qū)域中心和學(xué)科中心對臺站上報事件分析記錄的審核功能。事件分析記錄的修改必須由錄入賬戶在錄入節(jié)點(diǎn)進(jìn)行，以確保各級節(jié)點(diǎn)信息的一致性。事件分析記錄審核內(nèi)容包括事件時間、事件分類、數(shù)據(jù)分析描述和圖件繪制的準(zhǔn)確性。

3)審核結(jié)果。用于查看區(qū)域中心和學(xué)科中心對事件分析記錄的審核結(jié)果。由于區(qū)域中心和學(xué)科中心的審核結(jié)果分別保存在各自節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)庫中，因此本功能模塊采用B/S架構(gòu)，確保各級節(jié)點(diǎn)都能及時查看審核結(jié)果。

4)進(jìn)程顯示。根據(jù)所查詢時間段，以圖形方式顯示各類事件的時間進(jìn)程。

5)產(chǎn)品產(chǎn)出。包括查詢、統(tǒng)計、專題報表、專題報告和專題空間分布圖產(chǎn)出功能，實現(xiàn)自動產(chǎn)出，同時相關(guān)查詢信息可導(dǎo)出，形成Excel報表和Word報告。

6)參數(shù)設(shè)置。包括參數(shù)配置、用戶信息設(shè)置功能。參數(shù)配置可確保軟件正確鏈接到數(shù)據(jù)庫所需信息。用戶配置包括用戶信息注冊和權(quán)限配置。為確保對用戶進(jìn)行有序管理，根據(jù)工作需要，將用戶劃分為臺站、區(qū)域中心、學(xué)科中心、國家中心、審核等角色，并分配給具體的儀器。注冊用戶僅限在注冊節(jié)點(diǎn)登陸。

7)自動更新。包括程序維護(hù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)自動維護(hù)兩個功能，自動更新升級部署到全國臺網(wǎng)的數(shù)據(jù)跟蹤分析平臺和各級節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3　事件數(shù)據(jù)庫設(shè)計

事件分析記錄是數(shù)據(jù)跟蹤分析工作的一項重要成果，利用數(shù)據(jù)庫保存事件分析記錄及相關(guān)數(shù)據(jù)，有利于信息的查詢和數(shù)據(jù)共享。事件數(shù)據(jù)庫存儲的內(nèi)容主要包括事件分析記錄、審核信息、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和用戶信息。

為確保與地震前兆數(shù)據(jù)庫的繼承性和基本一致性，參照《地震前兆數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)臺站觀測》的擴(kuò)展要求進(jìn)行設(shè)計。在設(shè)計事件數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)時，兼顧考慮現(xiàn)有前兆數(shù)據(jù)庫已有存儲信息，盡量避免數(shù)據(jù)冗余。同時也考慮現(xiàn)有數(shù)據(jù)交換接口的安全性和效率，確保與現(xiàn)有業(yè)務(wù)運(yùn)行系統(tǒng)兼容。

根據(jù)事件分析記錄所包含的信息內(nèi)容，綜合考慮信息完整性、數(shù)據(jù)冗余、數(shù)據(jù)插入和查詢速度、維護(hù)方便性以及應(yīng)用開發(fā)效率，設(shè)計事件分析記錄表和附屬測項分量信息表兩張核心數(shù)據(jù)表，用于存儲所有事件分析記錄的完整信息。事件分析記錄表結(jié)構(gòu)見表1。

表1　 事件分析記錄表結(jié)構(gòu)

地震前兆事件數(shù)據(jù)庫基于Oracle數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計，在現(xiàn)有地震前兆數(shù)據(jù)庫PDBQZ、方案名QZDATA下建立，部署到全國前兆臺網(wǎng)各級信息節(jié)點(diǎn)。在前兆事件數(shù)據(jù)庫中，建立包括事件分析記錄表、附屬測項分量信息表、審核信息表、事件類型表、影響因素表、用戶信息表、用戶權(quán)限信息表和分析清單表等11張數(shù)據(jù)表，表名以QZ_ABNORMITY_XX命名，以區(qū)別現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫表名。各表采用UUID作為物理主鍵。

由于前兆數(shù)據(jù)同步僅能實現(xiàn)表級的數(shù)據(jù)交換，因此在國家中心進(jìn)行數(shù)據(jù)分發(fā)時，表中數(shù)據(jù)會全部同步到各學(xué)科中心數(shù)據(jù)庫，且這種數(shù)據(jù)冗余成本在現(xiàn)有存儲條件下是可接受的。

4　關(guān)鍵技術(shù)方案設(shè)計與實現(xiàn)

軟件在設(shè)計和研制過程中面臨多項技術(shù)難關(guān)要克服。在此，選擇參數(shù)配置加密處理、產(chǎn)品自動產(chǎn)出、審核結(jié)果匯集和軟件在線自動升級4項關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述。

4.1參數(shù)配置加密處理

數(shù)據(jù)跟蹤分析平臺作為客戶端，存在多個客戶端鏈接一個數(shù)據(jù)庫或者一個客戶端鏈接多個數(shù)據(jù)庫的情況。在日常工作時，需從數(shù)據(jù)庫中讀取相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并將事件分析記錄或?qū)徍诵畔浫霐?shù)據(jù)庫并作修改，因此，各客戶端需要保存相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫讀寫賬戶信息，而采用明碼配置會對數(shù)據(jù)庫造成重大隱患。為此，將數(shù)據(jù)庫IP地址、數(shù)據(jù)庫賬號和密碼進(jìn)行加密處理，以XML配置文件保存。在軟件安裝配置數(shù)據(jù)庫信息時，由數(shù)據(jù)庫管理員或者區(qū)域中心人員將生成的加密XML文件拷貝到客戶端所在安裝目錄即可，有效避免了多人同時掌握權(quán)限較高的數(shù)據(jù)庫用戶名和密碼。在軟件啟動時，則自動讀取XML信息并解碼。

4.2產(chǎn)品自動產(chǎn)出

根據(jù)臺站錄入的事件分析記錄，按照用戶設(shè)定的參數(shù)，自動進(jìn)行統(tǒng)計分析，形成專題報告(圖集)和專題報表。用戶能夠從中查看到有關(guān)事件類型和事件影響因素的統(tǒng)計信息及各種事件分析記錄圖集。根據(jù)專題需要，設(shè)計多種專題報表模板和專題報告模板，利用C#編程接口類microsoft.office.interop.excel和microsoft.office.interop.word，實現(xiàn)報表、報告的自動產(chǎn)出。用戶只需簡單設(shè)置基本的查詢參數(shù)，即可快速自動產(chǎn)出各種Word報告和Excel報表，簡化報告編寫工作，同時確保各類統(tǒng)計信息的準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)跟蹤分析平臺已實現(xiàn)的主要產(chǎn)品見表2。

此外，基于GMT接口設(shè)計，實現(xiàn)了特定時間范圍、區(qū)域臺網(wǎng)、學(xué)科臺網(wǎng)或全國臺網(wǎng)的各種事件類型臺站空間分布圖。用戶可利用空間分布圖，對事件信息進(jìn)行分析研究。

表2　前兆臺網(wǎng)數(shù)據(jù)跟蹤分析平臺提供的產(chǎn)品信息

4.3審核結(jié)果匯集

地震前兆臺網(wǎng)數(shù)據(jù)流是單向逐級匯集。因此，區(qū)域中心審核結(jié)果通過數(shù)據(jù)交換，逐級匯集到國家中心和學(xué)科中心，而學(xué)科中心的審核結(jié)果則分散保存在各學(xué)科中心的數(shù)據(jù)庫中。由于本軟件基于C/S架構(gòu)設(shè)計，為確保各級節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫安全，客戶端一次限訪問單個目標(biāo)數(shù)據(jù)庫，且一般不允許臺站人員訪問區(qū)域中心和學(xué)科中心的數(shù)據(jù)庫。這種模式導(dǎo)致臺站或其他節(jié)點(diǎn)用戶要及時查詢到審核結(jié)果信息極其困難。

設(shè)C審核信息為全臺網(wǎng)審核結(jié)果全集，C區(qū)域中心為區(qū)域中心的審核結(jié)果全集，C重力、C地磁、C形變、C地電、C地下流體分別為重力、地磁、形變、地電、地下流體臺網(wǎng)中心審核結(jié)果集，則C審核信息可表示為：

C審核信息=

C區(qū)域中心+C重力+C形變+C地磁+C地電+C地下流體

為使用戶能從C審核信息查詢到所需的審核結(jié)果信息，基于Oracle數(shù)據(jù)庫快照復(fù)制技術(shù)，在國家中心數(shù)據(jù)庫中分別建立對應(yīng)各學(xué)科中心審核結(jié)果的實體物化視圖[4]，每10 min完成一次快照，將學(xué)科最新的審核結(jié)果同步到國家中心，然后建立區(qū)域中心審核結(jié)果與學(xué)科中心審核結(jié)果合并集視圖，即C審核信息(圖4)。

圖4　審核結(jié)果信息匯集流程示意圖Fig.4　Data collection process of audit results

為確保國家中心數(shù)據(jù)庫的安全和性能，開發(fā)了一套基于B/S架構(gòu)的審核結(jié)果查詢交互系統(tǒng)，并集成到數(shù)據(jù)跟蹤分析軟件中，用戶通過頁面和權(quán)限控制可以查詢到所需的審核結(jié)果。

4.4在線自動升級

基于C/S架構(gòu)開發(fā)的數(shù)據(jù)跟蹤分析平臺分別部署到全國前兆臺網(wǎng)相關(guān)工作人員的計算機(jī)上，一個單位可能部署有多套數(shù)據(jù)跟蹤分析平臺且同時鏈接一個數(shù)據(jù)庫，因此，軟件維護(hù)工作量和成本比B/S架構(gòu)軟件要大。另外，前兆臺網(wǎng)數(shù)據(jù)流是單向的，不能利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)交換完成全國數(shù)據(jù)跟蹤分析基礎(chǔ)信息的同步。為確保全國臺網(wǎng)使用的程序版本和基礎(chǔ)信息一致，在國家中心設(shè)計部署一臺程序發(fā)布服務(wù)器，用于全國程序與基礎(chǔ)信息的發(fā)布與自動更新。在線自動升級模塊的基本流程見圖5。當(dāng)啟動跟蹤分析平臺程序時，首先啟動自動升級模塊程序，自動與程序發(fā)布服務(wù)器端建立鏈接，判斷當(dāng)前使用的軟件版本是否為最新，并從服務(wù)器端下載最新的軟件升級包，自動完成升級。

程序升級內(nèi)容包括：1)軟件程序本身升級，包括編譯的程序、DLL文件、配置文件等；2)數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)信息升級，包括分析儀器目錄清單、事件基本類型、事件影響因素、儀器基礎(chǔ)信息等。要求上述基礎(chǔ)信息在全國前兆臺網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫中同步，確保各級節(jié)點(diǎn)基礎(chǔ)信息的一致性、更新的及時性。為此，在數(shù)據(jù)庫中建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)版本控制信息表，用于保存當(dāng)前數(shù)據(jù)庫中基礎(chǔ)信息表的版本號。另外，版本信息和所需更新數(shù)據(jù)以XML文本保存。

圖5　在線自動升級流程圖Fig.5　Online automatic upgrade process

5　結(jié)　語

地震前兆事件數(shù)據(jù)庫的建立，進(jìn)一步完善了地震前兆數(shù)據(jù)庫存儲信息，將臺站一線人員對數(shù)據(jù)的分析認(rèn)識成果逐條、有序、結(jié)構(gòu)化地保存下來，為后期數(shù)據(jù)的利用提供了很好的平臺。隨著工作的開展，反映前兆臺網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)變化信息的事件分析記錄不斷匯集，如何利用這些保存在數(shù)據(jù)庫中的事件分析記錄，是下一步急需開展的工作。

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Foundation support:Earthquake Monitoring and Forecasting Annual Routine Project(Special) of CEA, 2016; Annual Routine Project (Key Tasks) of CEA,2015;The Spark Program of Eeathquake Technology of CEA,No.XH15003.

About the first author:LIU Gaochuan, engineer, PhD candidate, majors in earthquake precursory observation technology, Email:chnlgc@126.com.

The Design of the Tracking and Analysis Platform for Earthquake Precursor Observation Data

LIUGaochuan1,2LIZhengyuan1WANGJianguo3ZOUZhongyi4YEQing1

1China Earthquake Network Center,5 Nanheng Street,Sanlihe,Beijing 100045,China 2Institute of Geophysics,CEA,5 South-Minzudaxue Road,Beijing 100081,China 3Earthquake Administration of Tianjin Municipality,19 Youyi Road,Tianjin 300201,China 4Earthquake Monitoring Center Station of Yantai,17 Nanshangou,Yantai 264000, China

This paper describes and analyzes the design and implementation of the events database platform for the tracking and analysis of earthquake precursors. At present, the platform has been deployed in a wide range of national earthquake precursor networks. Its advantages are its easy-to-use complete functions, and the ease with which functions are extended.Large numbers of event analysis records and special reports are generated by the platform, providing for the earthquake analysis forecast consultation and network maintenance management.

earthquake precursor;data tracking;event record; automatic output; analysis platform

LI Zhengyuan, researcher, majors in earthquake and crustal deformation, E-mail:zhyli05@126.com.

2016-01-26

劉高川，工程師，博士生，主要從事地震前兆觀測技術(shù)研究，E-mail:chnlgc@126.com。

李正媛，研究員，主要從事地殼形變與地震研究，E-mail:zhyli05@126.com。

10.14075/j.jgg.2016.09.020

1671-5942(2016)09-0841-06

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項目來源：中國地震局2016年度監(jiān)測預(yù)報經(jīng)常性項目(專項)(16A32ZX144);中國地震局2015年度常規(guī)性項目(重點(diǎn)任務(wù))；中國地震局地震科技星火計劃(XH15003)。