地震在線分析會商廣播系統(tǒng)建設

劉堅 李盛樂 劉珠妹

地震在線分析會商廣播系統(tǒng)建設

劉堅 李盛樂 劉珠妹

劉堅，中國地震局地震研究所、減災與遙感應用研究室副主任，工程師，主要研究方向涉及地震大數(shù)據(jù)應用研究、地質(zhì)災害風險評估、地震智能分析會商等。先后承擔科技部重大科技支撐項目《地震分析預測若干實用技術研究》專題之《數(shù)字前兆資料分析處理軟件》、地震行業(yè)專題基金項目《中央和省級地震信息行業(yè)服務系統(tǒng)》、地震科技星火計劃項目《遠程交互式地震會商廣播系統(tǒng)》、中國地震局三結(jié)合《前兆數(shù)據(jù)異常自動檢測報警系統(tǒng)研制》、測震青年骨干項目《基于ICE的測震數(shù)據(jù)庫中間件開發(fā)》、地震專項基金《大數(shù)據(jù)平臺下地震歷史數(shù)據(jù)整理遷移》等多項科研項目；發(fā)表學術論文10余篇。2016年，參與國家“863”《重大工程地質(zhì)災害快速監(jiān)測與評估》課題，運用優(yōu)化隨機森林模型進行地質(zhì)災害滑坡易發(fā)性評價，發(fā)表EI論文1篇。

項目立項背景

監(jiān)測預報工作在防震減災三大體系中處于重要的位置，是防震減災工作的基石，做好監(jiān)測預報工作是防震減災工作的發(fā)展方向；新修訂的《中華人民共和國防震減災法》第十七條規(guī)定：國家加強地震監(jiān)測預報工作，建立多學科地震監(jiān)測系統(tǒng)，逐步提高地震監(jiān)測預報水平。而震情會商是政府對地震監(jiān)測預報、趨勢分析等重要決策的主要依據(jù)來源。

1.制約監(jiān)測預報地震會商的主要因素

目前制約監(jiān)測預報地震會商的因素諸多，其中較為突出的因素有兩個：

（1）前兆數(shù)據(jù)分析方法庫沒有統(tǒng)一開放式標準化，其原因是各分析預報軟件因采用的開發(fā)環(huán)境（比如操作系統(tǒng)linux、Windows）、開發(fā)語言不同，皆將分析算法固化在各自程序內(nèi)，沒有將方法集合庫形成統(tǒng)一開放式標準進行獨立分離，致使精通專業(yè)數(shù)據(jù)分析而不懂程序開發(fā)人員無法有效利用方法庫；精通程序開發(fā)但不熟悉分析預報研究人員亦無法有效豐富分析方法庫，引進最新分析方法成果受阻；從而造成分析預報方法研究與應用嚴重脫節(jié)的局面。

（2）會商形式不靈活導致多方“會商”的困難。當前，傳統(tǒng)的震情會商過程：①會商分析人員綜合測震分析、前兆異常、數(shù)值模擬等技術方法進行數(shù)據(jù)分析，借助MAPSIS、EIS2000等基于GIS（地理信息系統(tǒng)）分析預報軟件，事先做好各種靜態(tài)圖件及PPT；②參加會商分析人員集中指定在同一個地點進行會商；③結(jié)合歷史地震活動、區(qū)域地質(zhì)構造運動特點等背景資料信息給出會商、震后趨勢會商意見。

然而，現(xiàn)有的震情會商系統(tǒng)與會商方式，難以滿足分析預報人員和社會公眾對提高地震預測、分析預報的現(xiàn)實需求，傳統(tǒng)震情會商過程亦明顯存在兩大不足：①當?shù)卣鹞ｋU區(qū)或地震發(fā)生在區(qū)域交界時，各區(qū)域會商分析人員在異地，會商就無法進行；②由于會商材料是事先做好的靜態(tài)圖件及PPT，會商現(xiàn)場無法隨時改變參數(shù)，進行數(shù)據(jù)動態(tài)分析；上述制約監(jiān)測預報地震會商的突出問題實際上是信息化和自動化程度不夠的問題。

2.研發(fā)地震在線分析會商系統(tǒng)的必要性

眾所周知，隨著信息技術的快速發(fā)展，已經(jīng)完成了從技術應用到技術服務的轉(zhuǎn)變，而地震分析預報信息化還停留在單機處理的階段，信息化水平明顯滯后，迫切需要通過提升信息化水平來提高工作效率。因此，開發(fā)一套基于統(tǒng)一開放式標準分析方法庫、數(shù)據(jù)在線分析和信息動態(tài)展示的遠程交互式會商廣播系統(tǒng)可以將分析預報人員從大量煩瑣的數(shù)據(jù)處理中解放出來，將更多的精力用在分析研究上。

前兆數(shù)據(jù)分析預報方法庫統(tǒng)一標準化和會商機制（形式）改革是《國務院關于進一步加強防震減災工作的意見》和《中國地震局關于加強監(jiān)測預報工作的意見》中重點關注的問題，也是“十二五”期間迫切需要解決的難題之一。該項目旨在研究和開發(fā)一套用于輔助地震專家進行地震趨勢分析和會商的網(wǎng)絡綜合信息服務平臺。平臺基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)分析預報方法標準庫，提供靈活的地震數(shù)據(jù)產(chǎn)品在線服務和強大的在線分析工具，是對解決上述難題的探索和嘗試。

項目研究目標

本項目旨在研究和開發(fā)一套用于地震分析會商的綜合信息服務平臺。實現(xiàn)前兆數(shù)據(jù)分析方法庫的統(tǒng)一標準化和會商分析計算以及展示的信息化和自動化，建立緊急震情應對的交互式展示平臺，有效地提高分析會商的質(zhì)量和緊急震情應對的及時性。

項目的具體研究目標為：

1.壓縮前兆數(shù)據(jù)庫目標

建立統(tǒng)一用于分析預報的前兆數(shù)據(jù)源，為使數(shù)據(jù)讀取訪問迅速，數(shù)據(jù)采用壓縮存儲，這樣不僅節(jié)省了數(shù)據(jù)庫的磁盤空間，同時也提高了數(shù)據(jù)存取效率，因壓縮數(shù)據(jù)體積變小，網(wǎng)絡傳輸?shù)臅r間變短，因此，為緊急會商系統(tǒng)快速讀取數(shù)據(jù)，并為在線分析數(shù)據(jù)提供強勁有力數(shù)據(jù)來源贏得時間。

2.開放式會商分析方法庫目標

實現(xiàn)基于ICE中間件的跨平臺、跨語言的開放式分析計算方法庫模塊，該計算模塊不求大而全，先開發(fā)在省級區(qū)域中心使用較好的數(shù)據(jù)分析處理方法，預留開放式標準接口，可以根據(jù)實際需要隨時添加分析計算模塊。

3.在線動態(tài)交互式會商目標

實現(xiàn)基于統(tǒng)一壓縮前兆數(shù)據(jù)庫的會商分析計算和數(shù)據(jù)顯示功能，既可以導入普通PPT，亦可以快速便捷地查詢顯示任意時段的觀測數(shù)據(jù)曲線，同時可以隨時改變參數(shù)，動態(tài)調(diào)用方法庫進行數(shù)據(jù)分析。

4.涉密會商數(shù)據(jù)加密傳輸目標

遠程會商就要考慮會商材料及會商數(shù)據(jù)的涉密問題，因此數(shù)據(jù)材料在網(wǎng)絡傳輸時要考慮加密安全，涉密材料數(shù)據(jù)加密傳輸擬采用數(shù)字簽名原理實現(xiàn)，以保證涉密會商數(shù)據(jù)安全地在網(wǎng)絡中傳輸。

項目設計與實現(xiàn)

針對上述研究目標，具體開展的研究內(nèi)容有4項：

1.統(tǒng)一前兆數(shù)據(jù)庫壓縮存取

目前，前兆數(shù)據(jù)庫分采樣、秒采樣等大數(shù)據(jù)是直接存入數(shù)據(jù)庫的大字段，以ASCII碼存儲，這給數(shù)據(jù)庫帶來數(shù)據(jù)急劇膨脹，且保密性差、傳輸速度慢、存取效率低。采用高壓縮比且高效的LZMA壓縮算法，并自定義壓縮二進制數(shù)據(jù)存儲結(jié)構，把核心壓縮二進制算法封裝成API動態(tài)鏈接庫，通過調(diào)用接口函數(shù)壓縮大數(shù)據(jù)，再保存至數(shù)據(jù)庫Blob字段；用數(shù)據(jù)時，再將保存在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)解壓縮進行還原。

2.標準化會商分析方法計算庫

通過數(shù)據(jù)庫的功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)整點值、日均值、五日均值、月均值、年均值的顯示，方便分析預報人員進行篩選和分析。對于預報效能較好的處理方法如：差分、擬合、回歸、相關分析、理論固體潮計算、去趨勢及濾波等，編制不同的計算模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的加工處理。該部分作為ICE中間件跨平臺、跨語言開放式的模塊化管理，可以根據(jù)需要以及分析預報的最新研究結(jié)果不斷增加計算模塊。

3.遠程在線交互會商演示

會商廣播系統(tǒng)將實現(xiàn)會商資料的在線演示，實現(xiàn)前兆數(shù)據(jù)曲線的動態(tài)演化，能同時快速調(diào)用不同時間尺度、不同采樣率的數(shù)據(jù)用于會商中，改變以往會商匯報采用PPT 固態(tài)演示模式，便于現(xiàn)場選擇異常臺站異常測項演示、討論、會商，提高會商效能。

遠程交互式會商廣播系統(tǒng)的整體架構分為3個層次，如圖1所示，分別是：

（1）數(shù)據(jù)層：存儲、管理會商的所有相關數(shù)據(jù)，包括統(tǒng)一會商前兆、測震數(shù)據(jù)庫、電子地圖信息數(shù)據(jù)庫、會商背景知識庫、基礎數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)，為應用提供信息服務數(shù)據(jù)支撐；

（2）服務層：連接數(shù)據(jù)層和應用層的核心層，包括三大功能模塊: ①協(xié)同管理功能模塊: 具有會議控制、發(fā)言管理、用戶管理等功能; ②數(shù)據(jù)分析與處理功能模塊: 主要有異常計算、數(shù)據(jù)分析方法庫、定制內(nèi)容頁等功能; ③數(shù)據(jù)共享服務模塊: 包括信息自動發(fā)布、信息查詢、對外服務開發(fā)接口等功能。

（3）應用層：實現(xiàn)創(chuàng)建會議、用戶認證、會商資料網(wǎng)絡推送、將普通PPT導入會商系統(tǒng)，可以按矩形、圓形區(qū)域、測項查看數(shù)據(jù)曲線；亦可在線進行數(shù)據(jù)動態(tài)分析；分析操作可以將實時消息廣播至其他會商節(jié)點計算機，實時操作亦能接收其他會商節(jié)點的廣播消息。

圖1 系統(tǒng)總體框架示意圖

4.涉密會商數(shù)據(jù)加密傳輸

涉密材料數(shù)據(jù)加密傳輸是通過數(shù)字簽名原理實現(xiàn)，這里首先就要涉及“數(shù)字信封”的概念?！皵?shù)字信封”基本原理是將原文用對稱密鑰加密傳輸，而將對稱密鑰用收方公鑰加密發(fā)送給對方。收方收到數(shù)字信封，用自己的私鑰解密信封，取出對稱密鑰解密得原文。未經(jīng)認證和授權的人，看不見原數(shù)據(jù)，起到了在數(shù)字簽名傳輸中對敏感數(shù)據(jù)的保密作用。

項目實施成果

按會商場景進行描述，會商會議開始時，通過遠程交互式會商廣播系統(tǒng)創(chuàng)建會商環(huán)境，異地參會人員如圖2所示，登錄系統(tǒng)會商環(huán)境。啟動會商廣播系統(tǒng)后，選擇會商會議進行廣播或接收PPT報告，便會出現(xiàn)如圖3所示的界面，上半部分為廣播窗口，下半部分為收聽窗口，廣播窗口中可以通過點擊左邊導航條的頁面縮略圖，定位顯示該內(nèi)容頁；亦可隨時改變參數(shù)，如圖4所示，通過相關測項選擇、矩形區(qū)域選擇、圓形區(qū)域選擇，瀏覽所關心的分量觀測數(shù)據(jù)曲線，如圖5所示，可以瀏覽選擇分量一天、兩天、一周、一個月的數(shù)據(jù)曲線，亦可以根據(jù)需要，選擇任意起止時間段的分量數(shù)據(jù)觀測曲線。以達到預期的動態(tài)分析會商效果。

圖2 系統(tǒng)登錄界面

圖3 系統(tǒng)廣播與接收功能界面

圖4 按不同方式查詢界面

圖5 廣播會商現(xiàn)場查詢的觀測曲線

項目產(chǎn)生的社會效益

1.系統(tǒng)推廣與應用

該系統(tǒng)在地震系統(tǒng)內(nèi)部分省局（河北地震局、新疆地震局、安徽地震局、湖北地震局、寧夏地震局等）試點單位進行初步應用，得到用戶的好評。

2.系統(tǒng)培訓與升級

2014年9月中旬，筆者先后在云南地震局、大理州地震局為地震分析預報人員進行系統(tǒng)培訓。

在系統(tǒng)使用的過程中，用戶反饋回來很多比較中肯的建議與意見，這給系統(tǒng)的進一步升級完善起到了至關重要的作用，也為該系統(tǒng)的進一步推廣應用打下了堅實的基礎。