基于移動(dòng)平臺(tái)的測(cè)震應(yīng)急流動(dòng)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1

戴 波 張 揚(yáng) 居海華 盧 永 徐 戈

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基于移動(dòng)平臺(tái)的測(cè)震應(yīng)急流動(dòng)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1

戴 波 張 揚(yáng) 居海華 盧 永 徐 戈

（江蘇省地震局，南京 210014）

流動(dòng)測(cè)震觀測(cè)是在大地震發(fā)生以后開(kāi)展的一項(xiàng)重要的地震應(yīng)急響應(yīng)工作，能夠獲得震區(qū)高質(zhì)量的地震數(shù)據(jù)，而野外環(huán)境的復(fù)雜性對(duì)測(cè)震應(yīng)急流動(dòng)臺(tái)的架設(shè)提出了較高的要求。本文通過(guò)對(duì)地震應(yīng)急流動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)工作進(jìn)行需求分析，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于IOS系統(tǒng)的測(cè)震應(yīng)急流動(dòng)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠讓現(xiàn)場(chǎng)工作隊(duì)員快速獲取流動(dòng)臺(tái)數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，有利于流動(dòng)臺(tái)的快速架設(shè)，提高了應(yīng)急流動(dòng)觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)工作的效能。

測(cè)震應(yīng)急 流動(dòng)臺(tái) IOS

引言

大地震發(fā)生后，及時(shí)開(kāi)展流動(dòng)測(cè)震觀測(cè)，提高震區(qū)地震監(jiān)測(cè)能力，是產(chǎn)出高質(zhì)量地震序列目錄的前提條件，是為監(jiān)視、判斷震情、搶險(xiǎn)救災(zāi)以及科學(xué)研究提供可靠數(shù)據(jù)信息的有效手段。我國(guó)的地震應(yīng)急流動(dòng)觀測(cè)從20世紀(jì)60年代至今，共經(jīng)歷了非傳輸型模擬流動(dòng)臺(tái)站觀測(cè)模式、傳輸型模擬應(yīng)急流動(dòng)臺(tái)網(wǎng)、數(shù)字化地震應(yīng)急流動(dòng)臺(tái)網(wǎng)和虛擬動(dòng)態(tài)數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)4個(gè)階段，設(shè)備技術(shù)指標(biāo)、集成度、信號(hào)傳輸方式等各方面都經(jīng)歷了不斷的發(fā)展（姜旭東等，2009）。目前，應(yīng)急流動(dòng)臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)控主要通過(guò)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心JOPENS系統(tǒng)流服務(wù)軟件SSS和地震設(shè)備廠(chǎng)家提供的監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)（吳永權(quán)等，2013）。在架設(shè)測(cè)震應(yīng)急流動(dòng)臺(tái)設(shè)備的過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)工作隊(duì)員通常使用安裝有監(jiān)控軟件的筆記本電腦對(duì)儀器參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，記錄到的地震數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸回流動(dòng)臺(tái)網(wǎng)中心的流服務(wù)器中。另外，在流動(dòng)臺(tái)觀測(cè)過(guò)程中，觀測(cè)點(diǎn)工作人員還需要定期巡查。在進(jìn)行這些工作時(shí)，流動(dòng)臺(tái)站設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控成為至關(guān)重要的一環(huán)。研發(fā)一款可靠、穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單的手持終端監(jiān)控軟件，用于幫助現(xiàn)場(chǎng)工作隊(duì)和觀測(cè)點(diǎn)工作人員進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)測(cè)和儀器控制則十分必要（戴波等，2016）。

目前，智能手機(jī)適合進(jìn)行圖形化狀態(tài)顯示和基本控制處理，并支持2G、3G和Wi-Fi通信，它通常有足夠的存儲(chǔ)空間和計(jì)算能力，并且提供了靈活的編程環(huán)境，是理想的存儲(chǔ)和處理傳感器數(shù)據(jù)的便攜終端。相對(duì)于Android平臺(tái)，IOS平臺(tái)使用Xcode開(kāi)發(fā)環(huán)境和Objective-C語(yǔ)言，該開(kāi)發(fā)環(huán)境具有運(yùn)行速度快、功能強(qiáng)大且安全性高等特點(diǎn)。在用戶(hù)體驗(yàn)設(shè)計(jì)方面，IOS開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行的視覺(jué)設(shè)計(jì)更為便捷。在網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)方面，IOS提供了一整套工具和API幫助開(kāi)發(fā)者實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能（黃鎮(zhèn)彩等，2012）。本文以港震公司通用地震數(shù)據(jù)采集服務(wù)器（下文簡(jiǎn)稱(chēng)地震數(shù)采）為例，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于IOS平臺(tái)的測(cè)震應(yīng)急流動(dòng)觀測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)地震數(shù)據(jù)獲取和圖形化顯示，以及與地震數(shù)采之間的訪(fǎng)問(wèn)控制（網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議的解析）。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

測(cè)震應(yīng)急流動(dòng)臺(tái)包括觀測(cè)儀器、數(shù)據(jù)傳輸和供電設(shè)備等。本系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。地震數(shù)采和智能移動(dòng)終端（IOS設(shè)備）分別通過(guò)有線(xiàn)連接（網(wǎng)線(xiàn)）和無(wú)線(xiàn)連接（Wi-Fi）與協(xié)議轉(zhuǎn)換器（4G無(wú)線(xiàn)路由器）交換數(shù)據(jù)，在地震應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)建立可管理設(shè)備的局域網(wǎng)，在局域網(wǎng)環(huán)境內(nèi)移動(dòng)終端作為客戶(hù)端直接與地震數(shù)采（服務(wù)器端）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。協(xié)議轉(zhuǎn)換器采用虛擬網(wǎng)絡(luò)（VPN）技術(shù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊方式（CDMA/GPRS）與流動(dòng)監(jiān)控中心進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊（董一兵等，2015）。

本文涉及的地震數(shù)據(jù)采集器型號(hào)為港震公司生產(chǎn)的EDAS-24GN，該設(shè)備服務(wù)器的通信方式基于傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP）。

2 系統(tǒng)功能模塊

基于移動(dòng)平臺(tái)的測(cè)震應(yīng)急流動(dòng)臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)從流動(dòng)臺(tái)架設(shè)、巡查出發(fā)，并結(jié)合了移動(dòng)平臺(tái)的特點(diǎn)。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)包括用戶(hù)登錄、數(shù)據(jù)獲取、波形繪制、狀態(tài)監(jiān)視、參數(shù)設(shè)置5大功能模塊，如圖2所示。各個(gè)模塊互相配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)震應(yīng)急流動(dòng)臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)測(cè)和儀器的控制。

圖1 測(cè)震應(yīng)急流動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)框圖

圖2 系統(tǒng)功能模塊

（1）用戶(hù)登錄模塊：用戶(hù)需要輸入用戶(hù)名和密碼，通過(guò)驗(yàn)證后才能使用系統(tǒng)其它功能。

（2）數(shù)據(jù)獲取模塊：獲取有效的地震數(shù)據(jù)。

（3）波形繪制模塊：實(shí)現(xiàn)地震數(shù)據(jù)波形的繪制，用戶(hù)可以對(duì)圖形進(jìn)行縮放和拉伸。

（4）狀態(tài)監(jiān)視模塊：遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，包括系統(tǒng)時(shí)鐘、GPS經(jīng)緯度和海拔高度、采集器溫度等。

（5）參數(shù)設(shè)置模塊：主要包括網(wǎng)絡(luò)參數(shù)（地址、掩碼、網(wǎng)關(guān)）、臺(tái)站參數(shù)（臺(tái)號(hào)、臺(tái)站名稱(chēng)、臺(tái)站縮寫(xiě)、臺(tái)網(wǎng)標(biāo)志）、地震計(jì)參數(shù)（采樣率、量程、系統(tǒng)時(shí)間）等常用設(shè)置。

3 IOS客戶(hù)端

測(cè)震應(yīng)急流動(dòng)臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)的登陸頁(yè)面如圖3所示，登陸頁(yè)面可供用戶(hù)輸入地震數(shù)采IP地址、端口號(hào)、訪(fǎng)問(wèn)用戶(hù)名及密碼。系統(tǒng)利用正則表達(dá)式對(duì)用戶(hù)輸入內(nèi)容進(jìn)行邏輯過(guò)濾，保證輸入內(nèi)容的規(guī)范性。在輸入信息后，用戶(hù)可選擇將信息添加至列表，或者對(duì)列表中已有信息進(jìn)行修改及刪除。同時(shí)，登陸頁(yè)面具有日志傳輸功能，方便記錄監(jiān)控系統(tǒng)與地震數(shù)采的交互信息，便于開(kāi)發(fā)和調(diào)試人員監(jiān)視交互事件，檢查錯(cuò)誤發(fā)生原因。

圖3 系統(tǒng)登陸頁(yè)面

用戶(hù)點(diǎn)擊登陸頁(yè)面的連接按鈕后，便可進(jìn)入系統(tǒng)主界面，如圖4所示。主頁(yè)面主要顯示的信息包括觀測(cè)點(diǎn)信息、數(shù)采和地震計(jì)信息、經(jīng)緯度和時(shí)間。地震數(shù)采會(huì)將實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)后繪制成波形圖，方便用戶(hù)直觀地監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量。主界面設(shè)計(jì)充分考慮了用戶(hù)的使用習(xí)慣和使用場(chǎng)景，遵循簡(jiǎn)單、實(shí)用的原則。

圖4 系統(tǒng)主界面

在圖4所示的主界面中，用戶(hù)可通過(guò)點(diǎn)擊右上角的設(shè)置圖標(biāo)切換至狀態(tài)界面，狀態(tài)界面如圖5所示。左側(cè)列表顯示用戶(hù)可進(jìn)行的查詢(xún)操作，當(dāng)用戶(hù)點(diǎn)擊左側(cè)列表中的某一參數(shù)，如臺(tái)站參數(shù)，監(jiān)控系統(tǒng)向地震數(shù)采發(fā)送查詢(xún)指令，地震數(shù)采接收指令后將查詢(xún)結(jié)果返回至監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)查詢(xún)結(jié)果進(jìn)行解析，并將解析結(jié)果顯示于列表右側(cè)。此外，系統(tǒng)提供一種快速便捷的狀態(tài)參數(shù)設(shè)置方法，用戶(hù)可直接對(duì)右側(cè)列表信息進(jìn)行編輯，編輯完成后點(diǎn)擊更新按鈕，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)該狀態(tài)參數(shù)的設(shè)置操作。

圖5 儀器狀態(tài)界面

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 通信協(xié)議解析

數(shù)據(jù)采集器同時(shí)使用控制端口和數(shù)據(jù)端口通信。在建立連接時(shí)，通過(guò)控制端口對(duì)用戶(hù)進(jìn)行驗(yàn)證并發(fā)出服務(wù)申請(qǐng)，其采用ASCII碼通訊。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)制協(xié)議通訊。IOS客戶(hù)端與數(shù)據(jù)采集器連接流程如圖6所示（孫貴成等，2015）。

IOS客戶(hù)端與港震EDAS-24GN地震數(shù)據(jù)采集器之間數(shù)據(jù)交互依賴(lài)于自定義通信協(xié)議，協(xié)議范圍包括波形數(shù)據(jù)服務(wù)和系統(tǒng)參數(shù)的查詢(xún)與設(shè)置。

IOS客戶(hù)端解析參數(shù)幀的流程如圖7所示?？蛻?hù)端首先監(jiān)聽(tīng)數(shù)據(jù)端口，接收到參數(shù)幀后，利用幀同步字確定參數(shù)幀開(kāi)始位置，并對(duì)參數(shù)幀進(jìn)行“校驗(yàn)和”。“校驗(yàn)和”成功后，根據(jù)幀標(biāo)志（包括查詢(xún)幀、設(shè)置幀、響應(yīng)幀、廣播幀和錯(cuò)誤幀）進(jìn)行參數(shù)幀的解析。

代碼中參數(shù)幀解析相關(guān)類(lèi)的輸入?yún)?shù)為解析得到的NSData類(lèi)型的幀數(shù)據(jù)，返回參數(shù)為NSMutableArray數(shù)組。IOS客戶(hù)端首先初始化數(shù)據(jù)類(lèi)型為NSMutableArray的可變數(shù)組detailArray，并將數(shù)據(jù)類(lèi)型為NSData的幀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Byte數(shù)組，隨后利用參數(shù)幀結(jié)構(gòu)表中定義的字段類(lèi)型及字段長(zhǎng)度進(jìn)行參數(shù)幀解析，并將解析結(jié)果與字段名稱(chēng)整合為字符串，存儲(chǔ)在可變數(shù)組detailArray中。程序加入了異常處理功能以提高穩(wěn)定性，若在解析字段過(guò)程中有任何一處發(fā)生異常，以返回nil數(shù)組的方式結(jié)束，防止因解析異常而造成程序崩潰。

4.2 STEIM 2數(shù)據(jù)壓縮算法與波形繪制方法

數(shù)采中的地震波形傳輸采用SEED格式的STEIM 2數(shù)據(jù)壓縮算法，SEED格式是目前被廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)化地震數(shù)據(jù)格式。STEIM 2算法是一種差分無(wú)損壓縮算法，其原理是每一幀開(kāi)頭存儲(chǔ)第一個(gè)樣本值，后面只存儲(chǔ)相鄰的兩個(gè)樣本的差值，所以在解析地震波數(shù)據(jù)時(shí)候，首先需要獲取信號(hào)采樣率信息，然后提取初值和個(gè)點(diǎn)差值，最后根據(jù)時(shí)間序列恢復(fù)整體數(shù)據(jù)（王洪體等，2004）。

圖6 客戶(hù)端與數(shù)采連接流程

圖7 參數(shù)幀監(jiān)聽(tīng)及解析過(guò)程

代碼中波形繪制相關(guān)類(lèi)輸入?yún)?shù)為NSArray類(lèi)型的數(shù)據(jù)體DataArray，DataArray為壓縮數(shù)據(jù)解析及處理后得到二維數(shù)組，該數(shù)組的每一行為地震數(shù)據(jù)每個(gè)分量的數(shù)據(jù)，列數(shù)為采樣點(diǎn)數(shù)。程序通過(guò)提取DataArray的行數(shù)和列數(shù)確定道數(shù)及采樣點(diǎn)數(shù)，利用UIGraphicsGetCurrentContext方法獲取當(dāng)前上下文，利用CGContextSetLineWidth方法設(shè)置繪制線(xiàn)條寬度，建立CGPoint類(lèi)型數(shù)組points，利用嵌套循環(huán)遍歷DataArray中每個(gè)采樣點(diǎn)并存儲(chǔ)在points數(shù)組中，通過(guò)CGContextAddLines方法將采樣點(diǎn)添加到當(dāng)前上下文，并最終利用CGContextStrokePath方法將各個(gè)采樣點(diǎn)繪制到用戶(hù)視圖。該程序同樣加入異常處理功能以提高穩(wěn)定性以及人機(jī)交互體驗(yàn)效果，同時(shí)利用委托傳遞消息機(jī)制實(shí)現(xiàn)分層解耦，若在繪制波形過(guò)程中有任何一處發(fā)生異常，利用委托對(duì)象返回繪制失敗提示，若繪制完成同樣返回繪制成功提示。

5 結(jié)論和討論

手持終端監(jiān)控系統(tǒng)的出現(xiàn)，解決了測(cè)震應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)工作快速獲取流動(dòng)臺(tái)地震波數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)的問(wèn)題，同時(shí)，該監(jiān)控系統(tǒng)良好的人機(jī)交互界面滿(mǎn)足了應(yīng)急隊(duì)員最迫切的信息需求。除此之外，移動(dòng)智能終端在野外流動(dòng)觀測(cè)中有筆記本電腦無(wú)法比擬的機(jī)動(dòng)性，與筆記本電腦相比，其低功耗的特點(diǎn)也是一大優(yōu)勢(shì)。因?yàn)橐苿?dòng)平臺(tái)硬件性能的限制，目前只實(shí)現(xiàn)了常用的監(jiān)控功能，對(duì)地震數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控等復(fù)雜功能的實(shí)現(xiàn)還需進(jìn)一步研究。除此之外，應(yīng)急隊(duì)員對(duì)于流動(dòng)臺(tái)架設(shè)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境情況也存在需求，如何配合相關(guān)硬件設(shè)計(jì)，對(duì)流動(dòng)臺(tái)架設(shè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境信息（現(xiàn)場(chǎng)影像、溫濕度、光照）進(jìn)行采集、顯示是下一階段的研究方向?？傊?，測(cè)震流動(dòng)應(yīng)急工作充滿(mǎn)挑戰(zhàn)，本監(jiān)控系統(tǒng)將對(duì)地震流動(dòng)應(yīng)急起到積極作用。

戴波，王大偉，江昊琳等，2016．基于Android平臺(tái)的地震設(shè)備維修管理系統(tǒng)．地震地磁觀測(cè)與研究，37（2）：153—156．

董一兵，何永波，劉強(qiáng)等，2015．一種測(cè)震儀器數(shù)據(jù)流接入框架的設(shè)計(jì)與應(yīng)用．地震研究，38（2）：326—331．

黃鎮(zhèn)彩，劉昱，邸文華，2012．基于iOS平臺(tái)的便攜心率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)．電子測(cè)量技術(shù)，35（9）：120—124．

姜旭東，楊建思，徐志強(qiáng)等，2009．應(yīng)對(duì)巨大地震的應(yīng)急流動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)．地震地磁觀測(cè)與研究，30（5）：59—65．

孫貴成，董一兵，楊銳等，2015．測(cè)震儀器數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)中間件的設(shè)計(jì)與應(yīng)用．地震地磁觀測(cè)與研究，36（6）：128—133．

王洪體，陳陽(yáng)，莊燦濤，2004．SEED格式STEIM 2數(shù)據(jù)壓縮算法在實(shí)時(shí)地震數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用．地震地磁觀測(cè)與研究，25（4）：14—19．

吳永權(quán)，黃文輝，蘇柱金，2013．國(guó)家測(cè)震臺(tái)網(wǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸與服務(wù)．華南地震，33（3）：77—84．

戴波，張揚(yáng)，居海華，盧永，徐戈，2017．基于移動(dòng)平臺(tái)的測(cè)震應(yīng)急流動(dòng)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)．震災(zāi)防御技術(shù)，12（3）：718—723．

Design and Implementation of Portable Monitoring and Control System for the Earthquake Emergency Based on IOS

Dai Bo, Zhang Yang, Ju Haihua, Lu Yong and Xu Ge

(Earthquake Administration of Jiangsu Province, Nanjing 210014, China)

The mobile seismic monitoring plays an important role in earthquake emergency response after earthquake, since which obtains high quality seismic data in the earthquake zone. Due to the complexity of the field environment, a high demand for the installation of the mobile station for earthquake emergency is put forward. In this paper we design and develope a monitoring system of earthquake emergency mobile station based on IOS. It can provide portable seismographic data and status information for field work team for earthquake emergency despondence.

Seismic emergency; Portable seismographic; IOS

10.11899/zzfy20170327

測(cè)震臺(tái)網(wǎng)青年骨干培養(yǎng)專(zhuān)項(xiàng)資助（20160511），地震科技星火計(jì)劃（XH171001）和江蘇省科技廳重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（社會(huì)發(fā)展）項(xiàng)目（BE2016805）共同資助

2016-11-30

戴波，男，生于1987年。碩士，工程師。主要從事地震應(yīng)急、地震設(shè)備運(yùn)維相關(guān)工作。E-mail：249725204@qq.com