遼寧省地震前兆應(yīng)急監(jiān)控與數(shù)據(jù)處理平臺(tái)的開發(fā)與應(yīng)用

燕 云，盧 山，劉天龍，趙 雷，羅 斐

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

0 引言

近年來，在國(guó)家政策的支持下，地震觀測(cè)系統(tǒng)正經(jīng)歷著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、規(guī)模化的歷史性跨越，地震觀測(cè)儀器已成為了具有重要科學(xué)價(jià)值和戰(zhàn)略價(jià)值的“國(guó)家科學(xué)觀測(cè)設(shè)施”。因此，對(duì)地震學(xué)科中的各種數(shù)據(jù)，進(jìn)行現(xiàn)代化、高質(zhì)量、系統(tǒng)化的質(zhì)量監(jiān)控與管理，便成為了一個(gè)亟待解決的問題。

遼寧地震前兆臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)臺(tái)站包括國(guó)家級(jí)臺(tái)站、省級(jí)臺(tái)站和市縣臺(tái)站，觀測(cè)類型包括“十五”觀測(cè)、“九五”觀測(cè)、人工與模擬觀測(cè)等，涉及形變、重力、地磁、地電和地下流體五個(gè)學(xué)科多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域和多種觀測(cè)手段。觀測(cè)采樣方式為數(shù)字化采樣、模擬采樣和人工采樣并存。2017年遼寧區(qū)域臺(tái)網(wǎng)向國(guó)家中心報(bào)數(shù)臺(tái)站總數(shù)49個(gè)，其中國(guó)家級(jí)臺(tái)站9個(gè)，省級(jí)臺(tái)站17個(gè)，市縣級(jí)臺(tái)站23個(gè)，目前在運(yùn)行儀器171臺(tái)套，測(cè)項(xiàng)分量466個(gè)?！笆濉鳖愋蛢x器數(shù)量為103套、“九五”類型儀器為10套、“人工”類型儀器為40套、“模擬”類型儀器為18套。我省在全國(guó)各省級(jí)地震前兆臺(tái)網(wǎng)中屬于儀器數(shù)量較多的省份[1]。

因此有必要針對(duì)遼寧省地震前兆監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的監(jiān)控、整合和展示開發(fā)一套系統(tǒng)平臺(tái)，方便更多的地震專業(yè)人員更充分地使用已有數(shù)據(jù)資源，減少資料收集、查詢、保管等工作，提高了技術(shù)人員使用數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)的工作效率。

1 系統(tǒng)建設(shè)

建設(shè)分為兩個(gè)主要部分：硬件建設(shè)和軟件開發(fā)。

1.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

地震前兆臺(tái)網(wǎng)中心：由6臺(tái)65寸液晶電視機(jī)組成的大屏幕、及配套的工作站主機(jī)、操作臺(tái)及4臺(tái)臺(tái)式機(jī)（其中新更換2臺(tái)）、服務(wù)器1臺(tái)、音頻系統(tǒng)1套。

圖1 地震前兆臺(tái)網(wǎng)中心硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Hardware system structure of Liaoning Earthquake Precursor Network Center

儀器維修中心：由2臺(tái)65寸液晶電視機(jī)組成的大屏幕、操作臺(tái)及2臺(tái)臺(tái)式機(jī)。

1.2 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

軟件開發(fā)主要包括，基于C/S（客戶端/服務(wù)器端）模式開發(fā)的可執(zhí)行程序——遼寧地震前兆臺(tái)網(wǎng)運(yùn)維監(jiān)控系統(tǒng)，和基于B/S（瀏覽器端/服務(wù)器端）模式網(wǎng)絡(luò)版的——遼寧省地震局前兆監(jiān)控系統(tǒng)，共用同一套數(shù)據(jù)庫和服務(wù)器，從而形成一套完整的監(jiān)控體系。

按當(dāng)前流行的程序設(shè)計(jì)方法，可將數(shù)據(jù)應(yīng)用程序分為兩類，一類是兩層結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)應(yīng)用程序，另一類是三層結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)應(yīng)用程序。遼寧省地震前兆監(jiān)控與數(shù)據(jù)處理平臺(tái)結(jié)合遼寧地震前兆臺(tái)網(wǎng)運(yùn)維監(jiān)控系統(tǒng)的用戶特點(diǎn)，為了提高系統(tǒng)效率，采用了經(jīng)典的兩層結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)架構(gòu)，兩層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)庫服務(wù)器管理數(shù)據(jù)，而客戶端顯示、訪問和處理數(shù)據(jù)。這種架構(gòu)的特點(diǎn)是客戶端負(fù)荷比較大，但有效地減輕了服務(wù)器端的壓力。由于用戶監(jiān)控管理的客戶端是專用的，可以滿足這種需求[5]。

遼寧省地震局前兆監(jiān)控系統(tǒng)采用的是三層結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)架構(gòu)，包含展示層、業(yè)務(wù)層和持久層。提高了系統(tǒng)的靈活性、可移植性和穩(wěn)定性，符合不同部門工作人員的需求，便于后期維護(hù)和軟件升級(jí)。

圖2 三層結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Three-tier architecture model

2 主要功能

該平臺(tái)研發(fā)了一套適合于遼寧省地震局地震前兆臺(tái)網(wǎng)中心日常工作的綜合性平臺(tái)，并且已經(jīng)投入使用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)遼寧省地震前兆臺(tái)網(wǎng)所有儀器設(shè)備的全面監(jiān)控和管理，對(duì)收集的信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并通過大屏幕來進(jìn)行集中監(jiān)視。主要包括以下七個(gè)功能。

2.1 安全監(jiān)視功能

與有網(wǎng)絡(luò)攝像頭的臺(tái)站進(jìn)行視頻連接，將視頻接到綜合監(jiān)控平臺(tái)上，在1個(gè)屏幕上進(jìn)行集中監(jiān)視。具備一些常用的視頻監(jiān)視功能[3-4]。

2.2 臺(tái)站空間分布圖及儀器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視管理

實(shí)現(xiàn)了遼寧地震前兆臺(tái)網(wǎng)所有（地震前兆）臺(tái)站的空間分布的可視化、可縮放，點(diǎn)擊某臺(tái)站時(shí)，以窗口方式顯示該臺(tái)站的簡(jiǎn)要基礎(chǔ)信息,可將某臺(tái)站放大至顯示臺(tái)站內(nèi)部的測(cè)點(diǎn)分布。定期連通儀器，巡查儀器的運(yùn)行狀態(tài)，在1個(gè)屏幕上以空間分布圖的方式進(jìn)行集中監(jiān)視。運(yùn)行狀態(tài)分為正常、故障兩種。可按多種條件篩選儀器，如學(xué)科名稱、型號(hào)。

2.3 數(shù)據(jù)曲線顯示功能

實(shí)現(xiàn)了多個(gè)臺(tái)項(xiàng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線的顯示，可定時(shí)自動(dòng)從數(shù)據(jù)庫更新曲線。在這個(gè)屏幕上也可切換為顯示實(shí)時(shí)曲線（短時(shí)間顯示）?？砂炊喾N條件篩選儀器，如學(xué)科手段、測(cè)項(xiàng)。

2.4 儀器信息列表顯示及統(tǒng)計(jì)分析功能

包括兩種情況，一是遼寧地震前兆臺(tái)網(wǎng)中心，二是東北片區(qū)儀器維修中心。地震前兆臺(tái)網(wǎng)中心是實(shí)現(xiàn)了儀器信息的列表顯示，可按多種條件篩選儀器，如按時(shí)間段（當(dāng)年、當(dāng)月、任意時(shí)間段）、學(xué)科手段、測(cè)項(xiàng)?？娠@示儀器生命周期的各種統(tǒng)計(jì)信息，儀器類型統(tǒng)計(jì)信息、儀器故障統(tǒng)計(jì)信息等；東北片區(qū)儀器維修中心是在片區(qū)維修中心，顯示片區(qū)儀器維修情況，包括接收的儀器總套數(shù)、已修復(fù)的儀器套數(shù)、報(bào)廢的儀器套數(shù)、在修的儀器套數(shù)等，可按多種條件篩選儀器，如時(shí)間段（當(dāng)年、當(dāng)月、任意時(shí)間段）、省、學(xué)科手段、測(cè)項(xiàng)。

2.5 臺(tái)站數(shù)據(jù)庫監(jiān)視功能

實(shí)現(xiàn)了顯示信息節(jié)點(diǎn)臺(tái)站的地震前兆數(shù)據(jù)庫空間使用情況，對(duì)剩余空間小于一定比例的臺(tái)站以高亮顯示。

2.6 臺(tái)站值班管理功能

實(shí)現(xiàn)了對(duì)臺(tái)站每日日常工作的流程化管理，每完成一項(xiàng)工作，就點(diǎn)個(gè)按鈕，在監(jiān)控大屏上，集中展示每個(gè)臺(tái)站日常工作完成情況。

2.7 儀器生命周期管理功能

儀器的狀態(tài)信息是本項(xiàng)目要監(jiān)控和管理的重要信息，因此，需要完善目前地震前兆臺(tái)網(wǎng)儀器的管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)每臺(tái)儀器整個(gè)生命周期的運(yùn)行情況進(jìn)行全程跟蹤管理，形成儀器完整檔案。這個(gè)功能是管理模塊，主要用于全面采集儀器的各種狀態(tài)信息，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，產(chǎn)出統(tǒng)計(jì)分析報(bào)告。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

由于C/S模型——遼寧省地震前兆臺(tái)網(wǎng)運(yùn)維監(jiān)控系統(tǒng)與B/S模型——遼寧省地震局前兆監(jiān)控系統(tǒng)采用兩種不同語言進(jìn)行編譯，先分別對(duì)兩個(gè)模型的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹。

3.1 遼寧省地震前兆臺(tái)網(wǎng)運(yùn)維監(jiān)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用.NET平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)。采用C#開發(fā)，與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫的連接通過Oracle客戶端進(jìn)行。由于本系統(tǒng)的開發(fā)和部署環(huán)境及節(jié)點(diǎn)范圍與“前兆臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)”相同，因此為了簡(jiǎn)化部署，將本系統(tǒng)集成在“前兆臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)”中，通過更新“前兆臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)”的可執(zhí)行文件QZPROCESS.EXE文件直接部署[5]。

圖3 .NET平臺(tái)編譯過程Fig.3 Compilation process of.NET platform

.NET框架由兩個(gè)主要部分組成：公共語言運(yùn)行時(shí)庫 （Common Language Runtime，CLR）和.NET框架類庫，它與操作平臺(tái)以及Visual Studio.NET的關(guān)系如下圖所示。

公共語言運(yùn)行時(shí)庫（CLR）管理著編譯過的.NET程序的執(zhí)行情況，CLR的角色類似于Java虛擬機(jī)，CLR是所有.NET語言的運(yùn)行時(shí)庫，它的功能是執(zhí)行和管理以任何能夠用于.NET平臺(tái)的語言編寫的所有代碼，還可處理和管理程序運(yùn)行過程中的其他一些方面，如：類型、版本以及其他相關(guān)信息、垃圾收集、代碼檢查、代碼訪問的安全性等。在執(zhí)行代碼的過程中，CLR使用另一種編譯器將IL語言編譯為特定于程序運(yùn)行平臺(tái)的機(jī)器代碼[5]。

3.2 遼寧省地震局前兆監(jiān)控系統(tǒng)

B/S模式（網(wǎng)頁）采用了最先進(jìn)的MVC架構(gòu)，用JAVA和JS編寫，部署在專門的服務(wù)器上，服務(wù)器操作系統(tǒng)為最新的Linux系統(tǒng)，Web服務(wù)器采用開源的Apache Tomcat，前臺(tái)頁面主要用HTML語言及CSS語言實(shí)現(xiàn)，利用百度地圖 API、Jquery、Echarts、Fusionchart等插件實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可視化地圖和圖表展示[2]。

圖4 MVC模型的關(guān)系和功能Fig.4 Relationships and functions of MVC model

4 平臺(tái)展示

本節(jié)將對(duì)該平臺(tái)的建設(shè)完成后的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行展示，并且針對(duì)較為典型的儀器運(yùn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)曲線監(jiān)控進(jìn)行操作顯示[2]。

圖5 監(jiān)控平臺(tái)整體效果圖Fig.5 The overall effect map of monitoring platform

4.1 儀器運(yùn)行監(jiān)控

“儀器運(yùn)行監(jiān)控”功能用于對(duì)儀器運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)視。它以一定時(shí)間間隔定期連接儀器、獲取儀器狀態(tài)信息并進(jìn)行分析來判斷儀器運(yùn)行是否正常，當(dāng)儀器運(yùn)行不正常時(shí)通過聲音發(fā)出警報(bào)。

圖6 儀器運(yùn)行監(jiān)控界面Fig.6 The monitoring interface of the instrument operation

圖6可分為以下幾部分：

（1）左上是省局所有儀器的列表，用于從中選擇要監(jiān)視的儀器。

（2）左下是用戶選擇要監(jiān)視的儀器列表。從左上的儀器列表中點(diǎn)擊某儀器后，點(diǎn)擊“添加監(jiān)視”按鈕可將該儀器添加到要監(jiān)視的儀器列表中。點(diǎn)擊“全部添加”可將所有儀器添加到要監(jiān)視的儀器列表中。

（3）點(diǎn)擊本列表框中的某儀器或連續(xù)選擇多臺(tái)儀器，再點(diǎn)擊“刪除監(jiān)視”按鈕，可將這些儀器從刪除列表中刪除。

（4）設(shè)置監(jiān)視參數(shù)

①“刷新間隔（分）”：?jiǎn)?dòng)監(jiān)視后，軟件將每隔一定時(shí)間間隔對(duì)監(jiān)視的儀器進(jìn)行巡查一次。這里設(shè)置的就是巡查的間隔時(shí)間，以分鐘為單位，缺省為60分鐘。建議間隔不要小于5分鐘，以免太密集的儀器巡查會(huì)對(duì)儀器的正常觀測(cè)產(chǎn)生影響。

②“允許時(shí)鐘差（秒）”：巡查儀器時(shí)會(huì)檢查儀器的時(shí)鐘與運(yùn)行軟件的計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘進(jìn)行對(duì)比，兩種相差超過這個(gè)值時(shí)，就會(huì)被作為一項(xiàng)異常，顯示在右邊的窗口中。

③“聲音報(bào)警”：設(shè)置在巡查儀器發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，是否通過聲音報(bào)警。

（5）點(diǎn)擊“啟動(dòng)監(jiān)視”按鈕，將對(duì)要監(jiān)視的儀器列表框中的儀器啟動(dòng)監(jiān)視，它對(duì)所有要監(jiān)視的儀器逐臺(tái)進(jìn)行連接、登錄，登錄成功后獲取儀器狀態(tài)信息并進(jìn)行分析來判斷儀器運(yùn)行是否正常。

（6）點(diǎn)擊“停止監(jiān)視”按鈕，將停止對(duì)所有儀器的監(jiān)視。在需要時(shí)，可再次點(diǎn)擊“啟動(dòng)監(jiān)視”按鈕啟動(dòng)監(jiān)視。

（7）點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)監(jiān)視”按鈕，從儀器調(diào)取當(dāng)天0時(shí)開始的數(shù)據(jù)，在單獨(dú)的窗體中繪圖顯示，并按上面設(shè)置的時(shí)間間隔刷新數(shù)據(jù)。這個(gè)功能顯示的是一個(gè)準(zhǔn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)曲線。這個(gè)按鈕點(diǎn)擊啟動(dòng)了數(shù)據(jù)監(jiān)視之后，就會(huì)變?yōu)椤巴Ｖ箶?shù)據(jù)監(jiān)視”，此時(shí)點(diǎn)擊后，就停止準(zhǔn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)曲線刷新。

（8）右下角是一個(gè)餅圖，顯示的是正常與異常儀器的數(shù)量。

（9）窗體右下底部有兩個(gè)功能按鈕：

①“查看前XX天數(shù)據(jù)”：從儀器調(diào)取前XX天數(shù)據(jù)，并繪圖顯示。天數(shù)可從下列列表中選擇，其值從1～14天。

②“查看前XX天日志”：從儀器調(diào)取前XX天運(yùn)行日志，并列表顯示。天數(shù)可從下列列表中選擇，其值從1～14天。

4.2 數(shù)據(jù)曲線監(jiān)控

“數(shù)據(jù)監(jiān)控”功能通過數(shù)據(jù)曲線圖對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視。這個(gè)功能與上面“儀器運(yùn)行監(jiān)控”中的數(shù)據(jù)監(jiān)視不同之處在于，這個(gè)功能是從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)并繪圖顯示，而“儀器運(yùn)行監(jiān)控”中的數(shù)據(jù)監(jiān)視是從儀器直接讀取數(shù)據(jù)并繪圖顯示[2]。

圖7 數(shù)據(jù)曲線監(jiān)控主界面Fig.7 The main monitoring interface of data curve

窗體左邊是選項(xiàng)，用于過濾臺(tái)項(xiàng)列表框中的臺(tái)項(xiàng)。選項(xiàng)包括區(qū)域、采樣率、數(shù)據(jù)類型、測(cè)項(xiàng)等。

窗體右邊是臺(tái)項(xiàng)列表框，它以樹的形式列出臺(tái)項(xiàng)。每個(gè)臺(tái)項(xiàng)前都有一個(gè)復(fù)選框，打勾表示選中。

點(diǎn)擊“開始”按鈕，將對(duì)所有選中的臺(tái)項(xiàng)開始進(jìn)行監(jiān)視。本模塊將按指定時(shí)間間隔，從數(shù)據(jù)庫中讀取最新數(shù)據(jù)，刷新曲線圖。

圖8 數(shù)據(jù)曲線波形顯示界面Fig.8 The display monitoring interface of data curve waveform

5 結(jié)束語

地震前兆應(yīng)急監(jiān)控與數(shù)據(jù)處理項(xiàng)目是遼寧地震前兆臺(tái)網(wǎng)運(yùn)維監(jiān)控平臺(tái)建設(shè)，它的目標(biāo)是本著統(tǒng)一規(guī)劃、逐步實(shí)施的原則，實(shí)現(xiàn)對(duì)遼寧省地震前兆臺(tái)網(wǎng)所有儀器設(shè)備的全面監(jiān)控和管理，對(duì)收集的信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并通過大屏幕系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)視，清除管理死角，提高工作效率。