實(shí)時(shí)震情跟蹤與快速發(fā)布系統(tǒng)建設(shè)

王想 李永慶

引言

震情跟蹤和震情信息發(fā)布是地震局監(jiān)測預(yù)報(bào)部門的主要職能之一。但是震情跟蹤工作的現(xiàn)代化水平不足，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足政府和社會公眾的迫切要求，同時(shí)也不能滿足地震信息工作者本身對地震信息的要求。因此，有必要進(jìn)行供給側(cè)改革，豐富新常態(tài)下和非常態(tài)下的公共服務(wù)產(chǎn)品，提高震情跟蹤工作的網(wǎng)絡(luò)化、自動化和智能化水平。

今天，互聯(lián)網(wǎng)已成為地震消息發(fā)布的主要載體，比如專業(yè)地震信息網(wǎng)，中國地震臺網(wǎng)速報(bào)微博，各省地震局的政務(wù)微博等?；ヂ?lián)網(wǎng)與各個(gè)傳統(tǒng)行業(yè)深度融合、快速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代，對震情跟蹤消息發(fā)布的時(shí)效性、開放性、通俗性以及專業(yè)性都提出了更高的要求。一方面，地震觀測數(shù)據(jù)的應(yīng)用方式發(fā)生了新的變革，越來越注重多學(xué)科交叉和數(shù)據(jù)資源的開放共享，而目前單機(jī)模式的分析預(yù)報(bào)軟件彼此孤立，形成了信息孤島，影響了資源的交換共享。另一方面在政府和社會公眾聚焦震情跟蹤相關(guān)信息發(fā)布的情況下，整個(gè)過程要求分析預(yù)報(bào)人員快速、準(zhǔn)確、高效地完成，分析預(yù)報(bào)軟件單機(jī)模式的滯后性、封閉性、復(fù)雜性的問題日益顯露，影響了震后應(yīng)急處置的效率。

圖1 系統(tǒng)工作流程圖

本研究研制了一套實(shí)時(shí)震情跟蹤與震情快速發(fā)布系統(tǒng)，充分利用服務(wù)器強(qiáng)大的存儲和處理能力、寬帶通信網(wǎng)絡(luò)的高速數(shù)據(jù)交換能力、WebGIS平臺的空間數(shù)據(jù)處理能力以及測震業(yè)務(wù)系統(tǒng)開放的服務(wù)接口，實(shí)現(xiàn)震情的實(shí)時(shí)、快速、自動分析與發(fā)布，通過設(shè)計(jì)良好的自動化程序大幅提高震情跟蹤工作效率以及地震應(yīng)急響應(yīng)速度，為震情跟蹤工作、地震活動性分析、地震應(yīng)急會商、地震趨勢研判提供軟件工具，實(shí)現(xiàn)分析預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)部分功能的網(wǎng)絡(luò)化、自動化和智能化。

實(shí)時(shí)震情跟蹤與快速發(fā)布系統(tǒng)的工作流程

實(shí)時(shí)震情跟蹤與震情內(nèi)容的快速發(fā)布都屬于科研型業(yè)務(wù)流程，主要涉及收集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)和可視化數(shù)據(jù)三個(gè)方面的工作，整個(gè)系統(tǒng)功能側(cè)重網(wǎng)絡(luò)化、自動化和智能化（圖1），兼顧時(shí)效性和適用性，專業(yè)性和通俗性。收集數(shù)據(jù)功能同步了現(xiàn)有的EQIM（EarthQuake Instant Messenger）地震速報(bào)消息服務(wù)系統(tǒng)以及測震統(tǒng)一編目系統(tǒng)；分析數(shù)據(jù)功能減少人機(jī)交互過程，實(shí)現(xiàn)了部分地震學(xué)分析方法，提供交互式的地震活動性分析、震情跟蹤方法；可視化數(shù)據(jù)生成的數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括：地震專題的WebGIS服務(wù)，震情分析與發(fā)布，測震學(xué)短臨異常指標(biāo)動態(tài)跟蹤結(jié)果和安卓客戶端APP。

實(shí)時(shí)震情跟蹤與快速發(fā)布系統(tǒng)的架構(gòu)

我們參考傳統(tǒng)Web應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)，自下而上分別是：數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層和應(yīng)用層（圖2）。通過在各層次上擴(kuò)展空間數(shù)據(jù)管理功能，實(shí)現(xiàn)Web與WebGIS業(yè)務(wù)的綜合集成。其中在數(shù)據(jù)層，用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫PostgreSQL管理一般數(shù)據(jù)，用其空間擴(kuò)展PostGIS管理斷層分布、行政區(qū)、道路等空間數(shù)據(jù)；在業(yè)務(wù)層，將Web和WebGIS服務(wù)統(tǒng)一部署到Web容器Apache Tomcat中；在應(yīng)用層，使用JavaScript客戶端訪問常規(guī)Web服務(wù)，使用OpenLayers客戶端訪問WebGIS服務(wù)。

圖2 系統(tǒng)技術(shù)框架結(jié)構(gòu)圖

實(shí)時(shí)震情跟蹤與震情快速發(fā)布系統(tǒng)的核心內(nèi)容

（一）收集數(shù)據(jù)——地震目錄同步

通過中國地震局“九五”“十五”項(xiàng)目建設(shè)，國家逐步建成了大震速報(bào)(EQIM)、統(tǒng)一編目等一系列共享軟件系統(tǒng)，新的統(tǒng)一編目系統(tǒng)也于2015年底進(jìn)行上線測試。這些系統(tǒng)是我們可靠的數(shù)據(jù)來源。

我們采用Java SE+Eclipse IDE技術(shù)同步以上震情數(shù)據(jù)系統(tǒng)，程序以預(yù)設(shè)的同步周期主動訪問EQIM系統(tǒng)和統(tǒng)一編目系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，檢測到數(shù)據(jù)更新時(shí)，將新數(shù)據(jù)寫入本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫表中。為保證數(shù)據(jù)的時(shí)效性，同步周期與速報(bào)系統(tǒng)和編目系統(tǒng)的數(shù)據(jù)更新周期保持一致。EQIM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)更新的，因此同步周期設(shè)置為10～30秒；統(tǒng)一編目系統(tǒng)中包括快報(bào)目錄和正式報(bào)目錄，數(shù)據(jù)更新周期分別是24時(shí)和4周，同步周期設(shè)置為24時(shí)。地震目錄同步服務(wù)啟動后，數(shù)據(jù)同步和發(fā)布將自動完成，全程無須用戶參與。系統(tǒng)同時(shí)提供了操作地震目錄的交互式界面，一旦自動同步失敗或者出錯(cuò)，用戶可以手動更新數(shù)據(jù)。

（二）分析數(shù)據(jù)——震情分析服務(wù)

震情分析服務(wù)集成了震情分析業(yè)務(wù)邏輯、Web服務(wù)、Web客戶端、WebGIS服務(wù)和WebGIS客戶端等多種組件。

WebGIS服務(wù)是系統(tǒng)的關(guān)鍵功能模塊，用戶的各種操作都要依托WebGIS平臺完成。WebGIS平臺的搭建流程是在服務(wù)器端：①安裝數(shù)據(jù)庫PostgreSQL和空間數(shù)據(jù)引擎PostGIS，創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)表，導(dǎo)入數(shù)據(jù)；②安裝、配置WebGIS服務(wù)器GeoServer，發(fā)布WMS（Web Map Service）和WFS（Web Feature Service）。在客戶端：利用OpenLayers調(diào)用WMS和WFS。

震情分析服務(wù)系統(tǒng)從JMS（Java Message Service）數(shù)據(jù)交換總線上讀取地震目錄數(shù)據(jù)，利用PostgreSQL和PostGIS數(shù)據(jù)庫將地震目錄轉(zhuǎn)換為空間數(shù)據(jù)，再利用開源的WebGIS服務(wù)器GeoServer將地震數(shù)據(jù)發(fā)布為WMS服務(wù)，在客戶端使用Openlayers技術(shù)將WMS渲染成電子地圖，并提供多種地圖操作控件。用戶通過Web瀏覽器進(jìn)行震情分析，無須安裝任何客戶端程序，也無須任何配置。大震應(yīng)急時(shí)，現(xiàn)場工作人員亦可通過手機(jī)等智能終端訪問系統(tǒng)。

（三）可視化數(shù)據(jù)——震情發(fā)布服務(wù)

速報(bào)地震將自動觸發(fā)震情信息，并通過Web接口和安卓客戶端進(jìn)行發(fā)布。使用了Python總體技術(shù)路線，利用WebGL技術(shù)實(shí)現(xiàn)了斷層的3D模擬，采用Threejs技術(shù)實(shí)時(shí)渲染，根據(jù)斷層的實(shí)際參數(shù)如斷層性質(zhì)（正斷層、逆斷層、走滑斷層）、走向角和傾角，反映斷層在地殼內(nèi)的真實(shí)展布狀態(tài)。

實(shí)時(shí)震情跟蹤與快速發(fā)布系統(tǒng)的功能

（一）地震目錄及信息服務(wù)

支持對地震目錄數(shù)據(jù)庫的交互式管理。管理模塊提供了對地震目錄進(jìn)行增、刪、改、查、導(dǎo)入/導(dǎo)出、排序和分類統(tǒng)計(jì)的功能。目錄中選中的地震在地圖中居中顯示，并彈窗顯示地震的基本參數(shù)，包括：發(fā)震時(shí)刻、震中位置、震源深度、ML震級、MS震級、震中地名等。

系統(tǒng)支持震情時(shí)空分析，災(zāi)情風(fēng)險(xiǎn)評估，震情發(fā)布以及對第五代地震動參數(shù)區(qū)劃圖、人口網(wǎng)格、GDP 網(wǎng)格、建筑網(wǎng)格、應(yīng)急避難場所分布的查詢等功能。平臺主頁包括三個(gè)功能區(qū)域（圖3）：頂部是系統(tǒng)LOGO和快捷按鈕區(qū)，中部是WebGIS功能區(qū)，右側(cè)是圖層配置區(qū)。除了提供通用的視圖縮放、多邊形選擇、測量等編輯和圖層配置工具外，快捷按鈕可以分別鏈接到地震目錄管理、圖層配置和震情信息等八個(gè)模塊。功能區(qū)將最近發(fā)生的一次地震作為主震，呈現(xiàn)動畫效果。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了分等級用戶權(quán)限。用戶進(jìn)入系統(tǒng)后，游客用戶僅能使用“地震目錄”“時(shí)空分析”和“風(fēng)險(xiǎn)評估”這3個(gè)模塊。普通用戶，可以使用“地震目錄”“時(shí)空分析”“風(fēng)險(xiǎn)評估”和“震情發(fā)布模塊”。管理員用戶，可以使用系統(tǒng)全部模塊。其中地震風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果綜合展示平臺利用公里網(wǎng)格的人口、GDP 數(shù)據(jù)對我省的地震風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了計(jì)算，并利用WebGIS 方式進(jìn)行展示。

（二）實(shí)時(shí)震情跟蹤服務(wù)

圖3 地震空間分析

系統(tǒng)支持測震學(xué)短臨異常指標(biāo)實(shí)時(shí)動態(tài)跟蹤，對顯著平靜、缺震、b 值、小震窗等在河北地區(qū)應(yīng)用效果較好的測震學(xué)短臨異常指標(biāo)進(jìn)行跟蹤。具體方法包括震級-時(shí)間（M-T）、發(fā)震次數(shù)-時(shí)間(N-T)、發(fā)震次數(shù)-震級(N-M或lgN-M）、發(fā)震時(shí)間間隔-時(shí)間（Δt-t）分析等8種方法。通過對劃定的研究區(qū)域，比如華北、首都圈、冀晉蒙、冀魯豫、唐山、京津等，按照預(yù)設(shè)的窗長、步長對指標(biāo)進(jìn)行自動計(jì)算，超過閾值則發(fā)布異常報(bào)警消息。然后通過圖形用戶界面，實(shí)現(xiàn)分析結(jié)果的空間可視化，并將分析結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫，以JMS消息的方式上傳到ActiveMQ。

（三）震情快速發(fā)布服務(wù)

震情推送服務(wù)根據(jù)專業(yè)用戶和大眾用戶不同的需求，主要功能是將生成的震情信息分為常態(tài)推送和非常態(tài)推送兩種，進(jìn)行統(tǒng)一的存儲、管理和發(fā)布。常態(tài)推送是自動生成并發(fā)布日常會商涵蓋的震情信息內(nèi)容，減少了科研人員在更新維護(hù)地震數(shù)據(jù)以及圖件編制方面的工作量。非常態(tài)推送是在顯著地震后，對符合觸發(fā)條件的地震自動生成首期震情信息，可以跟蹤地震發(fā)展并自動更新后續(xù)多期震情內(nèi)容。常態(tài)推送包括會商版震情信息和常態(tài)版震情信息；非常態(tài)推送包括顯著地震發(fā)生后，速報(bào)服務(wù)產(chǎn)生的大眾版震情信息和專家版（多期）震情信息。兩類四種震情信息均可以通過Web接口和安卓客戶端進(jìn)行實(shí)時(shí)發(fā)布。

系統(tǒng)提供自動觸發(fā)條件的配置界面，觸發(fā)條件的內(nèi)容包括經(jīng)緯度范圍和震級范圍（MS震級或者M(jìn)L震級）。震情內(nèi)容（一期）包含地震基本參數(shù)、震中和鄰近斷裂附近歷史地震活動和地震類型的統(tǒng)計(jì)情況；震情（二期）增加了余震、歷史地震震源機(jī)制解讀及推測發(fā)震構(gòu)造基本參數(shù)等情況。當(dāng)有余震不斷發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)會自動跟蹤余震序列的發(fā)展趨勢，并定期產(chǎn)出“震情（N期）”，做到震情的實(shí)時(shí)跟蹤播報(bào)。

生成的手機(jī)安卓APP主要包括四個(gè)模塊：應(yīng)急、震情、地圖和列表（圖4）。

成果推廣應(yīng)用及下一步工作設(shè)想

系統(tǒng)上線后，在河北省地震局預(yù)測研究中心，部分市局、中心臺的周、月以及年度會商的震情跟蹤工作，地震活動性分析，測震學(xué)短臨異常指標(biāo)自動更新，地震趨勢研判中發(fā)揮了積極作用。2018年以來在包括永清4.3級地震在內(nèi)的26次顯著地震的應(yīng)急工作中發(fā)揮了積極作用。為服務(wù)政府、服務(wù)社會起到了積極作用，為公眾輿論引導(dǎo)，科學(xué)解讀地震知識發(fā)揮了實(shí)際作用（圖5）。

圖4 手機(jī)安卓APP

與傳統(tǒng)的預(yù)報(bào)軟件相比，本軟件有一些突出的優(yōu)勢：

1.建立了統(tǒng)一的地震目錄數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新，免去了用戶人工維護(hù)數(shù)據(jù)的煩惱。目前地震目錄的種類和格式眾多，更新周期和震級標(biāo)度各不相同，使得地震目錄維護(hù)工作成為困擾科研人員的難題，成為影響數(shù)據(jù)交換共享和科研交流的瓶頸。系統(tǒng)服務(wù)大大提高了分析預(yù)報(bào)人員日常工作更新地震目錄的工作效率，降低了出錯(cuò)概率，保證數(shù)據(jù)的時(shí)效性和準(zhǔn)確性。利用這一服務(wù)，在地震應(yīng)急時(shí)，分析預(yù)報(bào)人員不必浪費(fèi)時(shí)間進(jìn)行地震目錄的收集和整理，可以直接投入目錄分析與研究工作，提高了應(yīng)急響應(yīng)工作的效率。

2.用B/S服務(wù)模式，無須安裝客戶端程序，也無須復(fù)雜的配置，使用通用的Web瀏覽器即可訪問系統(tǒng)服務(wù)，降低了系統(tǒng)的使用門檻，增強(qiáng)了易用性。

盡管本研究建立了預(yù)期的系統(tǒng)平臺，但仍有進(jìn)一步進(jìn)行研發(fā)和擴(kuò)展的迫切需求，首先 “十五”以來，我國地震系統(tǒng)的監(jiān)測預(yù)報(bào)、震害防御和應(yīng)急救援三大體系各自發(fā)展了一系列優(yōu)秀的行業(yè)應(yīng)用軟件，比如：測震臺網(wǎng)的JOPENS系統(tǒng)、EQIM系統(tǒng)，預(yù)測研究中心的MapSIS系統(tǒng)，應(yīng)急中心的災(zāi)情評估系統(tǒng)等，但由于部門各有分工，這些行業(yè)應(yīng)用軟件各自遵循相對獨(dú)立的發(fā)展脈絡(luò)，相互之間少有聯(lián)合和協(xié)同，因而形成了各自為政的局面，在部門之間形成了信息孤島甚至技術(shù)壁壘。本系統(tǒng)將繼續(xù)嘗試匯集監(jiān)測預(yù)報(bào)、應(yīng)急救援、震害防御等各部門的資料，為大震應(yīng)急工作提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換平臺，實(shí)現(xiàn)各部門數(shù)據(jù)的無縫集成。

圖5 通過媒體開展地震科普宣傳和引導(dǎo)公眾輿論

其次本軟件核心內(nèi)容僅限于測震學(xué)科，且方法比較單一，用于作為震情會商的支撐平臺仍顯能力不足，下一步將在數(shù)據(jù)層接入前兆資料、更多測震學(xué)參數(shù)（如震源機(jī)制）、更豐富的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)（如人口、GDP）；在業(yè)務(wù)層，增加更多分析預(yù)報(bào)的方法，豐富系統(tǒng)的方法庫；增加自動化模塊，使系統(tǒng)能夠自動跟蹤地震形勢并持續(xù)自動產(chǎn)出多期震情信息，逐漸豐富震情信息的內(nèi)容。最終形成一套性能可靠、自動化程度較高的、能支撐地震部門防震減災(zāi)基礎(chǔ)能力提升的系統(tǒng)平臺。