遼寧省地震會商技術系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)

張 博，楊士超，張 琪，王喜龍，錢 蕊

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

0 引言

地震會商是我國開展地震監(jiān)測預報工作的一項基本業(yè)務。當前，我國地震會商主要遵循“長、中、短、臨”漸近式預報思路，通過測震資料和前兆資料宏、微觀異常的系統(tǒng)分析，得出地震趨勢預測意見[1]。在我國，根據(jù)會商目的不同，可將地震會商分為4大類8小類，即年度趨勢會商（包含年度趨勢會商、年中趨勢會商）、周月震情會商（包含周震情監(jiān)視例會、月震情會商、緊急震情會商、加密會商和臨時會商）、專題震情會商和震后趨勢會商。各級地震部門都要按行業(yè)規(guī)定完成會商任務，上報會商意見。當前地震預報水平仍然以經(jīng)驗預報為主，很多震情會商結論的得出主要依賴特定專家的意見和認識；震情會商數(shù)據(jù)來源、分析方法、結論得出和效果的評價還沒有明確的技術規(guī)程；在過去的地震預報管理體系中，專業(yè)的會商技術軟件和網(wǎng)站支持對于會商業(yè)務來說，數(shù)據(jù)過于分散、技術方法不規(guī)范、缺乏客觀評價機制、自動化程度不高，特別是還沒有針對會商這一重要業(yè)務而設計的平臺系統(tǒng)。因此，開發(fā)一套可以滿足各級會商業(yè)務需求的軟件平臺系統(tǒng)來規(guī)范數(shù)據(jù)來源、技術方法和自動評價機制十分必要。

此外，目前地震預報行業(yè)領域已開發(fā)出多種行業(yè)軟件，如基于GIS二次開發(fā)的MapSIS[2-3]、基于Matlab地震會商資料自動產(chǎn)出系統(tǒng)[4]和自主開發(fā)的SuperSeis[5]等。傳統(tǒng)服務地震會商的軟件以單機模式為主[6]，不滿足地震會商多源數(shù)據(jù)處理和多軟件融合的需求，隨著地震云計算平臺的廣泛使用，在開放式的研發(fā)平臺上以“微服務”的架構理念進行會商系統(tǒng)開發(fā)，已形成潮流[7-10]。

遼寧地震臺作為遼寧省地震局信息化建設的主體力量積極參與全國地震會商技術平臺建設，并主持研發(fā)了適用于遼寧地區(qū)的地震會商技術系統(tǒng)，開發(fā)了多個多功能、多場景、高度可嵌套的技術模塊，實現(xiàn)了不同學科的周月震情會商、緊急震情會商、震后趨勢會商和各類查詢功能，初步建立了遼寧地震會商技術系統(tǒng)，現(xiàn)就平臺搭建、技術研發(fā)等方面進行介紹。

1 研發(fā)平臺—數(shù)據(jù)專家系統(tǒng)介紹

Datist數(shù)據(jù)專家以管道的模式進行數(shù)據(jù)處理，讓不同功能的程序可以互相連通通訊，從而可以讓軟件開發(fā)、程序開發(fā)更加的“高內(nèi)聚，低耦合”，增強業(yè)務邏輯靈活度，將復雜的邏輯鏈條化和可視化，將代碼變得不那么耦合，像搭積木一樣方便地組合。此外，數(shù)據(jù)專家發(fā)展到今，已擁有160多個功能節(jié)點，600多個處理函數(shù)，真正實現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理過程的零編程。系統(tǒng)采用熱插拔式應用構架，實現(xiàn)功能的無限擴展。主要基礎功能如下:

1.1 多源異構數(shù)據(jù)融合技術

系統(tǒng)可對不同格式、不同結構的數(shù)據(jù)進行同步處理，支持Oracle、MySQL、SQL Server等數(shù)據(jù)庫，Excel、Word、TXT等常見文件以及shp、dwg、kml等空間數(shù)據(jù)，同時支持磁盤目錄、FTP服務器、網(wǎng)頁數(shù)據(jù)抓取等數(shù)據(jù)采集的方式。

1.2 數(shù)據(jù)清洗處理功能

系統(tǒng)共有37個數(shù)據(jù)清洗處理相關節(jié)點，能夠提供關系型數(shù)據(jù)庫中的各類數(shù)據(jù)篩選（Select）、連接（Join）能力外，通過擴展的500+個數(shù)據(jù)處理函數(shù)實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)清洗或加工。這些節(jié)點只需設置簡單參數(shù)就能工作，可以在不寫代碼或SQL語句的情況下輕松完成數(shù)據(jù)處理工作。

1.3 空間數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)共有18個空間數(shù)據(jù)處理相關節(jié)點，能夠提供點線面圖元構建、投影變換、空間疊加運算等一系列節(jié)點工具及擴展函數(shù)，從而實現(xiàn)點、線、面之間關系進行的空間查詢與空間統(tǒng)計分析。這些節(jié)點只需設置簡單參數(shù)就能工作，達到了專業(yè)GIS處理軟件的功能。

1.4 數(shù)據(jù)挖掘算法

系統(tǒng)集成回歸分析、聚類分析、神經(jīng)網(wǎng)絡、貝葉斯、SVM、決策樹等大量的數(shù)據(jù)挖掘算法。除系統(tǒng)提供的一組常用的數(shù)據(jù)分析處理算法外，Datist還提供強大的算法集成能力，通過簡單易用開放接口可以和R、Python、Matlab、DLL算法庫等常用的算法庫和用戶編寫的算法庫無縫集成，可以借助這些成熟的算法大大擴展Datist的專業(yè)數(shù)據(jù)處理能力。比如分析地震目錄數(shù)據(jù)常用“ssEDA”、“ssBase”等。

1.5 可擴展圖形繪制技術

系統(tǒng)除提供了常用的餅圖、柱狀圖、折線圖等標準圖形外，還通過圖形模板提供用戶自定義圖件，通過提供二次開發(fā)接口提供Surfer和Grapher等支持二次開發(fā)的圖形軟件，通過腳本接口技術提供GMT繪圖功能。

1.6 報告自動生成技術

系統(tǒng)提供報告自動生成技術將這些比較零散的成果進行聚合，將各個零碎的分析圖表，匯集成完整的報告。這些報告的呈現(xiàn)形式有Office文檔和HTML網(wǎng)頁等格式。

1.7 專業(yè)軟件集成技術

系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)清洗、變換、質(zhì)量控制等功能，將數(shù)據(jù)模型化后，一鍵式推送到目標數(shù)據(jù)庫中；系統(tǒng)集成了ArcGIS、Skyline、Google Earth、Suffer等多款專業(yè)軟件，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)專家與專業(yè)軟件的無縫集成應用；系統(tǒng)提供集成應用接口，可通過數(shù)據(jù)專家整合已有信息系統(tǒng)。

1.8 數(shù)據(jù)發(fā)布和云服務技術

系統(tǒng)提供一組節(jié)點可以把數(shù)據(jù)分析成果重新入庫或者以郵件、短信、FTP、Web頁面、微信等方式直接推送給用戶。數(shù)據(jù)專家制作的流程（DMS）可以發(fā)布到Datist后臺云服務中，用戶可以通過傳入?yún)?shù)來調(diào)用這些已經(jīng)發(fā)布的服務，第三方系統(tǒng)更可以調(diào)用這些服務把復雜的數(shù)據(jù)處理功能快速集成到軟件中。

上述數(shù)據(jù)專家所包含的技術基本能滿足現(xiàn)階段我省各類會商的不同需求:多源異構數(shù)據(jù)融合技術可將地震目錄數(shù)據(jù)和地球物理觀測數(shù)據(jù)庫接入地震會商技術系統(tǒng)，滿足多學科、多數(shù)據(jù)同時自動處理的需求；數(shù)據(jù)清洗功能能夠解放生產(chǎn)力，極大減少數(shù)據(jù)處理的成本；空間數(shù)據(jù)分析可將我省特定關注的地區(qū)切割出來進行高時效跟蹤，如海城老震區(qū)地震活動性跟蹤；數(shù)據(jù)挖掘算法目前階段尚無可用，但人工智能和大數(shù)據(jù)分析是地震預報的一個方向，而且該方面強大的算法集成能力將現(xiàn)有的測震和前兆各學科算法無縫接入到平臺中來；可擴展圖形繪制技術不僅提供基礎的可視化手段，而且高度可擴展，將地震系統(tǒng)中熟悉的繪圖軟件嵌入進來；報告的自動生成技術可應對時效性需求高的各類會商如震后趨勢會商和緊急震情會商，也可應對不同查詢的即時需求；專業(yè)軟件集成技術可將現(xiàn)有的技術方法和可視化方法繼承到系統(tǒng)中來，實現(xiàn)更靈活、方便地流程開發(fā)；數(shù)據(jù)發(fā)布和云服務技術，能夠?qū)?shù)據(jù)分析成果重新入庫或者以郵件、短信、FTP、Web頁面、微信等方式直接推送給用戶，實現(xiàn)全過程的自動化。

2 遼寧省地震會商技術系統(tǒng)介紹

遼寧地震會商技術系統(tǒng)包含地球物理觀測資料管理、日常震情會商和顯著震情分析三大模塊，流程編制過程中涉及到Matlab、R語言，Python等程序腳本以及GMT，JS腳本定義的EChart圖件技術，每一類包含適用于日常震情會商的各種功能，現(xiàn)作簡要介紹。

圖1 地震會商技術系統(tǒng)日常會商模塊Fig.1 Earthquake Consultation System daily earthquake consultation module

2.1 地球物理觀測資料管理——以流體學科為例

該模塊實現(xiàn)了自動觸發(fā)形成和發(fā)送流體學科前兆儀器七天數(shù)據(jù)的匯總報告，如圖2所示。該模塊的流程包含如下功能:①連接省局地球物理觀測數(shù)據(jù)庫；②從省局地球物理觀測數(shù)據(jù)庫中提取流體學科各儀器近7天的數(shù)據(jù)和變化情況說明；③對接入的數(shù)據(jù)進行初步“清洗”，包括格式變換、異常數(shù)據(jù)處理等；④再次進行數(shù)據(jù)處理，包含去趨勢、缺數(shù)處理、簡單數(shù)據(jù)分析處理等，此外還有整理各儀器的變化說明；

圖2 地震會商技術系統(tǒng)地球物理觀測資料管理Fig.2 Earthquake Consultation System geophysical observation data monitoring module

⑤對數(shù)據(jù)進行可視化處理，形成圖片、文字和表格；⑥匯總形成完成報告；⑦對響應用戶進行發(fā)送。

2.2 掃描查詢

該模塊主要實現(xiàn)了針對特定臺站、測項的信息查詢功能。流程開發(fā)組將地球物理觀測臺站及測項信息生成二維碼，該模塊掃描二維碼信息并得到響應，返回該臺站及測項最近7天、3個月、3年和歷年的分析圖，適用于臨時查詢特定臺站的短臨、中期和長期觀測數(shù)據(jù)。

2.3 測震學科——以月震情會商為例

該模塊主要實現(xiàn)了自動形成和發(fā)送測震學科每月震情的匯總報告。該模塊包含如下功能:①連接準實時的地震目錄數(shù)據(jù)庫；②利用數(shù)據(jù)庫節(jié)點初步截取全流程所使用的地震目錄；③進一步對地震目錄數(shù)據(jù)進行“清洗”，包括異常數(shù)據(jù)處理、震級格式統(tǒng)一等等；④再次進行數(shù)據(jù)處理，包含最小完整性震級篩選，去重等等；⑤對數(shù)據(jù)進行可視化處理，形成圖片、文字和表格；⑥匯總形成完整震情報告；⑦對響應用戶推送震情報告。

月震情會商模塊最終推送給指定用戶的月震情會商分析報告包含以下內(nèi)容:

（1）本月地震活動概況。以當前時間為截止時間，匯總最近1個月地震活動概況，包含發(fā)生地震總數(shù)，各震級檔地震總數(shù)，最大地震的三要素等信息，而且給出本月地震活動震中分布圖。

（2）地震活動韻律分析。包含各震級檔的M-t圖和N-t圖，分別為本省1級以上M-t圖和近1年的月尺度N-t圖、本省ML2.0以上地震的M-t圖和近一年的周尺度N-t圖、ML2.0以上地震的M-t圖和震中分布圖。

（3）地震活動性參數(shù)分析。包含最近10年的b值時序曲線和地震震中空間分布圖，缺震時序圖，AMR空間分布圖。

（4）顯著序列跟蹤。針對遼寧地區(qū)特色，對營海岫老震區(qū)、蓋州各個震群的地震活動性進行月尺度震情跟蹤。

（5）年度異常跟蹤。對遼寧地區(qū)的測震學科年度異常進行跟蹤分析。

2.4 顯著震情

該模塊的主要功能是顯著地震發(fā)生后，依據(jù)有關規(guī)定生成省局的震后趨勢會商報告。此外，為了滿足震后趨勢會商過程中出現(xiàn)的類比震例查詢以及地震現(xiàn)場獲取臺站信息的查詢需求，添加了地球物理觀測臺站查詢、震情查詢和周邊臺站查詢功能。

（1）震后趨勢模塊。該模塊主要包含11項功能分別為:震情信息，地震發(fā)生三要素和震中分布圖；斷層信息，震中周邊的斷層分布圖并給出周邊斷層與本次地震的距離，給出最近斷層；震中周邊的地理信息，最近的市、縣及、分布圖及匯總表格、人口信息，鄉(xiāng)鎮(zhèn)分布信息；余震信息；歷史地震，周邊歷史地震統(tǒng)計，歷史地震震中分布圖、M-t圖、歷史地震的震級檔統(tǒng)計表和地震目錄；現(xiàn)代地震統(tǒng)計（統(tǒng)計項與歷史地震類似）；地震序列類型，周邊已有震例的歷史地震序列統(tǒng)計和分布圖；震源機制，已有震例的歷史地震震源機制統(tǒng)計和分布圖；測震學異常統(tǒng)計；前兆異常及測項分布圖、表。

（2）震情查詢。為了滿足顯著震情分析會商過程中出現(xiàn)的類比震例查詢需求，編制該模塊。輸入“@p經(jīng)度-緯度”就可以查詢指定經(jīng)緯度附近的震情信息。包含斷層信息、周邊歷史地震信息、震源機制信息、歷史地震序列類型信息、周邊現(xiàn)代地震信息等。

（3）周邊臺站。為了滿足震后趨勢會商過程中出現(xiàn)的地震現(xiàn)場獲取臺站信息的查詢需求，編制該模塊。按特定模板發(fā)送地震信息，即可匯總地震周邊地球物理觀測臺站概況并對指定用戶推送，后續(xù)將觀測臺站的詳細信息匯總報告進行推送，包含臺站位置分布圖，臺站歷史、臺站基本情況介紹、地理環(huán)境、氣候特征、地震地質(zhì)條件、臺站儀器信息。

3 結論和展望

適用于場景開發(fā)的地震會商技術系統(tǒng)是地震會商業(yè)務標準化、自動化的重要體現(xiàn)，是地震行業(yè)信息化建設的主要內(nèi)容。遼寧省地震會商技術系統(tǒng)是適用于遼寧地區(qū)地震會商的多功能、多場景、高度可嵌套的技術模塊集成，實現(xiàn)了不同學科的日常會商、緊急會商、震后趨勢會商和各類查詢功能。目前，遼寧省地震會商系統(tǒng)V1.0版本已通過試點應用，極大的減少了地震預報人員的會商準備時間，節(jié)約出更多的時間進行震情深入分析和研判，提高了地震應急會商的時效性，減輕了地震預報人員的工作量，受到了一致好評。

遼寧地震會商技術系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)專家為平臺搭建的，具有多源異構數(shù)據(jù)融合技術、數(shù)據(jù)清洗處理功能、空間數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘算法、可擴展圖形繪制、報告自動生成、專業(yè)軟件集成、數(shù)據(jù)發(fā)布和云服務技術9大基本功能，基本滿足現(xiàn)階段我省各類會商的不同需求，隨著會商技術系統(tǒng)的不斷研發(fā)、完善，數(shù)據(jù)專家相應的功能也會不斷的完善或添加，使會商人員更方便的進行業(yè)務流程研發(fā)。

目前，我省地震會商技術系統(tǒng)仍不完整，自動評價體系仍未嵌套，初步的日常會商模塊基本滿足各類大小會商需求，但形成完善的會商技術系統(tǒng)仍有很長的路要走。“樂高式”流程開發(fā)降低了研發(fā)門檻，使更多的地震業(yè)務人員投入進來，不斷的完善，形成可持續(xù)的生態(tài)鏈；數(shù)據(jù)專家的不斷完善，更多的擴展節(jié)點的研發(fā)或API接口的使用必將大大降低業(yè)務流程的開發(fā)成本。