地震地球物理數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳 凱 易 江 孫國棟 于天航 汪 建

（中國重慶 401147 重慶市地震局）

0 引言

防震減災(zāi)工作是我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，在數(shù)字化觀測網(wǎng)絡(luò)技術(shù)蓬勃發(fā)展的背景下，對地震基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的正確記錄和處理提出了新的需求。目前數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)多依托于PC 平臺，使用環(huán)境受到約束。為了給工作人員提供方便快捷的技術(shù)工具，開發(fā)一套基于手機(jī)移動端的數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)顯得迫在眉睫。Android 手機(jī)因其龐大的用戶群體成為監(jiān)控系統(tǒng)平臺的首選。

儀器工作狀態(tài)是否正常決定了觀測數(shù)據(jù)記錄質(zhì)量的好壞。相對于通過流服務(wù)進(jìn)行實(shí)時傳輸存儲的測震數(shù)據(jù)（陳靜等，2019），地球物理觀測數(shù)據(jù)因本地存儲統(tǒng)一交換的傳輸策略，導(dǎo)致儀器故障處理的時效性并不高。故障發(fā)生原因往往是多方面的，供電故障、電信故障、程序死機(jī)等均會造成數(shù)據(jù)傳輸故障，導(dǎo)致斷記或數(shù)據(jù)缺失，從而影響觀測數(shù)據(jù)記錄質(zhì)量。及時發(fā)現(xiàn)并排除故障，有利于提高數(shù)據(jù)記錄完整性及臺網(wǎng)運(yùn)行效率。通過開發(fā)地震地球物理數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件，為工作人員在值班及運(yùn)維時提供軟件和技術(shù)支持，及時獲取儀器工作狀態(tài)，可以第一時間發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障并維修，提高工作效率。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

利用Eclipse 開發(fā)工具，完成地震地球物理數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)控軟件的編寫。采用數(shù)據(jù)訪問層、業(yè)務(wù)邏輯層、表示層三層架構(gòu)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)地震地球物理數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)控。表示層（UI）實(shí)現(xiàn)用戶界面功能，將用戶指令傳達(dá)至業(yè)務(wù)邏輯層（BLL）。業(yè)務(wù)邏輯層（BLL）實(shí)現(xiàn)對具體問題的邏輯判斷與執(zhí)行功能，是表示層（UI）和數(shù)據(jù)訪問層（DBL）的中間層，是二者的連接紐帶。接收到表示層（UI）指令后，業(yè)務(wù)邏輯層（BLL）連接數(shù)據(jù)訪問層（DAL），實(shí)現(xiàn)三層之間的數(shù)據(jù)連接和指令傳達(dá)，對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的增加、修改、查詢、刪除等功能，同時將處理結(jié)果反饋至表示層（UI），從而實(shí)現(xiàn)軟件功能（李剛，2015）。

在本系統(tǒng)中，Android 手機(jī)端通過布局文件Layout 和Java 代碼實(shí)現(xiàn)軟件界面加載、數(shù)據(jù)的展示等功能。接口類（Java Servlet）實(shí)現(xiàn)表示層與數(shù)據(jù)層之間的數(shù)據(jù)傳輸，本系統(tǒng)的Java Servlet是部署在應(yīng)用服務(wù)器Tomcat上的程序，將手機(jī)端指令連接到服務(wù)器端，并將數(shù)據(jù)返回到手機(jī)端（王翠萍，2015）。服務(wù)器端采用阿里云服務(wù)器和Mysql 數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)，用于響應(yīng)手機(jī)端指令，為用戶提供所需數(shù)據(jù)。系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意Fig.1 System architecture diagram

2 模塊功能及主要技術(shù)

地球物理數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能模塊因其依賴的運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不同，分為局域網(wǎng)模塊與廣域網(wǎng)模塊。局域網(wǎng)模塊依賴于行業(yè)信息內(nèi)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境實(shí)現(xiàn)，包括儀器狀態(tài)監(jiān)測、實(shí)時數(shù)據(jù)查看、歷史數(shù)據(jù)瀏覽3 大功能模塊。廣域網(wǎng)模塊依賴于阿里云服務(wù)器、輕型應(yīng)用服務(wù)器Tmocat 及Mysql 數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)，包括運(yùn)維信息管理、維修記錄管理、IP 信息管理、日志信息管理、用戶信息管理、臺站路線導(dǎo)航等功能模塊（陳凱等，2018）。系統(tǒng)功能模塊見圖2，軟件功能界面見圖3。通過儀器狀態(tài)、實(shí)時數(shù)據(jù)、歷史曲線、運(yùn)維信息、維修記錄、IP 信息、日志瀏覽、密碼設(shè)置、地圖查看，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。通過以上功能模塊的設(shè)計(jì)，有針對性地實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)數(shù)據(jù)服務(wù)需求。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)Fig.2 Module function structure

圖3 軟件功能界面Fig.3 Software function interface

2.1 局域網(wǎng)模塊

局域網(wǎng)模塊包括儀器狀態(tài)監(jiān)測、實(shí)時數(shù)據(jù)查看、歷史數(shù)據(jù)瀏覽3 大功能模塊，主要為工作中需要獲取儀器工作狀態(tài)和查看儀器數(shù)據(jù)服務(wù)。儀器工作狀態(tài)對數(shù)據(jù)記錄的準(zhǔn)確完整至關(guān)重要，地球物理儀器因其數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟贿B續(xù)性，導(dǎo)致故障處理時效性不高。為了減少故障對數(shù)據(jù)造成的不良影響，值班人員需要不定時進(jìn)行儀器檢查，從而及時準(zhǔn)確的獲取儀器工作狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)故障并通知運(yùn)維人員進(jìn)行故障排除，增加了值班人員工作強(qiáng)度。為解決此客觀問題，提高故障處理的時效性，設(shè)計(jì)儀器狀態(tài)監(jiān)測、實(shí)時數(shù)據(jù)查看、歷史數(shù)據(jù)瀏覽模塊，分步處理數(shù)據(jù)的連續(xù)性與準(zhǔn)確性所面對的問題。

（1）儀器狀態(tài)監(jiān)測模塊。利用儀器狀態(tài)監(jiān)測模塊，可以進(jìn)行儀器的集中聯(lián)通檢測，值班人員可選取不同類型的地球物理儀器進(jìn)行一鍵檢測，查看儀器工作狀態(tài)及網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通狀態(tài)。該模塊主要通過與儀器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通通信實(shí)現(xiàn)，使用類似PC 端的Ping 類來實(shí)現(xiàn)儀器IP 連接操作，將得到儀器狀態(tài)信息返回給客戶端并向用戶進(jìn)行展示。利用該模塊功能，選取儀器類型并啟動，系統(tǒng)將快速進(jìn)行多臺儀器的狀態(tài)聯(lián)通檢測，連接成功顯示綠色色塊，失敗則顯示紅色色塊，具備與PC 端相同顯示效果。儀器連接狀態(tài)界面見圖4。

圖4 儀器狀態(tài)界面Fig.4 Instrument status interface

（2）實(shí)時數(shù)據(jù)查看模塊。實(shí)時數(shù)據(jù)查看模塊主要針對地球物理儀器運(yùn)行不穩(wěn)定，主程序死機(jī)但網(wǎng)絡(luò)通信模塊依然正常的問題而設(shè)計(jì)。通過網(wǎng)絡(luò)連接類（HttpClient）模擬登錄儀器主頁面，并通過WebView（網(wǎng)頁界面顯示類）獲取網(wǎng)頁信息，從而獲得儀器系統(tǒng)時間和當(dāng)前數(shù)據(jù)，并將查詢結(jié)果返回客戶端，客戶端通過TimerTask（定時器）線程進(jìn)行循環(huán)操作，并將結(jié)果循環(huán)輸出至用戶界面向用戶展示。同時，通過MPAndroidChart 圖表控件，將獲取數(shù)據(jù)在客戶端繪圖顯示，則可通過數(shù)據(jù)短期變化趨勢圖，輔助判斷儀器工作狀態(tài)。利用實(shí)時數(shù)據(jù)查看功能，可有效避免Ping 類命令的局限性。

儀器狀態(tài)參數(shù)獲取邏輯主要通過WebView 來實(shí)現(xiàn)。WebView 類通過加載不同儀器的IP 地址來實(shí)現(xiàn)用戶界面展示，并將展示頁面轉(zhuǎn)換成Json 數(shù)據(jù)格式，進(jìn)行關(guān)鍵信息的匹配查詢，從而獲得系統(tǒng)當(dāng)前時間和不同測項(xiàng)的觀測數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)返回客戶端進(jìn)入存儲和繪圖等后續(xù)流程。用戶選擇目標(biāo)臺站并啟動實(shí)時數(shù)據(jù)查看功能，則儀器聯(lián)通狀態(tài)和系統(tǒng)當(dāng)前數(shù)據(jù)分別以色塊和文本予以展示，同時在圖表控件中繪制數(shù)據(jù)曲線實(shí)時連續(xù)動態(tài)圖像，實(shí)現(xiàn)手機(jī)端與儀器顯示屏的實(shí)時輸出。功能界面見圖5。

圖5 實(shí)時數(shù)據(jù)界面Fig.5 Real-time data interface

（3）歷史數(shù)據(jù)瀏覽模塊。該模塊提供儀器前期數(shù)據(jù)波形曲線比對功能。通過FileDownloader（下載控件）連接所需數(shù)據(jù)儀器的下載頁面，通過指令進(jìn)行數(shù)據(jù)的后臺下載，下載完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并通過MPAndroidChart（圖表控件）進(jìn)行繪圖展示，且支持滑動、放大、縮小等操作。該模塊提供當(dāng)前3 天以內(nèi)的數(shù)據(jù)曲線瀏覽，用戶可根據(jù)需求選擇相應(yīng)儀器進(jìn)行瀏覽。點(diǎn)擊完成日期并進(jìn)行臺站選取，點(diǎn)擊Strat 進(jìn)行數(shù)據(jù)下載并予以轉(zhuǎn)換，在MPAndroidChart 圖表控件中繪圖輸出。數(shù)據(jù)曲線界面見圖6。

圖6 歷史曲線界面Fig.6 Historical curve interface

2.2 廣域網(wǎng)模塊

廣域網(wǎng)模塊包括運(yùn)維信息管理、維修記錄管理、IP 信息管理、日志信息管理、用戶信息管理、臺站路線導(dǎo)航模塊。除臺站路線導(dǎo)航模塊外，其余模塊均基于數(shù)據(jù)庫中不同信息實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯管理，故將該類模塊歸為信息管理類模塊統(tǒng)一說明。

2.2.1 信息管理類模塊。該類模塊包括上述幾種具體業(yè)務(wù)信息模塊，主要為工作中需要記錄的操作流程服務(wù)。當(dāng)運(yùn)維人員進(jìn)行儀器的現(xiàn)場維護(hù)、維修升級及IP 地址更改和日志處理等操作后，可通過此類模塊將進(jìn)行記錄存檔，方便日后查閱統(tǒng)計(jì)。該類模塊通過邏輯層的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)用戶到服務(wù)器的交互，將所記錄數(shù)據(jù)分門別類地存儲到數(shù)據(jù)庫不同數(shù)據(jù)表上。所記錄數(shù)據(jù)既可通過客戶端進(jìn)行匯總展示，也可利用Navicat 數(shù)據(jù)庫管理軟件導(dǎo)出到PC 端進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。以往通過PC 端或紙質(zhì)件進(jìn)行此類操作，具有一定滯后性和繁瑣性，通過該類信息模塊設(shè)計(jì)，可將原有記錄流程簡化，提高記錄的時效性和工作效率。

業(yè)務(wù)邏輯層（BLL）響應(yīng)客戶端指令，通過界面獲取用戶業(yè)務(wù)需求，將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行Json 格式封裝，并與部署在應(yīng)用服務(wù)器Tomcat 上的邏輯層進(jìn)行通信，完成對數(shù)據(jù)庫的各項(xiàng)操作，將結(jié)果打包成Json 數(shù)據(jù)返回客戶端，實(shí)現(xiàn)邏輯層數(shù)據(jù)傳輸功能。本系統(tǒng)的邏輯層通過doGet 數(shù)據(jù)傳輸方法實(shí)現(xiàn)。以數(shù)據(jù)管理中運(yùn)維信息的查詢邏輯為例，doGet 數(shù)據(jù)傳輸方法如下：通過廣域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫連接，將通過Android 手機(jī)界面輸入的查詢運(yùn)維信息內(nèi)容進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，傳輸?shù)皆诜?wù)器上運(yùn)行的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行查詢等操作，查詢完成后將數(shù)據(jù)傳回用戶界面，在界面層進(jìn)行布局文件的轉(zhuǎn)換輸出。在數(shù)據(jù)管理功能中，點(diǎn)擊不同標(biāo)簽頁進(jìn)行信息切換，并進(jìn)行分類展示，對于需要詳細(xì)操作的條目，點(diǎn)擊進(jìn)入該條目進(jìn)行瀏覽與修改等操作。數(shù)據(jù)管理功能界面見圖7。

圖7 數(shù)據(jù)管理界面Fig.7 Data management interface

2.2.2 地圖導(dǎo)航模塊。該模塊主要依托百度地圖API 接口開發(fā)，為儀器現(xiàn)場維護(hù)人員服務(wù)。百度地圖API 是為個人開發(fā)者免費(fèi)提供的一套基于百度地圖服務(wù)的應(yīng)用接口，包括JavaScript API、Web 服務(wù)API、Android SDK 等開發(fā)工具與服務(wù)，提供基本地圖展現(xiàn)、搜索、定位、路線規(guī)劃等功能，適用于PC 端、移動端等多種設(shè)備。為避免環(huán)境及人為干擾，地震臺站多在偏僻之地選址，無明顯標(biāo)識。當(dāng)儀器發(fā)生故障無法遠(yuǎn)程排除需要現(xiàn)場維護(hù)時，受限于目標(biāo)臺站的熟悉程度，可能無法第一時間準(zhǔn)確找到臺站位置，導(dǎo)致運(yùn)維的時效性降低。

地圖導(dǎo)航模塊通過查詢數(shù)據(jù)表中臺站的位置，調(diào)用百度地圖路線規(guī)劃服務(wù)，幫助運(yùn)維人員及時到達(dá)臺站排除故障，提高儀器運(yùn)行率。在使用百度地圖API 之前，必須申請第三方Map 服務(wù)的API key，加入系統(tǒng)數(shù)字證書的存儲路徑。導(dǎo)航時根據(jù)GPS 信號進(jìn)行系統(tǒng)初始定位，通過onReceiveLocation 方法，獲取用戶經(jīng)緯度坐標(biāo)完成初始定位，根據(jù)目標(biāo)位置調(diào)用路線規(guī)劃服務(wù)，在當(dāng)前MapView 地圖頁面繪制路線反饋信息。通過該功能，用戶可選取不同臺站，點(diǎn)擊路線導(dǎo)航，系統(tǒng)將調(diào)用百度地圖相關(guān)服務(wù)并反饋規(guī)劃路線，效果見圖8。

圖8 地圖導(dǎo)航界面Fig.8 Map navigation interface

3 軟件實(shí)用效果

地震地球物理數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件安裝完成后，值班人員根據(jù)工作具體內(nèi)容執(zhí)行相應(yīng)業(yè)務(wù)處理流程，軟件運(yùn)行邏輯流程見圖9。用戶在客戶端主界面點(diǎn)擊選取不同模塊，實(shí)現(xiàn)上述各項(xiàng)功能（圖3）。值班人員利用儀器狀態(tài)監(jiān)測模塊，分時段檢測同類儀器狀態(tài)（圖4）。對于檢測狀態(tài)不正常的儀器，可通過實(shí)時數(shù)據(jù)模塊查看儀器實(shí)時數(shù)據(jù)（圖5），也可對比儀器歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)分析（圖6）。在對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析匯總后，若確定儀器存在故障需進(jìn)行現(xiàn)場維護(hù)，及時通知運(yùn)維人員進(jìn)行故障排除。運(yùn)維人員接到任務(wù)后，通過地圖導(dǎo)航模塊確定故障臺站位置，并進(jìn)行路線規(guī)劃（圖8）。完成現(xiàn)場維護(hù)后，結(jié)合運(yùn)維內(nèi)容和儀器維修情況填寫日志記錄，并保存至數(shù)據(jù)庫的不同數(shù)據(jù)表，值班人員亦可進(jìn)行查閱、修改、刪除等操作，進(jìn)行數(shù)據(jù)歸檔（圖7）。

圖9 系統(tǒng)運(yùn)行流程Fig.9 System operation process

本軟件在重慶市地震局渝西片區(qū)運(yùn)維中心試運(yùn)行4 個月，運(yùn)行效果良好，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。值班人員定時進(jìn)行儀器聯(lián)通測試，及時發(fā)現(xiàn)主機(jī)死機(jī)、通信模塊故障等直接表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)通訊異常的故障，故障發(fā)現(xiàn)時效性得到提高。對于網(wǎng)絡(luò)通訊正常的軟故障，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸交換時，利用本軟件進(jìn)行輔助檢查，并結(jié)合數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行判斷。同時，運(yùn)維人員利用本軟件，可較為直觀地獲取故障表現(xiàn)特征，并采取相應(yīng)手段恢復(fù)數(shù)據(jù)，在一定程度上縮短了故障排除時間，工作效率得以提高。

表1 軟件運(yùn)行效果匯總Table 1 Summary of software operation effect

4 結(jié)論與展望

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，手機(jī)客戶端軟件以其便捷的優(yōu)勢彌補(bǔ)了PC 端軟件的不足。地震地球物理數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件開發(fā)完成后，在重慶市地震局渝西片區(qū)運(yùn)維中心進(jìn)行試運(yùn)行，結(jié)合云服務(wù)器、MySql 數(shù)據(jù)庫和百度地圖API 等技術(shù)，有效整合了監(jiān)測工作內(nèi)容，簡化操作流程，規(guī)范日志信息歸檔。當(dāng)VPN 連接內(nèi)網(wǎng)權(quán)限開啟后，本軟件局域網(wǎng)模塊也可在廣域網(wǎng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)儀器狀態(tài)隨時監(jiān)控，可直接在客戶端查看數(shù)據(jù)，便于數(shù)據(jù)管理，工作效率提高。

基于用戶提交需求、服務(wù)器進(jìn)行處理并返回結(jié)果這一交互策略進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，對于實(shí)時獲取儀器狀態(tài)參數(shù)具有一定局限性。未來可嘗試將用戶主動提交需求的過程自動化，并通過在服務(wù)器上部署的應(yīng)用程序進(jìn)行儀器狀態(tài)判斷和故障信息推送，從而實(shí)現(xiàn)地球物理儀器狀態(tài)監(jiān)控軟件的自動化運(yùn)行。因Android 軟件具備開源的開發(fā)環(huán)境，本軟件具有良好的拓展性，可根據(jù)不同業(yè)務(wù)需求，有針對性地開發(fā)相應(yīng)功能模塊，進(jìn)一步完善軟件功能。本軟件具有良好的可移植性，通過本地區(qū)運(yùn)行效果測試反饋，可向行業(yè)內(nèi)其他省地震局進(jìn)行推廣，以期取得更好的使用效果。