基于地震數(shù)據(jù)專家的子午鏈臺(tái)站地磁自動(dòng)化產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳洪凱 陳傳華 張 明 趙 帝 灑榮利

（中國(guó)山東 271000 山東省地震局泰安基準(zhǔn)地震臺(tái)）

0 引言

地磁活動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的時(shí)變過(guò)程，不僅有形態(tài)異、種類繁、頻譜寬、分量多的特點(diǎn)，還具有在空間上分布廣和形成原因復(fù)雜等特性（徐文耀，1994；張敏，2012）。地磁活動(dòng)指數(shù)的發(fā)展由少到多、由簡(jiǎn)單單組到復(fù)雜組合，多種形式逐步出現(xiàn)，從最早出現(xiàn)的C指數(shù)，到K指數(shù)、Dst指數(shù)以及極光電集流指數(shù)等，目前C-K-A系列指數(shù)仍是認(rèn)識(shí)空間天氣預(yù)報(bào)和空間環(huán)境描述的主要指數(shù)（徐文耀，2009）。我國(guó)針對(duì)地表20—30 km 以上到幾百千米的中高層大氣、電離層和磁層以及行星空間環(huán)境中的相關(guān)參數(shù)等進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，故而沿120°E 子午線附近、30°N 附近布設(shè)監(jiān)測(cè)臺(tái)站，組成一個(gè)以鏈為主、鏈網(wǎng)結(jié)合的東半球空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測(cè)子午鏈（簡(jiǎn)稱子午工程），作為我國(guó)“十一五”期間部署的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目，于2008 年1 月開(kāi)工建設(shè)，歷經(jīng)4 年多，圓滿完成建設(shè)任務(wù)。

地球上存在的地磁場(chǎng)對(duì)帶電粒子、等離子體運(yùn)動(dòng)、電流體系、磁層、電離層結(jié)構(gòu)等具有重要的調(diào)控作用，加之太陽(yáng)電磁輻射的天頂角效應(yīng)，導(dǎo)致空間環(huán)境的重要變化多沿地球子午線方向變化，因此子午圈位置具有特殊性。從全球角度來(lái)看，中低緯度地區(qū)以海洋為主，陸基地磁臺(tái)站數(shù)量較少，而我國(guó)地跨低中高緯度，對(duì)子午圈監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)明顯。子午工程的建立可以為各類用戶提供完整、連續(xù)、可靠的多學(xué)科、多層次空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（劉瑞豐等，2007），而地磁指數(shù)報(bào)告自動(dòng)化產(chǎn)出系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源是子午線附近的地磁觀測(cè)臺(tái)站，特別是磁暴期間，劇烈變化的磁場(chǎng)會(huì)對(duì)航空、航天、電網(wǎng)、通訊等地面技術(shù)產(chǎn)生影響，因此，對(duì)子午鏈地磁脈動(dòng)和磁暴特征的研究，不僅在了解地球空間環(huán)境以及災(zāi)害性空間天氣變化規(guī)律上有重要意義，同時(shí)也將在有效識(shí)別地震地磁異常信息中發(fā)揮重要作用。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與構(gòu)建

子午鏈臺(tái)站地磁觀測(cè)系統(tǒng)原有軟件主要是為滿足臺(tái)站儀器監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等構(gòu)建，在滿足多行業(yè)用戶需求、產(chǎn)品多樣化及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)適配方面存在短板。因此，為了進(jìn)一步提高子午鏈臺(tái)站地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的服務(wù)能力，基于地震會(huì)商技術(shù)系統(tǒng)（張貝等，2020）的低代碼開(kāi)發(fā)技術(shù)和地震數(shù)據(jù)專家（DatistEQ）可視化業(yè)務(wù)流程編輯軟件，結(jié)合地磁報(bào)告產(chǎn)品用戶需求，設(shè)計(jì)一套自動(dòng)化業(yè)務(wù)流程，實(shí)現(xiàn)云端部署、自動(dòng)化運(yùn)行，并適用于手機(jī)等移動(dòng)端瀏覽和訪問(wèn)的子午鏈臺(tái)站地磁自動(dòng)化產(chǎn)品系統(tǒng)。

根據(jù)應(yīng)用需求，產(chǎn)品數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家地磁臺(tái)網(wǎng)中心前兆管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，選擇位于子午鏈附近的14 個(gè)臺(tái)站，分別為內(nèi)蒙古滿洲里臺(tái)、浙江杭州地磁臺(tái)、山東馬陵山地震臺(tái)、湖北應(yīng)城臺(tái)、湖南邵陽(yáng)臺(tái)、廣東肇慶臺(tái)、海南瓊中地震臺(tái)、四川成都臺(tái)、西藏拉薩地磁臺(tái)、西藏察隅地震臺(tái)、河北紅山地震臺(tái)、內(nèi)蒙古錫林浩特臺(tái)、重慶武隆仙女山臺(tái)和四川馬邊臺(tái)，通過(guò)對(duì)14 個(gè)臺(tái)站磁通門數(shù)據(jù)的讀取，獲取臺(tái)站磁通門D、H、Z三分量數(shù)據(jù)、K指數(shù)數(shù)據(jù)和最小值時(shí)間數(shù)據(jù)，并運(yùn)用地震數(shù)據(jù)專家（DatistEQ）中Python 節(jié)點(diǎn)等進(jìn)行自定義繪制或二次開(kāi)發(fā)，最終形成5 個(gè)圖件，分別為子午鏈臺(tái)站D、H、Z三分量日最大變幅3 圖、子午鏈臺(tái)站極小值時(shí)間圖和子午鏈臺(tái)站K指數(shù)圖。子午鏈臺(tái)站指數(shù)報(bào)告技術(shù)路線示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 子午鏈臺(tái)站指數(shù)報(bào)告技術(shù)路線示意圖Fig.1 Technical route diagram of the meridian station index report

2 系統(tǒng)功能與實(shí)現(xiàn)

在傳統(tǒng)工作模式下查看臺(tái)站各項(xiàng)指數(shù)時(shí)，需要在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中手動(dòng)輸入時(shí)間等參數(shù)，讀取地磁前兆數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，生成所需圖件，深加工成報(bào)告，操作步驟繁瑣，耗時(shí)長(zhǎng)，效率較低。通過(guò)數(shù)據(jù)專家軟件，編寫報(bào)告流程，運(yùn)行子午鏈臺(tái)站地磁指數(shù)報(bào)告自動(dòng)產(chǎn)出系統(tǒng)，定時(shí)自動(dòng)讀取地磁前兆數(shù)據(jù)庫(kù)中14 個(gè)臺(tái)站的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)流經(jīng)清洗、轉(zhuǎn)換、組合、制圖等流程，產(chǎn)生所需數(shù)據(jù)與圖形，最終保存為報(bào)告文件進(jìn)行推送，提高了工作效率與準(zhǔn)確率。利用子午鏈臺(tái)站地磁指數(shù)報(bào)告自動(dòng)產(chǎn)出系統(tǒng)，結(jié)合地震數(shù)據(jù)專家（DatistEQ）功能，從K指數(shù)圖、D、H、Z分量最大日變幅圖、極小值時(shí)間圖3 個(gè)流程來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與繪圖。

2.1 K 指數(shù)圖

讀取地磁前兆數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，獲取全部臺(tái)站K指數(shù)，按照選擇的14 個(gè)臺(tái)站進(jìn)行過(guò)濾，通過(guò)列序、拆分、過(guò)濾、組合等一系列流程，生成數(shù)據(jù)文件，經(jīng)由軟件中的Python 節(jié)點(diǎn)，繪制生成子午鏈臺(tái)站K指數(shù)圖（圖2）。

圖2 子午鏈臺(tái)站K 指數(shù)Fig.2 K index diagram of Meridional stations

圖3 子午鏈臺(tái)站D、H、Z 三分量最大日變幅分布Fig.3 Maximum amplitude distribution of D,H,Z components of Meridional stations

2.2 D、H、Z 分量最大日變幅圖

地磁擾動(dòng)幅度在地磁儀D、H、Z三分量記錄上表現(xiàn)顯著，尤其在磁暴時(shí)段內(nèi)，水平分量H表現(xiàn)更為明顯。因此，按照編輯流程，將子午鏈臺(tái)站D、H、Z分量日變幅值，以不同值域、不同顏色的方式標(biāo)注在地圖上，直觀展示子午鏈臺(tái)站日變幅變化。

2.3 極小值時(shí)間圖

地磁前兆數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇的臺(tái)站通過(guò)排列、篩選流程，按垂直分量Z低點(diǎn)時(shí)間進(jìn)行順序排列，經(jīng)時(shí)間換算、替換、過(guò)濾等流程節(jié)點(diǎn)，生成固定格式數(shù)據(jù)，使用JsChart 模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，將篩選排列完成的數(shù)據(jù)按時(shí)間比例繪制成餅狀圖，在中國(guó)地圖所示臺(tái)站位置上予以標(biāo)注，由此更加直觀地顯示子午鏈上不同臺(tái)站垂直分量Z的低點(diǎn)位移情況（圖4）。

圖4 子午鏈臺(tái)站極小值時(shí)間Fig.4 The minimum time diagram of Meridional chain stations

3 結(jié)論與展望

地磁指數(shù)報(bào)告產(chǎn)出系統(tǒng)的構(gòu)建，通過(guò)地震數(shù)據(jù)專家軟件，對(duì)前兆臺(tái)網(wǎng)備份中心數(shù)據(jù)源進(jìn)行讀取、清洗、統(tǒng)計(jì)、繪圖、整合等操作，實(shí)現(xiàn)報(bào)告產(chǎn)出的一鍵自動(dòng)化，并可經(jīng)由微信端接口進(jìn)行報(bào)告產(chǎn)品推送。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于，數(shù)據(jù)處理、參數(shù)計(jì)算等業(yè)務(wù)邏輯由用戶定義，自動(dòng)生成XML 格式的流程代碼，不但可以提高工作效率及數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，還可為地震行業(yè)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)自動(dòng)化、流程化、智能化模式打下基礎(chǔ)。本研究結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)，可為其他行業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的自動(dòng)化產(chǎn)出提供設(shè)計(jì)思路，為應(yīng)用人員提供便捷數(shù)據(jù)來(lái)源和可視化數(shù)據(jù)圖形，便于快速研判以及精準(zhǔn)決策，提高行業(yè)服務(wù)能力和辦事效率。

文中所述流程目前僅針對(duì)子午鏈臺(tái)站地磁相關(guān)指數(shù)的匯總與繪圖，后續(xù)仍需對(duì)臺(tái)站數(shù)據(jù)產(chǎn)品的產(chǎn)出深入挖掘，為地震事業(yè)及其他行業(yè)的深入研究提供便利服務(wù)。