地球物理臺(tái)網(wǎng)儀器監(jiān)控可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙祖虎 吳利軍 姜佳寧 張諾男 馬士振

1）中國(guó)河南450062 河南省地震局鄭州地震臺(tái)

2）中國(guó)北京100036 中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所

3）中國(guó)河北075400 河北省地震局懷來(lái)地震臺(tái)

4）中國(guó)北京100080 北京市地震局

0 引言

數(shù)據(jù)可視化技術(shù)是數(shù)據(jù)挖掘的重要方法之一，可以直觀(guān)展現(xiàn)和分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)信息的規(guī)律（李學(xué)偉等，2019）。其交互性、抽象性、高認(rèn)知性的特點(diǎn)，可以增強(qiáng)數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)效果，方便用戶(hù)以更直觀(guān)的方式觀(guān)察數(shù)據(jù)，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中隱藏的信息。該項(xiàng)技術(shù)正逐步成為一項(xiàng)研究數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)處理、決策分析等問(wèn)題的綜合技術(shù)。

隨著城市、交通、氣象等數(shù)據(jù)容量和復(fù)雜性的與日俱增，數(shù)據(jù)可視化的需求越來(lái)越大，（謝然，2014），成為人類(lèi)對(duì)信息的一種新的閱讀和理解方式，數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)業(yè)已成為信息化建設(shè)不可或缺的核心基礎(chǔ)。據(jù)調(diào)查，數(shù)據(jù)可視化已廣泛應(yīng)用于政府、物流、金融、地產(chǎn)、醫(yī)療、安全、制造和教育等行業(yè)，在地震行業(yè)近年來(lái)也得到廣泛應(yīng)用，如：吳雙等（2020）基于Matlab 的GUI 開(kāi)發(fā)環(huán)境，開(kāi)發(fā)了地震計(jì)自噪聲計(jì)算可視化軟件；崔滿(mǎn)豐等（2020）對(duì)Java easysite 平臺(tái)進(jìn)行技術(shù)開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)了地震應(yīng)急微直播信息平臺(tái)；馬士振等（2020）基于Python 語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)了寬頻帶地震計(jì)零位狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與發(fā)布系統(tǒng)。

從模擬記錄到數(shù)字化記錄，歷經(jīng)50 多年建設(shè)與發(fā)展，我國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)地震監(jiān)測(cè)能力得到大幅提升。相關(guān)研究有：賀巍等（2016）、高鵬等（2017）、趙楠等（2017）、何少林等（2019）、姜佳寧等（2019）使用不同編程語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)了供電、地震觀(guān)測(cè)儀器設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)視軟件；李剛等（2012）、高東輝等（2013）使用Nagios 免費(fèi)開(kāi)源軟件，胡玉良等（2016）使用HostMonitor 商用運(yùn)維管理軟件，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域地球物理臺(tái)網(wǎng)中心臺(tái)網(wǎng)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)化儀器的監(jiān)控與管理。上述軟件多針對(duì)某特定臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站、某類(lèi)型儀器，實(shí)現(xiàn)某種特定功能，或需要硬件支撐來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器設(shè)備的監(jiān)視和控制，適用范圍相對(duì)狹窄，推廣應(yīng)用具有一定局限性（姜佳寧等，2019），且可視化程度低，不便于對(duì)儀器設(shè)備的高效管理和綜合監(jiān)控。

本文在對(duì)數(shù)據(jù)可視化技術(shù)研究和地震觀(guān)測(cè)儀器自動(dòng)監(jiān)控軟件（以下簡(jiǎn)稱(chēng)SIAM）深入開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)上，通過(guò)研發(fā)地球物理臺(tái)網(wǎng)儀器監(jiān)控可視化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)Web 頁(yè)面對(duì)地球物理觀(guān)測(cè)儀器監(jiān)控結(jié)果的可視化展示，達(dá)到所見(jiàn)即所得的效果，通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)、短信、企業(yè)微信等方式發(fā)布告警信息，提醒用戶(hù)進(jìn)行人工判定干預(yù)。

1 研究思路及技術(shù)途徑

觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)是地震學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)（鐘衛(wèi)星等，2016），儀器連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行又是產(chǎn)出高質(zhì)量觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)（姜佳寧等，2019）。地球物理臺(tái)網(wǎng)儀器監(jiān)控可視化系統(tǒng)充分考慮了先進(jìn)性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、可擴(kuò)充性和易維護(hù)性等原則，以適用地震系統(tǒng)的綜合管理需求。地球物理臺(tái)網(wǎng)儀器監(jiān)控可視化構(gòu)架見(jiàn)圖1。

圖1 地球物理臺(tái)網(wǎng)儀器監(jiān)控可視化系統(tǒng)構(gòu)架Fig.1 Architecture of instrument monitoring visualization system for geophysical network

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用SQL Sever 數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分考慮擴(kuò)展需求、移植需要，具有良好的擴(kuò)展性、伸縮性和適度冗余。采用分布式設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)軟件間的互聯(lián)互通、功能互補(bǔ)和所見(jiàn)即所得的可視化展示功能，確保長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)視覺(jué)元素、操作行為、數(shù)據(jù)格式等信息進(jìn)行統(tǒng)一，防止重復(fù)設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)操作便捷、數(shù)據(jù)的一致性和有效性，便于管理和維護(hù)。網(wǎng)頁(yè)發(fā)布功能通過(guò)配置，使用Microsoft Windows 操作系統(tǒng)自帶的IIS（Internet Information Services）互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)組件，讀取“SIAM”對(duì)觀(guān)測(cè)儀器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備監(jiān)控結(jié)果寫(xiě)入的對(duì)應(yīng)JS 文件，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控結(jié)果的Web 頁(yè)面訪(fǎng)問(wèn)，網(wǎng)內(nèi)用戶(hù)只需通過(guò)瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)運(yùn)行該系統(tǒng)的IP 地址，便可方便、快捷、直觀(guān)地通過(guò)可視化頁(yè)面掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，若網(wǎng)絡(luò)路由策略允許，亦可實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)段或互聯(lián)網(wǎng)地址訪(fǎng)問(wèn)。監(jiān)控主機(jī)通過(guò)配置使用Microsoft Windows 系統(tǒng)自帶的語(yǔ)音助手功能，客戶(hù)端電腦啟用谷歌瀏覽器的語(yǔ)音播報(bào)代碼，對(duì)SIAM 監(jiān)控結(jié)果和最新地震信息進(jìn)行文本轉(zhuǎn)語(yǔ)音播報(bào)。充分適應(yīng)地震系統(tǒng)綜合管理需求，滿(mǎn)足地震觀(guān)測(cè)儀器監(jiān)控管理、數(shù)據(jù)管理、異常報(bào)警、地震監(jiān)測(cè)能力展示等需要，把地震觀(guān)測(cè)儀器監(jiān)控與地震信息速報(bào)整合為一個(gè)相互關(guān)聯(lián)協(xié)調(diào)的綜合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地震監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的統(tǒng)一管理、信息共享及聯(lián)動(dòng)控制。

（1）SIAM 軟件深層次開(kāi)發(fā)。SIAM 軟件采用Visual Basic 作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，使用單進(jìn)程、多線(xiàn)程的工作模式進(jìn)行整體架構(gòu)，采用流程化結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)地球物理類(lèi)儀器定時(shí)自動(dòng)監(jiān)控功能。對(duì)SIAM 進(jìn)行功能優(yōu)化，將觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)、各種監(jiān)控結(jié)果以JS 文件方式產(chǎn)出，在可視化監(jiān)控頁(yè)面展示。

（2）開(kāi)發(fā)EqDeal 軟件。使用Visual Basic 開(kāi)發(fā)語(yǔ)言編寫(xiě)EqDeal 軟件，實(shí)現(xiàn)從位于行業(yè)網(wǎng)的地震目錄服務(wù)器進(jìn)行地震目錄數(shù)據(jù)的下載、提取并轉(zhuǎn)換為JS 文件，以備地球物理臺(tái)網(wǎng)儀器監(jiān)控可視化系統(tǒng)實(shí)時(shí)讀取，Wechat Message 軟件予以信息發(fā)布。

（3）WechatMessage 軟件。使用Python 開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，編寫(xiě)WechatMessage 軟件，從SIAM 定時(shí)監(jiān)控結(jié)果中讀取告警信息，實(shí)現(xiàn)通過(guò)第三方短信平臺(tái)或架設(shè)于中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所內(nèi)網(wǎng)環(huán)境的短信服務(wù)器，發(fā)送儀器設(shè)備告警短信，通過(guò)企業(yè)微信平臺(tái)發(fā)送告警圖形、告警信息以及全球、全國(guó)最新地震信息。

2 可視化模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于Python、Java Script、ASP.NET 編程語(yǔ)言，采用B/S 架構(gòu)，開(kāi)發(fā)地球物理臺(tái)網(wǎng)儀器監(jiān)控可視化系統(tǒng)。系統(tǒng)界面及模塊功能示意見(jiàn)圖2。

圖2 地球物理臺(tái)網(wǎng)儀器監(jiān)控可視化系統(tǒng)界面Fig.2 Interface of instrument monitoring visualization system of geophysical network

該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)置，可進(jìn)行功能擴(kuò)展，且支持在移動(dòng)平臺(tái)上的交互式應(yīng)用功能，可適應(yīng)地震系統(tǒng)綜合管理模式，滿(mǎn)足地震觀(guān)測(cè)儀器監(jiān)控管理、數(shù)據(jù)管理、異常報(bào)警、地震監(jiān)測(cè)能力展示等需要。

2.1 臺(tái)站分布與告警

通過(guò)數(shù)據(jù)可視化設(shè)置功能，讀取SIAM 軟件中所設(shè)置的臺(tái)網(wǎng)中心、各觀(guān)測(cè)站點(diǎn)名稱(chēng)、經(jīng)緯度等信息，寫(xiě)入對(duì)應(yīng)的JS 文件，按隸屬關(guān)系，在json 格式的行政區(qū)劃底圖上予以展示。若為省、直轄市和自治區(qū)地圖，可單擊顯示為地級(jí)市地圖。展示內(nèi)容包含臺(tái)站數(shù)量、儀器數(shù)量、告警信息數(shù)量、監(jiān)控進(jìn)度，異常告警時(shí)站點(diǎn)標(biāo)識(shí)、告警條數(shù)提示等。

2.2 臺(tái)網(wǎng)儀器監(jiān)控

SIAM 軟件中所設(shè)置的站點(diǎn)儀器設(shè)備臺(tái)套數(shù)以藍(lán)色柱狀圖方式予以展示，檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)某站點(diǎn)、某儀器設(shè)備異常，則觸發(fā)相應(yīng)告警條件，異常儀器臺(tái)套數(shù)以紅色柱狀圖予以展示。

2.3 學(xué)科儀器監(jiān)控

SIAM 軟件中所設(shè)置的各站點(diǎn)儀器設(shè)備信息，按地球物理觀(guān)測(cè)地磁、地電、形變、流體、重力、輔助等學(xué)科劃分，用藍(lán)色柱狀圖分別展示，某學(xué)科、某儀器檢測(cè)過(guò)程中觸發(fā)告警條件，異常臺(tái)套數(shù)以紅色柱狀圖展示。可視化代碼如下

2.4 全球、全國(guó)歷史及最新地震

EqDeal 軟件定時(shí)自動(dòng)從位于行業(yè)網(wǎng)或公網(wǎng)的中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心地震目錄服務(wù)器下載已公開(kāi)發(fā)布的全球、全國(guó)地震目錄，存儲(chǔ)于已加密的SQL Server 數(shù)據(jù)庫(kù)。全球地震分布：顯示全球范圍內(nèi)近1 年M≥7.0 地震的震中分布。全國(guó)地震分布：可根據(jù)用戶(hù)自定義設(shè)置，顯示全國(guó)范圍內(nèi)MS或ML兩種震級(jí)標(biāo)度不同震級(jí)下限的震中分布。利用可視化監(jiān)控頁(yè)面寫(xiě)入的Python 代碼段，實(shí)時(shí)爬取中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)地震編目發(fā)布的最新地震信息，予以聲音和彈框告警，同時(shí)觸發(fā)短信和企業(yè)微信告警條件，同步推送相應(yīng)告警信息。微信推送代碼如下

2.5 儀器狀態(tài)展示模塊

儀器狀態(tài)體現(xiàn)了設(shè)備隨時(shí)間推移所產(chǎn)生的變化，該模塊含網(wǎng)絡(luò)連通率、儀器時(shí)鐘差2 個(gè)可視化模塊，可視化界面結(jié)合時(shí)間軸折線(xiàn)圖形式予以展示。以?xún)x器時(shí)鐘差為例，代碼如下

2.6 觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)狀態(tài)展示模塊

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)連續(xù)率、數(shù)據(jù)有效率和實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)等進(jìn)行監(jiān)控，可避免造成嚴(yán)重的數(shù)據(jù)丟失和產(chǎn)出大量錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，有助于及時(shí)掌握儀器產(chǎn)出觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的情況。

“異常”通常是指觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的“非正常變化”，如雷電和降雨等自然干擾、爆破與地下水開(kāi)采等人為干擾以及同震效應(yīng)等，均會(huì)對(duì)不同觀(guān)測(cè)儀器產(chǎn)生不同影響。

可利用差分分析，識(shí)別觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)中是否存在干擾、地震或前兆異常，實(shí)現(xiàn)對(duì)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)變化幅度（下文簡(jiǎn)稱(chēng)變幅）異常的監(jiān)視。設(shè)置合適的變幅閾值（通常設(shè)置為一階差分最大絕對(duì)值的1.5—2 倍）、數(shù)據(jù)間隔和異常類(lèi)型，可監(jiān)視階變、單點(diǎn)突跳、連續(xù)突跳和區(qū)段異常等。

閾值是指正常觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)值范圍。SIAM 軟件通過(guò)比較觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)和閾值的方式，監(jiān)視是否即將或已經(jīng)產(chǎn)出錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效性分析。比如：地震或爆破引起的豎直擺、水平擺靠擺（恒定某一數(shù)值）；水位探頭是否即將露出水面或被淹沒(méi)（大于或小于某一數(shù)值）；核旋、水氡、水汞、降水量等儀器＜0 為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，等。

儀器記錄因停電等出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺測(cè)時(shí)，自動(dòng)使用“NULL”字符補(bǔ)齊，利用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)完整性分析時(shí)認(rèn)定為缺測(cè)。而在數(shù)據(jù)有效性分析時(shí)，“NULL”被視為有效數(shù)據(jù)，僅將超出閾值的數(shù)據(jù)視為無(wú)效數(shù)據(jù)。

在SIAM 軟件使用過(guò)程中，用戶(hù)需結(jié)合臺(tái)站實(shí)際，根據(jù)觀(guān)測(cè)儀器產(chǎn)出數(shù)據(jù)情況，在相應(yīng)功能模塊進(jìn)行閾值的合理設(shè)置，如：形變類(lèi)儀器對(duì)同震波和爆破記錄的變幅較大，有的擺式儀器會(huì)產(chǎn)生靠擺現(xiàn)象，需要盡可能對(duì)更多地震或爆破時(shí)段的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行一階差分分析，通過(guò)設(shè)置合理的變幅閾值達(dá)到預(yù)期監(jiān)視效果。數(shù)據(jù)間隔是指，大于所設(shè)置變幅閾值的2 個(gè)數(shù)據(jù)之間允許的最大間隔個(gè)數(shù)。設(shè)置該值主要用于區(qū)分地震或者短時(shí)間內(nèi)間歇性出現(xiàn)的階變、單點(diǎn)突跳及連續(xù)突跳，達(dá)2 次及以上則判定為異?；蚋蓴_。任意2 次異常間隔個(gè)數(shù)≤此值將被歸類(lèi)為“區(qū)段異?！?，≥|某值|被認(rèn)為是靠擺或無(wú)效，產(chǎn)出＞2 個(gè)“NULL”字符即認(rèn)為數(shù)據(jù)存在缺測(cè)。

根據(jù)SIAM 軟件設(shè)置，對(duì)地球物理觀(guān)測(cè)儀器運(yùn)行狀態(tài)和觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)讀取、備份以及格式轉(zhuǎn)換，按照用戶(hù)在儀器狀態(tài)與數(shù)據(jù)監(jiān)視模塊中預(yù)設(shè)的各項(xiàng)閾值、參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)判定，將觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)和異常信息寫(xiě)入可視化文件，當(dāng)日觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)按設(shè)置的時(shí)間間隔，在可視化頁(yè)面輪動(dòng)播放，無(wú)效數(shù)據(jù)、異常變幅、干擾（突跳、階變）、地震（連續(xù)突跳）、限幅等告警信息在臺(tái)（站）網(wǎng)分布與告警模塊予以發(fā)布，并以語(yǔ)音、短信、企業(yè)微信等方式予以告警。各觀(guān)測(cè)儀器運(yùn)行和當(dāng)天數(shù)據(jù)狀況一目了然，有效避免了人工操作的不便和繁瑣，提高了儀器故障和數(shù)據(jù)異常發(fā)現(xiàn)的及時(shí)性。以河南省鄭州地震臺(tái)觀(guān)測(cè)儀器部分測(cè)項(xiàng)為例，給出數(shù)據(jù)異常判定方式及判定標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果見(jiàn)表1。

3 軟件應(yīng)用

河南省鄭州地震臺(tái)下屬觀(guān)測(cè)站點(diǎn)4 個(gè)，儀器11 臺(tái)（套），測(cè)項(xiàng)47 個(gè)，自2020 年部署SIAM 軟件和地球物理臺(tái)網(wǎng)儀器監(jiān)控可視化系統(tǒng)。以該地震臺(tái)為例，分析SIAM 軟件應(yīng)用的實(shí)效性。如圖3 所示，該臺(tái)站出現(xiàn)停電或網(wǎng)絡(luò)通訊故障或觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)異常現(xiàn)象后，通過(guò)可視化界面一目了然，且語(yǔ)音播報(bào)、手機(jī)短信、企業(yè)微信同期發(fā)出告警信息，提醒工作人員及時(shí)修復(fù)，故障解決效率大幅提升。如圖4 所示，SIAM 軟件監(jiān)測(cè)到周口地電儀時(shí)鐘錯(cuò)誤及氣象三要素降水量出現(xiàn)階變，手機(jī)短信和企業(yè)微信同期推送告警信息。如圖5 所示，2020 年7 月7 日加羅林群島地區(qū)6.2 級(jí)地震發(fā)生后，SIAM 軟件及時(shí)發(fā)出信息推送。

圖3 可視化系統(tǒng)監(jiān)控結(jié)果頁(yè)面Fig.3 Monitoring results page of the visualization system

圖4 周口地震臺(tái)數(shù)據(jù)異常告警Fig.4 Data anomaly alarming of Zhoukou Seismic Station

圖5 2020 年7 月7 日加羅林群島地區(qū)MS 6.2 地震消息Fig.5 The MS 6.2 earthquake struck the Carolingian Islands on July 7,2020

目前，SIAM 軟件已在中國(guó)地震局預(yù)測(cè)研究所、河南省地震局鄭州地震臺(tái)、河北省地震局張家口中心地震臺(tái)等單位得到初步應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控站點(diǎn)19 個(gè)，儀器59 臺(tái)（套），測(cè)項(xiàng)分量總數(shù)183 個(gè)。通過(guò)該系統(tǒng)的搭建，可直觀(guān)展示監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)，有效提高地震監(jiān)測(cè)、運(yùn)維管理等綜合業(yè)務(wù)能力，信息化程度將得到大幅提升，地球物理觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)價(jià)值得到充分體現(xiàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

SIAM 軟件利用ASP.NET 和Web 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了地球物理臺(tái)網(wǎng)儀器監(jiān)控可視化和告警信息多樣化，適應(yīng)地震系統(tǒng)的綜合管理模式，具備在移動(dòng)平臺(tái)上交互式應(yīng)用功能，能夠滿(mǎn)足地震觀(guān)測(cè)儀器監(jiān)控管理、數(shù)據(jù)管理、異常報(bào)警、地震監(jiān)測(cè)能力展示等需要，實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一管理、信息共享及聯(lián)動(dòng)控制。

目前可視化系統(tǒng)僅初步反映了少量地球物理臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)的時(shí)序變化情況，對(duì)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)率、有效率僅開(kāi)展了簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)工作，告警信息之間視圖的交互特性仍需人工分析和干預(yù)判斷。如何智能分析總結(jié)各信息之間的相互關(guān)系，從采集的大量數(shù)據(jù)中提取更多關(guān)鍵信息，以更加靈活和智能的方式取代人工判斷和干預(yù)，尚需進(jìn)一步研究。