福建震情會商技術系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

洪明泉，康蘭池，陳 光，王紫燕，陳超賢

（福建省地震局，福州 350002）

震情會商是我國地震主管部門50多年來形成的工作機制，是地震預報意見產出的關鍵環(huán)節(jié)。地震會商業(yè)務作為重要的震情研判手段，在地震監(jiān)測預報業(yè)務體系內具有重要意義。地震會商是一項涉及多部門、多學科、多源數(shù)據(jù)、多種軟件、多維呈現(xiàn)的綜合性研究工作[1]。根據(jù)《中華人民共和國防震減災法》，地震部門需要通過分級地震會商機制，給出長、中、短和臨地震預報意見。長期以來，傳統(tǒng)的會商模式效率出現(xiàn)諸多弊端，主要表現(xiàn)為各級會商結論意見的產出多缺乏定量模型依據(jù)，對國際上發(fā)展的模型方法缺少深入研究和實踐應用。此類問題產生的主要原因是，每種模型方法的吸收、學習需投入大量人力物力，模型參數(shù)的訓練和優(yōu)化需要專業(yè)化技術團隊支撐，導致嫻熟應用一套程序成本較高[2]。福建省地震局從“九五”時期數(shù)字化改革后，建設了數(shù)字化地震臺網、流動地震臺網、前兆觀測臺網和高精度的GPS臺網等各類地震觀測臺網，同時也采集了大量的觀測數(shù)據(jù)，信息化程度也逐步完善[3-6]。然而省局現(xiàn)有的會商技術系統(tǒng)都比較老舊，無法滿足目前現(xiàn)階段信息化飛速發(fā)展的要求，同時地震預報的專家們對分析日益增加的海量數(shù)據(jù)也提出了更高的需求。因此在當前形勢下，有必要開發(fā)一套滿足各級、各類會商業(yè)務需求的軟件平臺系統(tǒng)，規(guī)范數(shù)據(jù)來源、技術方法使用和自動評價機制。

福建省地震局預報中心根據(jù)自身數(shù)據(jù)及應用體系情況與中國地震局地震預測研究室關于印發(fā)《震情會商技術方法業(yè)務應用推薦清單（2020年）》的函的要求，福建省地震局震情會商系統(tǒng)存在對震情會商技術方法集成應用不足、日常會商功能自動化程度不足和應急會商功能不成熟等問題。

1.1 地震會商中存在的問題

1.1 震情會商技術方法集成應用不全面

《震情會商技術方法業(yè)務應用推薦清單（2020年）》中地震學方法包括b值，前兆震群，地震空區(qū)，地震條帶，地震窗，地震顯著增強，地震顯著平靜，固體潮調制比，震源機制一致性參數(shù)；定點形變/跨斷層方法包括速率變化分析法，趨勢轉折分析法，破年變分析法；跨斷層方法包括閾值類方法，區(qū)域綜合法；電磁方法包括地磁加卸載相應比、逐日比及綜合預測法，地磁低點位移法，地磁垂直強度極化法，大地電場優(yōu)勢方位角法，直流視電阻率形態(tài)法；流體方法包括閾值（原始曲線）方法，速率變化方法，趨勢轉折分析方法，破年變方法。綜上，該23種震情會商技術方法由中國地震局地震預測研究所組織測試評價并確定推薦，但在現(xiàn)行的震情會商系統(tǒng)中尚未實現(xiàn)集成應用，從而使得各學科圖件生成過程無法使用方法，降低了生成圖件的對比性與準確性，從而限制系統(tǒng)在數(shù)據(jù)分析和地震會商中快速協(xié)調、處理的能力。

1.2 日常會商功能自動化程度不足

會商資料生成的整體流程還需大量人工參與，其中各測站各測項的圖件需逐一生成并下載后再上傳保存，該過程費時費力，與真實意義上的日常會商自動化要求存在較大差異。為了系統(tǒng)能夠更好地服務于日常會商需要，進一步加強日常會商自動化程度是必要的。

1.3 應急會商功能可用性不強

原有的應急會商系統(tǒng)的建設實現(xiàn)了應急會商資料上傳并使用系統(tǒng)開展應急會商的功能，但會商的圖件、資料無法通過系統(tǒng)按要求進行自動生成，分析預報人員仍需要利用各類分析預報軟件，對觀測數(shù)據(jù)進行處理，調用處理后數(shù)據(jù)，進行繪制成圖，在進行應急會商資料制作時，工作量大，較難滿足應急會商效率要求。為了系統(tǒng)能夠服務于應急會商需要，進一步實現(xiàn)應急會商模塊是必需的。

綜上，為了將福建省地震局震情會商系統(tǒng)建成系統(tǒng)一體化、數(shù)據(jù)集成化、信息綜合化、成果可視化和應用自動化與智能化的會商系統(tǒng)，亟待開發(fā)一套滿足各級、各類會商業(yè)務需求的軟件平臺系統(tǒng)，從而進一步實現(xiàn)震情會商技術方法應用，完善日常會商功能自動化程度。

2 設計方案

福建震情會商技術系統(tǒng)是一套利用云計算技術，基于地震行業(yè)大數(shù)據(jù)開展業(yè)務融合應用的信息技術系統(tǒng)，它將基礎硬件設施、網絡設施、數(shù)據(jù)資源和業(yè)務系統(tǒng)等進行有機聚合，以資源虛擬化、應用專業(yè)化、按需定制、自由搭建的服務模式，為業(yè)務工作人員提供高效能、一站式的輔助決策和業(yè)務應用支撐。系統(tǒng)架構圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構

結合福建震情會商技術系統(tǒng)總體功能建設任務要求，進行分期分階段實現(xiàn)，重點工作內容安排如下：①會商平臺的功能優(yōu)化與智能化實現(xiàn)；②二次開發(fā)模塊；③根據(jù)收集算法模型情況實現(xiàn)質量監(jiān)控功能的集成；④根據(jù)收集算法模型情況實現(xiàn)預測分析功能的集成，見表1。

表1 模塊功能

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)功能集成

系統(tǒng)集成需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)整合與科室使用系統(tǒng)功能的集成，即整合數(shù)據(jù)資源及現(xiàn)有業(yè)務系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)匯集、處理、分析和評估等模塊進行整合，形成處理標準化、自動化、可視化和智能化的技術系統(tǒng)。系統(tǒng)功能集成包括二次開發(fā)模塊V1.0實現(xiàn)MATLAB Production Server的集成，質量監(jiān)控模型集成和預測分析模型集成。

利用微服務技術重構現(xiàn)有業(yè)務系統(tǒng)是—種深度整合方式，微服務是一種以業(yè)務功能為主的服務設計概念，每一個服務都具有自主運行的業(yè)務功能，對外開放不受語言限制，應用程序則是由一個或多個微服務組成，可搭建任意的業(yè)務流程，最終可實現(xiàn)地震預測業(yè)務的標準化、信息化和智能化，靈活構建功能完善、集約高效和技術先進的地震預測業(yè)務一體化體系，但微服務技術方案工作量大，需要實現(xiàn)完整具體的業(yè)務邏輯。通過調研，地震預報中心通常采用MATLAB實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析，在數(shù)據(jù)匯集的基礎上擬采用MATLAB Production Server作為分析引擎實現(xiàn)相關業(yè)務服務。

MATLAB的集成通過微服務將單機程序升級改造為Web應用。MATLAB生產服務器由服務器軟件（MATLAB Production Server）和輕量級客戶機庫組成。服務器軟件可以安裝在MATLAB支持的所有硬件平臺和操作系統(tǒng)上?？蛻魴C庫可以與任何受支持的應用環(huán)境集成，并作為應用程序的一部分分發(fā)給任意數(shù)量的最終用戶。如果使用的是RESTful JSON接口，則不需要分發(fā)任何客戶機庫?，F(xiàn)有的業(yè)務系統(tǒng)深度集成建議采用此微服務解決方案，微服務解決方案需要專業(yè)算法開發(fā)人員和Web開發(fā)人員配合完成，如圖2所示，專業(yè)模型開發(fā)人員在MATLAB Production Server測試環(huán)境中通過Web工程完成模型的調試、驗證，正確模型編譯后部署到生產環(huán)境中的MATLAB Production Server服務器中，Web開發(fā)人員的角色負責測試環(huán)境中的調試和驗證，然后在生產環(huán)境中通過調用已部署的模型搭建各類業(yè)務系統(tǒng)并形成無須安裝任何MATLAB客戶機就能使用的業(yè)務系統(tǒng)。

圖2 將模型部署到MATLAB生產服務器的工作流程圖

MATLAB生產服務器允許自定義分析模型集成到Web應用服務器、數(shù)據(jù)庫和專用服務器上運行，用戶可以自動訪問模型的最新版本，最終形成支撐地震預報業(yè)務的專業(yè)模型庫，在此模型庫上可搭建更高層次的應用分析場景，利用多核和多處理器服務器處理大量并發(fā)工作請求，在大數(shù)據(jù)環(huán)境中解決以往單機硬件帶來的處理瓶頸，最終實現(xiàn)地震預測業(yè)務智能化分析。

3.2 基礎設施建設

基于總體框架，采用VMWare技術搭建虛擬化環(huán)境，網絡、計算和存儲構成基礎設施層，建立了支撐福建省地震會商一體化平臺的運行環(huán)境，包括服務器、存儲系統(tǒng)和安全系統(tǒng)等設施，滿足了福建地震會商一體化平臺的系統(tǒng)部署運行、信息共享協(xié)同和數(shù)據(jù)安全可靠等需求。

3.3 數(shù)據(jù)集成整合

3.3.1 集成方法

整合集成前兆、測震等學科在開展地震業(yè)務過程中產生的原始數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)、成果數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集群化管理。建立福建地震預報數(shù)據(jù)中心，為測震應急、共享服務等提供數(shù)據(jù)服務。系統(tǒng)建立關系型數(shù)據(jù)庫以及非結構化數(shù)據(jù)庫兩，前兆、歷史地震信息、運維日志、GNSS臺站、會商用戶信息、產品元數(shù)據(jù)和系統(tǒng)配置信息等數(shù)據(jù)存儲在關系型數(shù)據(jù)庫中，會商所需的文件、PPT以及腳本等數(shù)據(jù)存儲在非結構化數(shù)據(jù)庫中。其中前兆數(shù)據(jù)包括數(shù)字化原始前兆數(shù)據(jù)、數(shù)字化預處理前兆數(shù)據(jù)、流動觀測數(shù)據(jù)、產品數(shù)據(jù)等。運維日志包括儀器信息（儀器名稱、生產廠家、生產日期）；儀器運行信息（儀器號、儀器安裝日期、安裝地點、儀器的運行參數(shù)信息（如儀器網絡地址、端口號等））；儀器校準信息；儀器維修與維護記錄信息（如維修維護時間、維修內容、維修人、維修的主要事項等）。

3.4 會商平臺建設

震情會商系統(tǒng)主要包含系統(tǒng)登錄、首頁、基礎資料模塊、圖件生成模塊、分析算法模塊、會商平臺模塊、產品服務和系統(tǒng)管理等功能模塊。

系統(tǒng)登錄頁面包括用戶輸入賬號密碼及驗證碼框，驗證碼加強了系統(tǒng)的安全性，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)登錄頁面截圖

系統(tǒng)首頁主要包括了最近地震統(tǒng)計信息、GNSS臺網數(shù)據(jù)質量、地震前兆事件統(tǒng)計、前兆日志統(tǒng)計、歷史地震顯示、前兆臺網及GNSS臺網運行情況統(tǒng)計的界面展示。

基礎資料模塊包含了臺網運行的詳細信息，左邊選擇框選擇地震監(jiān)測臺站，右側顯示測項的詳細信息，中部地圖顯示各個測項的分布及運行情況。

圖件生成模塊包含了繪制前兆及測震資料的功能，選擇臺站名稱、測項名稱、類型、觀測時間、記錄周期、測項測點和分析方法等，可以自動生成會商所需要的圖件。

會商平臺模塊包含了個人網盤及共享材料2大功能。個人網盤模塊可以存儲會商資料及個人的數(shù)據(jù)文件，在個人網盤中實現(xiàn)了上傳、新建文件夾、下載、復制、粘貼、運行GMT腳本及生成PPT等功能。共享材料模塊里可以查看所有人共享的會商資料，并且實現(xiàn)PPT的在線播放。

分析算法模塊包括算法模型及模型計算2大功能。在算法模型模塊中可以查看所有可以執(zhí)行的算法介紹。在模型計算中可以自定義對算法進行編輯并執(zhí)行。

產品服務模塊主要是對數(shù)據(jù)產品、臺灣強震和信息產品等社會服務產品進行展示。

4 結束語

本項目完成了業(yè)務需求調研、技術架構設計、關鍵技術研究、系統(tǒng)功能研發(fā)與測試及系統(tǒng)部署與試運行等幾項工作，實現(xiàn)了地震基礎資料整合、標準化圖件生成、算法模型管理與在線集成運算、會商平臺、產品服務和震情會商小程序等業(yè)務應用，提升了地震數(shù)據(jù)監(jiān)測、分析、處理和標準化成圖能力，系統(tǒng)試運行取得初步成效，為震情會商與輔助決策提供了一定的平臺支撐。由于地震數(shù)據(jù)的多源異構特征、會商圖件、報告的多樣性以及業(yè)務數(shù)據(jù)分析算法的專業(yè)性，會商圖件與報告生成的自動化仍需要人工進行干預，將在后期的建設中引入人工智能算法，自動識別和判斷異常干擾事件，實現(xiàn)會商技術系統(tǒng)的全自動化。