數(shù)字地震臺網(wǎng)綜合處理系統(tǒng)通用架構研究與設計

李水龍，周躍勇，于偉恒，周施文

（福建省地震局，福建 福州 350003）

0 引 言

隨著地震監(jiān)測臺網(wǎng)密度的不斷增大以及更為先進的地震監(jiān)測儀器的投入使用，對數(shù)字地震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的應用和發(fā)展提出了更高的要求。原有的各自為政、互不相干、獨立開發(fā)的應用建設模式，存在著資源重復消耗和開發(fā)效率難以令人滿意的缺陷，無法很好地滿足新的應用要求。為了保障數(shù)字地震臺網(wǎng)綜合處理系統(tǒng)的統(tǒng)一規(guī)劃和高效開發(fā)，需要研究為之服務的通用架構，以提供整體指導和基礎支撐。

1 通用架構概述

數(shù)字地震臺網(wǎng)綜合處理通用架構能夠為數(shù)字地震臺網(wǎng)綜合處理系統(tǒng)的具體設計提供理論指導和框架支持；降低數(shù)字地震臺網(wǎng)綜合處理系統(tǒng)的開發(fā)難度，提高應用系統(tǒng)的開發(fā)效率；為數(shù)字地震臺網(wǎng)綜合處理系統(tǒng)從傳統(tǒng)的桌面型單機應用向分布式的網(wǎng)絡化應用提供轉換的橋梁；通過功能重用和代碼重用，避免數(shù)字地震臺網(wǎng)綜合處理各項應用各自為政、重復開發(fā)的情況，減少資源浪費和消耗。通用架構定位示意圖如圖1所示。

圖1 通用架構定位示意圖

數(shù)字地震臺網(wǎng)綜合處理通用架構的設計，在滿足當前工作需要的同時，要充分考慮后續(xù)工作的延續(xù)性，使當前工作成為后續(xù)工作的基礎。信息采集要嚴格按照國家標準和共享規(guī)范統(tǒng)一入庫，保證數(shù)據(jù)標準化，實現(xiàn)多層次的信息資源共享。

充分利用計算機網(wǎng)絡技術，采用Client/Server 結構及Browser/Server 結構，保證系統(tǒng)的可伸縮性、可擴展性和開放性，避免電子業(yè)務平板化。遵循主流的接口規(guī)程和協(xié)議標準，保證系統(tǒng)后期擴充與升級的可能性以及與其他系統(tǒng)互聯(lián)的可行性，避免“今天的投資成為明天的浪費”。

關注點分離是對只與“特定概念、目標”（關注點）相關聯(lián)的軟件組成部分進行“標識、封裝和操縱”的能力，是處理復雜性事務的一個原則。數(shù)字地震臺網(wǎng)綜合處理系統(tǒng)不僅負責對地震數(shù)據(jù)的處理，而且還提供對處理結果的發(fā)布等功能。前者側重于數(shù)據(jù)的計算處理，后者側重于信息的界面表現(xiàn)。它們各自關注的重點不同，所采取的處理手段和技術也存在著差異。因此，基于關注點分離的技術，通用架構從結構上可以分為后臺計算處理和前端應用處理兩大部分，如圖2所示。

圖2 結構示意圖

數(shù)字地震臺網(wǎng)綜合處理系統(tǒng)包含地震預警、地震速報、地震烈度速報、震源機制解等應用。這些應用雖然在功能目標產(chǎn)出上存在較大差異，但在業(yè)務處理流程上還是存在著不少共性的。通過對這些處理過程的歸納抽象，可以發(fā)現(xiàn)這些應用都包含業(yè)務處理、控制網(wǎng)關和表現(xiàn)邏輯三個部分，業(yè)務處理包含數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)派發(fā)、通道處理和綜合處理四項任務，功能模塊如圖3所示。

圖3 功能模塊示意圖

數(shù)據(jù)接收部分主要負責從實時流服務器和歸檔波形服務器接收臺站的實時波形或歸檔波形。數(shù)據(jù)派發(fā)部分從數(shù)據(jù)接收部分得到統(tǒng)一格式的波形數(shù)據(jù)，傳遞給后續(xù)的通道處理部分。通道處理部分負責對數(shù)據(jù)派發(fā)部分傳送而來的連續(xù)波形數(shù)據(jù)進行仿真變換等預處理，并為后續(xù)的綜合處理提供預處理后的特征信息。綜合處理部分接收通道處理部分傳遞過來的特征信息，根據(jù)業(yè)務功能和規(guī)則的要求，對這些信息進行綜合判定，從而給出對地震事件的處理結果?？刂凭W(wǎng)關部分實現(xiàn)數(shù)據(jù)在后臺處理計算與前臺應用展現(xiàn)之間的網(wǎng)絡傳遞，從綜合處理部分接收地震事件的處理結果，通過網(wǎng)絡發(fā)送給前端的信息發(fā)布、實時監(jiān)控等應用。表現(xiàn)邏輯包括實時監(jiān)控、人機交互、地震事件結果二次加工等工作。

2 主要任務

數(shù)字地震臺網(wǎng)綜合處理通用架構的任務主要包含三大塊內(nèi)容：地震觀測數(shù)據(jù)處理研究、軟件技術研究以及通用框架的建設，任務路線如圖4所示。

圖4 任務路線圖

地震觀測數(shù)據(jù)處理研究主要涉及數(shù)據(jù)分類與格式、通用處理流程、數(shù)據(jù)交換接口、通用處理功能等方面，通過對業(yè)務需求的梳理分析，對地震預警、烈度速報等處理過程進行歸納抽象，構建數(shù)據(jù)模型、流程模型、共享模型、功能模型等模型，為綜合處理在線生產(chǎn)系統(tǒng)的開發(fā)奠定基礎。

數(shù)字地震臺網(wǎng)綜合處理系統(tǒng)是一個復雜的網(wǎng)絡分布式系統(tǒng)，需要實時不間斷地處理海量的波形數(shù)據(jù)，要求系統(tǒng)具有較高的可靠性、較好的容錯性和優(yōu)越的性能。因此需要針對高效穩(wěn)定的綜合處理需求，展開相關關鍵軟件技術的研究并得到針對綜合應用服務的技術解決途徑。

在前兩項工作成果的基礎上，基于軟件工程的先進方法和實踐情況，建立一套服務于數(shù)字地震臺網(wǎng)綜合處理系統(tǒng)的通用支撐框架，編寫并實現(xiàn)共性關鍵核心模塊程序，降低綜合處理業(yè)務系統(tǒng)的開發(fā)難度，提升綜合處理業(yè)務系統(tǒng)的質量水平和開發(fā)效率。通用框架的核心功能如圖5所示。

圖5 通用框架核心功能

3 關鍵技術

數(shù)字地震臺網(wǎng)綜合處理系統(tǒng)面對復雜的多網(wǎng)聯(lián)接、多源海量數(shù)據(jù)的快速處理、及時可靠的地震事件處理等難題，綜合處理通用架構需要應用先進的信息技術來為系統(tǒng)提供有力的支撐。根據(jù)數(shù)字地震臺網(wǎng)綜合處理系統(tǒng)的業(yè)務需求和難點，選取以下幾項關鍵技術：

（1）中間件技術。對中間件技術的研究可為綜合處理平臺的構建提供良好的技術支撐，有助于簡化開發(fā)難度，提升開發(fā)效率。

（2）可視化技術。通過對可視化技術的研究，為綜合處理系統(tǒng)構建統(tǒng)一規(guī)范的可視化平臺，為應用提供簡潔明了的數(shù)據(jù)可視化編程接口。對地震動態(tài)過程的規(guī)范化，使得地震應用的產(chǎn)出數(shù)據(jù)更富有表現(xiàn)力、更加人性化。

（3）并行計算技術。通過對并行計算技術的研究，為綜合處理系統(tǒng)構建一個高效可靠的協(xié)同計算平臺，作為綜合處理應用的算法框架的技術實現(xiàn)，有助于提升系統(tǒng)的性能，為處理海量數(shù)據(jù)提供支持。

（4）工作流技術。通過對工作流技術的研究，為綜合處理系統(tǒng)構建一個具有較強定制能力的工作流平臺，作為綜合處理應用的控制樞紐，有助于規(guī)范化地震應用的處理流程，隨需應變。

（5）空間信息技術。通過對空間信息技術的研究，為綜合處理系統(tǒng)構建一個空間處理平臺，通過把地震信息與矢量地圖、衛(wèi)星遙感影像、DEM 地形數(shù)據(jù)相疊合，充分挖掘地震信息中地理空間要素的作用，有助于為政府管理部門和社會公眾提供多層次、多維度的立體信息，更好地發(fā)揮地震應用產(chǎn)出的數(shù)據(jù)價值，從而為抗震救災工作提供更有價值的輔助決策信息。

（6）Web 服務技術。通過對Web 服務技術的研究，為綜合處理系統(tǒng)構建一套集成化的業(yè)務互操作統(tǒng)一接口，實現(xiàn)標準化、規(guī)范化的功能復用，有助于分布式地震網(wǎng)絡應用的高效實現(xiàn)。

4 創(chuàng)新特色

隨著地震觀測臺網(wǎng)規(guī)模和復雜程度的不斷發(fā)展，新的業(yè)務需求也不斷涌現(xiàn)，數(shù)字地震臺網(wǎng)綜合處理系統(tǒng)通用架構也為不斷發(fā)展的觀測臺網(wǎng)和業(yè)務需求提供了切實有效的解決平臺，與原有的業(yè)務系統(tǒng)不同，數(shù)字地震臺網(wǎng)綜合處理系統(tǒng)通用架構主要創(chuàng)新點如下：

（1）多源海量數(shù)據(jù)融合。針對所采用的不同數(shù)據(jù)采集器和傳輸方式，研究相應的可插拔數(shù)據(jù)適配器系列，實現(xiàn)多種來源數(shù)據(jù)格式的規(guī)范統(tǒng)一，支持擴展新的數(shù)據(jù)來源。從而支持不同儀器類型的數(shù)據(jù)、不同信息內(nèi)涵的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)流共享平臺上的統(tǒng)一匯總，為后續(xù)的綜合處理提供一致的數(shù)據(jù)接口，大大降低了地震數(shù)據(jù)處理的復雜性，有助于提升系統(tǒng)的計算性能。

（2）無縫互連集成。研究地震監(jiān)測各項應用的內(nèi)在聯(lián)系和銜接要求，實現(xiàn)從數(shù)據(jù)接收、預處理、地震預警、烈度速報等一體化的功能，實現(xiàn)分布應用的功能統(tǒng)一集成。

（3）豐富多樣的高質量產(chǎn)出。結合地震防震減災工作的實際需要，研究對地震的基本信息和參數(shù)進行深入挖掘分析的技術，尤其是結合空間信息處理技術，達到形式多樣、內(nèi)容豐富的要求，從而為政府管理部門和社會公眾提供優(yōu)質的信息服務。

（4）方便快捷的資源共享。研究適合于地震監(jiān)測應用的數(shù)據(jù)共享技術，選取的技術應當遵循先進性、支持廣泛性的原則，并應用到軟件系統(tǒng)中，以充分發(fā)揮地震各項資源的數(shù)據(jù)效用，避免數(shù)據(jù)孤島的產(chǎn)生和資源的浪費。

（5）實時快速的協(xié)同處理。針對地震監(jiān)測數(shù)據(jù)各處理環(huán)節(jié)的特點，研究如何有效縮短加工處理的時間，優(yōu)化數(shù)據(jù)的處理流程，減少數(shù)據(jù)的冗余重復處理，在此基礎上選取高效快速的計算機技術，以達到系統(tǒng)整體處理的實時高效。

（6）組件化的分布式網(wǎng)絡應用。根據(jù)系統(tǒng)的開發(fā)目標，結合軟件工程實踐，研究分布對象技術、組件技術和軟件體系結構技術，建立一套完整的問題解決方案，達到應用可管理、易配置的目標，便于專業(yè)模型嵌入信息系統(tǒng)并實現(xiàn)表現(xiàn)形式多樣的可視化功能；使應用系統(tǒng)的開發(fā)具有伸縮性、開放性、系列化和標準規(guī)范化的特征。

5 結 論

數(shù)字地震臺網(wǎng)綜合處理系統(tǒng)是復雜的分布式網(wǎng)絡應用系統(tǒng)，本文依托通用架構的研究與設計，引入先進的技術，結合應用的業(yè)務需求和難點，形成服務于應用的技術解決途徑，對應用的數(shù)據(jù)、流程、功能、接口等方面的共性內(nèi)容進行抽象歸納，構建組件化的通用框架，從而為系統(tǒng)的建設提供頂層指導和基礎支持。