地震監測管理平臺研發及應用
——以宿遷地震臺網為例

單友磊,朱 紅,翟紅英

(1.江蘇省宿遷市地震服務中心,江蘇 宿遷 223800;2.江蘇省泗洪縣應急服務保障中心,江蘇 泗洪 223900)

0 引言

隨著大數據時代的來臨,智慧平臺已廣泛應用于政府、金融、物流、制造等各個行業,信息化建設成為“新基建”的重要組成部分。近年來,大數據技術越來越多地被應用到地震臺站運維、數據處理以及分析預報等領域。許多地震臺站配置的監控設備,對于保障臺站設施安全、提高觀測設備的正常運行率發揮應有的作用[1]。宿遷地震監測臺網歷經50多年發展,形成較完善的監測體系,承擔著區域地殼形變、電磁、測震、流體等學科觀測儀器的日常運維、數據分析、預測預報等工作。在地震監測臺站日常運維中,經常出現無人值守臺發生故障后,技術人員無法根據臺站當前狀態判斷故障原因,因故障響應不及時,對臺站的實時運行率造成影響[2]。因此,無人值守臺站的運維管理成為防震減災工作的新課題,如何科學有效地管理全國大量無人值守臺站,提高運維效率,降低運維成本,提高觀測質量,還尚在實踐中進行研究探索[3]。陳軍輝等利用部署在地震臺站的智能查障設備、視頻監控設備、門禁系統和通訊網絡設備,系統實現臺站的遠程監控,當臺站設備運行發生物理故障時,能夠快速、準確判斷故障位置,合理有效地調配運維資源,從而更快地處理故障設備,保障地震臺網的高運行率和數據準確率[4]。馬永研究全國地震信息服務系統在軟件平臺上提供數據交換、行業監控、網絡管理、搜索引擎、行業門戶等,為地震行業實現全面信息化和網絡化打下了基礎[5]?！笆濉睍r期,宿遷市科學規劃地震監測臺網,新建GNSS、地磁場、地球化學等測項,地震監測能力大幅提升?，F轄有沭陽、泗陽、泗洪、蘇05井、國家地震烈度速報與預警工程基本站以及斷層氣觀測站共計20余個,各站點距市臺網中心20～100 km不等,大多數站點間距50 km以上,除宿遷地震監測中心站有人值守外,其余均為無人值守臺站。宿遷市在“十五”以來建成地震信息節點網絡和運用互聯網技術,各臺站儀器及輔助觀測的數據均實現了實時傳輸到市臺網中心,工作人員可通過調取各臺站觀測數據來判斷儀器的運行狀態,如發現異常,可及時派出技術人員或通知屬地現場核實,及時排除儀器故障。工作人員也可以利用專業軟件對監測數據進行分析處理,為地震趨勢會商提供科學依據。筆者也嘗試在構建地震監測綜合管理與數字化服務的基礎上,利用現代信息技術,以地震監測為基礎,提供聲、像、圖、文四位一體的數字化管理平臺,實現地震觀測儀器綜合監控和系統模塊展示,提升臺站運維精細化和精準化水平。

1 設計構思

設計、開發、建設一套無人值守臺站系統運維監控平臺,以解決故障自動識別、自動報警、遠程修復等問題。監控平臺需包括基礎信息庫、狀態監控系統、故障偵聽和報警系統、遠程控制系統等單元模塊,分別實現不同的功能。其中,以臺站為單位的信息數據庫是其他單元模塊的基礎;狀態監控系統單元負責對轄區內各臺站的狀態實時監控;故障偵聽與報警系統單元采用輪詢的方式,對各無人臺站的設備進行自檢,自動識別故障,通過手機短信、微信等多種方式向值班人員報警[6];遠程單元可以對臺站的設備進行遠程重啟等簡單操作,減少對臺站看護人員的依賴,提高故障修復效率[7]。

系統建成后,可提供真實的可視化效果、靈動的視覺探索手段、交互式的即席分析體驗,能及時反映儀器設備、觀測數據狀態,使地震觀測儀器設備監控更簡單、智能,儀器運維和震情獲取更快捷,防震減災信息展示度更廣泛。同時,該系統綜合考慮維護及操作因素,為今后的發展、擴建、改造等留有擴充的余地(見圖1)。

圖1 宿遷市地震監測管理平臺集成示意圖Fig.1 Integrated schematic diagram of Suqian Seismic Monitoring Management Platform

2 系統設計

2.1 開發環境

地震監測管理平臺基于Python、Java Script、C#、ASP.NET、Visual Basic、Vue六種編程語言和框架進行開發。其中,基于Python開發寬頻帶地震計零位實時監控與發布軟件(SseiMonitor),實現寬頻帶地震計零位、GPS和網絡狀態的監控;開發SIAM企業微信管理軟件(SIAM WechatMessage),實現文本和圖片消息以企業微信的方式推送;基于Java Script、ASP.NET和Vue框架開發地震觀測儀器可視化監控平臺(Visual SIAM),實現監控結果和地震監測信息的數據可視化展示;基于Visual Basic開發地震觀測儀器自動監控軟件(SIAM)、地震觀測儀器設備網絡實時監控軟件(SeisNetMonitor)、地震前兆儀器數據監視軟件(QZDM)、前兆儀器數據自動備份與手動恢復軟件(QZIBR)、地震目錄自動處理軟件(EqDeal)和SIAM告警信息與時鐘服務軟件(SIAM Server)等。各軟件通過無縫銜接,實現地球物理類和測震類觀測儀器的定時自動監控,以地圖、柱狀圖、折線圖和餅圖等圖表形式實現前端可視化展示。按照中國數字地震觀測網絡技術規程JSGC-02-02要求,基于C#進行模塊化設計,主要包括設置參數模塊(臺站名稱、儀器名稱、儀器ip地址、儀器ID號、用戶名、密碼、端口號、是否監控)、網絡中斷判斷模塊、缺測判斷模塊、報警模塊(顏色報警、語音報警)、監控結果保存和查詢模塊[8]。

2.2 運行環境

(1) 硬件環境。

內存:4 G或以上;CPU:3.10 GHz或以上;顯卡:512 MB顯存或以上;監視器:建議使用1 680×1 050分辨率。

(2) 軟件環境。

建議使用Windows7 32位操作系統。測試通過的操作系統為Windows7 32 位、64 位和Windows10 64 位。

2.3 總體架構

地震監測管理平臺總體架構如圖2所示,包括軟件系統、硬件系統和服務系統三部分,分為基礎層、接入層、數據層、服務層和應用層五個層次。信息集中管理和模塊化設計是系統設計的關鍵。模塊化設計把各個功能獨立起來,互不影響,發揮各自的功能特點[9]。

圖2 地震監測管理平臺總體架構Fig.2 Overall architecture of the Seismic Monitoring Management Platform

地震監測管理平臺以統一、完整的系統層次架構,與現有基礎軟硬件環境完整地組合在一起,形成數據互通、服務互調、業務協同的整體系統?；A層提供最基本的系統運行環境、通信網絡和數據匯集存儲,包括服務器(操作系統、數據庫、應用軟件等)、顯示設備、地震行業專用網絡、公眾網絡等;接入層提供地震觀測儀器、通訊設備、動力環境、網絡通信等資源的接入;數據層為系統的各類應用服務提供核心驅動和支撐,包括地震儀器觀測數據、監控結果數據、地震目錄數據、地震速報數據、維護管理數據和地理信息數據等;服務層建立一個基本服務的交互式支撐環境,為應用層提供所需的各種智慧服務,如信息展示、數據處理、異常告警和遠程控制等;應用層為平臺展示提供信息化支撐,滿足展示與交互需要,支撐各個應用板塊的業務開展,主要包括大屏交互展示(展示終端分別布設在市地震臺網中心和宿遷地震監測中心站監測室)、平臺應用、移動端應用和媒體展示等。

地震監測管理平臺包括應用軟件和硬件設備。其中,軟件功能滿足綜合應用的要求,并做到新功能擴展,支持在移動平臺上的交互式應用;硬件設備承載所有的軟件以及功能應用,包括監控主機、輔助設備和配件等,可支持與大型交互界面和移動智能終端等設備的集成。通過將軟件、硬件與通信技術組合,完成地震信息處理和可視化展示業務,實現平臺各部分間協調工作,發揮整體效益,達到整體優化的目的。系統集成方案將對軟硬件的性能、可靠性、可用性、可維護性和安全性,以及與其他系統的匹配性、兼容性和對環境的影響進行量化評估。地震觀測數據和信息集成建立在硬件、軟件各自的集成之上,是系統集成的核心,主要解決合理規劃數據和信息、減少數據冗余、更有效地實現信息共享等問題,確保數據與信息安全保密。

2.4 系統功能模塊

地震監測管理平臺考慮先進性、可靠性、經濟性、可擴充性和易維護性等原則,建成一套技術先進、布局優良、應用合理、界面友好、功能齊全和擴展性較好的大屏幕系統,滿足大屏幕圖像和地震監測數據可視化顯示的需求,實現地震觀測儀器智能化監控、綜合信息數據可視化、震情信息快速報送及防震減災業務展示等多種功能(見圖3)。

圖3 系統功能模塊樹狀圖Fig.3 Tree diagram of system functional modules

3 系統功能實現

地震監測管理平臺采用先進的GIS技術、物聯網技術、無線通訊技術、遠程視頻技術及三維虛擬技術等,實現遠程故障診斷、遠程故障自動處理和交互處理、故障報警和預警以及安防等。運維人員遠程瀏覽臺站的各種信息及監測儀器的運行狀態,通過報警提示快速發現問題,同時進行遠程處理,為地震監測儀器的正常運行提供穩定、可靠、方便、高效的技術保障[10]。地震監測管理平臺的建設,可實現與現有地震監測系統無縫連接,構建全面交互、實時管控、按需推送、可視化等特征的時空環境;適應地震監測業務綜合管理的模式,滿足地震觀測儀器監控管理、數據管理、異常報警、地震監測能力展示等需求。最終把該平臺集成為一個相互關聯和協調的綜合系統,實現地震監測業務的統一管理、信息共享及聯動控制。

(1) 地震觀測儀器智慧監控系統。實現宿遷市應急管理局所轄地震臺站觀測儀器的工作狀態、在網運行狀態、遠程控制與可視化展示,觀測數據的變化監控;實現工作環境異常、儀器工作異常、監測數據異常的自動告警,異常消息通過微信、短信或電話等方式及時、準確推送給相關人員(見圖4)。該系統的功能包括:①臺網分布與監控。展示站點分布、隸屬關系、運行儀器總數等,包括臺站總數、儀器總數、告警總數、監控進度、異常告警時站點標識和站點狀態信息提示等。②學科展示。顯示臺網范圍內各學科運行儀器總數與異常儀器總數。③地震活動。顯示設定時間段內全球MS≥7地震的震中分布圖,江蘇省內及鄰區中小地震震中分布圖,以及轄區內發生的地震。④震情快報。接收測震臺網信息,對轄區內及周邊100 km范圍內所有地震、省內2.0級以上地震、國內5.0級以上地震、全球7.0級以上地震向設定人員發送信息,并電話提醒。⑤網絡聯通率。顯示臺網范圍內各臺站儀器的網絡聯通率(Nr),Nr=100%時標志點為綠色,99.9%≤Nr<100%時為黃色,Nr<99.9%時為紅色。⑥儀器時鐘差。顯示臺網范圍內地震觀測儀器的時鐘差(Cp),Cp<60 s時標志點為綠色,60 s≤Cp<300 s時為黃色,Cp≥300 s時為紅色。⑦數據連續率。顯示臺網范圍內地震觀測儀器的數據連續率(Dr),Dr=100%時標志點為綠色,Dr<100%時為紅色。⑧數據有效率。顯示臺網范圍內地震觀測儀器的數據有效率(Er),Er=100%時標志點為綠色,Er<100%時為紅色。

圖4 地震監測臺網觀測儀器智慧監控系統Fig.4 Intelligent monitoring system for seismic monitoring network observation instruments

(2) 地震綜合信息大數據可視化系統。實現宿遷市應急管理局所轄宏觀站點、微觀站點等基本信息、綜合管理信息等的可視化展示(見圖5)。該系統的功能包括:①歷史地震分布。展示轄區內歷史地震震中分布圖(分等級以不同顏色顯示)。②震源深度分布。以3D模型圖形式展示轄區內歷史地震震源深度分布圖。③地震群測群防分布圖。展示轄區內地震群測群防站點的分布及各點的測項、位置、觀測員聯系方式等信息。④運行環境。展示天氣信息及環境信息。⑤站點視頻監控。展示視頻監控信息,提供視頻監控的接口。

圖5 地震監測綜合信息大數據可視化系統Fig.5 Big data visualization system for comprehensive seismic monitoring information

(3) 地震快報系統。接入宿遷市區域地震速報臺網,監控網絡運行狀態,將臺網地震速報信息分級管理、及時傳送,實現地震信息的速報告警、信息展示、圖文推送及電話通知等功能(見圖6)。該系統的功能包括:①地震速報信息處理。打開速報消息推送設置,發送測試消息或正式推送。②地震速報后臺管理。設置不同震級發送群組,全球M≥7.0、全國M≥5.0、江蘇及鄰區ML≥3.0、宿遷及鄰區ML≥2.0地震的快報。③短信平臺發送。通過系統內設端口發送震情三要素信息。④微信圖文推送。通過移動端的企業微信接收地震速報相關消息。⑤震情信息告警。當“播放地震聲音”開關處于打開狀態,地震時即可播放音樂。

圖6 地震快報系統Fig.6 Earthquake bulletin system

(4) 信息展示系統。對宿遷市地震監測、震災防御、地震應急救援、科技創新、法制建設等主要成果及重要活動進行全方位展示(見圖7)。該系統的功能包括:①日常工作動態。展示地震部門日常工作動態信息并實時更新。②重點項目簡介。著重介紹已建成或在建地震學科相關重點項目,及其對地方社會經濟發展產生的影響、對防震減災事業帶來的效益等。③防震減災科普宣傳。實時推送防震減災相關科普知識、動漫、卡通圖冊以及地震應急逃生技能等,重要地震紀念日實行滾動播放。④地震科研進展。著重介紹國內外最新地震監測預警、抗震設防、應急響應等研究成果。

圖7 信息展示系統Fig.7 Information display system

4 平臺運行情況

地震監測管理平臺自2021年5月投入運行以來,已經應用于宿遷市20個臺站、70套儀器的日常運維監控,在地震信息節點分布處,工作人員均可通過局域網內的臺式機、筆記本、平板電腦、手機等移動設備或觸屏展示終端進行可視化展示,對臺網信息流、控制流、狀態流實施遠程實時監控,及時獲取地震觀測儀器運行狀態及故障、數據異常等情況推送的告警消息。

5 結語

該系統一年多的運行結果表明,可發揮如下作用:提高地震監測業務管理的信息化水平和效率,使地震信息公共服務能力和質量有較大提升;利用數據可視化、云技術等現代信息技術建立的地震觀測儀器監控和數據分析平臺,可連接地震監測業務各個單元,并以數據為載體,在感知、控制和管理地震監測運維的各個環節發揮作用;提供及時的地震信息服務,為政府應急決策、地震緊急處置提供必要的技術支撐;建成與地震監測業務深度融合的一體化平臺,適應和促進業務需求的發展變化和業務流程的變革,推進地震監測工作的專業化、規范化和現代化。該系統具有較強的穩定性,設備未發生故障或損壞,運行狀態良好,可為無人值守臺站實時監控和地震監測臺網管理系統的建設提供參考。