测震仪器健康状态数据交换平台的设计与实现*

董一兵，高景春，刘胜国，毛国良，孙贵成，刘 新

0 引言

地震计和地震数据采集器是测震台网技术系统的关键设备，它们的运行状态直接决定着台网的监测质量。在运行过程中，受到外部环境 (供电、GPS等)和仪器自身 (元器件的物理性质、系统软件等)等多种因素的影响，地震计和地震数据采集器可能出现一些异常情况，例如，地震计发生零位偏移，数据采集器出现时间错误等。这些异常如果得不到及时处置，轻则影响观测数据的质量，重则导致数据丧失使用价值。目前主流的数据采集器均提供了健康状态信息查询服务，用户可以通过专用客户端软件查询数采的电压、温度、钟差、地震计机械零位等状态参数。现有的研究成果并未充分利用数采的健康状态服务(陈吉锋等，2012)。针对这种现实需求，我们为测震台网设计、开发了一套测震仪器健康状态数据交换软件平台。针对不同类型数据采集器输出健康状态信息方式的差异，分门别类地设计开发了客户端程序，实现了与多种数采的网络数据通信功能。在开发过程中，引入开源的消息中间件ActiveMQ作为统一交换平台 (Snyder，2011)，为仪器健康状态的交换共享提供了统一的数据接口，便于实现系统与新业务的无缝集成，增强了系统的弹性和可扩展性。整套方案具有性能优异、易于管理和扩展的特点，具有良好的推广应用前景。

1 需求分析

1.1 健康状态的定义

测震仪器的健康状态 (State Of Health，简称SOH)，是关于仪器运行状态的信息，由数据采集器输出的一系列物理量及其取值来描述。目前，在各区域测震台网应用比较普遍的仪器包括:港震机电的EDAS24系列数据采集器和BBVS系列地震计，Guralp的CMG－DM24数据采集器和CMG－3ESPC地震计，Kinemtrics的Q330系列数据采集器和STS系列地震计等。这些仪器厂商对SOH信息的定义、编码方式和传输协议均有所不同。本着求同存异的原则，我们初步拟定了11个比较有共性的SOH参数，分别是:数据采集器的供电电压、输出电压、电瓶电压、机箱温度、时间误差、频率误差、内存总空间、内存可用空间，地震计A的垂直向零位、北南向零位、东西向零位。

1.2 功能和性能需求

系统由3个松散耦合的功能模块构成:①SOH接收与发布模块，② ActiveMQ消息服务器，③SOH订阅与应用模块。其中，模块 ① 的功能是:与多部数据采集器建立并发连接，定时接收SOH数据，并通过ActiveMQ的消息队列进行发布。模块②的功能是:作为统一交换平台，管理SOH消息队列，是系统实现分布式应用的关键环节。模块③的功能是:订阅SOH消息，实现自定义的业务应用。

系统应满足测震台网对应用软件的可靠性、可扩展性、可移植性和安全性等方面的要求。

1.3 应用环境

系统运行的网络环境如图1所示。模块①部署在SOH应用服务器上，模块②部署在ActiveMQ服务器上，模块③部署在SOH订阅客户端上。系统运行约束见表1。

图1 系统网络环境图Fig.1 System network environment

表1 系统运行约束表Tab.1 Restriction table of system running environment

2 系统设计与实现

2.1 关键技术介绍

在程序设计过程中，主要用到了以下技术:

(1)Java TCP/IP Socket编程技术 (Fall，Stevens，2012;Calvert，Donahoo，2008)。目前，不同仪器厂家对数据采集器网络通信协议的实现方式不同，例如，EDAS24系列数据采集器支持TCP通信协议;CMG－DM24可利用数据通信单元扩展实现UDP通信协议;而Q330HRS的Baler单元则提供了用HTTP协议传输健康状态信息的服务。针对这种差异性，我们的解决方案是为每一种仪器编写相应的客户端类，实现通信连接的维护、报文分组的分类解析等功能。

(2)Java并发编程技术 (Goetz et al，2012)。每个地震区域台网中心都下属若干个地震台站，要同时维护与多个台站的通信连接，有两种实现方式——多进程方式和多线程方式。在操作系统中，进程是一个重量级的对象，每一个进程都独占一部分系统资源，线程是轻量级对象，同一进程内的多个线程间共享该进程所保有的资源 (Silberschats et al，2009)。基于易于实现和优化性能的考虑，我们采用多线程方式来实现与多台站的并发通信连接。

(3)Java消息服务 (Java Messaging Service，简称JMS)。JMS是Java平台上有关面向消息中间件(Message Oriented Middleware)的技术规范(Monson et al，2009)。ActiveMQ是一个完全支持JMS1.1的JMS Provider实现。在系统中，我们利用JMS与ActiveMQ通信，实现SOH消息的交换。

2.2 总体设计

系统的框架结构如图2所示。其中，SOH接收与发布模块由各类数采的客户端程序和SOH发布程序所构成。

图2 系统框架结构图Fig.2 Fram structure of the system

系统完整的业务流程可归纳为以下几个主要步骤:

①系统初始化;

②数采客户端程序与数采进行通信，对接收到的报文分组进行解析，将解出的SOH数据交给SOH发布程序;

③SOH发布程序将SOH数据格式化为SOH消息，并交给AMQ消息服务器;

④SOH订阅与显示模块从AMQ消息服务器订阅SOH消息，并进行处理;

⑤继续执行步骤2。

2.3 SOH接收与发布模块的设计与实现

在开发SOH接收与发布模块时，需先行分析仪器的通信协议和数据格式，掌握每一种数采输出SOH数据的内容和方式，以此为基础来设计业务逻辑。模块将按照配置文件的内容进行初始化，配置文件采用XML格式，详细说明见表2。

表2 配置文件说明表Tab.2 Description of configuration file

2.3.1 数采客户端的设计与实现

数采客户端的主要功能是:与数采进行通信、接收SOH数据。下面分别介绍EDAS24系列数据采集器、CMG－DM24以及Q330HRS客户端程序的设计和实现技术。

(1)EDAS24系列数据采集器 (EDAS－24GN和EDAS－24IP)利用TCP协议传输SOH数据。程序在处理与数采的通信连接时，采用的是长连接的方式，即在成功建立起通信连接之后长期保持该连接。之所以采用这种方式，主要基于以下考虑:TCP连接的建立和释放过程需要占用一定的系统资源 (谢希仁，2008)，频繁的连接和释放操作将给数采带来较大的负担，对数采的稳定运行造成一定影响。经过实际测试，长连接方式比短连接方式更加安全、可靠，有利于保障数采的正常稳定运行。在获取SOH数据时，采用请求/响应方式，即客户端程序向数采发送查询请求，数采输出响应。EDAS24系列数采客户端的业务流程如下:

①程序初始化;

②测试数采网络地址的可达性;

③与数采建立控制连接，获得数据端口;

④与数采建立数据连接;

⑤通过数据连接发送查询帧，获得响应帧，从中解析出SOH数据;

⑥将SOH数据交给SOH发布程序;

⑦继续执行步骤②。

(2)CMG－DM24数据采集器的TCP/IP通信功能需要借助DCM来实现。DCM通常利用UDP协议传输数据。与TCP不同，UDP是一种无连接的服务，与EDAS24系列数采所采用的通信方式相比，Guralp的通信方式使得数采不必花费额外的开销来维护通信连接、保证通信质量，在通信链路质量良好的情况下，这有利于数采的稳定运行，同时也简化了客户端程序的业务逻辑。它的SOH数据由状态流和地震计零位流分别传输，其中，用ID“00”来标识状态流，数据采用ASCII格式编码;用ID“M8”、“M9”和“MA”分别标识地震计的垂直向、北南向和东西向零位流，数据采用GCF格式编码。与EDAS24系列不同的是，CMG－DM24不支持通过请求/响应方式获取SOH数据的方式，故在程序设计时只能采用数采主动传输、客户端程序被动接收的方式。CMG－DM24客户端的业务流程如下:

①程序初始化;

②测试DCM网络地址的可达性;

③将DCM通信端口与本地端口相绑定;

④接收DCM的UDP数据报，从中解析出SOH数据;

⑤将SOH数据交给SOH发布程序;

⑥继续执行步骤②。

(3)Q330HRS由数据采集器 (Q330S)和通信单元 (Baler)两部分集成。其中，Baler提供了通过HTTP协议定时传输SOH数据的服务。HTTP协议定义了Web服务器和Web浏览器之间通信的规则 (Gourley et al，2002)，我们可以利用这个服务来设计客户端程序。Q330HRS客户端的业务流程如下:

①程序初始化;

②测试Baler网络地址的可达性;

③与 Baler建立 HTTP Socket连接，解析出SOH数据;

④将SOH数据交给SOH发布程序;

⑤继续执行步骤②。

2.3.2 SOH发布程序的设计与实现

SOH发布程序的主要功能是:按照JMS规范，将接收到的SOH数据格式化为SOH消息，并将其传递给ActiveMQ消息服务器。程序在处理与ActiveMQ的通信连接时，采用的是长连接的方式。SOH消息包括消息属性和消息体。其中，消息属性的说明见表3，消息体采用XML格式，详细说明见表4。

表3 SOH消息属性说明表Tab.3 Description of SOH message properties

表4 SOH消息体说明表Tab.4 Description of SOH message body

3 系统测试与应用

为了对系统方案进行全面的测试，我们开发了测震台站仪器状态监视程序，将其作为系统的SOH订阅和应用模块。在河北测震台网搭建了测试环境 (表5)，接入了30个运行中的测震台站。经过若干个月的试运行和观察总结，我们认为系统整体表现稳定，功能和性能均达到了预期的设计要求，证明了系统方案的可行性。图3是该监视程序运行时的截图。

表5 系统测试环境说明表Tab.5 Description of sysytem testing environment

图3 测震台站仪器状态监视程序Fig.3 Monitoring program of the state of seismic station instrument

4 总结与展望

介绍了测震仪器健康状态交换平台的设计与实现。本系统的创新主要表现在:第一，通过仪器适配器程序的研制和多线程技术，实现了与多种地震数据采集器的并发式网络通信以及SOH数据的统一接收;第二，通过引进ActiveMQ消息中间件，实现了SOH数据的统一交换，为消息订阅程序的开发提供了统一数据的接口，增强了系统的弹性和可扩展性;第三，经测试证明，本系统作为一套完整的解决方案，具有性能优异、易于管理和易于扩展的特点，在测震台网的应用将有利于保障台网的运行质量。

目前系统的功能和性能均达到了设计预期效果，但是我们认为系统仍有很大的上升空间。例如，可以考虑为SOH接收和发布模块增加人机交互界面，用来监控和调整线程的运行状态，这有利于提高程序的灵活性和健壮性;另外，本文所介绍的SOH监视程序只是系统应用的一种模式，本系统更重要的意义在于:在实践过程中，利用AMQ提供的统一数据接口，不断探索SOH数据应用的新思路、新方法，推动现有成果的应用和转化。软件工程学认为:软件生命周期的结束意味着一个新的生命周期的开始 (Sommerville，2010)。因此，不断增强系统的功能、优化系统的性能，是我们下一个阶段的工作任务。

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