地震前兆台网数据跟踪分析平台设计

刘高川　李正媛　王建国　邹钟毅　叶　青

1　中国地震台网中心，北京市三里河南横街5号，100045 2　中国地震局地球物理研究所，北京市民族大学南路5号 ，100081 3　天津市地震局，天津市友谊路19号，300201 4　烟台市地震监测中心台，烟台市南山沟17号，264000



地震前兆台网数据跟踪分析平台设计

刘高川1,2李正媛1王建国3邹钟毅4叶青1

1中国地震台网中心，北京市三里河南横街5号，100045 2中国地震局地球物理研究所，北京市民族大学南路5号 ，100081 3天津市地震局，天津市友谊路19号，300201 4烟台市地震监测中心台，烟台市南山沟17号，264000

对地震前兆台网数据跟踪分析平台的构架设计、事件数据库设计和一些关键技术设计与实现进行分析和阐述。该平台现已在全国地震前兆台网大范围部署，具有使用方便、功能齐全、扩展性好的优点，每日产出大量的事件分析记录和专题报告，可供地震分析预报会商与台网运维管理使用。

地震前兆；数据跟踪；事件记录；自动产出；分析平台

新研发的地震前兆台网数据跟踪分析平台(以下简称数据跟踪分析平台)实现了事件分析提取与录入、产品自动产出等功能[1-3]。本文对该软件的设计思路、事件数据库结构设计和关键技术进行阐述。

1　数据跟踪分析工作基本内容

1.1工作基本流程

地震前兆台网数据跟踪分析工作流程如图1所示，是以地震前兆台站(以下简称台站)工作为基础，由台站人员利用数据跟踪分析平台，定期对观测数据进行系统分析、落实，形成事件分析记录，保存到事件库中。事件分析记录汇集遵守现有地震前兆台网的数据流程，分别同步到区域地震前兆台网中心、国家地震前兆台网中心和学科台网中心(以下分别简称为区域中心、国家中心和学科中心)。区域中心、学科中心利用数据跟踪分析平台分别对台站上报的事件记录进行质量审核，并定期产出本台网内的数据跟踪分析月报告和年报告。审核结果将汇集到国家中心数据库，并将信息及时反馈给相应台站。

图1　前兆台网数据跟踪分析工作流程Fig.1　Data tracking and analysis process of the precursor network

1.2事件分析记录基本内容

根据事件包含的信息内容，将事件分为6类：观测系统故障事件、场地环境干扰事件、自然环境干扰事件、人为干扰事件、地球物理事件和不明原因事件。另外作为一种特殊事件，正常动态事件也单独归为一类。根据各类型事件包含的信息，进一步将事件类型细分为各种具体影响因素(也可称为事件，以便与事件类型进行区分)，如自然环境干扰事件有降雨、气压影响等。由于各学科测项所观测的物理量和观测原理各不相同，引起各学科数据变化的具体影响因素也不相同，因此，根据不同学科的特点，按照学科、事件类型和影响因素分别进行归类。

事件分析记录的内容包括3个基本要素：具体仪器和测项分量(事件发生地点)、事件的起始时间(事件发生时间)、事件类型和影响因素(具体事件)。由于目前所观测到的很多事件缺乏定量化分析或智能化判断，需要大量台站人员人工参与分析、实地调查，最后才可能作出判断，因此，对事件分析的过程和依据也是事件分析记录的重要内容。除此以外，事件分析记录还包括事件的数据变化形态、数据变化幅度、数据曲线及标注、分析人员、录入人员和数据类型等信息。通过事件分析记录中记载的信息，也能查看分析使用的数据。

2　数据跟踪分析平台设计

2.1总体设计

根据地震前兆台网数据跟踪分析工作的基本流程及工作内容等需求，将数据跟踪分析平台设计为事件分析与产品产出两个子平台(图2)。同时，设计新的地震前兆事件数据库，用于保存事件分析记录。数据跟踪分析平台基于地震前兆数据库和地震前兆事件数据库运行。

图2　前兆台网数据跟踪分析平台总体架构示意图Fig.2　Schematic diagram of the overall structure of the data tracking and analysis platform of the precursor network

事件分析子平台主要完成数据检查分析、事件分析记录添加与修改、事件分析记录审核及基础信息维护等功能。产品产出子平台主要是针对数据库中的事件分析记录，按照需求完成查询统计、专题报表、专题报告和专题图件自动产出等功能。这种松耦合的模块设计有利于程序的功能扩展和开发。

地震前兆数据库和事件数据库部署在同一台数据库服务器上。事件分析子平台主要是从地震前兆数据库中读取观测数据、基础数据和相关辅助信息，不进行任何DML操作，但对前兆事件数据库进行DML操作。产品产出子平台则仅对数据库进行读取操作。

数据跟踪分析工作过程中需要读取长时间序列的观测数据及相关辅助信息，并进行大量的人机图形化交互操作。因此，数据跟踪分析平台总体采用C/S架构设计，使用C#编程语言开发实现。事件分析记录审核结果发布作为事件分析子平台的一项功能，采用B/S架构设计，Java语言实现，以网页形式集成到数据跟踪分析平台中。根据工作需要，数据跟踪分析平台将在全国地震前兆台网的相关工作计算机上部署。

2.2功能设计

按照数据跟踪分析工作的整体需求及总体设计，数据跟踪分析平台包括7个功能模块(图3)。

1)数据检查。利用时序图和算法模型，结合辅助日志信息(包括观测日志、仪器运行日志、工作日志等)及相关异常落实等工作，对数据进行分析，包括人工识别和算法自动识别、提取事件、填写相关信息并保存入库。该模块包括检查和绘图两个核心功能。算法模型包括通用算法模型(所有学科都适用，如标准差、一阶差分、移动平均、周期分析等)和专业算法模型(仅限于某个学科适用，如差值、突变判定等)。绘图功能包括时序曲线绘制、辅助曲线绘制和图件标注。时序曲线绘制即根据所选数据绘制时序曲线。辅助曲线根据数据属性和特点，通过算法模型对所选数据进行二次处理之后绘制。为确保图件信息的完整性，图件要素包括时序曲线、台站名称、测点编码、仪器名称、测项分量名称、数据类型、物理量、均值线、控制线、主网格线、次网格线和标量等。

图3　前兆台网数据跟踪分析平台功能示意图Fig.3　The function of the data tracking and analysis platform of the precursor network

2)修改/审核。包括事件分析记录查询、修改以及区域中心和学科中心对台站上报事件分析记录的审核功能。事件分析记录的修改必须由录入账户在录入节点进行，以确保各级节点信息的一致性。事件分析记录审核内容包括事件时间、事件分类、数据分析描述和图件绘制的准确性。

3)审核结果。用于查看区域中心和学科中心对事件分析记录的审核结果。由于区域中心和学科中心的审核结果分别保存在各自节点的数据库中，因此本功能模块采用B/S架构，确保各级节点都能及时查看审核结果。

4)进程显示。根据所查询时间段，以图形方式显示各类事件的时间进程。

5)产品产出。包括查询、统计、专题报表、专题报告和专题空间分布图产出功能，实现自动产出，同时相关查询信息可导出，形成Excel报表和Word报告。

6)参数设置。包括参数配置、用户信息设置功能。参数配置可确保软件正确链接到数据库所需信息。用户配置包括用户信息注册和权限配置。为确保对用户进行有序管理，根据工作需要，将用户划分为台站、区域中心、学科中心、国家中心、审核等角色，并分配给具体的仪器。注册用户仅限在注册节点登陆。

7)自动更新。包括程序维护和基础数据自动维护两个功能，自动更新升级部署到全国台网的数据跟踪分析平台和各级节点数据库中的基础数据。

3　事件数据库设计

事件分析记录是数据跟踪分析工作的一项重要成果，利用数据库保存事件分析记录及相关数据，有利于信息的查询和数据共享。事件数据库存储的内容主要包括事件分析记录、审核信息、基础数据和用户信息。

为确保与地震前兆数据库的继承性和基本一致性，参照《地震前兆数据库结构台站观测》的扩展要求进行设计。在设计事件数据库结构时，兼顾考虑现有前兆数据库已有存储信息，尽量避免数据冗余。同时也考虑现有数据交换接口的安全性和效率，确保与现有业务运行系统兼容。

根据事件分析记录所包含的信息内容，综合考虑信息完整性、数据冗余、数据插入和查询速度、维护方便性以及应用开发效率，设计事件分析记录表和附属测项分量信息表两张核心数据表，用于存储所有事件分析记录的完整信息。事件分析记录表结构见表1。

表1　 事件分析记录表结构

地震前兆事件数据库基于Oracle数据库系统设计，在现有地震前兆数据库PDBQZ、方案名QZDATA下建立，部署到全国前兆台网各级信息节点。在前兆事件数据库中，建立包括事件分析记录表、附属测项分量信息表、审核信息表、事件类型表、影响因素表、用户信息表、用户权限信息表和分析清单表等11张数据表，表名以QZ_ABNORMITY_XX命名，以区别现有数据库表名。各表采用UUID作为物理主键。

由于前兆数据同步仅能实现表级的数据交换，因此在国家中心进行数据分发时，表中数据会全部同步到各学科中心数据库，且这种数据冗余成本在现有存储条件下是可接受的。

4　关键技术方案设计与实现

软件在设计和研制过程中面临多项技术难关要克服。在此，选择参数配置加密处理、产品自动产出、审核结果汇集和软件在线自动升级4项关键技术进行阐述。

4.1参数配置加密处理

数据跟踪分析平台作为客户端，存在多个客户端链接一个数据库或者一个客户端链接多个数据库的情况。在日常工作时，需从数据库中读取相关数据进行分析，并将事件分析记录或审核信息录入数据库并作修改，因此，各客户端需要保存相应的数据库读写账户信息，而采用明码配置会对数据库造成重大隐患。为此，将数据库IP地址、数据库账号和密码进行加密处理，以XML配置文件保存。在软件安装配置数据库信息时，由数据库管理员或者区域中心人员将生成的加密XML文件拷贝到客户端所在安装目录即可，有效避免了多人同时掌握权限较高的数据库用户名和密码。在软件启动时，则自动读取XML信息并解码。

4.2产品自动产出

根据台站录入的事件分析记录，按照用户设定的参数，自动进行统计分析，形成专题报告(图集)和专题报表。用户能够从中查看到有关事件类型和事件影响因素的统计信息及各种事件分析记录图集。根据专题需要，设计多种专题报表模板和专题报告模板，利用C#编程接口类microsoft.office.interop.excel和microsoft.office.interop.word，实现报表、报告的自动产出。用户只需简单设置基本的查询参数，即可快速自动产出各种Word报告和Excel报表，简化报告编写工作，同时确保各类统计信息的准确性。数据跟踪分析平台已实现的主要产品见表2。

此外，基于GMT接口设计，实现了特定时间范围、区域台网、学科台网或全国台网的各种事件类型台站空间分布图。用户可利用空间分布图，对事件信息进行分析研究。

表2　前兆台网数据跟踪分析平台提供的产品信息

4.3审核结果汇集

地震前兆台网数据流是单向逐级汇集。因此，区域中心审核结果通过数据交换，逐级汇集到国家中心和学科中心，而学科中心的审核结果则分散保存在各学科中心的数据库中。由于本软件基于C/S架构设计，为确保各级节点数据库安全，客户端一次限访问单个目标数据库，且一般不允许台站人员访问区域中心和学科中心的数据库。这种模式导致台站或其他节点用户要及时查询到审核结果信息极其困难。

设C审核信息为全台网审核结果全集，C区域中心为区域中心的审核结果全集，C重力、C地磁、C形变、C地电、C地下流体分别为重力、地磁、形变、地电、地下流体台网中心审核结果集，则C审核信息可表示为：

C审核信息=

C区域中心+C重力+C形变+C地磁+C地电+C地下流体

为使用户能从C审核信息查询到所需的审核结果信息，基于Oracle数据库快照复制技术，在国家中心数据库中分别建立对应各学科中心审核结果的实体物化视图[4]，每10 min完成一次快照，将学科最新的审核结果同步到国家中心，然后建立区域中心审核结果与学科中心审核结果合并集视图，即C审核信息(图4)。

图4　审核结果信息汇集流程示意图Fig.4　Data collection process of audit results

为确保国家中心数据库的安全和性能，开发了一套基于B/S架构的审核结果查询交互系统，并集成到数据跟踪分析软件中，用户通过页面和权限控制可以查询到所需的审核结果。

4.4在线自动升级

基于C/S架构开发的数据跟踪分析平台分别部署到全国前兆台网相关工作人员的计算机上，一个单位可能部署有多套数据跟踪分析平台且同时链接一个数据库，因此，软件维护工作量和成本比B/S架构软件要大。另外，前兆台网数据流是单向的，不能利用现有数据交换完成全国数据跟踪分析基础信息的同步。为确保全国台网使用的程序版本和基础信息一致，在国家中心设计部署一台程序发布服务器，用于全国程序与基础信息的发布与自动更新。在线自动升级模块的基本流程见图5。当启动跟踪分析平台程序时，首先启动自动升级模块程序，自动与程序发布服务器端建立链接，判断当前使用的软件版本是否为最新，并从服务器端下载最新的软件升级包，自动完成升级。

程序升级内容包括：1)软件程序本身升级，包括编译的程序、DLL文件、配置文件等；2)数据库基础信息升级，包括分析仪器目录清单、事件基本类型、事件影响因素、仪器基础信息等。要求上述基础信息在全国前兆台网节点数据库中同步，确保各级节点基础信息的一致性、更新的及时性。为此，在数据库中建立基础数据版本控制信息表，用于保存当前数据库中基础信息表的版本号。另外，版本信息和所需更新数据以XML文本保存。

图5　在线自动升级流程图Fig.5　Online automatic upgrade process

5　结　语

地震前兆事件数据库的建立，进一步完善了地震前兆数据库存储信息，将台站一线人员对数据的分析认识成果逐条、有序、结构化地保存下来，为后期数据的利用提供了很好的平台。随着工作的开展，反映前兆台网观测数据变化信息的事件分析记录不断汇集，如何利用这些保存在数据库中的事件分析记录，是下一步急需开展的工作。

[1]周克昌，蒋春花.地震前兆数据库系统设计[J].地震，2010，30(2)：143-151(Zhou Kechang, Jiang Chunhua. On the Design of Earthquake Precursor Observation Database System[J].Earthquake,2010,30(2):143-151)

[2]Mayer-Schönberger V，Cukier K.大数据时代生活、工作与思维的大变革[M]. 杭州：浙江人民出版社,2013(Mayer-Schönberger V，Cukier K. Big Data:A Revolution That Will Transform How We Live,Work, and Think[M].Hangzhou:Zhejiang People’s Publishing House,2013)

[3]DB/T 51-2012地震前兆数据库结构台站观测[S].中国地震局，2012(DB/T 51-2012 Database Structure for Eearthquake Precursor Observation-Station Observation[S].CAS,2012)

[4]刘高川，滕云田.Oracle复制技术在地震前兆元数据交换中的应用[J].中国地震，2008，24(2)：142-149(Liu Gaochuan,Teng Yuntian. Oracle Replication and Its Application in Earthquake Precursor Metadata Exchange[J]. Earthquake Research in China,2008,24(2):142-149)

Foundation support:Earthquake Monitoring and Forecasting Annual Routine Project(Special) of CEA, 2016; Annual Routine Project (Key Tasks) of CEA,2015;The Spark Program of Eeathquake Technology of CEA,No.XH15003.

About the first author:LIU Gaochuan, engineer, PhD candidate, majors in earthquake precursory observation technology, Email:chnlgc@126.com.

The Design of the Tracking and Analysis Platform for Earthquake Precursor Observation Data

LIUGaochuan1,2LIZhengyuan1WANGJianguo3ZOUZhongyi4YEQing1

1China Earthquake Network Center,5 Nanheng Street,Sanlihe,Beijing 100045,China 2Institute of Geophysics,CEA,5 South-Minzudaxue Road,Beijing 100081,China 3Earthquake Administration of Tianjin Municipality,19 Youyi Road,Tianjin 300201,China 4Earthquake Monitoring Center Station of Yantai,17 Nanshangou,Yantai 264000, China

This paper describes and analyzes the design and implementation of the events database platform for the tracking and analysis of earthquake precursors. At present, the platform has been deployed in a wide range of national earthquake precursor networks. Its advantages are its easy-to-use complete functions, and the ease with which functions are extended.Large numbers of event analysis records and special reports are generated by the platform, providing for the earthquake analysis forecast consultation and network maintenance management.

earthquake precursor;data tracking;event record; automatic output; analysis platform

LI Zhengyuan, researcher, majors in earthquake and crustal deformation, E-mail:zhyli05@126.com.

2016-01-26

刘高川，工程师，博士生，主要从事地震前兆观测技术研究，E-mail:chnlgc@126.com。

李正媛，研究员，主要从事地壳形变与地震研究，E-mail:zhyli05@126.com。

10.14075/j.jgg.2016.09.020

1671-5942(2016)09-0841-06

P315

A

项目来源：中国地震局2016年度监测预报经常性项目(专项)(16A32ZX144);中国地震局2015年度常规性项目(重点任务)；中国地震局地震科技星火计划(XH15003)。