前兆观测数据检验告警软件的设计与实现

池海江，马 栋，白亚东，温 佳

(1.河北省地震局怀来地震台，河北 张家口 075400；2.河北省地震局，石家庄 050021)

前兆观测数据检验告警软件的设计与实现

池海江1，马 栋2，白亚东1，温 佳1

(1.河北省地震局怀来地震台，河北 张家口 075400；2.河北省地震局，石家庄 050021)

针对地震前兆观测无法实时或准实时发现观测异常的现状，设计一套小型短信告警应用软件；利用前兆观测设备收集当天数据，并对数据文件进行简单分析来判断前兆设备运行情况，对判断为异常的设备通过短信方式进行告警。系统可及时掌握仪器工作状况，有效降低工作量，提高前兆观测台站日常管理和仪器维护效率，具有推广实用价值。

前兆；监控；短信；告警

0 引言

随着中国地震局“十五”改造计划的实施，前兆观测实现了数字化、网络化，进入了数据库时代。按照《数字化地震前兆台网运行管理规定》，台站每天通过前兆台网管理系统对前一天数据进行收取、存储、预处理等工作；对当前仪器观测工作状态检查要求是“每天定时对台站前兆仪器和公用设备工作状态进行不少于两次的检查，发现问题及时处理”。值班人员通过网页方式对仪器进行查看，人工输入每一个仪器的用户名、口令，然后文件下载、数据查看，通常上、下午各一次。实际工作中，由于前兆观测缺乏实时监控，发现问题一般滞后几个小时，而夜间仪器运行情况第二天才能发现，属监控空白。

目前测震实现实时传输，有完善的告警系统[1-2]，而前兆观测没有。一个台站的前兆观测仪器种类杂，数量多，一次人工检查需较长时间。日常工作中，多种原因如电源、数采器、仪器等故障，大震靠摆或超量程都会造成数据缺测，即数据文件中为NULL，或明显错误的坏数、走直线的死数，或产生较大差值的阶跃，成片数据超差等，出现这些问题都需要及时检查仪器。

短信息服务是GSM网络的一种基本业务，通过服务中心进行文本信息收发，在全国范围内实现了联网和漫游，具有随时在线、收费便宜、稳定可靠、覆盖面广的特点，不需要单独投资运营和维护。

本文主要内容就是利用现有成熟的技术手段，设计一套小型应用软件，用指令方式定时依次对多种前兆仪器连接登录，采集当天数据，然后进行简单的判断分析，用以实现对设备运行状况的判断。对于判断为异常的设备通过手机短信方式进行有效告警，便于台站人员及时发现问题，解决问题，提高仪器运行率和数据完整率。

1 软件设计

1.1 硬件配置

发送短信选用SIM900A，一款由SIMCOM公司工业级双频GSM/GPRS的通讯模块，支持移动、电信和联通卡的短信收发和GPRS连接。模块性能稳定，抗干扰能力强，功耗低，广泛应用于短信通知、短信查询、短信监控等服务。模块由射频天线、内部闪存、ZIF连接器、GSM基带处理器、支持2A的匹配电源和一个40脚的Zip插座组成。GSM基带处理器是其核心部件，相当于协议处理器，用来处理外部系统发的AT指令。只要将SIM900A的串口和PC计算机的串口相连，就可用AT指令与通信模块进行信息通信[3-4]。

1.2 软件功能

目前台站运行的前兆数字化仪器都是按照中国数字地震观测网络工程要求，通过以太网、基于SOCKET连接的HTTP协议，接受并响应客户端指令或网页方式控制，完成与客户端、数据库的数据信息交换。本软件主要是利用前兆仪器的指令端口(缺省值81)来完成指令服务，主要功能如图1结构框图所示。手动模式下可查看仪器的网络状态、基本信息、属性、工作参数，进行时钟校准、设备复位等操控[5-6]，方便快捷。自动模式是按照预定时间依次对仪器进行连接登录，收取当天数据，并对数据进行判断分析，发现仪器状态异常或数据错误，及时发出音乐或者短信告警。

2 功能实现

软件采用VB6.0语言编程， 在windowsXP、win7、win10等操作系统下“SETUP.EXE”安装后运行。主程序运行界面如图2，主要分为菜单栏、信息显示窗口、告警控制信息窗口及底部的状态栏4个部分。

图1 前兆观测数据检验告警软件的结构框图

图2 前兆观测数据检验告警软件运行主界面

2.1 系统设置

软件正常运行必须进行系统设置。主要包括“台站信息设置”，即添加台站仪器实际布设情况，包括台站名称、台站代码、仪器名称、IP、ID、用户名、口令等内容。“数据文件路径设置”，即对十五格式的前兆文件、九五前兆原始文件、九五格式的前兆文件保存路径进行设置。“当天自动收数时间设置”可根据台站仪器数量及工作需要设置，使用“添加”、“删除”按扭设置任意次数，任意时刻，保存后按时间先后自动排序。“延时设置”是仪器响应指令延时，可以根据本台网络及仪器响应情况适当调整，系统默认为20 s。

2.2 手动模式

软件启动默认方式为手动模式，即对选中的一个仪器连接登录，然后监控。“仪器监视”的主要功能是获取仪器的状态信息、运行日志、属性信息和工作参数，包括网络参数、表述参数、测量参数等。“仪器控制”主要是设置仪器的工作参数、校对仪器时钟、仪器调零(由此功能)、仪器重新启动和设备复位等。“数据传输”可进行整体、当天数据文件调收和数据绘图及当前数据显示。“当天数据”还可进行实时曲线显示，该功能曲线是利用VB 的timer控件，根据不断接收到的当前数据进行更新绘图。

关键部分代码：

获取仪器属性信息的代码：

Winsock1.SendData get /19(长度) XXXXXXXXXXXX(ID)ppy /http/1.1

获取仪器状态信息的代码：

Winsock1.SendData get /19(长度) XXXXXXXXXXXX(ID)ste /http/1.1

时钟设置代码：

Winsock1.sendData get /40(长度) XXXXXXXXXXXX(ID)set clock YYYYMMDDHHMMSS /http/1.1

仪器复位代码：

Winsock1.sendData get /19(长度) XXXXXXXXXXXX(ID)rst /http/1.1

2.3 自动模式

自动模式是本软件的应用特点，代替值班员完成数据采集、判别、告警的功能。

2.3.1 数据采集功能

按照前面“当天自动收数时间”设置，该时刻会对选中的仪器依次进行连接、登录、收取当天数据。如果该仪器不能进行正常连接或者登录，即无法收取当天数据，那么计为二次登录对象，其它仪器依次进行。反复三次如果仍不成功，那么就在窗体的告警文本框中填写“XX仪器网络故障。”

虽然理论上可以对前兆仪器进行随时登录采集，但大部分前兆设备的主机系统较为“娇气”，频繁大量访问有时会造成设备死机或工作不正常，故间隔1～2小时为宜，时刻任选，且注意避开整点时刻。

2.3.2 异常数据的判别

1)缺数。十五文件中以“NULL”表示缺测数据。主要原因有主机故障无输出，数采故障不采集，时钟误差，线路故障，观测数值超量程，如电压输出一般为±2 000 mV，SQ70D石英水平摆的测量范围是0～30 mm。在分钟或秒采样情况下，产生1～2个“NULL”一般并不代表前兆仪器或数采故障，无需告警。警报的产生应根据仪器的特征进行判别。本程序将分钟采样单分量3个连续“NULL”，秒采样180个连续“NULL”，时值采样1个“NULL”作为告警阈值。如图3a水平摆仪在地震时靠摆，数据文件产生连续的“NULL”，这时在告警文本框中添加“水平摆07时后有缺测”。

2)坏数，即仪器故障后产生的错误数据，其特征为取值明显超出正常范围，或数值大小无变化，呈直线状的死数。每个台站每个仪器都有其正常有效值，通过多年观测的均值得到。如据2014—2016年统计结果，怀来台气压值有效值为910.0～965.0 hPa、洞温有效值为10.85～10.95℃、气氡有效值为18.0～142.0 Bq/L, 气汞有效值为0.1～5.0 ng/L。和缺数判别类似，程序将分钟采样3个连续坏数，秒采样180个连续坏数，时值采样1个坏数作为告警阈值。死数的判别是通过观测数据一阶差分值是否持续为0来判断。设xi为某测项某时刻的测值，差分值Δxi=xi+1-xi(i=1,2,3,…n)，程序中采用判断10个连续Δxi为0，即可初步判断为观测走直线，仪器输出有问题。如图3b垂直摆09时后仪器故障，产生坏数，这时在告警文本框中添加“垂直摆09时后有坏数”。

不同的测项从判断配置文件panduan.txt读取不同的有效值、差分阈值、日变幅度等参数，根据每个仪器易发生问题的数据特征，应用不同的方法来判别异常数据。产生告警后需要人工再次预处理，只为最大限度及时发现问题，发现地震前兆异常。

2.4 告警

当所有选中仪器完成收数和数据判别后，进入告警环节。告警有音乐模式和短信模式。

音乐告警。可在组合框中进行音乐或歌曲的选择，告警音乐采取循环播放，直到点击停止按钮。

图3 前兆观测数据变化分类图

短信告警。软件启动时要对短信告警硬件进行测试，如有问题则弹出提示框，需“短信设置”(图4)，主要包括：串口属性设置，即串口选择，波特率，8位数据位、1位停止位、无校验位，一般为默认；值班员手机号码设置；本月值班安排表，软件根据排班表自动确定短信发送手机号码；短消息中心控制号码；SIM卡的信息读取、删除操作。“手动测试”是测试串口、通信模块初始化连接是否成功，即发送AT是否返回“OK”，在状态栏显示。

图4 短信设置窗体

SIM900A通信模块有AT命令指令集接口，支持文本和PDU(Protocol Data Unit)模式的短消息。软件选用可支持中英文短信的PDU模式，它有7-bit、8-bit、UCS2三种编码。7-bit用于发送普通ASCⅡ字符，即英文短信，最多160字符；8-bit用于发送数据信息；UCS用于发送Unicode字符， 最多发送70个中文字符[7-8]。关于AT指令和短信发送具体命令略。

发送完毕的告警信息会记入日志文件，以后对当日发送记录进行检索，发现重复不再发送，避免同一事件多次告警。

3 系统应用效果

怀来地震台有东良形变，后郝窑流体和沙城电磁波等多种类仪器，共15台套，58个前兆测项分量，每天2次收取当天前兆数据并查看。实际工作中发现仪器问题不可能恰到其时，特别是水平摆仪器，由于地震靠摆，发现不及时，常造成缺测，严重影响观测资料质量。2016年应用本系统进行告警监控，6月24日洞温线路故障造成“坏数”，7月31日伸缩仪仪器故障数据产生“阶跃”，11月13日新西兰M8.0级、12月25日智利M7.6级地震造成水平摆“缺数”都及时发出了告警，为抢修调整仪器赢得了时间，提高了仪器运行率。

4 结束语

1)前兆观测数据检验告警软件的应用，替代人工进行仪器加密巡检，昼夜对前兆仪器的数据文件进行分析判断仪器工作状态是否正常，发现问题及时告警。

2)该软件在怀来地震台试用，适用于形变、流体、电磁学科多种仪器，但仪器型号不是很全面，对渐变的台阶、曲线畸变以及趋势转折等复杂形态不能做出判别。今后应不断改进，总结经验，增强软件的智能性和通用性。

[1] 赵铁锁, 张晖, 高昌志, 等. 单台测震实时数据断记监测软件[J]. 高原地震, 2016, 28(3): 65-69.

[2] 胡星星, 滕云田, 王喜珍, 等. 地震波形数据实时监控软件的实现[J]. 地震地磁观测与研究, 2008, 29(1): 104-108.

[3] 陈坚, 孙志月. MODEM通信编程技术[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 1998: 25-80.

[4] 李江全. Visual Basic串口通信及测控应用实例详解[M]. 北京: 电子工业出版社, 2014: 272-287.

[5] 何案华, 赵刚, 王军, 等. 串口前兆仪器的因特网接入方案与配套软件开发[J]. 地震研究, 2008, 31(3): 279-283.

[6] 赵刚, 何案华. GPRS技术在地震前兆台网中的应用研究[J]. 地震研究, 2004, 27(3): 265-270.

[7] 赵大成, 贾海燕. 手机短信收发的AT指令控制[J]. 信息工程大学学报, 2004, 5(2): 90-92.

[8] 张茂军, 张晋川, 袁燕妮, 等. 基于TC35T模块在无人值守地震台站遥控电源开关的应用[J]. 地震地磁观测与研究, 2008, 29(1): 89-94.

DesignandImplementationofWarningSoftwareforPrecursoryObservationData

CHI Hai-jiang1, MA Dong2, BAI Ya-dong1, WEN Jia1

(1. Huailai Seismic Station, Hebei Earthquake Agency, Zhangjiakou 075400, China; 2. Hebei Earthquake Agency, Shijiazhuang 050021, China)

In order to realize real-time or quasi-real-time detection of anomalies of the earthquake precursory observation, we design a set of SMS alarm application software. The software can collect data through precursory observation devices and simply analyzes the data files to check the operation of precursor equipment. When find anomalies, the software can give an alarm for abnormal equipment via SMS. The software can grasp the working conditions of the instrument in time, effectively reduce the workload, improve the daily management of the observation station and the efficiency of instrument maintenance, and then have practical value.

precursor; monitoring; short message; alarm

池海江，马栋，白亚东，等. 前兆观测数据检验告警软件的设计与实现[J]．华北地震科学，2017，35(4):75-79.

2017-04-22

池海江(1971—)，男，河北怀来人，高级工程师，主要从事数字化地震监测工作.E-mail:hlscchj@126.com

P315.6

A

1003-1375(2017)04-0075-05

10.3969/j.issn.1003-1375.2017.04.014