河北地震流体数据质量在线监控与评价软件设计

2021-04-23单连君蒋宏毅王加敏张晓刚宋志刚

华南地震 2021年1期

单连君，蒋宏毅，王加敏，张晓刚，宋志刚，王江

（1. 河北地震台，石家庄 050021； 2. 河北省地震局流动测量队，河北保定 07100）

0 引言

随地震地球物理观测技术升级、观测台网规模扩大、产出观测数据增多，及时、准确监控观测数据质量的需求[1]逐渐提高。河北地震流体学科属于河北地球物理台网，应用部署中国地震台网中心发布的前兆台网数据管理系统[2]、处理系统、跟踪分析系统等需要严格配置运行环境的行业专业软件，根据中国地震局发布的流体观测技术规范[3]，用于每日观测数据采集、汇集、产品加工、数据跟踪分析事件记录、报告产出汇总等常规工作。管理系统与处理系统不具备数据质量监控与评价功能。

由于各省级台网未统一部署观测数据质量监控软件，河北地震流体学科于2014 年使用自行开发仅监控观测日志和数据处理功能的非在线应用软件进行日监控，需配置软件运行环境，并缺少周、月、年时间尺度的数据完整率、观测质量、工作日志监控、跟踪分析结果评价功能。

因此，为准确、高效监控、评价河北地震流体日、周、月、年不同时间尺度的观测数据质量及跟踪分析结果，避免运行环境配置对软件的限制，设计了使用便捷的在线软件。

1 软件功能设计

软件数据源为河北地球物理台网ORACLE 数据库中的观测数据，计算及产出结果保存于新建MySQL 数据库中，软件采用 B/S 模式。设计业务功能为质量监控、评比评价、跟踪分析。

1.1 权限管理

软件用户分为管理员和非管理员两类，对比在用行业专业软件，简化用户角色分类，仅通过权限配置完成用户管理。当用户角色、从事业务发生变化时，管理员在权限管理界面调整配置即可，解决了在用专业软件中用户角色、身份变化后需要添加、删除账户，导致软件用户繁冗、冲突不易管理维护的问题。

管理员在web 页面登录后，可随时根据功能需求设置非管理员用户业务模块权限（图1），具备相应业务模块权限的用户可以执行监控功能并查看结果，无相应权限的用户仅可查看监控结果。

1.2 质量监控

质量监控业务功能设计监控流体观测数据处理、观测日志、工作日志及质量监控反馈。

其中，观测数据处理及观测日志监控依据中国地震局发布的《流体数字化观测数据预处理办法》[4]。具体指标为观测值标准差，假设观测数据数列为 xi，均值为，其计算公式为：

图1 软件业务模块权限Fig.1 Software business modules permissions

软件读取观测数据序列后根据公式1 计算标准差结果，并将观测数列中的超过3 倍标准差个数保存于MySQL 数据库处理信息表（表1），与河北台网数据库处理表、观测日志表中对应结果、记录进行匹配，将匹配结果显示于web 页面，由具备该业务模块权限的用户根据观测实际情况判定结果是否有效。

表1 观测数据处理信息表结构Table 1 Structure of observation data processing information table

工作日志主要监控仪器校测与时间校准，在日志内容中检索关键字，统计次数并将结果保存于工作日志信息表（表2），由具备该业务模块权限的用户判定结果是否有效。

表2 工作日志信息表结构Table 2 Structure of work log information table

质量监控反馈是在软件中将观测数据处理及观测日志中的问题反馈录入信息表（表3），显示于web 页面，供对应台站用户查看结果并进行处理操作。

1.3 评比评价

评比评价包含数据完整率、质量评价、基础信息三方面内容。其中，数据完整率由软件自动计算河北流体学科处理后的观测数据数量获取。基础信息是软件读取河北流体学科数据库中对应信息表，然后在web 页面由具备相关权限的用户进行选取、核查，评价信息的完整、准确程度。流体学科观测数据质量评价主要涉及水位、水温、气氡、气汞、氦气、氢气等观测项目，评价指标包括潮汐因子、潮汐因子相对中误差等潮汐观测项目与标准差、相对标准差等非潮汐观测项目[5]。

表3 监控反馈设计表结构Table 3 Structure of monitoring feedback table

其中，固体潮计算采用Venedikov 调和分析方法[6]，假设 y（tj）为时间序列， wi为角频率， hi为 wi角频率的振幅， φ（Tj）为初相位， Φ（tj）为 tj时的零点漂移，则固体潮观测值为：

式2 中φ（Tj）可以表示为在以Tj为观测序列中央时刻历元的初相位φj与tj经历时间间隔后的相位滞后 ΔΦj之和，即： φ （Tj）=φj+ΔΦj；式 2 中 Φ（tj）为仪器在经历时间tj过程的零点漂移k 阶多项与观测误差 ε（tj）之和，即bkPk（t）+ε（tj）。将 φ（Tj）和 Φ（tj）代入公式 2 中，最终公式[7]为：

潮汐因子是半日波的观测固体潮[8-9]振幅与理论固体潮[10]振幅之比，潮汐因子相对中误差为潮汐因子与其序列标准差之比。

非潮汐观测项目标准差采用公式1 计算，相对标准差为标准差与平均值之比。本软件计算超过预设整数倍数标准差个数，自行完成总超差天数统计。

软件读取河北流体学科源数据后，根据观测项目及评价指标进行分类，按照已有公式自行完成观测质量计算结果保存MySQL 数据库评价表中（表4）并显示于web 页面，不需配置运行环境、额外使用行业专业软件及人工复核。

表4 评比评价表结构Table 4 Structure of evaluation table

1.4 跟踪分析

跟踪分析需要实现的功能是检查事件分类、描述、图件质量及事件审核完整率。软件读取河北流体学科源数据，不需配置运行环境、额外使用行业专业软件，按照设定的检索条件在web 页面显示信息，由具备该业务模块权限的用户评价跟踪分析结果并保存于MySQL 数据库跟踪分析信息表中（表 5）。

表5 跟踪分析信息表结构Table 5 Structure of tracking analysis information table

2 软件实现

2.1 权限管理

软件业务权限进行组管理，管理员根据监控时间尺度可以将不同业务模块的功能权限合并成组，分配给需求用户。需求用户与组一一对应关系，但组内权限与用户不一一对应。即每个用户只能加入一个组，一项功能权限可以由多个用户共同完成。

例如软件中设置观测质量组权限，包括潮汐因子、观测精度、相对标准差、完整率等功能；设置跟踪分析权限，包括事件分类、事件描述、事件图件、观测日志等功能。

2.2 质量监控

质量监控将软件设计中具备质量监控模块权限用户的审核结果进行展示，具体包括观测数据的未处理情况次数、问题处理情况次数及该监控得分。以河北流体学科2019 年1 月观测数据为例展示当月第二周质量监控结果（图2）。

2.3 评比评价

评比评价对河北流体学科月、年时间尺度的观测数据质量进行评价，具体包括完整率、观测质量、工作日志、跟踪分析等项目。

以2019 年7 月河北流体学科观测数据为例，显示内容为观测质量软件自动评价结果（图3）与具有该模块权限用户的工作日志检查界面（图4）。

2.4 跟踪分析

软件在web 页面显示河北流体学科数据中的跟踪分析信息，由具有该模块权限用户检查原始记录信息、完整率进行结果评价。以2019 年2 月河北流体学科观测数据为例展示评价结果（图5）。

3 结语

根据河北流体学科观测业务需求，为准确、高效监控、评价河北流体日、周、月、年不同时间尺度的观测数据质量及跟踪分析结果，设计了使用便捷的在线软件。

图2 2019 年1 月河北流体学科观测数据周质量监控结果Fig.2 Weekly quality monitoring results of Hebei fluid observation data in January 2019

图3 2019 年7 月河北流体学科观测质量月评价结果Fig.3 Monthly evaluation results of Hebei fluid observation data in July 2019

软件通过组管理配置用户功能权限分配软件全部业务功能权限，简化用户管理；实现自动质量监控功能，结合质量监控反馈及时、有效处理观测数据；评比评价实现无需人工复核完成观测质量评价；跟踪分析无需配置行业专业软件所需运行环境，根据检索条件完成信息显示及结果评价。综上，本软件及时、准确实现质量监控、评比评价、跟踪分析汇总等功能，实现了河北地震流体学科观测数据质量监控与评价需求。