地下流体站网运行管理与产品服务平台设计与实现

陶志刚 刘春国 樊春燕 叶 青 刘 颖

1）中国北京100045 中国地震台网中心

2）中国北京101121 北京华盛旭升科技有限公司

0 引言

我国地下流体观测始于1966 年邢台地震以后，经20 世纪80 年代的调整，2000 年以来的数字化升级改造，现已初步建成覆盖中国大陆多个主要地震构造带的地下流体站网。目前，纳入国家地下流体站网管理的台站约491 个，仪器约1 200 多套，监控测项主要包括水位、水温及氡、汞、氢气、氦气和水质离子等，观测方式主要为人工观测、模拟观测和数字化观测，采样率为日、小时和分钟，其中水位观测仪器主要有SWY-2、LN-3A、ZKGD3000 等，水温观测仪器主要有SZW 系列、ZKGD3000NT 等，氡、汞、氦气、氢气浓度测项观测仪器主要有FD-125、SD-3A、RG-BS、ATG-6138M、WGK-1、ATG-6118H 等（陶志刚等，2021）。总之，国家地下流体站网规模大，观测手段多，仪器种类复杂，但信息化程度较低，且从事站网运行管理的人员较少，为日常管理带来巨大挑战。

随着地下流体监测业务的发展，站网的产出能力备受关注，要求地下流体站网能够快速加工并产出高质量的地下流体专业产品，以满足震情监测、地震科研以及其他防震减灾工作的迫切需要，现有软件系统已无法满足上述需求（刘春国等，2014）。在此背景下，国家地下流体台网中心于2021 年设计并实现了地下流体站网运行管理与产品服务平台（以下简称平台）。该平台基于B/S 架构设计、Spring Cloud 微服务架构思路，采用一级部署、三级应用的管理模式，实现全国地下流体站网运行管理的在线综合业务，为我国地下流体监测业务的开展提供技术支撑和保障，同时为全国监测、预报人员以及科研院所等科研人员提供产品产出服务，显著提高了国家地下流体站网运行管理和产品产出工作效率。

1 平台框架设计

详细梳理国家地下流体站网常规工作业务流程，根据各项工作特征及逻辑关系，设计平台应用框架。该框架主要包括5 层：①数据层：将与地下流体相关的数据源整合到一个平台上，包括观测数据、观测日志、工作日志、跟踪分析事件、地震目录、地图信息、基础信息等。数据层为平台运行提供数据支持，是整个平台的基础；②管理层：用户统一对台站基础信息、台网变更（仪器变更、仪器停测、测点变更）、观测条件（数据变化背景信息、环境干扰、观测装置）、台项清单等进行管理；③监控层：国家级用户从全国层面对所有站点进行日常质量监控、月尺度评价和年尺度评估；④产出层：数据产品、报告产品、图件产品、跟踪分析事件、大震应急等产品；⑤应用层：主要服务于站网运行管理、地震预测预报应用、地震科学研究、大震应急应用等方面。此外，平台增加了系统管理模块，包括用户管理、角色管理、系统菜单、通知公告、标准规范、数据字典、用户统计，主要方便用户对平台进行多维管理和权限设置。平台设计框架见图1。

图1 地下流体站网运行管理与产品服务平台设计框架Fig.1 The design framework of underground fluid station network operation management and product service platform

2 系统架构

为满足平台资源按需使用及可扩展性要求，平台基于java 语言开发、B/S 架构设计，系统开发及运行基于Spring Cloud 微服务架构并结合海量数据实时、离线处理的业务场景，采用容器管理，支持集群组件，具备负载自动均衡、实时存储、大数据量存储、实时计算、离线计算等功能。平台通过redis 数据库进行实时数据的存储与订阅、Oracle 进行业务数据的存储、Elasticsearch 进行全文检索，支持对Word、Excel、PDF 等格式文档进行辅助加工和标引，并完成自动入库。平台整体系统架构见图2。

图2 平台整体系统架构Fig.2 The overall architecture framework of the platform

平台部署在地震行业专业网内，简化了客户端工作，用户可以使用浏览器登录访问，无需安装软件，操作便捷。

3 功能实现

国家地下流体站网所有常规业务均集成在同一个平台上进行统一管理，业务链条更加清晰。平台采用一级部署、三级应用的管理模式，建立了国家级、省局级和中心站级三级管理用户，支持多人协同在线管理办公，台网管理更加动态高效。平台包含6 大业务模块，24 项功能，主要功能包括站网监控、台网管理、质量评估、产品服务、学科综合、系统管理，见图3。

图3 地下流体站网运行管理与产品服务平台功能框架Fig.3 Functional framework of underground fluid station network operation management and product service platform

平台设置了登录前后2 个界面，用户登录前只能浏览台网简介、产品服务、通知公告、标准规范等文件（不能下载），只有注册账号才能访问平台的各个功能。

3.1 站网监控功能

平台首页：用户登录平台后，在首页可以查看全国所有台站分布、断层分布以及当月发生的地震分布情况。首页增加了模糊查询功能，可以快速搜索任意台站的基本信息。背景地图提供了中国行政区划图和中国地形图2 种模式。从全国台站分布图上可以随时查看仪器运行状态（黄色圆点代表仪器故障，绿色代表仪器正常），点击任意台站，即可查看具体测点、测项的基本信息。

3.2 台网管理功能

（1）基础信息：作为一切数据的基础，决定了观测数据的完整性、准确性和可用性。用户可以查看辖区内所有台站信息、测点信息、井信息、泉信息、井泉测项、仪器信息、断层信息，见图4。

图4 台站基础信息展示Fig.4 Display of basic station information

（2）台网变更：用于统计全国所有流体观测仪器的变更信息、停测信息和测点变更信息。

（3）观测条件：包含观测数据的背景信息、观测装置和环境干扰信息。其中：①背景信息：平台自动计算观测数据的年度最大值、最小值、均值、变化速率等信息；②观测装置：包含所有观测装置出现问题的台项清单；③环境干扰：包含了所有受环境干扰的台项信息。

（4）台项清单：用户可以查看辖区内台网所有台项清单信息，包括台站代码、测点、测项代码、测项名称、仪器型号、开始观测时间、采样率、井泉观测场地等信息。

（5）上报管理：国家中心级用户、省地震局用户、中心站级用户可以在平台上传相关文件及产品。

3.3 质量评估功能

质量评估功能涵盖日常监控、月度评价和年度评估3 部分。

（1）日常监控：对全国地下流体台网产出的观测数据、预处理和观测日志的质量情况进行监控（刘春国，2017）。平台在借鉴原监控软件的基础上，从数据有效性、动态稳定性、数据突跳等6 个方面优化模型算法，根据不同测项数据的变化特征，设置不同的筛选阈值，筛选条件灵活可控，可以更加准确地筛选问题台项，快速进行问题核实，并且每周定时自动扫描问题台项，人工核实后自动产出监控报告，监控时效得到显著提升。

（2）月度评价：国家级用户每月对台网观测资料进行评价。从数据内在质量、仪器运行评价（仪器运行和故障统计）、数据完整性（连续率和完整率）3 个方面给出单项评价结果以及综合月度评价结果。省级和台站用户可从宏观层面了解台网整体质量，也可查看省地震局、台站的数据质量评价结果，见图5。

图5 全国月度评价结果展示图Fig.5 Display of national monthly evaluation results

（3）年度评估：平台增加了年度评估资料申报和上传功能，评比资料全部电子化，优化了申报流程，具有自动填写参评台项基本信息、一键生成全国参评信息表的功能。国家地下流体台网中心从数据质量和观测运维2 个方面进行评估，并给出综合评估结果。评比打分采用人工与平台自动判定相结合的方式，评价效率显著提升。

3.4 产品服务功能

产品服务功能是平台开发的核心功能之一。平台产出包含数据、图像、台站和台网报告、跟踪分析事件、大震应急等产品。

（1）数据产品：包含原始数据、预处理数据、整点值数据以及日均值、五日均值、十日均值和月均值数据，平台可以一键绘制台站所有测项观测数据，同时可以查看观测日志和数据跟踪分析事件记录，见图6。观测日志和数据跟踪分析事件是对数据异常变化的原因说明，二者配套使用，可以减少“盲数据”的比例，提高观测数据的实用性。此外，在观测曲线上可以标注地震信息（地震三要素），加强了观测数据与地震信息的综合使用。

图6 观测数据曲线产品展示图Fig.6 Product display of monitoring data curve

（2）多年对比：平台具有一键绘制5 年观测数据曲线对比功能，可以进行不同年度同时期的数据变化差异对比，识别年度数据变化异常，见图7。多年对比曲线与台站基础信息配套使用，方便用户查询所有与数据相关的前端信息。

图7 多年对比观测曲线展示Fig.7 Multi-year comparative monitoring curves display

（3）台站报告：包括台站的观测运行年报、观测数据月报表、仪器校测标定记录、观测数据原始记录等文件，方便用户查看仪器的运行维护情况、台站周边环境干扰情况，了解每个台站、每套仪器的产出数据的可靠性。

（4）台网报告：包括全国地下流体台网月度运行报告、年度运行报告和分研究报告，从宏观层面了解国家地下流体台网规模、台网运行、数据质量和产品产出等内容。

（5）图像产品：用户可以查看全国各个测项（水温、水位、氡、汞、氢气、氦气）的日尺度和月尺度的空间变化分布图。

（6）应急查询：地震发生后，输入地震信息（经纬度坐标）可以快速查询震中几百公里范围内的台项清单，筛选记录同震响应的台项清单以及数据异常变化的台项清单。

（7）事件产品：平台可以查询数据跟踪分析产出的各类事件产品（观测系统事件、自然环境干扰、场地环境干扰、地球物理事件、人为干扰事件和不明原因事件）。

3.5 学科综合功能

地下流体台网中心除完成流体常规业务工作外，还承担牵头形变、重力、地电、地磁、流体、GNSS 学科产品汇总任务，主要包括台网质量监控日报、数据内在质量评价、区域质量评价3 部分。该平台开发前，各学科完成相关产品后，通过邮件发送到中国地震台网中心，由专人汇总并形成地球物理台网产品，发送至各省地震局和台站，台站修改后通过邮件进行逐级反馈，流程复杂，时效性差（图8）。

图8 平台开发前评价结果反馈流程Fig.8 The past evaluation result feedback process

该平台开发后，各学科完成相关产品后直接上传平台进行自动汇总，一键生成相关产品，各省局、中心站登录平台即可查看权限范围内问题台项清单，并进行在线反馈，显著提高了问题反馈的时效性，建立了学科与中心站之间业务沟通的桥梁（图9）。

图9 平台开发后评价结果反馈流程Fig.9 The current evaluation result feedback process

4 平台特点

相比过去地下流体各项业务工作，该平台具有以下特点：①提高自动化水平。利用信息化手段，提高了台网运行管理与产品产出的自动化水平，台网管理的便捷性及产出产品的时效性得以提高；②一级部署、三级应用。平台涵盖了地下流体台网所有常规业务，采用一级部署三级应用管理模式，建立了国家中心级、省级、中心站级三级管理，不同层级用户登录平台即可管理辖区范围内所有站点；③产品丰富化。产品类别丰富，包含了数据、图像、台站报告、台网报告、应急查询等产品；④观测资料透明化。用户不仅可以获取原始数据、预处理数据、均值类数据，查询观测日志和跟踪分析事件记录，还可以了解前端台站基本情况、观测环境、仪器运行状况，从而判断数据的可靠性；⑤台网管理无纸化。台网运行管理与产品产出电子化，方便用户在线浏览和下载。

5 结束语

该平台是国家地下流体台网首个综合性业务在线管理平台，功能全面，产品丰富，自动化水平高，面向地震系统开放使用。希望各级用户在使用的同时，多向国家地下流体台网中心提出宝贵意见，共同完善平台各个业务模块功能。此外，随着信息化技术的不断发展，大数据分析应用在地震行业的深入，平台将会开发新的功能和产品，更好地服务于防震减灾事业。