数字地震台网综合处理系统通用架构研究与设计

2022-10-20李水龙周跃勇于伟恒周施文

现代信息科技 2022年13期

李水龙，周跃勇，于伟恒，周施文

（福建省地震局，福建福州 350003）

0 引言

随着地震监测台网密度的不断增大以及更为先进的地震监测仪器的投入使用，对数字地震台网数据处理系统的应用和发展提出了更高的要求。原有的各自为政、互不相干、独立开发的应用建设模式，存在着资源重复消耗和开发效率难以令人满意的缺陷，无法很好地满足新的应用要求。为了保障数字地震台网综合处理系统的统一规划和高效开发，需要研究为之服务的通用架构，以提供整体指导和基础支撑。

1 通用架构概述

数字地震台网综合处理通用架构能够为数字地震台网综合处理系统的具体设计提供理论指导和框架支持；降低数字地震台网综合处理系统的开发难度，提高应用系统的开发效率；为数字地震台网综合处理系统从传统的桌面型单机应用向分布式的网络化应用提供转换的桥梁；通过功能重用和代码重用，避免数字地震台网综合处理各项应用各自为政、重复开发的情况，减少资源浪费和消耗。通用架构定位示意图如图1所示。

图1 通用架构定位示意图

数字地震台网综合处理通用架构的设计，在满足当前工作需要的同时，要充分考虑后续工作的延续性，使当前工作成为后续工作的基础。信息采集要严格按照国家标准和共享规范统一入库，保证数据标准化，实现多层次的信息资源共享。

充分利用计算机网络技术，采用Client/Server 结构及Browser/Server 结构，保证系统的可伸缩性、可扩展性和开放性，避免电子业务平板化。遵循主流的接口规程和协议标准，保证系统后期扩充与升级的可能性以及与其他系统互联的可行性，避免“今天的投资成为明天的浪费”。

关注点分离是对只与“特定概念、目标”（关注点）相关联的软件组成部分进行“标识、封装和操纵”的能力，是处理复杂性事务的一个原则。数字地震台网综合处理系统不仅负责对地震数据的处理，而且还提供对处理结果的发布等功能。前者侧重于数据的计算处理，后者侧重于信息的界面表现。它们各自关注的重点不同，所采取的处理手段和技术也存在着差异。因此，基于关注点分离的技术，通用架构从结构上可以分为后台计算处理和前端应用处理两大部分，如图2所示。

图2 结构示意图

数字地震台网综合处理系统包含地震预警、地震速报、地震烈度速报、震源机制解等应用。这些应用虽然在功能目标产出上存在较大差异，但在业务处理流程上还是存在着不少共性的。通过对这些处理过程的归纳抽象，可以发现这些应用都包含业务处理、控制网关和表现逻辑三个部分，业务处理包含数据接收、数据派发、通道处理和综合处理四项任务，功能模块如图3所示。

图3 功能模块示意图

数据接收部分主要负责从实时流服务器和归档波形服务器接收台站的实时波形或归档波形。数据派发部分从数据接收部分得到统一格式的波形数据，传递给后续的通道处理部分。通道处理部分负责对数据派发部分传送而来的连续波形数据进行仿真变换等预处理，并为后续的综合处理提供预处理后的特征信息。综合处理部分接收通道处理部分传递过来的特征信息，根据业务功能和规则的要求，对这些信息进行综合判定，从而给出对地震事件的处理结果。控制网关部分实现数据在后台处理计算与前台应用展现之间的网络传递，从综合处理部分接收地震事件的处理结果，通过网络发送给前端的信息发布、实时监控等应用。表现逻辑包括实时监控、人机交互、地震事件结果二次加工等工作。

2 主要任务

数字地震台网综合处理通用架构的任务主要包含三大块内容：地震观测数据处理研究、软件技术研究以及通用框架的建设，任务路线如图4所示。

图4 任务路线图

地震观测数据处理研究主要涉及数据分类与格式、通用处理流程、数据交换接口、通用处理功能等方面，通过对业务需求的梳理分析，对地震预警、烈度速报等处理过程进行归纳抽象，构建数据模型、流程模型、共享模型、功能模型等模型，为综合处理在线生产系统的开发奠定基础。

数字地震台网综合处理系统是一个复杂的网络分布式系统，需要实时不间断地处理海量的波形数据，要求系统具有较高的可靠性、较好的容错性和优越的性能。因此需要针对高效稳定的综合处理需求，展开相关关键软件技术的研究并得到针对综合应用服务的技术解决途径。

在前两项工作成果的基础上，基于软件工程的先进方法和实践情况，建立一套服务于数字地震台网综合处理系统的通用支撑框架，编写并实现共性关键核心模块程序，降低综合处理业务系统的开发难度，提升综合处理业务系统的质量水平和开发效率。通用框架的核心功能如图5所示。

图5 通用框架核心功能

3 关键技术

数字地震台网综合处理系统面对复杂的多网联接、多源海量数据的快速处理、及时可靠的地震事件处理等难题，综合处理通用架构需要应用先进的信息技术来为系统提供有力的支撑。根据数字地震台网综合处理系统的业务需求和难点，选取以下几项关键技术：

（1）中间件技术。对中间件技术的研究可为综合处理平台的构建提供良好的技术支撑，有助于简化开发难度，提升开发效率。

（2）可视化技术。通过对可视化技术的研究，为综合处理系统构建统一规范的可视化平台，为应用提供简洁明了的数据可视化编程接口。对地震动态过程的规范化，使得地震应用的产出数据更富有表现力、更加人性化。

（3）并行计算技术。通过对并行计算技术的研究，为综合处理系统构建一个高效可靠的协同计算平台，作为综合处理应用的算法框架的技术实现，有助于提升系统的性能，为处理海量数据提供支持。

（4）工作流技术。通过对工作流技术的研究，为综合处理系统构建一个具有较强定制能力的工作流平台，作为综合处理应用的控制枢纽，有助于规范化地震应用的处理流程，随需应变。

（5）空间信息技术。通过对空间信息技术的研究，为综合处理系统构建一个空间处理平台，通过把地震信息与矢量地图、卫星遥感影像、DEM 地形数据相叠合，充分挖掘地震信息中地理空间要素的作用，有助于为政府管理部门和社会公众提供多层次、多维度的立体信息，更好地发挥地震应用产出的数据价值，从而为抗震救灾工作提供更有价值的辅助决策信息。

（6）Web 服务技术。通过对Web 服务技术的研究，为综合处理系统构建一套集成化的业务互操作统一接口，实现标准化、规范化的功能复用，有助于分布式地震网络应用的高效实现。

4 创新特色

随着地震观测台网规模和复杂程度的不断发展，新的业务需求也不断涌现，数字地震台网综合处理系统通用架构也为不断发展的观测台网和业务需求提供了切实有效的解决平台，与原有的业务系统不同，数字地震台网综合处理系统通用架构主要创新点如下：

（1）多源海量数据融合。针对所采用的不同数据采集器和传输方式，研究相应的可插拔数据适配器系列，实现多种来源数据格式的规范统一，支持扩展新的数据来源。从而支持不同仪器类型的数据、不同信息内涵的数据在数据流共享平台上的统一汇总，为后续的综合处理提供一致的数据接口，大大降低了地震数据处理的复杂性，有助于提升系统的计算性能。

（2）无缝互连集成。研究地震监测各项应用的内在联系和衔接要求，实现从数据接收、预处理、地震预警、烈度速报等一体化的功能，实现分布应用的功能统一集成。

（3）丰富多样的高质量产出。结合地震防震减灾工作的实际需要，研究对地震的基本信息和参数进行深入挖掘分析的技术，尤其是结合空间信息处理技术，达到形式多样、内容丰富的要求，从而为政府管理部门和社会公众提供优质的信息服务。

（4）方便快捷的资源共享。研究适合于地震监测应用的数据共享技术，选取的技术应当遵循先进性、支持广泛性的原则，并应用到软件系统中，以充分发挥地震各项资源的数据效用，避免数据孤岛的产生和资源的浪费。

（5）实时快速的协同处理。针对地震监测数据各处理环节的特点，研究如何有效缩短加工处理的时间，优化数据的处理流程，减少数据的冗余重复处理，在此基础上选取高效快速的计算机技术，以达到系统整体处理的实时高效。

（6）组件化的分布式网络应用。根据系统的开发目标，结合软件工程实践，研究分布对象技术、组件技术和软件体系结构技术，建立一套完整的问题解决方案，达到应用可管理、易配置的目标，便于专业模型嵌入信息系统并实现表现形式多样的可视化功能；使应用系统的开发具有伸缩性、开放性、系列化和标准规范化的特征。