新疆防震减灾“三网一员”体系数字化平台建设①

廉殷朝，张风帆，张 洋

(伊犁哈萨克自治州地震监测中心，新疆 伊宁 835000)

中国对地震宏观异常现象进行系统的科学研究，始于1966年邢台地震，40多年来，历经多次强烈地震的验证，地震宏观现象做为地震的一种短临前兆，已被国内外公认和关注。在这期间，汶川地震、玉树地震等多次强震更是给人民群众的的生命财产安全造成极大损失。根据震后的灾害调查，在汶川地震前震中附近广泛的区域确实存在数量不等形态不一的宏观异常现象，宏观异常数量达到120余条，宏观异常种类多达8种[1]，且地震序列前期地震宏观异常现象出现多，后期出现少，青川MS6.4地震前后几天出现的宏观异常现象更为突出[2],玉树MS7.1地震前异常并不丰富,但觉察到的异常十分突出[3]。2016年新疆阿克陶MS6.7地震、2020年新疆霍城MS5.0地震等破坏性地震发生前，周边都存在一定数量的前兆异常现象[4-5],且地震震级越大、震区烈度越高，宏观异常现象就越多。这些大地震的最惨痛的教训之一就是地震宏观异常不能及时汇总到有关人员手中，震前多分散在各地个人手中，难以形成可作为预测依据的异常群体[6]。在这样的背景条件下，如何研究和提升群测群防工作就显得尤为重要。

国务院在关于进一步加强防震减灾工作的意见中提出加强群测群防工作，建设防震减灾“三网一员”，即建立地震宏观测报网、地震灾情速报网和地震知识宣传网，在地震多发区的乡镇设置防震减灾助理员，是新形势下群测群防工作的重要内容。新疆防震减灾“三网一员”体系自2009年建立以来经过十余年的发展和完善，基本框架已经完善，有效提高了防灾减灾报灾基础能力[7]。但通过日常的运行管理，可以发现其中仍然存在不少可以继续提高的方面。2020年伊犁州对基层宏观观测点的普查中，各县市地震主管部门和基层观测员也提出意见，如“三网一员”体系数字化水平不高、异常上报核实时效性较低、宏观观测点日常运维缺乏有效地监管、开展培训和动态管控能力较低等。综上所述，为提升新疆防震减灾“三网一员”体系的数字化水平和管理效能，动态掌控宏观测报数据，急需开发一套能够符合新时代群测群防工作发展的“三网一员”数字化平台，其应具备体系数据管理，各类信息即时上报审核反馈，教育培训、科普教育、灾情速报、灾情反馈、动态展示数据时空分布等功能。通过系统的设计与实现为地震短期和临震预报、防灾减灾救灾提供快速准确的数据服务支撑，是迫切而有意义的工作。

1 区域前兆观测及宏观测报概况

新疆地处欧亚大陆腹地，由南到北分布有5大强震构造带[8-9]，是大陆板内强震多发区,2001年昆仑山口西MS8.1地震，2003年中、俄、蒙交界MS7.9地震，表明印度板块向北推挤作用的增强造成新疆块体的周边及内部产生了强烈的构造运动[10]。

新疆的地震监测工作始于1970年代，首先在南天山地震带的喀什—乌什一带布设研究场，伴随着地震理论研究的发展和观测技术的提高，新疆的地震前兆观测技术不断提高[11]，截止2021年，新疆地球物理观测台网在网运行并向国家局报送数据的观测站有56个，共计149套观测仪器，394个测项分量(图1a)。从地球物理台网的分布来看，台站数量仍然较少，密度不够，且受地理条件和观测原理的限制，新疆的前兆观测主要分布在天山地震带，大部分处于人员稀少地区，人口稠密地区的前兆观测能力相对较弱，所以结合群策群防工作，发挥“三网一员”的辅助观测作用以此提高监测区地震监测预报能力是很有必要的。

2008年，新疆开始建设宏观测报网，全疆15个地州市共新设526个宏观测报点[12]。经过数十年的建设、发展、更新，截止2021年，全疆共有615个在运行宏观观测点，主要集中在城市和乡镇等人口密集的地区(图1b)，弥补了地球物理台网的观测空区。

图1 新疆地球物理台(a)和宏观观测点(b)分布

从宏观测报点的分布来看，沿北天山断裂带附近的测报点分布密集，其中伊犁州、昌吉州、塔城、阿克苏地区宏观观测点较为密集，四地区的宏观观测点320个，占目前全疆已报615个宏观观测点的52%，南天山西段观测点数量适中，而阿尔勒、阿尔金、西昆仑断裂带附近观测点则较为稀疏；从宏观测报点的构成来来看，观测项目主要是家畜、家禽、水等为主(表1)。

表1 宏观观测项目类别统计表

新疆防震减灾“三网一员”体系自建立以来经过十余年的发展和完善，有效提高了区域防灾减灾报灾基础能力。但仍然存在不少可以继续提高的方面，如数字化水平不高、异常上报核实时效性较低、开展培训和动态管控能力较低等。如何利用快速发展的计算机技术和大数据平台提升新疆防震减灾“三网一员”体系的数字化水平和管理效能，以此提高地震短期和临震预报，值得深入研究。

2 平台设计思路

“云计算”(Cloud Computing)的概念由Google首席执行官埃里克·施密特在搜索引擎大会首次提出。这是云计算发展史上第一次正式地提出这一概念，有着巨大的历史意义，成为了互联网的第三次革命。云计算概念的提出到现今的大规模应用经过了数十年的发展，经过不断的探索与研究，云计算已经与人们工作、生活的各方面紧密关联；借助云计算大规模、高并发、高可靠性、高扩展性、按需服务的绝对优势[13]，使得云计算助力各行各业快速迭代发展变为可能。

“三网一员”综合管理平台依靠云平台实现，系统不涉及硬件实体，用户通过访问应用程序即可访问云端数据并进行交互，实现了云端存储、云端管理、云端分析，将极大提升“三网一员”体系管理能力和运行效率，系统设计关键之处在于实现体系结构的良好设计和信息的跨端同步交互。“三网一员”综合管理平台采用最新的云计算与云平台开发技术，整体可分为 3个部分：

(1)手机客户端。手机客户端是“三网一员”体系信息的终端展示载体；普通用户均可通过手机客户端访问和查看各类信息，本文中通过开发不同手机系统通用的客户端App，弥补不同手机的系统差异，达到信息的最大化传播效果。宏观测报App是基于云平台和ServerLess模式设计的新一代手机App。与以往需要不同平台采用不同编程语言独立开发方式不同，本文中采用JavaScript语言编程，选用全平台支持的Vue.js框架编程，弥补了不同操作系统之间的差异，编写一套宏观测报App源代码，即可发布到所有平台，达到了一套代码多平台(Windows、Mac、Android)运行，极大降低了编程量。

(2)PC端管理平台。数据管理是一个软件的核心内容，也是“三网一员”管理平台的主要内容，其主要实现“三网一员”体系数据的数字化管理，通过管理系统对体系的所有数据进行新增、修改、更新、删除等操作。

(3)云端数据库。主要使用时下流行、运行稳定的NoSql型云数据库。与关系型数据库不同的是，NoSql文档型数据库可以做到快速读写，具有较高的水平扩展性和性能，且文档型数据库不必像关系型数据库一样在存储数据之前必须设计好表结构，其模式是灵活的[14]。“三网一员”综合管理平台主要云端数据表有观测点基础信息表、观测员基础信息表、异常报告表、平台用户信息表，权限信息表，文章信息表、日志表等。通过操作云函数即可对云数据库的各类数据进行加工并返回给手机端和PC端展示。

3 软件技术栈

“三网一员”综合管理平台底层框架采用时下流行的ServerLess(去服务器)架构，Serverless架构也称之为Faas(功能即服务)架构，在这种体系结构中创建可伸缩的弹性应用程序极具可行性。最大的优点是只需要编写代码、上传代码、运行代码，而不必考虑任何底层基础设置或环境维护[15-16]；系统可分为数据层、基础层、应用层、网络层,本系统侧重于研究其中的数据层、应用层和基础层的设计和建立(图2)。

图2 宏观观测平台架构图

软件采用的技术栈主要以JavaScript语言为主要编程语言，涉及Node.js后端开发框架，Vue.js前端开发框架、ElementUI框架、NoSql文档型数据库、云端静态资源存储、静态网站部署、Uniapp应用程序框架等，相比于传统的软件开发方式，基于云的全栈开发具有较大的优势。

使用Serverless架构可以彻底摆脱普通软件设计体系，直接免除项目的硬件基础，如实体服务器，带宽等，开发者通过访问网络接口即可实现项目的数据、资源的存储、运算、管理，而不需要关注其背后的物理实体。

使用云计算平台提供的算力，在没有基础硬件投入的前提下就可以实现较大规模的运算能力和数据存储能力，系统的运行管理效率将大大提升，云数据库和云存储平台支持百万级别数据的查询，在索引和算法正确的前提下支持千万级别的数据查询，能够满足软件的数据操作需求。

使用vue.js技术，Vue.js是一套用于构建用户界面的渐进式框架。与其它大型框架不同的是，Vue 被设计为可以自底向上逐层应用。Vue 的核心库只关注视图层，不仅易于上手，还便于与第三方库或既有项目整合[17]，其主要特点包括响应式的数据绑定、组件式应用构建。Vue.js提供了更加简洁和易于理解的API，使用Vue.js可以去除繁琐的Dom(页面元素)操作，只需要关注数据的源头，而不用关注DOM元素变化之后的绑定变化[18]。

4 软件主要功能

4.1 数据管理功能

管理系统实现了“三网一员”体系数据的数字化管理，观测点数据、观测员信息、异常核实记录、科普培训信息、政策法规信息等内容均可在管理系统中进行新增修改删除等操作，提高了数据的管理效能，图3为观测点基础数据管理界面。

图3 实现数据管理功能

4.2 数据分析功能

PC端管理系统实现了“三网一员”体系数据的分析功能，观测点分类汇总、地理分布、日报汇总等均可一键生成，有效提高了数据分析管理能力，结合权限控制模块，即可针对不同的登录用户、不同级别的管理员自动产出对应级别的可视化数据。如图4a所示，单个观测点(或所有观测点)均可在地图中动态展示，查看观测点具体方位，并可切换地形图查看地形地貌。

图4 实现数据可视化功能

系统支持数据可视化功能，各类观测信息均可一键产出可视化图表供分析预报人员使用。

图4b为系统自动产出的伊犁哈萨克自治州宏观观测点分类图，系统图表均为系统根据用户级别和操作权限动态产出，用户无需再操作表格文档来产出此类汇总图表，极大降低了工作量。

4.3 权限管理功能

权限管理和访问控制是管理信息系统的重要组成部分，关系到整个系统的安全性和资源访问级别。PC端管理系统采用RBAC(基于角色的权限控制)形式的权限控制模式，通过为不同用户动态分配不同角色，达到CURD(增删查改)级别的权限控制效果。本项目设定5级角色，即超级管理员、省级管理员、地州管理员、县市管理员，观测员，对不同的角色分配不同的数据操作权限，达到权限控制的目的(表2)。

表2 基于角色的权限控制模式

5 软件使用及讨论

5.1 管理系统

宏观测报管理系统为内部管理系统，目前只允许上级管理员下发下级管理员账号，管理员登录后可管理所负责区域的宏观观测点、观测员等基础信息，并可在线查看上报的宏观异常、观测员月报进度等数据，每月月底可自动汇总产出当月的宏观月报表，有效降低了宏观测报工作量，使各级管理员将工作重心放在异常监测、识别和上报中来。

管理系统为电脑端程序，界面较大且复杂，此处仅展示宏观观测日报汇总界面(图5)，系统可自动汇总管理员负责区域观测点的日报情况(宏观观测员通过宏观测报App上报)并以报表形式展示，可清晰看出每个测点的日报情况，绿色为当日上报完成，黄色为当日上报后未确认，灰色为当日未上报日报，系统允许观测员上报3日内的日报数据，超过3日则无法上报(本文中所有数据及图表均为测试环境数据，不代表真实宏观测报工作)。

图5 管理系统日报汇总界面

5.2 宏观测报App

用户在手机端安装宏观测报App后即可查看各类动态、科普、培训、宣传信息(图6a)，提高自身宏观异常判断分析能力。宏观观测员可认证手机号码，若手机号码为已备案的宏观测报员手机号码，则普通账户自动认证为宏观测报员账户(图6b)，认证成功后即可拥有宏观观测日报和宏观异常的报送权限(普通账号无宏观测报相关权限)。

图6 应用程序主界面和个人界面

宏观观测员登录后即可管理自己负责的观测点，动态更新观测点的基础信息，如观测对象、数量等(需上级管理员确认后生效)，系统会自动记录观测点基础信息的历史变化，供地震分析预报人员使用。

宏观测报员可在线上报宏观观测日常记录(图7)，并可随时将测点的疑似宏观异常音视频信息上传至管理系统，可有效提高宏观异常信息的传递速度，管理系统接收到观测员提交的异常报告信息后调用相应的云函数进行数据操作并将数据存储在云数据库和云资源中并通过权限规则将异常提示信息发送至指定管理员手机。

图7 宏观观测应用程序日报上传界面

6 结论及讨论

“三网一员”管理系统和宏观测报App的开发提高了地震管理部门对“三网一员”工作的动态管理能力，解决了“三网一员”工作中异常信息获取不及时、不详细的难点，在研发和试验过程中提出解决问题的方案：(1)基层观测员对于软件的使用和掌握存在一定的困难，尤其牧区部分观测员无法理解部分内容，通过软件迭代，使用i18n技术可自动根据用户需求选择语言，极大降低软件使用门槛，后期将开发并在正式版本中加入多语言支持。(2)软件系统的运维需要一定的经费和技术支撑，在没有专业技术人员和一定经费长期支持的情况下项目难以维持有效运行，也就无法为地震监测预报工作提供便捷服务。新疆“三网一员”数字化平台正式上线后，应尽快将源码及软件系统交由自治区地震局宏观观测主管部门负责运维，确保系统长期在线提供服务。(3)手机App需要每一个用户进行下载和安装，软件推广耗时耗力而得不到较好的效果，相比手机App，微信小程序则没有下载安装的步骤，几乎所有国内用户均可直接访问，那么同时开发微信宏观测报小程序或与已有的宏观测报小程序对接则很有必要，将极大提升“三网一员”数字化平台的覆盖范围。新疆“三网一员”体系数字化平台已初步完成，目前伊犁州“三网一员”基础数据已全部纳入管理系统进行数字化管理，有效提高了数据管理效能，通过试运行期进行系统调整和优化，待系统运行稳定正常后，逐步推广至全疆范围，在严峻的地震形势下，数字化平台的应用将对宏观观测工作，尤其是异常的及时上报工作发挥重要作用。