地震监测管理平台研发及应用——以宿迁地震台网为例

单友磊,朱 红,翟红英

(1.江苏省宿迁市地震服务中心,江苏 宿迁 223800;2.江苏省泗洪县应急服务保障中心,江苏 泗洪 223900)

0 引言

随着大数据时代的来临,智慧平台已广泛应用于政府、金融、物流、制造等各个行业,信息化建设成为“新基建”的重要组成部分。近年来,大数据技术越来越多地被应用到地震台站运维、数据处理以及分析预报等领域。许多地震台站配置的监控设备,对于保障台站设施安全、提高观测设备的正常运行率发挥应有的作用[1]。宿迁地震监测台网历经50多年发展,形成较完善的监测体系,承担着区域地壳形变、电磁、测震、流体等学科观测仪器的日常运维、数据分析、预测预报等工作。在地震监测台站日常运维中,经常出现无人值守台发生故障后,技术人员无法根据台站当前状态判断故障原因,因故障响应不及时,对台站的实时运行率造成影响[2]。因此,无人值守台站的运维管理成为防震减灾工作的新课题,如何科学有效地管理全国大量无人值守台站,提高运维效率,降低运维成本,提高观测质量,还尚在实践中进行研究探索[3]。陈军辉等利用部署在地震台站的智能查障设备、视频监控设备、门禁系统和通讯网络设备,系统实现台站的远程监控,当台站设备运行发生物理故障时,能够快速、准确判断故障位置,合理有效地调配运维资源,从而更快地处理故障设备,保障地震台网的高运行率和数据准确率[4]。马永研究全国地震信息服务系统在软件平台上提供数据交换、行业监控、网络管理、搜索引擎、行业门户等,为地震行业实现全面信息化和网络化打下了基础[5]。“十三五”时期,宿迁市科学规划地震监测台网,新建GNSS、地磁场、地球化学等测项,地震监测能力大幅提升。现辖有沭阳、泗阳、泗洪、苏05井、国家地震烈度速报与预警工程基本站以及断层气观测站共计20余个,各站点距市台网中心20～100 km不等,大多数站点间距50 km以上,除宿迁地震监测中心站有人值守外,其余均为无人值守台站。宿迁市在“十五”以来建成地震信息节点网络和运用互联网技术,各台站仪器及辅助观测的数据均实现了实时传输到市台网中心,工作人员可通过调取各台站观测数据来判断仪器的运行状态,如发现异常,可及时派出技术人员或通知属地现场核实,及时排除仪器故障。工作人员也可以利用专业软件对监测数据进行分析处理,为地震趋势会商提供科学依据。笔者也尝试在构建地震监测综合管理与数字化服务的基础上,利用现代信息技术,以地震监测为基础,提供声、像、图、文四位一体的数字化管理平台,实现地震观测仪器综合监控和系统模块展示,提升台站运维精细化和精准化水平。

1 设计构思

设计、开发、建设一套无人值守台站系统运维监控平台,以解决故障自动识别、自动报警、远程修复等问题。监控平台需包括基础信息库、状态监控系统、故障侦听和报警系统、远程控制系统等单元模块,分别实现不同的功能。其中,以台站为单位的信息数据库是其他单元模块的基础;状态监控系统单元负责对辖区内各台站的状态实时监控;故障侦听与报警系统单元采用轮询的方式,对各无人台站的设备进行自检,自动识别故障,通过手机短信、微信等多种方式向值班人员报警[6];远程单元可以对台站的设备进行远程重启等简单操作,减少对台站看护人员的依赖,提高故障修复效率[7]。

系统建成后,可提供真实的可视化效果、灵动的视觉探索手段、交互式的即席分析体验,能及时反映仪器设备、观测数据状态,使地震观测仪器设备监控更简单、智能,仪器运维和震情获取更快捷,防震减灾信息展示度更广泛。同时,该系统综合考虑维护及操作因素,为今后的发展、扩建、改造等留有扩充的余地(见图1)。

图1 宿迁市地震监测管理平台集成示意图Fig.1 Integrated schematic diagram of Suqian Seismic Monitoring Management Platform

2 系统设计

2.1 开发环境

地震监测管理平台基于Python、Java Script、C#、ASP.NET、Visual Basic、Vue六种编程语言和框架进行开发。其中,基于Python开发宽频带地震计零位实时监控与发布软件(SseiMonitor),实现宽频带地震计零位、GPS和网络状态的监控;开发SIAM企业微信管理软件(SIAM WechatMessage),实现文本和图片消息以企业微信的方式推送;基于Java Script、ASP.NET和Vue框架开发地震观测仪器可视化监控平台(Visual SIAM),实现监控结果和地震监测信息的数据可视化展示;基于Visual Basic开发地震观测仪器自动监控软件(SIAM)、地震观测仪器设备网络实时监控软件(SeisNetMonitor)、地震前兆仪器数据监视软件(QZDM)、前兆仪器数据自动备份与手动恢复软件(QZIBR)、地震目录自动处理软件(EqDeal)和SIAM告警信息与时钟服务软件(SIAM Server)等。各软件通过无缝衔接,实现地球物理类和测震类观测仪器的定时自动监控,以地图、柱状图、折线图和饼图等图表形式实现前端可视化展示。按照中国数字地震观测网络技术规程JSGC-02-02要求,基于C#进行模块化设计,主要包括设置参数模块(台站名称、仪器名称、仪器ip地址、仪器ID号、用户名、密码、端口号、是否监控)、网络中断判断模块、缺测判断模块、报警模块(颜色报警、语音报警)、监控结果保存和查询模块[8]。

2.2 运行环境

(1) 硬件环境。

内存:4 G或以上;CPU:3.10 GHz或以上;显卡:512 MB显存或以上;监视器:建议使用1 680×1 050分辨率。

(2) 软件环境。

建议使用Windows7 32位操作系统。测试通过的操作系统为Windows7 32 位、64 位和Windows10 64 位。

2.3 总体架构

地震监测管理平台总体架构如图2所示,包括软件系统、硬件系统和服务系统三部分,分为基础层、接入层、数据层、服务层和应用层五个层次。信息集中管理和模块化设计是系统设计的关键。模块化设计把各个功能独立起来,互不影响,发挥各自的功能特点[9]。

图2 地震监测管理平台总体架构Fig.2 Overall architecture of the Seismic Monitoring Management Platform

地震监测管理平台以统一、完整的系统层次架构,与现有基础软硬件环境完整地组合在一起,形成数据互通、服务互调、业务协同的整体系统。基础层提供最基本的系统运行环境、通信网络和数据汇集存储,包括服务器(操作系统、数据库、应用软件等)、显示设备、地震行业专用网络、公众网络等;接入层提供地震观测仪器、通讯设备、动力环境、网络通信等资源的接入;数据层为系统的各类应用服务提供核心驱动和支撑,包括地震仪器观测数据、监控结果数据、地震目录数据、地震速报数据、维护管理数据和地理信息数据等;服务层建立一个基本服务的交互式支撑环境,为应用层提供所需的各种智慧服务,如信息展示、数据处理、异常告警和远程控制等;应用层为平台展示提供信息化支撑,满足展示与交互需要,支撑各个应用板块的业务开展,主要包括大屏交互展示(展示终端分别布设在市地震台网中心和宿迁地震监测中心站监测室)、平台应用、移动端应用和媒体展示等。

地震监测管理平台包括应用软件和硬件设备。其中,软件功能满足综合应用的要求,并做到新功能扩展,支持在移动平台上的交互式应用;硬件设备承载所有的软件以及功能应用,包括监控主机、辅助设备和配件等,可支持与大型交互界面和移动智能终端等设备的集成。通过将软件、硬件与通信技术组合,完成地震信息处理和可视化展示业务,实现平台各部分间协调工作,发挥整体效益,达到整体优化的目的。系统集成方案将对软硬件的性能、可靠性、可用性、可维护性和安全性,以及与其他系统的匹配性、兼容性和对环境的影响进行量化评估。地震观测数据和信息集成建立在硬件、软件各自的集成之上,是系统集成的核心,主要解决合理规划数据和信息、减少数据冗余、更有效地实现信息共享等问题,确保数据与信息安全保密。

2.4 系统功能模块

地震监测管理平台考虑先进性、可靠性、经济性、可扩充性和易维护性等原则,建成一套技术先进、布局优良、应用合理、界面友好、功能齐全和扩展性较好的大屏幕系统,满足大屏幕图像和地震监测数据可视化显示的需求,实现地震观测仪器智能化监控、综合信息数据可视化、震情信息快速报送及防震减灾业务展示等多种功能(见图3)。

图3 系统功能模块树状图Fig.3 Tree diagram of system functional modules

3 系统功能实现

地震监测管理平台采用先进的GIS技术、物联网技术、无线通讯技术、远程视频技术及三维虚拟技术等,实现远程故障诊断、远程故障自动处理和交互处理、故障报警和预警以及安防等。运维人员远程浏览台站的各种信息及监测仪器的运行状态,通过报警提示快速发现问题,同时进行远程处理,为地震监测仪器的正常运行提供稳定、可靠、方便、高效的技术保障[10]。地震监测管理平台的建设,可实现与现有地震监测系统无缝连接,构建全面交互、实时管控、按需推送、可视化等特征的时空环境;适应地震监测业务综合管理的模式,满足地震观测仪器监控管理、数据管理、异常报警、地震监测能力展示等需求。最终把该平台集成为一个相互关联和协调的综合系统,实现地震监测业务的统一管理、信息共享及联动控制。

(1) 地震观测仪器智慧监控系统。实现宿迁市应急管理局所辖地震台站观测仪器的工作状态、在网运行状态、远程控制与可视化展示,观测数据的变化监控;实现工作环境异常、仪器工作异常、监测数据异常的自动告警,异常消息通过微信、短信或电话等方式及时、准确推送给相关人员(见图4)。该系统的功能包括:①台网分布与监控。展示站点分布、隶属关系、运行仪器总数等,包括台站总数、仪器总数、告警总数、监控进度、异常告警时站点标识和站点状态信息提示等。②学科展示。显示台网范围内各学科运行仪器总数与异常仪器总数。③地震活动。显示设定时间段内全球MS≥7地震的震中分布图,江苏省内及邻区中小地震震中分布图,以及辖区内发生的地震。④震情快报。接收测震台网信息,对辖区内及周边100 km范围内所有地震、省内2.0级以上地震、国内5.0级以上地震、全球7.0级以上地震向设定人员发送信息,并电话提醒。⑤网络联通率。显示台网范围内各台站仪器的网络联通率(Nr),Nr=100%时标志点为绿色,99.9%≤Nr<100%时为黄色,Nr<99.9%时为红色。⑥仪器时钟差。显示台网范围内地震观测仪器的时钟差(Cp),Cp<60 s时标志点为绿色,60 s≤Cp<300 s时为黄色,Cp≥300 s时为红色。⑦数据连续率。显示台网范围内地震观测仪器的数据连续率(Dr),Dr=100%时标志点为绿色,Dr<100%时为红色。⑧数据有效率。显示台网范围内地震观测仪器的数据有效率(Er),Er=100%时标志点为绿色,Er<100%时为红色。

图4 地震监测台网观测仪器智慧监控系统Fig.4 Intelligent monitoring system for seismic monitoring network observation instruments

(2) 地震综合信息大数据可视化系统。实现宿迁市应急管理局所辖宏观站点、微观站点等基本信息、综合管理信息等的可视化展示(见图5)。该系统的功能包括:①历史地震分布。展示辖区内历史地震震中分布图(分等级以不同颜色显示)。②震源深度分布。以3D模型图形式展示辖区内历史地震震源深度分布图。③地震群测群防分布图。展示辖区内地震群测群防站点的分布及各点的测项、位置、观测员联系方式等信息。④运行环境。展示天气信息及环境信息。⑤站点视频监控。展示视频监控信息,提供视频监控的接口。

图5 地震监测综合信息大数据可视化系统Fig.5 Big data visualization system for comprehensive seismic monitoring information

(3) 地震快报系统。接入宿迁市区域地震速报台网,监控网络运行状态,将台网地震速报信息分级管理、及时传送,实现地震信息的速报告警、信息展示、图文推送及电话通知等功能(见图6)。该系统的功能包括:①地震速报信息处理。打开速报消息推送设置,发送测试消息或正式推送。②地震速报后台管理。设置不同震级发送群组,全球M≥7.0、全国M≥5.0、江苏及邻区ML≥3.0、宿迁及邻区ML≥2.0地震的快报。③短信平台发送。通过系统内设端口发送震情三要素信息。④微信图文推送。通过移动端的企业微信接收地震速报相关消息。⑤震情信息告警。当“播放地震声音”开关处于打开状态,地震时即可播放音乐。

图6 地震快报系统Fig.6 Earthquake bulletin system

(4) 信息展示系统。对宿迁市地震监测、震灾防御、地震应急救援、科技创新、法制建设等主要成果及重要活动进行全方位展示(见图7)。该系统的功能包括:①日常工作动态。展示地震部门日常工作动态信息并实时更新。②重点项目简介。着重介绍已建成或在建地震学科相关重点项目,及其对地方社会经济发展产生的影响、对防震减灾事业带来的效益等。③防震减灾科普宣传。实时推送防震减灾相关科普知识、动漫、卡通图册以及地震应急逃生技能等,重要地震纪念日实行滚动播放。④地震科研进展。着重介绍国内外最新地震监测预警、抗震设防、应急响应等研究成果。

图7 信息展示系统Fig.7 Information display system

4 平台运行情况

地震监测管理平台自2021年5月投入运行以来,已经应用于宿迁市20个台站、70套仪器的日常运维监控,在地震信息节点分布处,工作人员均可通过局域网内的台式机、笔记本、平板电脑、手机等移动设备或触屏展示终端进行可视化展示,对台网信息流、控制流、状态流实施远程实时监控,及时获取地震观测仪器运行状态及故障、数据异常等情况推送的告警消息。

5 结语

该系统一年多的运行结果表明,可发挥如下作用:提高地震监测业务管理的信息化水平和效率,使地震信息公共服务能力和质量有较大提升;利用数据可视化、云技术等现代信息技术建立的地震观测仪器监控和数据分析平台,可连接地震监测业务各个单元,并以数据为载体,在感知、控制和管理地震监测运维的各个环节发挥作用;提供及时的地震信息服务,为政府应急决策、地震紧急处置提供必要的技术支撑;建成与地震监测业务深度融合的一体化平台,适应和促进业务需求的发展变化和业务流程的变革,推进地震监测工作的专业化、规范化和现代化。该系统具有较强的稳定性,设备未发生故障或损坏,运行状态良好,可为无人值守台站实时监控和地震监测台网管理系统的建设提供参考。