全國前兆臺網(wǎng)“九五”系統(tǒng)臺站接入的設(shè)計與實施*

賈鴻飛，陳 敏，馬廣慶，何案華，鄧衛(wèi)平

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，地震前兆觀測儀器的網(wǎng)絡(luò)化成為必然趨勢。在國家十五重點項目“中國數(shù)字化觀測網(wǎng)絡(luò)項目”中，大部分前兆觀測儀器實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化;國家臺網(wǎng)中心、各區(qū)域臺網(wǎng)中心以及臺站可以通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)儀器的統(tǒng)一管理，觀測數(shù)據(jù)的自動采集與綜合分析。然而，在“九五”前兆數(shù)字化改造期間建立的全國“九五”前兆臺網(wǎng)仍在運行觀測，且整體運行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)可靠，具有自己獨立的數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng) (中國地震局監(jiān)測預(yù)報司，2003)。

“九五”前兆臺網(wǎng)與“十五”前兆臺網(wǎng)的獨立并存，增加了臺站監(jiān)測人員工作的復(fù)雜程度，且臺站既要保留“九五”前兆儀器接入的遠程電話撥號收數(shù)功能，又要實現(xiàn)“十五”臺站的網(wǎng)絡(luò)接入功能，加大了對前兆儀器、臺站管理維護的難度。從數(shù)據(jù)分析角度，由于“九五”前兆臺網(wǎng)采用SQLserver數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)管理，而“十五”前兆臺網(wǎng)采用oracle數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)分析處理軟件也不相同，這為需要經(jīng)常訪問觀測數(shù)據(jù)的分析預(yù)報人員帶來了不便。

為了實現(xiàn)“九五”、“十五”前兆儀器的統(tǒng)一規(guī)范化管理，觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)一分析處理，實現(xiàn)“九五”前兆儀器網(wǎng)絡(luò)化，減小臺站運行維護的復(fù)雜程度，中國地震局開展了“全國前兆臺網(wǎng)‘九五’系統(tǒng)臺站接入改造”工作。

1 技術(shù)方案

為了盡量避免影響觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，同時對“九五”前兆系統(tǒng)進行最為徹底的接入改造，方便“九五”、“十五”前兆系統(tǒng)綜合管理，接入方案采用“九五”前兆儀器連接專用網(wǎng)絡(luò)通信接口即地震前兆通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器 (以下簡稱協(xié)轉(zhuǎn))方式或更換“九五”前兆數(shù)據(jù)采集器方式接入“十五”前兆臺網(wǎng)，在不具備網(wǎng)絡(luò)條件的臺站首先針對不同情況采用SDH光纖、無線網(wǎng)絡(luò)、ADSL等方式對網(wǎng)絡(luò)進行改造。

該方案具有如下特點:

(1)改造后的“九五”前兆儀器，在服務(wù)器端及用戶端與“十五”前兆儀器操作完全相同，做到了“九五”前兆儀器徹底接入“十五”前兆系統(tǒng)，即改造后“九五”前兆儀器的儀器管理方式、數(shù)據(jù)采集方式、數(shù)據(jù)格式、產(chǎn)出數(shù)據(jù)分析方式與“十五”系統(tǒng)相同。

(2)改造方式相對簡單，對“九五”前兆觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量影響較小。此改造方案中，不需對前兆儀器進行任何升級改造，只需增加一套專用設(shè)備;且改造完成后，允許“十五”模式與“九五”模式并存，可在改造后的一段時間，進行雙系統(tǒng)并行運行，避免觀測數(shù)據(jù)的缺失，通過比較“九五”與“十五”前兆系統(tǒng)產(chǎn)出數(shù)據(jù)，方便判斷接入系統(tǒng)運行情況是否穩(wěn)定、可靠以及產(chǎn)出是否準確、可信 (王軍等，2008)。

(3)協(xié)轉(zhuǎn)支持“十五”前兆通信規(guī)程，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集、自動轉(zhuǎn)換，方便臺站人員操作，適用于無人值守臺站。

(4)本改造方案只需在臺站端進行改造，無需對省局中心節(jié)點或臺網(wǎng)中心改造。

1.1 網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境改造方案

網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境的改造，主要針對不具備網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的“九五”前兆臺站、不同臺站的特點，改造方案主要有以下3種:SDH光纖、無線網(wǎng)絡(luò)、ADSL。

SDH光纖連接穩(wěn)定，傳輸速率較大，適用于儀器量多，傳輸數(shù)據(jù)量較大的臺站節(jié)點與省局臺網(wǎng)中心連接，以及距離臺站網(wǎng)絡(luò)節(jié)點較遠 (100 m外)的儀器與臺站之間的通信網(wǎng)絡(luò)連接。

受地理環(huán)境復(fù)雜或其他因素影響，一些臺站節(jié)點與儀器之間不適于架構(gòu)有線網(wǎng)絡(luò)，無線通信方式，如GPRS、CDMA等2G網(wǎng)絡(luò)或WCDMA、CDMA2000等3G網(wǎng)絡(luò)，較為適用。但無線通信方式相較光纖以及ADSL等有線連接方式，傳輸速率較慢，傳輸質(zhì)量相對不穩(wěn)定，適用于傳輸數(shù)據(jù)量小，儀器相對單一的無人值守臺站 (何案華，2007)。

ADSL與SDH光纖相比有如下特點:網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)相對簡單、傳輸速率較慢、改造價格相對便宜。因此，基于ADSL技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)改造適用于儀器數(shù)量較少，數(shù)據(jù)傳輸量較小的臺站與省局或區(qū)域臺網(wǎng)中心間的通信。

1.2 儀器接入方案

接入方案采用接入?yún)f(xié)轉(zhuǎn)或更換“九五”公用數(shù)據(jù)采集器，在臺站端將“九五”前兆儀器接入網(wǎng)絡(luò)，并通過帶有VPN功能的路由器接入中國地震局地震行業(yè)專用網(wǎng)。

協(xié)轉(zhuǎn)可實現(xiàn)以下功能:(1)串口數(shù)據(jù)采集，通過串口收取存儲在前兆儀器中的原始數(shù)據(jù)，并存入?yún)f(xié)轉(zhuǎn)中的存數(shù)卡內(nèi);(2)內(nèi)部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，協(xié)轉(zhuǎn)自帶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序，可以將從串口采集到的原始數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換成“九五”及“十五”格式文件;(3)支持FTP、web等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，可通過網(wǎng)頁修改相關(guān)參數(shù)，控制前兆儀器，查詢觀測數(shù)據(jù);(4)支持“十五”前兆通信規(guī)程，可將“十五”前兆數(shù)據(jù)自動采集至“十五”前兆數(shù)據(jù)庫中;(5)具備一對串口，支持“九五”、“十五”前兆采集模式并行運行，且兩串口可互作備用，使設(shè)備更加穩(wěn)定可靠;(6)自帶VNC客戶端，用戶可在同一網(wǎng)段的計算機下通過VNC訪問協(xié)轉(zhuǎn)，方便遠程維護，便于軟件更新與升級;(7)具有USB接口，支持顯示器、鼠標、鍵盤等輸入輸出設(shè)備;(8)設(shè)有“看門狗”，可在死機后112 s自動重啟。

針對原有“九五”前兆臺站的儀器布局，接入改造具體分為3個方案:①不更換“九五”前兆儀器，直接接入?yún)f(xié)轉(zhuǎn);②更換“九五”前兆公用數(shù)據(jù)采集器;③接入?yún)f(xié)轉(zhuǎn)與更換“九五”前兆公用數(shù)據(jù)采集器相結(jié)合。以下針對每個方案詳細說明。

1.2.1 不更換“九五”前兆儀器，直接采用協(xié)轉(zhuǎn)方式

該方案適用于所有“九五”前兆臺站。如圖1所示，接入改造前“九五”前兆臺站儀器通過現(xiàn)場總線與臺站端調(diào)制解調(diào)器相連接。收取數(shù)據(jù)過程為:臺網(wǎng)中心收數(shù)計算機首先發(fā)送命令，通過臺網(wǎng)中心調(diào)制解調(diào)器撥號連接臺站調(diào)制解調(diào)器端并將命令傳送至臺站端，臺站調(diào)制解調(diào)器將命令通過現(xiàn)場總線傳送給前兆儀器，前兆儀器對命令做出響應(yīng)，同時開始自動傳送數(shù)據(jù)。前兆數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場總線，經(jīng)過臺站調(diào)制解調(diào)器遠程撥號發(fā)送至臺網(wǎng)中心調(diào)制解調(diào)器，最終匯集到臺網(wǎng)中心收數(shù)計算機，利用入庫軟件，保存至“九五”前兆數(shù)據(jù)庫 (馬文娟等，2010)。

圖1 原有系統(tǒng)及接入改造系統(tǒng)部署情況(方案一)Fig.1 Deployment of the original system and its accessing transformation system(the first scheme)

改造后的連接方式 (圖1)，保留了“九五”前兆管理系統(tǒng)收數(shù)方式，同時增加了對“十五”前兆管理系統(tǒng)收數(shù)方式的支持，且在臺網(wǎng)中心端不需進行任何改造。協(xié)轉(zhuǎn)的COM1口連接前兆儀器現(xiàn)場總線，COM2口連接臺站調(diào)制解調(diào)器，COM1與COM2在協(xié)轉(zhuǎn)內(nèi)部形成一個透明通道，即可將COM1與COM2看作相互連通，協(xié)轉(zhuǎn)與帶VPN功能的路由器通過網(wǎng)線相連。

“九五”前兆儀器收數(shù)流程與改造前基本相同，只是臺站調(diào)制解調(diào)器通過協(xié)轉(zhuǎn)透明通道把命令傳遞給前兆儀器，且觀測數(shù)據(jù)也通過透明通道傳輸至“九五”前兆數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。“十五”前兆系統(tǒng)的收數(shù)流程為:每天固定時間 (一般為0時45分)，協(xié)轉(zhuǎn)通過串口向前兆儀器發(fā)送收數(shù)命令，前兆儀器對收到的命令進行響應(yīng)并傳回org文件。協(xié)轉(zhuǎn)內(nèi)部依照通過網(wǎng)頁設(shè)置的參數(shù)將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為“九五”及“十五”前兆數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換后的前兆數(shù)據(jù)同原始數(shù)據(jù)存儲在協(xié)轉(zhuǎn)中，存儲時間可長達一年或更長。這樣的設(shè)計使得即使在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境故障的情況下，也不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況，只需故障排除時在管理系統(tǒng)中進行數(shù)據(jù)的人工采集。當“十五”前兆數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)收數(shù)時，協(xié)轉(zhuǎn)通過地震行業(yè)專用網(wǎng)接收命令并傳送數(shù)據(jù)至“十五”前兆數(shù)據(jù)庫中。此外，在地震行業(yè)專用網(wǎng)的用戶還可以通過網(wǎng)頁直接下載查看存儲在協(xié)轉(zhuǎn)上的觀測數(shù)據(jù)。

1.2.2 更換“九五”前兆公用數(shù)據(jù)采集器

該方案只適用于所有前兆儀器均與“九五”前兆公用數(shù)據(jù)采集器相連的“九五”前兆臺站。如圖2所示，前兆儀器的輸出直接接入“九五”公用數(shù)據(jù)采集器的各個輸入通道，再由其統(tǒng)一采集、存儲數(shù)據(jù)，最后通過串口進行數(shù)據(jù)傳輸。

部分“九五”前兆公用數(shù)據(jù)采集器由于老化及故障等原因，需要進行更換。在接入改造中，可直接用DSC－1A地震前兆數(shù)據(jù)采集器替換原有的數(shù)采，既解決了設(shè)備老化及故障等問題，又將原有的“九五”前兆儀器接入“十五”前兆系統(tǒng)中，如圖2所示。本方案接入改造效果與方案一完全一致，臺站既可采用“九五”前兆系統(tǒng)收數(shù)方式進行數(shù)據(jù)采集，又可通過“十五”前兆系統(tǒng)收數(shù)方式采集數(shù)據(jù);用戶還可以通過web服務(wù)或FTP服務(wù)對儀器進行控制，更改儀器參數(shù)，查看、下載觀測數(shù)據(jù)。

圖2 原有系統(tǒng)及接入改造系統(tǒng)部署情況(方案二)Fig.2 Deployment of the original system and its accessing transformation system(the second scheme)

1.2.3 接入?yún)f(xié)轉(zhuǎn)與更換“九五”前兆公用數(shù)據(jù)采集器相結(jié)合

圖3 原有系統(tǒng)及接入改造系統(tǒng)部署情況(方案三)Fig.3 Deployment of the original system and its accessing transformation system(the third scheme)

一些“九五”前兆臺站，既有智能化前兆儀器，又有“九五”前兆公用數(shù)據(jù)采集器，此時可以采用方案一與方案二相結(jié)合的方式進行臺站接入改造。圖3所示為“九五”前兆臺站原有連接方式以及接入改造后的臺站連接方式，該方案避免更換前兆儀器，節(jié)約了經(jīng)費成本;且經(jīng)過方案三改造后的臺站，同樣具有“九五”、“十五”前兆系統(tǒng)的并行采數(shù)功能，用戶可以通過“十五”方式在網(wǎng)絡(luò)上對儀器進行控制與遠程維護。該方案實現(xiàn)了“九五”前兆設(shè)備徹底接入“十五”前兆系統(tǒng)的目標。

2 實施及試運行測試

2.1 實施情況

截至2012年1月底，共計完成433套“九五”前兆儀器的改造，其中通過接入改造完成367套，直接更新為“十五”前兆儀器的“九五”前兆儀器為66套 (含前兆傳感器改造)。表1為依照各儀器類型統(tǒng)計的實際完成改造儀器數(shù)量。

2.2 測試及典型問題

為了測試接入儀器的運行情況，由臺網(wǎng)中心、地殼所、河北、山西、吉林、陜西、福建、云南、新疆、山東、江蘇、北京、甘肅等13個區(qū)域中心的13臺服務(wù)器組成的“十五”運行測試平臺于2011年7月搭建。隨著接入的完成，改造后的“九五”儀器逐步接入至測試平臺。

通過對測試平臺上儀器的跟蹤，一些典型問題被發(fā)現(xiàn)并解決，確保了“九五”前兆儀器順利、穩(wěn)定地接入“十五”前兆系統(tǒng)。這些典型問題及解決辦法包括:

表1 分學科“九五”儀器接入數(shù)據(jù)統(tǒng)計Tab.1 Statistic of“Ninth Five-Years”instruments accessing the data by different subjects

(1)由于部分“九五”前兆儀器在00:20不能采數(shù)或形變、電磁類儀器在00:15時要生成觀測數(shù)據(jù)文件，為了避免測試平臺上的管理系統(tǒng)自動采集數(shù)為“空結(jié)果”，管理系統(tǒng)自動采數(shù)時間由原來設(shè)定的00:15推遲至00:45。

(2)由于部分“九五”前兆儀器的手段代碼一直使用錯誤或“九五”、“十五”前兆儀器手段代碼不能一一對應(yīng)，造成在儀器接入時測項代碼配置的混淆。如:水位“九五”手段代碼是D99921，“十五”測項分量分為動水位4111、靜水位4112;水溫“九五”手段代碼是D99931，“十五”測項分量分為淺層水溫4311(100 m以內(nèi))、中層水溫4312(100～500 m)、深層水溫4313(500 m以上)等，為了保證接入儀器產(chǎn)出的“十五”前兆數(shù)據(jù)的正確性，在配置“十五”測項分量時以當前臺站實際情況為準。

(3)部分臺站部分測項“九五”與“十五”前兆系統(tǒng)產(chǎn)出數(shù)據(jù)的精度不同。在咨詢相應(yīng)學科專家的意見后，調(diào)整了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換參數(shù)，使“十五”生成數(shù)據(jù)精度滿足學科要求。

(4)改造后，前兆儀器的轉(zhuǎn)換參數(shù)需要登錄儀器網(wǎng)頁配置。部分儀器在標定、調(diào)零等操作之后，臺站人員只在“九五”前兆系統(tǒng)上的EPCC中修改了轉(zhuǎn)換參數(shù)，而未在儀器網(wǎng)頁上修改，致使“九五”與“十五”前兆系統(tǒng)產(chǎn)出數(shù)據(jù)出現(xiàn)較固定差值。在發(fā)現(xiàn)問題后，及時根據(jù)EPCC中的轉(zhuǎn)換參數(shù)，修改了儀器網(wǎng)頁的參數(shù)，使兩套系統(tǒng)產(chǎn)出一致。

2.3 并行運行

為了檢驗完成改造后的“九五”前兆儀器運行的穩(wěn)定性，以及“九五”、“十五”兩套前兆系統(tǒng)產(chǎn)出數(shù)據(jù)的一致性，在接入改造工作基本完成后，改造儀器于2011年12月至2012年2月在“九五”及“十五”前兆系統(tǒng)上并行運行，并由臺站人員對兩套系統(tǒng)產(chǎn)出數(shù)據(jù)分別進行預(yù)處理、報數(shù)、數(shù)據(jù)評價等工作，同時利用專門的數(shù)據(jù)對比與歸檔軟件，對并行數(shù)據(jù)的一致性進行對比。

在并行運行期間，接入改造后的“九五”前兆系統(tǒng)保持原有運行模式及日常工作，臺站、各區(qū)域中心、國家中心按照“九五”前兆系統(tǒng)運行要求進行數(shù)據(jù)采集、日志填報、數(shù)據(jù)預(yù)處理、報送等日常工作;同時加入新的“十五”前兆系統(tǒng)工作模式，要求臺站人員及時在網(wǎng)頁更新轉(zhuǎn)換參數(shù)，并通過“十五”前兆管理系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集、儀器維護等工作。

并行運行的3個月中，“九五”前兆儀器平均匯集率為97.72%，高于2010年臺網(wǎng)運行的平均值96.84%。各月具體匯集率如表2所示。

表2 并行運行期間“九五”儀器數(shù)據(jù)匯集率Tab.2 The data iflux rate of“Ninth Five-Years”instruments during parallel operation

通過對同一套儀器兩套系統(tǒng)的產(chǎn)出數(shù)據(jù)比較可知，兩套系統(tǒng)產(chǎn)數(shù)據(jù)出除個別儀器外，基本一致。不一致的情況主要有:① 氣象三要素儀器中的雨量測項在“九五”前兆系統(tǒng)中的產(chǎn)出為累計值而“十五”前兆系統(tǒng)中的產(chǎn)出為小時值;②個別儀器“九五”前兆系統(tǒng)與“十五”前兆系統(tǒng)數(shù)據(jù)精度不同，但不影響數(shù)據(jù)使用。

綜上所述，在并行運行階段，接入改造后前兆儀器運行穩(wěn)定、可靠，產(chǎn)出數(shù)據(jù)準確、可信。接入系統(tǒng)整體運行良好。

3 結(jié)束語

“十五”前兆數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以對改造后的“九五”前兆儀器實現(xiàn)自動采集數(shù)據(jù)、在線統(tǒng)一管理等功能，達到了“九五”前兆儀器接入“十五”前兆系統(tǒng)的目標。改造后的“九五”前兆儀器實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化功能，相關(guān)人員可以在線設(shè)置參數(shù)，查看數(shù)據(jù)。接入改造完成了“九五”前兆數(shù)據(jù)入“十五”前兆數(shù)據(jù)庫的目標，為分析預(yù)報人員訪問、處理數(shù)據(jù)提供了方便。

當然，本系統(tǒng)仍有一些不足亟待改善。首先，部分非標準化儀器未在此次接入改造項目中接入“十五”前兆系統(tǒng)，盡管此類儀器數(shù)量較少，但仍需繼續(xù)進行接入改造工作。此外，部分臺站人員仍然按照“九五”前兆系統(tǒng)運行模式進行臺站管理與儀器維護，因此需要對臺站人員進行必要培訓，使其熟悉協(xié)轉(zhuǎn)的操作機維護方法，使改造后儀器采集的數(shù)據(jù)完整、可信。

何案華，趙剛，郭藐西，等.2007.基于VPN技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)在地震前兆臺網(wǎng)中的應(yīng)用［J］．大地測量與地球動力學，27(Spec):47－51.

馬文娟，何案華，曹開，等.2010.“九五”前兆儀器與“十五”前兆管理系統(tǒng)的整合［J］．地震研究，33(4):360 －364.

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