地球物理臺網儀器監(jiān)控可視化系統(tǒng)設計與實現

趙祖虎 吳利軍 姜佳寧 張諾男 馬士振

1）中國河南450062 河南省地震局鄭州地震臺

2）中國北京100036 中國地震局地震預測研究所

3）中國河北075400 河北省地震局懷來地震臺

4）中國北京100080 北京市地震局

0 引言

數據可視化技術是數據挖掘的重要方法之一，可以直觀展現和分析數據，發(fā)現信息的規(guī)律（李學偉等，2019）。其交互性、抽象性、高認知性的特點，可以增強數據的呈現效果，方便用戶以更直觀的方式觀察數據，進而發(fā)現數據中隱藏的信息。該項技術正逐步成為一項研究數據表示、數據處理、決策分析等問題的綜合技術。

隨著城市、交通、氣象等數據容量和復雜性的與日俱增，數據可視化的需求越來越大，（謝然，2014），成為人類對信息的一種新的閱讀和理解方式，數據可視化系統(tǒng)業(yè)已成為信息化建設不可或缺的核心基礎。據調查，數據可視化已廣泛應用于政府、物流、金融、地產、醫(yī)療、安全、制造和教育等行業(yè)，在地震行業(yè)近年來也得到廣泛應用，如：吳雙等（2020）基于Matlab 的GUI 開發(fā)環(huán)境，開發(fā)了地震計自噪聲計算可視化軟件；崔滿豐等（2020）對Java easysite 平臺進行技術開發(fā)，設計了地震應急微直播信息平臺；馬士振等（2020）基于Python 語言，開發(fā)了寬頻帶地震計零位狀態(tài)的實時監(jiān)控與發(fā)布系統(tǒng)。

從模擬記錄到數字化記錄，歷經50 多年建設與發(fā)展，我國地震臺網地震監(jiān)測能力得到大幅提升。相關研究有：賀巍等（2016）、高鵬等（2017）、趙楠等（2017）、何少林等（2019）、姜佳寧等（2019）使用不同編程語言，開發(fā)了供電、地震觀測儀器設備的遠程監(jiān)視軟件；李剛等（2012）、高東輝等（2013）使用Nagios 免費開源軟件，胡玉良等（2016）使用HostMonitor 商用運維管理軟件，實現了區(qū)域地球物理臺網中心臺網服務器、網絡化儀器的監(jiān)控與管理。上述軟件多針對某特定臺網臺站、某類型儀器，實現某種特定功能，或需要硬件支撐來實現對儀器設備的監(jiān)視和控制，適用范圍相對狹窄，推廣應用具有一定局限性（姜佳寧等，2019），且可視化程度低，不便于對儀器設備的高效管理和綜合監(jiān)控。

本文在對數據可視化技術研究和地震觀測儀器自動監(jiān)控軟件（以下簡稱SIAM）深入開發(fā)基礎上，通過研發(fā)地球物理臺網儀器監(jiān)控可視化系統(tǒng)，實現Web 頁面對地球物理觀測儀器監(jiān)控結果的可視化展示，達到所見即所得的效果，通過語音播報、短信、企業(yè)微信等方式發(fā)布告警信息，提醒用戶進行人工判定干預。

1 研究思路及技術途徑

觀測數據是地震學發(fā)展的基礎（鐘衛(wèi)星等，2016），儀器連續(xù)穩(wěn)定運行又是產出高質量觀測數據的基礎（姜佳寧等，2019）。地球物理臺網儀器監(jiān)控可視化系統(tǒng)充分考慮了先進性、可靠性、經濟性、可擴充性和易維護性等原則，以適用地震系統(tǒng)的綜合管理需求。地球物理臺網儀器監(jiān)控可視化構架見圖1。

圖1 地球物理臺網儀器監(jiān)控可視化系統(tǒng)構架Fig.1 Architecture of instrument monitoring visualization system for geophysical network

本系統(tǒng)數據存儲采用SQL Sever 數據庫，數據庫結構設計充分考慮擴展需求、移植需要，具有良好的擴展性、伸縮性和適度冗余。采用分布式設計方案，實現軟件間的互聯(lián)互通、功能互補和所見即所得的可視化展示功能，確保長期穩(wěn)定運行。對視覺元素、操作行為、數據格式等信息進行統(tǒng)一，防止重復設計，保證系統(tǒng)操作便捷、數據的一致性和有效性，便于管理和維護。網頁發(fā)布功能通過配置，使用Microsoft Windows 操作系統(tǒng)自帶的IIS（Internet Information Services）互聯(lián)網信息服務組件，讀取“SIAM”對觀測儀器和網絡設備監(jiān)控結果寫入的對應JS 文件，實現監(jiān)控結果的Web 頁面訪問，網內用戶只需通過瀏覽器訪問運行該系統(tǒng)的IP 地址，便可方便、快捷、直觀地通過可視化頁面掌握設備運行狀態(tài)，若網絡路由策略允許，亦可實現跨網段或互聯(lián)網地址訪問。監(jiān)控主機通過配置使用Microsoft Windows 系統(tǒng)自帶的語音助手功能，客戶端電腦啟用谷歌瀏覽器的語音播報代碼，對SIAM 監(jiān)控結果和最新地震信息進行文本轉語音播報。充分適應地震系統(tǒng)綜合管理需求，滿足地震觀測儀器監(jiān)控管理、數據管理、異常報警、地震監(jiān)測能力展示等需要，把地震觀測儀器監(jiān)控與地震信息速報整合為一個相互關聯(lián)協(xié)調的綜合系統(tǒng)，實現地震監(jiān)測業(yè)務的統(tǒng)一管理、信息共享及聯(lián)動控制。

（1）SIAM 軟件深層次開發(fā)。SIAM 軟件采用Visual Basic 作為開發(fā)語言，使用單進程、多線程的工作模式進行整體架構，采用流程化結構，設計實現地球物理類儀器定時自動監(jiān)控功能。對SIAM 進行功能優(yōu)化，將觀測數據、各種監(jiān)控結果以JS 文件方式產出，在可視化監(jiān)控頁面展示。

（2）開發(fā)EqDeal 軟件。使用Visual Basic 開發(fā)語言編寫EqDeal 軟件，實現從位于行業(yè)網的地震目錄服務器進行地震目錄數據的下載、提取并轉換為JS 文件，以備地球物理臺網儀器監(jiān)控可視化系統(tǒng)實時讀取，Wechat Message 軟件予以信息發(fā)布。

（3）WechatMessage 軟件。使用Python 開發(fā)語言，編寫WechatMessage 軟件，從SIAM 定時監(jiān)控結果中讀取告警信息，實現通過第三方短信平臺或架設于中國地震局地震預測研究所內網環(huán)境的短信服務器，發(fā)送儀器設備告警短信，通過企業(yè)微信平臺發(fā)送告警圖形、告警信息以及全球、全國最新地震信息。

2 可視化模塊設計與實現

基于Python、Java Script、ASP.NET 編程語言，采用B/S 架構，開發(fā)地球物理臺網儀器監(jiān)控可視化系統(tǒng)。系統(tǒng)界面及模塊功能示意見圖2。

圖2 地球物理臺網儀器監(jiān)控可視化系統(tǒng)界面Fig.2 Interface of instrument monitoring visualization system of geophysical network

該系統(tǒng)采用模塊化設置，可進行功能擴展，且支持在移動平臺上的交互式應用功能，可適應地震系統(tǒng)綜合管理模式，滿足地震觀測儀器監(jiān)控管理、數據管理、異常報警、地震監(jiān)測能力展示等需要。

2.1 臺站分布與告警

通過數據可視化設置功能，讀取SIAM 軟件中所設置的臺網中心、各觀測站點名稱、經緯度等信息，寫入對應的JS 文件，按隸屬關系，在json 格式的行政區(qū)劃底圖上予以展示。若為省、直轄市和自治區(qū)地圖，可單擊顯示為地級市地圖。展示內容包含臺站數量、儀器數量、告警信息數量、監(jiān)控進度，異常告警時站點標識、告警條數提示等。

2.2 臺網儀器監(jiān)控

SIAM 軟件中所設置的站點儀器設備臺套數以藍色柱狀圖方式予以展示，檢測過程中發(fā)現某站點、某儀器設備異常，則觸發(fā)相應告警條件，異常儀器臺套數以紅色柱狀圖予以展示。

2.3 學科儀器監(jiān)控

SIAM 軟件中所設置的各站點儀器設備信息，按地球物理觀測地磁、地電、形變、流體、重力、輔助等學科劃分，用藍色柱狀圖分別展示，某學科、某儀器檢測過程中觸發(fā)告警條件，異常臺套數以紅色柱狀圖展示。可視化代碼如下

2.4 全球、全國歷史及最新地震

EqDeal 軟件定時自動從位于行業(yè)網或公網的中國地震臺網中心地震目錄服務器下載已公開發(fā)布的全球、全國地震目錄，存儲于已加密的SQL Server 數據庫。全球地震分布：顯示全球范圍內近1 年M≥7.0 地震的震中分布。全國地震分布：可根據用戶自定義設置，顯示全國范圍內MS或ML兩種震級標度不同震級下限的震中分布。利用可視化監(jiān)控頁面寫入的Python 代碼段，實時爬取中國地震臺網地震編目發(fā)布的最新地震信息，予以聲音和彈框告警，同時觸發(fā)短信和企業(yè)微信告警條件，同步推送相應告警信息。微信推送代碼如下

2.5 儀器狀態(tài)展示模塊

儀器狀態(tài)體現了設備隨時間推移所產生的變化，該模塊含網絡連通率、儀器時鐘差2 個可視化模塊，可視化界面結合時間軸折線圖形式予以展示。以儀器時鐘差為例，代碼如下

2.6 觀測數據狀態(tài)展示模塊

通過對數據連續(xù)率、數據有效率和實時觀測數據等進行監(jiān)控，可避免造成嚴重的數據丟失和產出大量錯誤數據的現象，有助于及時掌握儀器產出觀測數據的情況。

“異常”通常是指觀測數據的“非正常變化”，如雷電和降雨等自然干擾、爆破與地下水開采等人為干擾以及同震效應等，均會對不同觀測儀器產生不同影響。

可利用差分分析，識別觀測數據中是否存在干擾、地震或前兆異常，實現對觀測數據變化幅度（下文簡稱變幅）異常的監(jiān)視。設置合適的變幅閾值（通常設置為一階差分最大絕對值的1.5—2 倍）、數據間隔和異常類型，可監(jiān)視階變、單點突跳、連續(xù)突跳和區(qū)段異常等。

閾值是指正常觀測數據的數值范圍。SIAM 軟件通過比較觀測數據和閾值的方式，監(jiān)視是否即將或已經產出錯誤數據，實現數據的有效性分析。比如：地震或爆破引起的豎直擺、水平擺靠擺（恒定某一數值）；水位探頭是否即將露出水面或被淹沒（大于或小于某一數值）；核旋、水氡、水汞、降水量等儀器＜0 為錯誤數據，等。

儀器記錄因停電等出現數據缺測時，自動使用“NULL”字符補齊，利用軟件進行數據完整性分析時認定為缺測。而在數據有效性分析時，“NULL”被視為有效數據，僅將超出閾值的數據視為無效數據。

在SIAM 軟件使用過程中，用戶需結合臺站實際，根據觀測儀器產出數據情況，在相應功能模塊進行閾值的合理設置，如：形變類儀器對同震波和爆破記錄的變幅較大，有的擺式儀器會產生靠擺現象，需要盡可能對更多地震或爆破時段的觀測數據進行一階差分分析，通過設置合理的變幅閾值達到預期監(jiān)視效果。數據間隔是指，大于所設置變幅閾值的2 個數據之間允許的最大間隔個數。設置該值主要用于區(qū)分地震或者短時間內間歇性出現的階變、單點突跳及連續(xù)突跳，達2 次及以上則判定為異常或干擾。任意2 次異常間隔個數≤此值將被歸類為“區(qū)段異常”，≥|某值|被認為是靠擺或無效，產出＞2 個“NULL”字符即認為數據存在缺測。

根據SIAM 軟件設置，對地球物理觀測儀器運行狀態(tài)和觀測數據進行自動讀取、備份以及格式轉換，按照用戶在儀器狀態(tài)與數據監(jiān)視模塊中預設的各項閾值、參數進行相應判定，將觀測數據和異常信息寫入可視化文件，當日觀測數據按設置的時間間隔，在可視化頁面輪動播放，無效數據、異常變幅、干擾（突跳、階變）、地震（連續(xù)突跳）、限幅等告警信息在臺（站）網分布與告警模塊予以發(fā)布，并以語音、短信、企業(yè)微信等方式予以告警。各觀測儀器運行和當天數據狀況一目了然，有效避免了人工操作的不便和繁瑣，提高了儀器故障和數據異常發(fā)現的及時性。以河南省鄭州地震臺觀測儀器部分測項為例，給出數據異常判定方式及判定標準，結果見表1。

3 軟件應用

河南省鄭州地震臺下屬觀測站點4 個，儀器11 臺（套），測項47 個，自2020 年部署SIAM 軟件和地球物理臺網儀器監(jiān)控可視化系統(tǒng)。以該地震臺為例，分析SIAM 軟件應用的實效性。如圖3 所示，該臺站出現停電或網絡通訊故障或觀測數據異常現象后，通過可視化界面一目了然，且語音播報、手機短信、企業(yè)微信同期發(fā)出告警信息，提醒工作人員及時修復，故障解決效率大幅提升。如圖4 所示，SIAM 軟件監(jiān)測到周口地電儀時鐘錯誤及氣象三要素降水量出現階變，手機短信和企業(yè)微信同期推送告警信息。如圖5 所示，2020 年7 月7 日加羅林群島地區(qū)6.2 級地震發(fā)生后，SIAM 軟件及時發(fā)出信息推送。

圖3 可視化系統(tǒng)監(jiān)控結果頁面Fig.3 Monitoring results page of the visualization system

圖4 周口地震臺數據異常告警Fig.4 Data anomaly alarming of Zhoukou Seismic Station

圖5 2020 年7 月7 日加羅林群島地區(qū)MS 6.2 地震消息Fig.5 The MS 6.2 earthquake struck the Carolingian Islands on July 7,2020

目前，SIAM 軟件已在中國地震局預測研究所、河南省地震局鄭州地震臺、河北省地震局張家口中心地震臺等單位得到初步應用，實現監(jiān)控站點19 個，儀器59 臺（套），測項分量總數183 個。通過該系統(tǒng)的搭建，可直觀展示監(jiān)測業(yè)務，有效提高地震監(jiān)測、運維管理等綜合業(yè)務能力，信息化程度將得到大幅提升，地球物理觀測數據價值得到充分體現。

5 結束語

SIAM 軟件利用ASP.NET 和Web 技術，實現了地球物理臺網儀器監(jiān)控可視化和告警信息多樣化，適應地震系統(tǒng)的綜合管理模式，具備在移動平臺上交互式應用功能，能夠滿足地震觀測儀器監(jiān)控管理、數據管理、異常報警、地震監(jiān)測能力展示等需要，實現了統(tǒng)一管理、信息共享及聯(lián)動控制。

目前可視化系統(tǒng)僅初步反映了少量地球物理臺網數據的時序變化情況，對觀測數據的連續(xù)率、有效率僅開展了簡單的統(tǒng)計工作，告警信息之間視圖的交互特性仍需人工分析和干預判斷。如何智能分析總結各信息之間的相互關系，從采集的大量數據中提取更多關鍵信息，以更加靈活和智能的方式取代人工判斷和干預，尚需進一步研究。