戴 波 張 揚 居海華 盧 永 徐 戈

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基于移動平臺的測震應急流動臺現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)1

戴 波 張 揚 居海華 盧 永 徐 戈

（江蘇省地震局，南京 210014）

流動測震觀測是在大地震發(fā)生以后開展的一項重要的地震應急響應工作，能夠獲得震區(qū)高質(zhì)量的地震數(shù)據(jù)，而野外環(huán)境的復雜性對測震應急流動臺的架設提出了較高的要求。本文通過對地震應急流動現(xiàn)場工作進行需求分析，設計并實現(xiàn)了一種基于IOS系統(tǒng)的測震應急流動臺現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)，能夠讓現(xiàn)場工作隊員快速獲取流動臺數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，有利于流動臺的快速架設，提高了應急流動觀測現(xiàn)場工作的效能。

測震應急 流動臺 IOS

引言

大地震發(fā)生后，及時開展流動測震觀測，提高震區(qū)地震監(jiān)測能力，是產(chǎn)出高質(zhì)量地震序列目錄的前提條件，是為監(jiān)視、判斷震情、搶險救災以及科學研究提供可靠數(shù)據(jù)信息的有效手段。我國的地震應急流動觀測從20世紀60年代至今，共經(jīng)歷了非傳輸型模擬流動臺站觀測模式、傳輸型模擬應急流動臺網(wǎng)、數(shù)字化地震應急流動臺網(wǎng)和虛擬動態(tài)數(shù)字地震臺網(wǎng)4個階段，設備技術指標、集成度、信號傳輸方式等各方面都經(jīng)歷了不斷的發(fā)展（姜旭東等，2009）。目前，應急流動臺遠程監(jiān)控主要通過中國地震臺網(wǎng)中心JOPENS系統(tǒng)流服務軟件SSS和地震設備廠家提供的監(jiān)控軟件實現(xiàn)（吳永權等，2013）。在架設測震應急流動臺設備的過程中，現(xiàn)場工作隊員通常使用安裝有監(jiān)控軟件的筆記本電腦對儀器參數(shù)設置和數(shù)據(jù)質(zhì)量進行監(jiān)控，記錄到的地震數(shù)據(jù)實時傳輸回流動臺網(wǎng)中心的流服務器中。另外，在流動臺觀測過程中，觀測點工作人員還需要定期巡查。在進行這些工作時，流動臺站設備狀態(tài)的監(jiān)控成為至關重要的一環(huán)。研發(fā)一款可靠、穩(wěn)定、操作簡單的手持終端監(jiān)控軟件，用于幫助現(xiàn)場工作隊和觀測點工作人員進行數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)測和儀器控制則十分必要（戴波等，2016）。

目前，智能手機適合進行圖形化狀態(tài)顯示和基本控制處理，并支持2G、3G和Wi-Fi通信，它通常有足夠的存儲空間和計算能力，并且提供了靈活的編程環(huán)境，是理想的存儲和處理傳感器數(shù)據(jù)的便攜終端。相對于Android平臺，IOS平臺使用Xcode開發(fā)環(huán)境和Objective-C語言，該開發(fā)環(huán)境具有運行速度快、功能強大且安全性高等特點。在用戶體驗設計方面，IOS開發(fā)環(huán)境下進行的視覺設計更為便捷。在網(wǎng)絡通信實現(xiàn)方面，IOS提供了一整套工具和API幫助開發(fā)者實現(xiàn)相關功能（黃鎮(zhèn)彩等，2012）。本文以港震公司通用地震數(shù)據(jù)采集服務器（下文簡稱地震數(shù)采）為例，設計并實現(xiàn)了基于IOS平臺的測震應急流動觀測監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)將實現(xiàn)地震數(shù)據(jù)獲取和圖形化顯示，以及與地震數(shù)采之間的訪問控制（網(wǎng)絡通訊協(xié)議的解析）。

1 系統(tǒng)設計方案

測震應急流動臺包括觀測儀器、數(shù)據(jù)傳輸和供電設備等。本系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。地震數(shù)采和智能移動終端（IOS設備）分別通過有線連接（網(wǎng)線）和無線連接（Wi-Fi）與協(xié)議轉換器（4G無線路由器）交換數(shù)據(jù)，在地震應急現(xiàn)場建立可管理設備的局域網(wǎng)，在局域網(wǎng)環(huán)境內(nèi)移動終端作為客戶端直接與地震數(shù)采（服務器端）進行數(shù)據(jù)交換。協(xié)議轉換器采用虛擬網(wǎng)絡（VPN）技術通過無線通訊方式（CDMA/GPRS）與流動監(jiān)控中心進行實時通訊（董一兵等，2015）。

本文涉及的地震數(shù)據(jù)采集器型號為港震公司生產(chǎn)的EDAS-24GN，該設備服務器的通信方式基于傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP）。

2 系統(tǒng)功能模塊

基于移動平臺的測震應急流動臺監(jiān)控系統(tǒng)的設計從流動臺架設、巡查出發(fā)，并結合了移動平臺的特點。所設計的系統(tǒng)包括用戶登錄、數(shù)據(jù)獲取、波形繪制、狀態(tài)監(jiān)視、參數(shù)設置5大功能模塊，如圖2所示。各個模塊互相配合，實現(xiàn)對測震應急流動臺的數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)測和儀器的控制。

圖1 測震應急流動臺系統(tǒng)框圖

圖2 系統(tǒng)功能模塊

（1）用戶登錄模塊：用戶需要輸入用戶名和密碼，通過驗證后才能使用系統(tǒng)其它功能。

（2）數(shù)據(jù)獲取模塊：獲取有效的地震數(shù)據(jù)。

（3）波形繪制模塊：實現(xiàn)地震數(shù)據(jù)波形的繪制，用戶可以對圖形進行縮放和拉伸。

（4）狀態(tài)監(jiān)視模塊：遠程監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，包括系統(tǒng)時鐘、GPS經(jīng)緯度和海拔高度、采集器溫度等。

（5）參數(shù)設置模塊：主要包括網(wǎng)絡參數(shù)（地址、掩碼、網(wǎng)關）、臺站參數(shù)（臺號、臺站名稱、臺站縮寫、臺網(wǎng)標志）、地震計參數(shù)（采樣率、量程、系統(tǒng)時間）等常用設置。

3 IOS客戶端

測震應急流動臺監(jiān)控系統(tǒng)的登陸頁面如圖3所示，登陸頁面可供用戶輸入地震數(shù)采IP地址、端口號、訪問用戶名及密碼。系統(tǒng)利用正則表達式對用戶輸入內(nèi)容進行邏輯過濾，保證輸入內(nèi)容的規(guī)范性。在輸入信息后，用戶可選擇將信息添加至列表，或者對列表中已有信息進行修改及刪除。同時，登陸頁面具有日志傳輸功能，方便記錄監(jiān)控系統(tǒng)與地震數(shù)采的交互信息，便于開發(fā)和調(diào)試人員監(jiān)視交互事件，檢查錯誤發(fā)生原因。

圖3 系統(tǒng)登陸頁面

用戶點擊登陸頁面的連接按鈕后，便可進入系統(tǒng)主界面，如圖4所示。主頁面主要顯示的信息包括觀測點信息、數(shù)采和地震計信息、經(jīng)緯度和時間。地震數(shù)采會將實時采集到的數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)后繪制成波形圖，方便用戶直觀地監(jiān)測實時采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量。主界面設計充分考慮了用戶的使用習慣和使用場景，遵循簡單、實用的原則。

圖4 系統(tǒng)主界面

在圖4所示的主界面中，用戶可通過點擊右上角的設置圖標切換至狀態(tài)界面，狀態(tài)界面如圖5所示。左側列表顯示用戶可進行的查詢操作，當用戶點擊左側列表中的某一參數(shù)，如臺站參數(shù)，監(jiān)控系統(tǒng)向地震數(shù)采發(fā)送查詢指令，地震數(shù)采接收指令后將查詢結果返回至監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)對查詢結果進行解析，并將解析結果顯示于列表右側。此外，系統(tǒng)提供一種快速便捷的狀態(tài)參數(shù)設置方法，用戶可直接對右側列表信息進行編輯，編輯完成后點擊更新按鈕，便可實現(xiàn)對該狀態(tài)參數(shù)的設置操作。

圖5 儀器狀態(tài)界面

4 關鍵技術

4.1 通信協(xié)議解析

數(shù)據(jù)采集器同時使用控制端口和數(shù)據(jù)端口通信。在建立連接時，通過控制端口對用戶進行驗證并發(fā)出服務申請，其采用ASCII碼通訊。數(shù)據(jù)端口用于數(shù)據(jù)服務和系統(tǒng)配置，采用二進制協(xié)議通訊。IOS客戶端與數(shù)據(jù)采集器連接流程如圖6所示（孫貴成等，2015）。

IOS客戶端與港震EDAS-24GN地震數(shù)據(jù)采集器之間數(shù)據(jù)交互依賴于自定義通信協(xié)議，協(xié)議范圍包括波形數(shù)據(jù)服務和系統(tǒng)參數(shù)的查詢與設置。

IOS客戶端解析參數(shù)幀的流程如圖7所示?？蛻舳耸紫缺O(jiān)聽數(shù)據(jù)端口，接收到參數(shù)幀后，利用幀同步字確定參數(shù)幀開始位置，并對參數(shù)幀進行“校驗和”?！靶ｒ灪汀背晒?，根據(jù)幀標志（包括查詢幀、設置幀、響應幀、廣播幀和錯誤幀）進行參數(shù)幀的解析。

代碼中參數(shù)幀解析相關類的輸入?yún)?shù)為解析得到的NSData類型的幀數(shù)據(jù)，返回參數(shù)為NSMutableArray數(shù)組。IOS客戶端首先初始化數(shù)據(jù)類型為NSMutableArray的可變數(shù)組detailArray，并將數(shù)據(jù)類型為NSData的幀數(shù)據(jù)轉換為Byte數(shù)組，隨后利用參數(shù)幀結構表中定義的字段類型及字段長度進行參數(shù)幀解析，并將解析結果與字段名稱整合為字符串，存儲在可變數(shù)組detailArray中。程序加入了異常處理功能以提高穩(wěn)定性，若在解析字段過程中有任何一處發(fā)生異常，以返回nil數(shù)組的方式結束，防止因解析異常而造成程序崩潰。

4.2 STEIM 2數(shù)據(jù)壓縮算法與波形繪制方法

數(shù)采中的地震波形傳輸采用SEED格式的STEIM 2數(shù)據(jù)壓縮算法，SEED格式是目前被廣泛使用的標準化地震數(shù)據(jù)格式。STEIM 2算法是一種差分無損壓縮算法，其原理是每一幀開頭存儲第一個樣本值，后面只存儲相鄰的兩個樣本的差值，所以在解析地震波數(shù)據(jù)時候，首先需要獲取信號采樣率信息，然后提取初值和個點差值，最后根據(jù)時間序列恢復整體數(shù)據(jù)（王洪體等，2004）。

圖6 客戶端與數(shù)采連接流程

圖7 參數(shù)幀監(jiān)聽及解析過程

代碼中波形繪制相關類輸入?yún)?shù)為NSArray類型的數(shù)據(jù)體DataArray，DataArray為壓縮數(shù)據(jù)解析及處理后得到二維數(shù)組，該數(shù)組的每一行為地震數(shù)據(jù)每個分量的數(shù)據(jù)，列數(shù)為采樣點數(shù)。程序通過提取DataArray的行數(shù)和列數(shù)確定道數(shù)及采樣點數(shù)，利用UIGraphicsGetCurrentContext方法獲取當前上下文，利用CGContextSetLineWidth方法設置繪制線條寬度，建立CGPoint類型數(shù)組points，利用嵌套循環(huán)遍歷DataArray中每個采樣點并存儲在points數(shù)組中，通過CGContextAddLines方法將采樣點添加到當前上下文，并最終利用CGContextStrokePath方法將各個采樣點繪制到用戶視圖。該程序同樣加入異常處理功能以提高穩(wěn)定性以及人機交互體驗效果，同時利用委托傳遞消息機制實現(xiàn)分層解耦，若在繪制波形過程中有任何一處發(fā)生異常，利用委托對象返回繪制失敗提示，若繪制完成同樣返回繪制成功提示。

5 結論和討論

手持終端監(jiān)控系統(tǒng)的出現(xiàn)，解決了測震應急現(xiàn)場工作快速獲取流動臺地震波數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)的問題，同時，該監(jiān)控系統(tǒng)良好的人機交互界面滿足了應急隊員最迫切的信息需求。除此之外，移動智能終端在野外流動觀測中有筆記本電腦無法比擬的機動性，與筆記本電腦相比，其低功耗的特點也是一大優(yōu)勢。因為移動平臺硬件性能的限制，目前只實現(xiàn)了常用的監(jiān)控功能，對地震數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控等復雜功能的實現(xiàn)還需進一步研究。除此之外，應急隊員對于流動臺架設的現(xiàn)場環(huán)境情況也存在需求，如何配合相關硬件設計，對流動臺架設現(xiàn)場的環(huán)境信息（現(xiàn)場影像、溫濕度、光照）進行采集、顯示是下一階段的研究方向?？傊瑴y震流動應急工作充滿挑戰(zhàn)，本監(jiān)控系統(tǒng)將對地震流動應急起到積極作用。

戴波，王大偉，江昊琳等，2016．基于Android平臺的地震設備維修管理系統(tǒng)．地震地磁觀測與研究，37（2）：153—156．

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黃鎮(zhèn)彩，劉昱，邸文華，2012．基于iOS平臺的便攜心率監(jiān)測系統(tǒng)設計．電子測量技術，35（9）：120—124．

姜旭東，楊建思，徐志強等，2009．應對巨大地震的應急流動觀測系統(tǒng)．地震地磁觀測與研究，30（5）：59—65．

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王洪體，陳陽，莊燦濤，2004．SEED格式STEIM 2數(shù)據(jù)壓縮算法在實時地震數(shù)據(jù)傳輸中的應用．地震地磁觀測與研究，25（4）：14—19．

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Design and Implementation of Portable Monitoring and Control System for the Earthquake Emergency Based on IOS

Dai Bo, Zhang Yang, Ju Haihua, Lu Yong and Xu Ge

(Earthquake Administration of Jiangsu Province, Nanjing 210014, China)

The mobile seismic monitoring plays an important role in earthquake emergency response after earthquake, since which obtains high quality seismic data in the earthquake zone. Due to the complexity of the field environment, a high demand for the installation of the mobile station for earthquake emergency is put forward. In this paper we design and develope a monitoring system of earthquake emergency mobile station based on IOS. It can provide portable seismographic data and status information for field work team for earthquake emergency despondence.

Seismic emergency; Portable seismographic; IOS

10.11899/zzfy20170327

測震臺網(wǎng)青年骨干培養(yǎng)專項資助（20160511），地震科技星火計劃（XH171001）和江蘇省科技廳重點研發(fā)計劃（社會發(fā)展）項目（BE2016805）共同資助

2016-11-30

戴波，男，生于1987年。碩士，工程師。主要從事地震應急、地震設備運維相關工作。E-mail：249725204@qq.com