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

隨著城市、交通、氣象等數(shù)據(jù)容量和復(fù)雜性的與日俱增，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)業(yè)已成為信息化建設(shè)不可或缺的核心基礎(chǔ)。據(jù)調(diào)查，數(shù)據(jù)可視化已廣泛應(yīng)用于政府、物流、金融、地產(chǎn)、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(yīng)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(shù)開發(fā)，設(shè)計了地震應(yīng)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(shù)字化記錄，歷經(jīng)50 多年建設(shè)與發(fā)展，我國地震臺網(wǎng)地震監(jiān)測能力得到大幅提升。相關(guān)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(shè)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(xiàn)了區(qū)域地球物理臺網(wǎng)中心臺網(wǎng)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)化儀器的監(jiān)控與管理。上述軟件多針對某特定臺網(wǎng)臺站、某類型儀器，實現(xiàn)某種特定功能，或需要硬件支撐來實現(xiàn)對儀器設(shè)備的監(jiān)視和控制，適用范圍相對狹窄，推廣應(yīng)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(shè)備的高效管理和綜合監(jiān)控。

本文在對數(shù)據(jù)可視化技術(shù)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(chǔ)上，通過研發(fā)地球物理臺網(wǎng)儀器監(jiān)控可視化系統(tǒng)，實現(xiàn)Web 頁面對地球物理觀測儀器監(jiān)控結(jié)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(yù)。

1 研究思路及技術(shù)途徑

觀測數(shù)據(jù)是地震學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)（鐘衛(wèi)星等，2016），儀器連續(xù)穩(wěn)定運行又是產(chǎn)出高質(zhì)量觀測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)（姜佳寧等，2019）。地球物理臺網(wǎng)儀器監(jiān)控可視化系統(tǒng)充分考慮了先進性、可靠性、經(jīng)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(wǎng)儀器監(jiān)控可視化構(gòu)架見圖1。

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

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲采用SQL Sever 數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計方案，實現(xiàn)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(shù)據(jù)格式等信息進行統(tǒng)一，防止重復(fù)設(shè)計，保證系統(tǒng)操作便捷、數(shù)據(jù)的一致性和有效性，便于管理和維護。網(wǎng)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(wǎng)信息服務(wù)組件，讀取“SIAM”對觀測儀器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備監(jiān)控結(jié)果寫入的對應(yīng)JS 文件，實現(xiàn)監(jiān)控結(jié)果的Web 頁面訪問，網(wǎng)內(nèi)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(shè)備運行狀態(tài)，若網(wǎng)絡(luò)路由策略允許，亦可實現(xiàn)跨網(wǎng)段或互聯(lián)網(wǎng)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(jié)果和最新地震信息進行文本轉(zhuǎn)語音播報。充分適應(yīng)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(shù)據(jù)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(guān)聯(lián)協(xié)調(diào)的綜合系統(tǒng)，實現(xiàn)地震監(jiān)測業(yè)務(wù)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(gòu)，采用流程化結(jié)構(gòu)，設(shè)計實現(xiàn)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(shù)據(jù)、各種監(jiān)控結(jié)果以JS 文件方式產(chǎn)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(xiàn)從位于行業(yè)網(wǎng)的地震目錄服務(wù)器進行地震目錄數(shù)據(jù)的下載、提取并轉(zhuǎn)換為JS 文件，以備地球物理臺網(wǎng)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(jié)果中讀取告警信息，實現(xiàn)通過第三方短信平臺或架設(shè)于中國地震局地震預(yù)測研究所內(nèi)網(wǎng)環(huán)境的短信服務(wù)器，發(fā)送儀器設(shè)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(shè)計與實現(xiàn)

基于Python、Java Script、ASP.NET 編程語言，采用B/S 架構(gòu)，開發(fā)地球物理臺網(wǎng)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(wǎng)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(shè)置，可進行功能擴展，且支持在移動平臺上的交互式應(yīng)用功能，可適應(yīng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)可視化設(shè)置功能，讀取SIAM 軟件中所設(shè)置的臺網(wǎng)中心、各觀測站點名稱、經(jīng)緯度等信息，寫入對應(yīng)的JS 文件，按隸屬關(guān)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(nèi)容包含臺站數(shù)量、儀器數(shù)量、告警信息數(shù)量、監(jiān)控進度，異常告警時站點標(biāo)識、告警條數(shù)提示等。

2.2 臺網(wǎng)儀器監(jiān)控

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

2.3 學(xué)科儀器監(jiān)控

SIAM 軟件中所設(shè)置的各站點儀器設(shè)備信息，按地球物理觀測地磁、地電、形變、流體、重力、輔助等學(xué)科劃分，用藍色柱狀圖分別展示，某學(xué)科、某儀器檢測過程中觸發(fā)告警條件，異常臺套數(shù)以紅色柱狀圖展示?？梢暬a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(wǎng)或公網(wǎng)的中國地震臺網(wǎng)中心地震目錄服務(wù)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(shù)據(jù)庫。全球地震分布：顯示全球范圍內(nèi)近1 年M≥7.0 地震的震中分布。全國地震分布：可根據(jù)用戶自定義設(shè)置，顯示全國范圍內(nèi)MS或ML兩種震級標(biāo)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(wǎng)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(yīng)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(xiàn)了設(shè)備隨時間推移所產(chǎn)生的變化，該模塊含網(wǎng)絡(luò)連通率、儀器時鐘差2 個可視化模塊，可視化界面結(jié)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(shù)據(jù)狀態(tài)展示模塊

通過對數(shù)據(jù)連續(xù)率、數(shù)據(jù)有效率和實時觀測數(shù)據(jù)等進行監(jiān)控，可避免造成嚴重的數(shù)據(jù)丟失和產(chǎn)出大量錯誤數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，有助于及時掌握儀器產(chǎn)出觀測數(shù)據(jù)的情況。

“異?！蓖ǔＪ侵赣^測數(shù)據(jù)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(yīng)等，均會對不同觀測儀器產(chǎn)生不同影響。

可利用差分分析，識別觀測數(shù)據(jù)中是否存在干擾、地震或前兆異常，實現(xiàn)對觀測數(shù)據(jù)變化幅度（下文簡稱變幅）異常的監(jiān)視。設(shè)置合適的變幅閾值（通常設(shè)置為一階差分最大絕對值的1.5—2 倍）、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的數(shù)值范圍。SIAM 軟件通過比較觀測數(shù)據(jù)和閾值的方式，監(jiān)視是否即將或已經(jīng)產(chǎn)出錯誤數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)值）；核旋、水氡、水汞、降水量等儀器＜0 為錯誤數(shù)據(jù)，等。

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

在SIAM 軟件使用過程中，用戶需結(jié)合臺站實際，根據(jù)觀測儀器產(chǎn)出數(shù)據(jù)情況，在相應(yīng)功能模塊進行閾值的合理設(shè)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(chǎn)生靠擺現(xiàn)象，需要盡可能對更多地震或爆破時段的觀測數(shù)據(jù)進行一階差分分析，通過設(shè)置合理的變幅閾值達到預(yù)期監(jiān)視效果。數(shù)據(jù)間隔是指，大于所設(shè)置變幅閾值的2 個數(shù)據(jù)之間允許的最大間隔個數(shù)。設(shè)置該值主要用于區(qū)分地震或者短時間內(nèi)間歇性出現(xiàn)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(shù)≤此值將被歸類為“區(qū)段異常”，≥|某值|被認為是靠擺或無效，產(chǎn)出＞2 個“NULL”字符即認為數(shù)據(jù)存在缺測。

根據(jù)SIAM 軟件設(shè)置，對地球物理觀測儀器運行狀態(tài)和觀測數(shù)據(jù)進行自動讀取、備份以及格式轉(zhuǎn)換，按照用戶在儀器狀態(tài)與數(shù)據(jù)監(jiān)視模塊中預(yù)設(shè)的各項閾值、參數(shù)進行相應(yīng)判定，將觀測數(shù)據(jù)和異常信息寫入可視化文件，當(dāng)日觀測數(shù)據(jù)按設(shè)置的時間間隔，在可視化頁面輪動播放，無效數(shù)據(jù)、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(wǎng)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(dāng)天數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)異常發(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)異常判定方式及判定標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果見表1。

3 軟件應(yīng)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(wǎng)儀器監(jiān)控可視化系統(tǒng)。以該地震臺為例，分析SIAM 軟件應(yīng)用的實效性。如圖3 所示，該臺站出現(xiàn)停電或網(wǎng)絡(luò)通訊故障或觀測數(shù)據(jù)異?，F(xiàn)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(fù)，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(xiàn)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(jié)果頁面Fig.3 Monitoring results page of the visualization system

圖4 周口地震臺數(shù)據(jù)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(yù)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(yīng)用，實現(xiàn)監(jiān)控站點19 個，儀器59 臺（套），測項分量總數(shù)183 個。通過該系統(tǒng)的搭建，可直觀展示監(jiān)測業(yè)務(wù)，有效提高地震監(jiān)測、運維管理等綜合業(yè)務(wù)能力，信息化程度將得到大幅提升，地球物理觀測數(shù)據(jù)價值得到充分體現(xiàn)。

5 結(jié)束語

SIAM 軟件利用ASP.NET 和Web 技術(shù)，實現(xiàn)了地球物理臺網(wǎng)儀器監(jiān)控可視化和告警信息多樣化，適應(yīng)地震系統(tǒng)的綜合管理模式，具備在移動平臺上交互式應(yīng)用功能，能夠滿足地震觀測儀器監(jiān)控管理、數(shù)據(jù)管理、異常報警、地震監(jiān)測能力展示等需要，實現(xiàn)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(wǎng)數(shù)據(jù)的時序變化情況，對觀測數(shù)據(jù)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(yù)判斷。如何智能分析總結(jié)各信息之間的相互關(guān)系，從采集的大量數(shù)據(jù)中提取更多關(guān)鍵信息，以更加靈活和智能的方式取代人工判斷和干預(yù)，尚需進一步研究。