“九五”前兆儀器與“十五”前兆管理系統的整合＊

馬文娟,何案華,曹 開,趙 剛,李芳芳,常 明,吳曉燕,延海軍

(1.寧夏回族自治區地震局,銀川 750001;2.同濟大學軟件學院,上海 200092;3.中國地震局地殼應力研究所,北京 100085;4.北京市地震局,北京 100045)

“九五”前兆儀器與“十五”前兆管理系統的整合＊

馬文娟1,2,何案華3,曹 開4,趙 剛3,李芳芳1,常 明1,吳曉燕1,延海軍1

(1.寧夏回族自治區地震局,銀川 750001;2.同濟大學軟件學院,上海 200092;3.中國地震局地殼應力研究所,北京 100085;4.北京市地震局,北京 100045)

2009年 5月開始以北京市地震局板橋臺、東三旗臺、趙各莊臺等 7個臺站為試點,逐步完成 “九五”前兆儀器網絡化改造,在保留原“九五”通信模式的前提下,完成其 “九五”前兆儀器無縫接入到“十五”前兆數據管理系統。從各臺為期半年多的運行結果可以看出,其運行穩定、產出資料可靠且改造方案成本低,為“九五”前兆儀器整體接入“十五”管理系統提供了高效可靠的技術參考。

“九五”前兆儀器;協議轉換;“十五”前兆系統

0 引言

隨著中國地震局 “十五”網絡化項目改造的完成,“十五”儀器都已接入到中國地震局“十五”前兆網絡,且利用 “十五”管理系統實現了儀器的網絡化控制與數據自動采集。在實施 “首都圈項目”與 “九五”項目期間,我們安裝了大批遵從“九五”通信規程的前兆儀器,這些儀器在“九五”臺網中已連續、穩定運行多年。“九五”前兆儀器和 “十五”前兆儀器的數據匯集、管理、分析處理是獨立運行的,從而導致 “九五”前兆臺網與“十五”前兆臺網并存的局面,使得臺站監測人員既要收取、處理 “九五”臺網的數據,又要管理 “十五”臺網的數據;既要保留遠程電話拔號收數功能,又要實現臺站的網絡化管理;數據處理人員既要處理“九五”格式數據,又要處理“十五”格式數據等。所以從數據管理難易程度、管理費用、工作量大小等方面來說,這兩種前兆臺網并存的局面給臺站工作帶來一系列困難。

對“九五”前兆儀器與“十五”前兆臺網進行整合的關鍵在于:如何最大限度地不影響現行“九五”臺網數據采集及數據觀測結果,不影響儀器的數據產出質量;如何在不影響現有臺站工作模式的前提下,以最小的投入實現 “九五”儀器整體接入“十五”前兆臺網,實現“九五”儀器與“十五”前兆臺網的無縫銜接。

1 “九五”前兆儀器與 “十五”臺網整合的技術方案

1.1 原 “九五”前兆儀器接入方式

在實施“首都圈項目”與“九五”項目期間,北京市地震局一共改造了 44套前兆儀器,建設了21個臺站(包括有人值守臺站和無人值守臺站)。儀器都是基于 “九五”通訊規程實現,其中無人值守臺站通過電話撥號方式進行數據匯集;有人值守臺站則由本地臺站將數據收集后通過 FTP將數據上傳到前兆臺網中心。

“九五”前兆儀器的接入方式有串口、電話撥號、IP轉串口、串口設備聯網服務器等,其主要連接如圖 1所示。

圖 1 “九五”前兆儀器接入方式Fig.1 “The 9th Five-Year Plan”omen instrument connection

“九五”臺站中的多臺“九五”儀器通過現場總線利用調制解調器通過電話線接入前兆臺網應用服務器,或在現場總線主側利用協議轉換器通過網絡接入前兆臺網應用服務器。電話撥號接入方式在儀器端與應用服務器端都需要調制解調器分別進行數據的調制與解調(付子忠,2003)。

1.2 前兆儀器協議轉換器

本文協議轉換器硬件采用性能穩定的 PC104工控機實現,通過網絡接收前兆臺網運行管理系統發送的“十五”儀器通信規程指令信息,通過軟件解析轉換成符合 “九五”儀器通信規程的指令信息,再通過現場總線副側發送到 “九五”儀器進行控制與訪問(趙剛,何案華,2004)。“協議轉換器”可實現對臺站所有“九五”前兆儀器的自動數據采集、數據存儲、數據轉換,同時具有一定的儀器控制和數據處理功能,還具備儀器數據采集和儀器監控的日志記錄功能。

協議轉換器主要由系統監控、串口數據采集、“九五”協議、 “十五”規程模塊、FTP模塊、WEB模塊等部分組成(圖 2)。

圖 2 協議轉換器工作流程圖Fig.2 The technological process of exchanging device

其各部分主要功能如下:

(1)系統監控模塊是整個軟件的核心,通過它時刻監控 “九五”協議模塊、“十五”規程模塊、FTP模塊、WEB模塊的工作狀態。當檢測到某一模塊工作不正常時,強行重新啟動該模塊;系統監控模塊將利用網絡時間服務器 SNTP即時進行時間校準;當整個系統工作不正常時,硬件看門狗將被啟動,保障整個系統的正常工作。

(2)串口數據采集模塊主要完成 “九五”前兆儀器的數據采集。首先檢查所有當前連接前兆儀器的數據存儲是否存在,若數據不存在,則補收其數據并按照 “十五”規程格式存儲;其次,打開協議轉換器 Com2用來接收臺站 “九五”收數計算機命令,當 Com2接收到數據時,直接將數據轉送到 Com1,從而下發到 “九五”前兆現場總線上。同樣,儀器通過 Com1返回的數據直接轉送到Com2上。從外部看來,Com1與 Com2之間為一透明通道,但從某種意義上來說,原有 “九五”通信方式完全沒做任何改變(何案華等,2007)。

(3)“九五”協議和 “十五”規程模塊主要負責響應 “九五”前兆通信協議和 “十五”網絡通信規程。通過該程序可查看儀器運行狀態、傳輸儀器數據、控制儀器、修改儀器參數等(何案華等,2007)

(4)FTP和WEB模塊。FTP模塊主要是為用戶提供遠程軟件更新、數據下載等功能;WEB服務器主要負責遠程用戶訪問儀器網頁,從網頁上可以瀏覽儀器、設置儀器的基本參數、下載儀器數據、顯示儀器說明等。

1.3 利用協議轉換器實現 “九五”儀器與 “十五”前兆臺網整合

1.3.1 無人值守臺站的整合技術方案

利用協議轉換器進行整合的方案,特別適合已經建有信息節點、或者通過 VPN接入的無人值守臺站。利用該方案,臺站的串口前兆儀器通訊完全依托在已有的網絡資源上,所以不需要地震行業專網的鏈路建設(何案華等,2007)。

該方案將臺站所有串口儀器通過光隔副側與現場總線相連,現場總線接入到數據采集系統(一般為 “九五”前兆機柜)里的光隔主側,協議轉化器的 Com1直接連接到數據采集系統,協議轉化器的 Com2與通信單元相連,協議轉化器的網口通過因特網或者地震局 VPN連接到臺網中心服務器,這樣該方案的鏈路連接配置完畢(圖 3)。

圖 3 無人值守臺站的技術方案圖Fig.3 The technical scheme of non-guarding station

“九五”無人職守臺站的前兆儀器數據收取是通過用安裝在臺網中心的 EPCC通信控制軟件自動收取的。首先進行電話撥號,建立與臺站MODEM的連接,將所發送的控制命令通過電話線傳給協議轉換器的 Com2,協議轉換器將 Com2收到的命令透明地傳輸到與 Com1相連的主測上,并將 “收取數據”的命令發到各個儀器上(王秀英等,2004)儀器將返回的數據發送到 Com1,協議轉換器將 Com1數據透明發送到 Com2,通過 MODEM建立電話鏈路傳回臺網中心的 EPCC通信控制軟件,經過預處理后的前兆數據由入庫軟件保存到“九五”SQLserver數據庫,保持了 “九五”數據收集的原有工作方式不變。

在該方案中,協議轉換器開啟網絡數據通訊服務,打開指定端口進入偵聽狀態,等待來自數據管理系統的 SOCKET請求。在區域中心端,“十五”管理系統按臺站協議轉換器的 IP地址、端口等信息進行網絡配置與連接,當區域中心與臺站協議轉換器成功建立起 SOCKET連接后(Joyce Van de Vegte,2004),區域中心 “十五”管理系統發送命令到協議轉換器,協議轉換器會將 “十五”格式的前兆數據通過 SOCKET連接發回到區域中心,從而實現區域中心通過 “十五”管理系統對臺站“九五”前兆儀器進行控制與數據匯集。

1.3.2 有人值守臺站的整合技術方案

利用協議轉換器進行有人值守臺站整合的方案,特別適合于觀測手段多的專業臺站。

該方案下鏈路示意圖如圖 4所示。將臺站所有串口儀器通過光隔副側與現場總線相連,現場總線接入到數據采集系統(一般為 “九五”前兆機柜)里的光隔主側(周振安,2004)協議轉化器的 Com1直接連接到數據采集系統,協議轉化器的Com2與裝有臺站版的 EPCC通訊控制軟件的計算機相連(魏銀珍等,2005)協議轉化器的網口RJ45通過網絡與臺站“十五”管理系統相連。這樣該方案的鏈路連接配置完畢。

圖 4 有人值守臺站的技術方案圖Fig.4 The technical scheme of guarding station

“九五”有人值守臺站,其數據是通過安裝在臺站本地的 EPCC通信控制軟件來實現的,每天EPCC通信控制軟件自動定時收取前兆儀器數據(中國地震局,2001),協議轉換器將 Com2收到“收數命令”透明地發送到接在現場總線上的Com1,在現場總線上的前兆儀器收到命令后將數據返回給 EPCC通信控制軟件,臺站人員每天定時將前兆數據利用 FTP傳輸到臺網中心,再由入庫軟件保存到 “九五”SQLserver數據庫,保持了“九五”數據收集的原有工作模式不變。

在該方案中,協議轉換器開啟網絡數據通訊服務,打開指定端口進入偵聽狀態,等待來自管理系統的 SOCKET請求。在區域中心端,“十五”管理系統按臺站協議轉換器的 IP地址、端口等信息進行網絡配置與連接,當區域中心與臺站協議轉換器成功建立起 SOCKET連接后,區域中心“十五”管理系統發送給協議轉換器的命令,協議轉換器會將“十五”格式的前兆數據通過 SOCKET連接發回到區域中心(何案華等,2008),從而實現區域中心通過“十五”管理系統對臺站“九五”前兆儀器進行控制與數據匯集。

2 北京市地震局 “九五”前兆儀器與“十五”臺網整合的運行情況

北京市地震局 “九五”前兆儀器與 “十五”臺網整合于 2009年 5月開始,先后成功完成了趙各莊、東三旗、板橋、良鄉、徐興莊、松山等“九五”前兆臺站的整合。為了保證數據銜接,檢測數據的可靠性,在將近半年時間里采取原 “九五”電話撥號模式與 “十五”網絡匯集方式同時運行并存的方案,從其運行情況統計來看,其數據完整率大于 95%;從運行效果來看,這次改造很好地維持臺站原有的工作流程、數據管理模式,同時使原有的 “九五”前兆儀器通過 “十五”數據管理系統自動完成 “九五”前兆儀器產出數據的匯集。從兩套臺網產出的數據對比可看出,改造后的“十五”臺網產出數據與“九五”所采集到的數據完全一致,從而證明本次改造任務方案完全可行、數據真實可靠。

但是在運行中也出現一些問題,具體有如下幾種:

(1)由于 “九五”標準通信協議與 “十五”規程存在一些差異,導致協議轉換器不能完全支持“十五”規程里規定的操作,譬如當前五個數據,由于“九五”儀器不支持當前五個數據,所以返回值只能用空數據代替。

(2)由于 “九五”儀器一般串口波特率為2400,所以采集所有通道的當天數據要幾分鐘時間,如果將當天數據采集完全后再轉換成 “十五”格式的當天數據,一般會出現網絡超時,所以在本次改造中暫不支持“十五”格式的當天數據。

(3)2009年 6月中旬,順義板橋臺水位儀連續缺數,經檢查發現與水位已相連的光隔副側因接觸不良而導致數據無法收取。在此期間水溫儀數據收取正常。

(4)東三旗臺的“十五”數據管理系統崩潰數次導致“十五”數據不能及時入庫,但協議轉換器工作正常。

3 結語

從北京市地震局下屬 7個臺站通訊改造為期半年多試運行情況來看,基于 “十五”通信規程的“九五”臺站整體改造其思路正確、方案可行,從其數據完整率、可靠性分析可以得知,本次針對“十五”規程的 “九五”儀器整合取得了預期效果,達到預期目標;網絡建設成本低,在臺站端完全實現了“九五”儀器的接入,同時不會影響“九五”工作方式,“九五”模式與 “十五”模式可完全共存。

本文撰寫過程中得到中國地震局地殼應力研究所趙剛老師和何案華老師的指導,在此深表感謝!

付子忠 .2003.地震前兆臺站數字觀測技術[M]//見:地震前兆數字觀測公用技術與臺網.北京:地震出版社,24-28.

何案華,趙剛,郭藐西,等 .2007.基于 VPN技術的無線網絡在地震前兆臺網中的應用[J].大地測量與地球動力學,27(增刊):51-55.

何案華,趙剛,王軍,等 .2008.串口前兆儀器的因特網接入方案與配套軟件開發[J].地震研究,31(3):279-283.

王秀英,周振安,牛從達,等 .2004.高精度數據采集器網絡通訊功能的實現[J].地震研究,27(2):203-207.

魏銀珍,郭唐永,廖成旺,等 .2005.地震觀測儀器網絡化探討[J].大地測量與地球動力學,25(03):133-137.

趙剛,何案華 .2004.GPRS技術在地震前兆臺網中的應用研究[J].地震研究,27(3):265-270.

中國地震局 .2001地震及前兆數字觀測技術規范[M].北京:地震出版社.

周振安 .2004.地震前兆數據采集器的設計考慮[J].大地測量與地球動力學,24(03):120-123.

Joyce Van de Vegte.2004.數字信號處理基礎[M].北京:電子工業出版社.

徐桂明 江蘇省地震局高級工程師。畢業于河海大學水文地質與工程地質專業,獲學士學位。主要從事地震流體預報地震工作。中國地震學會地震流體專業委員會委員。

阮 祥 四川省地震局預報研究所助理工程師。2004年云南大學固體地球物理專業畢業,獲理學學士學位;2007年中國地震局蘭州地震研究所固體地球物理專業畢業,獲理學碩士學位。目前從事地震學與地震預報方面的研究。

蔣翠榮 河北省地震局張家口中心臺工程師。1985年畢業于河北電大。現主要從事地震臺站監測工作。

郭婷婷 山東省地震局助理研究員。2004年畢業于西北農林科技大學水利與建筑工程學院,獲碩士學位;現就讀于中國地震局地質研究所攻讀博士學位。主要從事構造應力場分析及其相關數值模擬等工作。

單維鋒 防災科技學院講師。1998年畢業山東大學威海分校計算機應用專業;2005年畢業于云南大學軟件工程專業,獲碩士學位;現于北京工業大學計算機學院攻讀博士學位。主要從事地震前兆數據處理、并行計算等方面研究工作。AC M專業會員,新加坡國際計算機科學與信息技術協會(IACSIT)會員。

劉 錦 廣東省地震局工程師。1991畢業于防災技術學院應用地球物理系,獲大專學歷;2004畢業于華南理工大學工商管理系,獲管理學學士學位。主要從事地下流體分析預報等研究。

楊晶瓊 云南省地震局高級工程師。1990年畢業于云南師范大學地理系,獲理學士學位。主要從事地震分析編目與數字地震資料應用研究工作。

王建軍 甘肅省地震局工程師。1996年畢業于防災科技學院地球物理系;2008年蘭州地震研究所固體地球物理專業畢業,獲碩士學位。曾參與開發中國地震前兆數據處理系統、中國地震前兆數據管理系統,現主要從事地震監測、軟件研發、地磁基本場研究等方面的工作。

馬文娟 寧夏地震局工程師。1999年畢業于寧夏大學數學系軟件工程專業,獲理學學士學位;現為同濟大學在讀碩士研究生。主要從事前兆觀測技術、數據處理、數據庫開發利用等研究。2009年中國地震局地殼應力研究所交流訪問學者。

“The ninth Five-Year Plan”omen instrument and“The tenth Five-Year Plan”omen manage systematic integrating

MA Wen-juan1,2,HE An-hua3,CAO Kai4,ZHAO Gang3,L I Fang-fang1,CHANG Ming1,WU Xiao-yan1,YAN Hai-jun1
(1.Earthquake Administration of Ningxia Hui Autonomous Region,Yinchuan750001,Ningxia,China)
(2.School of Software Engineering,Tongji University,Shanghai200092,China)
(3.The Institute of Crustal Dynamics,CEA,Beijing100085,China)
(4.Earthquake Administration of Beijing Municipality,Beijing100045,China)

Take the station about Banqiao Dong San and Zhao Ge zhuang etc of Beijing as experimental unit,after the network-rization make over beginning to accomplish“The ninth Five-Year Plan omeninstrument step by step on May15,2009,accomplish w hose seam less“The ninth Five-Year Plan”om eninstrument cut-over under the premise reserving plain“The ninth Five-Year Plan”communication pattern,arriving at“The tenth Five-Year Plan”om en data management system.From operation result, It can be seen every station lasting for the half a year,w hose runs the data stabilizing,out puting reliably and reforms scheme cost low,“The tenth Five-Year Plan”management system has provided the reliable high-effect technology reference to“The ninth Five-Year Plan”omen station overall cut-over.

“The ninth Five-Year Plan”instrument,protocol conversion, “The tenth Five-Year Plan”instruments

TP392

A

1000-0666(2010)04-0360-05

2009-11-03.

2007年公益性行業專項(H200708045)資助 .

注:錢曉東、張希、蘇琴、張昱、劉強、施偉華、吳立辛、曾憲偉、何案華、周光全的簡歷分別刊登在本刊 Vol.29,No.1;Vol.30,No.3;Vol.32,No.2; Vol.31, No.3; Vol.30, No.4; Vol.30,No.4; Vol.30, No.1; Vol.31, No.2; Vol.31,No.3;VoL.29,No.4。