全國前兆臺網“九五”系統臺站接入的設計與實施*

賈鴻飛，陳 敏，馬廣慶，何案華，鄧衛平

0 引言

隨著網絡技術的發展，地震前兆觀測儀器的網絡化成為必然趨勢。在國家十五重點項目“中國數字化觀測網絡項目”中，大部分前兆觀測儀器實現了網絡化;國家臺網中心、各區域臺網中心以及臺站可以通過網絡實現儀器的統一管理，觀測數據的自動采集與綜合分析。然而，在“九五”前兆數字化改造期間建立的全國“九五”前兆臺網仍在運行觀測，且整體運行穩定、數據可靠，具有自己獨立的數據庫與數據分析系統 (中國地震局監測預報司，2003)。

“九五”前兆臺網與“十五”前兆臺網的獨立并存，增加了臺站監測人員工作的復雜程度，且臺站既要保留“九五”前兆儀器接入的遠程電話撥號收數功能，又要實現“十五”臺站的網絡接入功能，加大了對前兆儀器、臺站管理維護的難度。從數據分析角度，由于“九五”前兆臺網采用SQLserver數據庫進行數據管理，而“十五”前兆臺網采用oracle數據庫，數據分析處理軟件也不相同，這為需要經常訪問觀測數據的分析預報人員帶來了不便。

為了實現“九五”、“十五”前兆儀器的統一規范化管理，觀測數據的統一分析處理，實現“九五”前兆儀器網絡化，減小臺站運行維護的復雜程度，中國地震局開展了“全國前兆臺網‘九五’系統臺站接入改造”工作。

1 技術方案

為了盡量避免影響觀測數據質量，同時對“九五”前兆系統進行最為徹底的接入改造，方便“九五”、“十五”前兆系統綜合管理，接入方案采用“九五”前兆儀器連接專用網絡通信接口即地震前兆通信協議轉換器 (以下簡稱協轉)方式或更換“九五”前兆數據采集器方式接入“十五”前兆臺網，在不具備網絡條件的臺站首先針對不同情況采用SDH光纖、無線網絡、ADSL等方式對網絡進行改造。

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，即改造后“九五”前兆儀器的儀器管理方式、數據采集方式、數據格式、產出數據分析方式與“十五”系統相同。

(2)改造方式相對簡單，對“九五”前兆觀測數據質量影響較小。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，進行雙系統并行運行，避免觀測數據的缺失，通過比較“九五”與“十五”前兆系統產出數據，方便判斷接入系統運行情況是否穩定、可靠以及產出是否準確、可信 (王軍等，2008)。

(3)協轉支持“十五”前兆通信規程，可實現數據的自動采集、自動轉換，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，無需對省局中心節點或臺網中心改造。

1.1 網絡通信環境改造方案

網絡通信環境的改造，主要針對不具備網絡環境的“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、無線網絡、ADSL。

SDH光纖連接穩定，傳輸速率較大，適用于儀器量多，傳輸數據量較大的臺站節點與省局臺網中心連接，以及距離臺站網絡節點較遠 (100 m外)的儀器與臺站之間的通信網絡連接。

受地理環境復雜或其他因素影響，一些臺站節點與儀器之間不適于架構有線網絡，無線通信方式，如GPRS、CDMA等2G網絡或WCDMA、CDMA2000等3G網絡，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，傳輸質量相對不穩定，適用于傳輸數據量小，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:網絡鋪設相對簡單、傳輸速率較慢、改造價格相對便宜。因此，基于ADSL技術的網絡改造適用于儀器數量較少，數據傳輸量較小的臺站與省局或區域臺網中心間的通信。

1.2 儀器接入方案

接入方案采用接入協轉或更換“九五”公用數據采集器，在臺站端將“九五”前兆儀器接入網絡，并通過帶有VPN功能的路由器接入中國地震局地震行業專用網。

協轉可實現以下功能:(1)串口數據采集，通過串口收取存儲在前兆儀器中的原始數據，并存入協轉中的存數卡內;(2)內部數據轉換，協轉自帶數據轉換程序，可以將從串口采集到的原始數據文件轉換成“九五”及“十五”格式文件;(3)支持FTP、web等網絡服務，可通過網頁修改相關參數，控制前兆儀器，查詢觀測數據;(4)支持“十五”前兆通信規程，可將“十五”前兆數據自動采集至“十五”前兆數據庫中;(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，使設備更加穩定可靠;(6)自帶VNC客戶端，用戶可在同一網段的計算機下通過VNC訪問協轉，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、鍵盤等輸入輸出設備;(8)設有“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，直接接入協轉;②更換“九五”前兆公用數據采集器;③接入協轉與更換“九五”前兆公用數據采集器相結合。以下針對每個方案詳細說明。

1.2.1 不更換“九五”前兆儀器，直接采用協轉方式

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場總線與臺站端調制解調器相連接。收取數據過程為:臺網中心收數計算機首先發送命令，通過臺網中心調制解調器撥號連接臺站調制解調器端并將命令傳送至臺站端，臺站調制解調器將命令通過現場總線傳送給前兆儀器，前兆儀器對命令做出響應，同時開始自動傳送數據。前兆數據通過現場總線，經過臺站調制解調器遠程撥號發送至臺網中心調制解調器，最終匯集到臺網中心收數計算機，利用入庫軟件，保存至“九五”前兆數據庫 (馬文娟等，2010)。

圖1 原有系統及接入改造系統部署情況(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”前兆管理系統收數方式，同時增加了對“十五”前兆管理系統收數方式的支持，且在臺網中心端不需進行任何改造。協轉的COM1口連接前兆儀器現場總線，COM2口連接臺站調制解調器，COM1與COM2在協轉內部形成一個透明通道，即可將COM1與COM2看作相互連通，協轉與帶VPN功能的路由器通過網線相連。

“九五”前兆儀器收數流程與改造前基本相同，只是臺站調制解調器通過協轉透明通道把命令傳遞給前兆儀器，且觀測數據也通過透明通道傳輸至“九五”前兆數據管理系統。“十五”前兆系統的收數流程為:每天固定時間 (一般為0時45分)，協轉通過串口向前兆儀器發送收數命令，前兆儀器對收到的命令進行響應并傳回org文件。協轉內部依照通過網頁設置的參數將原始數據轉換為“九五”及“十五”前兆數據，轉換后的前兆數據同原始數據存儲在協轉中，存儲時間可長達一年或更長。這樣的設計使得即使在網絡環境故障的情況下，也不會出現數據丟失的情況，只需故障排除時在管理系統中進行數據的人工采集。當“十五”前兆數據管理系統收數時，協轉通過地震行業專用網接收命令并傳送數據至“十五”前兆數據庫中。此外，在地震行業專用網的用戶還可以通過網頁直接下載查看存儲在協轉上的觀測數據。

1.2.2 更換“九五”前兆公用數據采集器

該方案只適用于所有前兆儀器均與“九五”前兆公用數據采集器相連的“九五”前兆臺站。如圖2所示，前兆儀器的輸出直接接入“九五”公用數據采集器的各個輸入通道，再由其統一采集、存儲數據，最后通過串口進行數據傳輸。

部分“九五”前兆公用數據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地震前兆數據采集器替換原有的數采，既解決了設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”前兆系統收數方式進行數據采集，又可通過“十五”前兆系統收數方式采集數據;用戶還可以通過web服務或FTP服務對儀器進行控制，更改儀器參數，查看、下載觀測數據。

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

1.2.3 接入協轉與更換“九五”前兆公用數據采集器相結合

圖3 原有系統及接入改造系統部署情況(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”前兆公用數據采集器，此時可以采用方案一與方案二相結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，節約了經費成本;且經過方案三改造后的臺站，同樣具有“九五”、“十五”前兆系統的并行采數功能，用戶可以通過“十五”方式在網絡上對儀器進行控制與遠程維護。該方案實現了“九五”前兆設備徹底接入“十五”前兆系統的目標。

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計的實際完成改造儀器數量。

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個區域中心的13臺服務器組成的“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，一些典型問題被發現并解決，確保了“九五”前兆儀器順利、穩定地接入“十五”前兆系統。這些典型問題及解決辦法包括:

表1 分學科“九五”儀器接入數據統計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不能采數或形變、電磁類儀器在00:15時要生成觀測數據文件，為了避免測試平臺上的管理系統自動采集數為“空結果”，管理系統自動采數時間由原來設定的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，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)、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出的“十五”前兆數據的正確性，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”前兆系統產出數據的精度不同。在咨詢相應學科專家的意見后，調整了數據轉換參數，使“十五”生成數據精度滿足學科要求。

(4)改造后，前兆儀器的轉換參數需要登錄儀器網頁配置。部分儀器在標定、調零等操作之后，臺站人員只在“九五”前兆系統上的EPCC中修改了轉換參數，而未在儀器網頁上修改，致使“九五”與“十五”前兆系統產出數據出現較固定差值。在發現問題后，及時根據EPCC中的轉換參數，修改了儀器網頁的參數，使兩套系統產出一致。

2.3 并行運行

為了檢驗完成改造后的“九五”前兆儀器運行的穩定性，以及“九五”、“十五”兩套前兆系統產出數據的一致性，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”前兆系統上并行運行，并由臺站人員對兩套系統產出數據分別進行預處理、報數、數據評價等工作，同時利用專門的數據對比與歸檔軟件，對并行數據的一致性進行對比。

在并行運行期間，接入改造后的“九五”前兆系統保持原有運行模式及日常工作，臺站、各區域中心、國家中心按照“九五”前兆系統運行要求進行數據采集、日志填報、數據預處理、報送等日常工作;同時加入新的“十五”前兆系統工作模式，要求臺站人員及時在網頁更新轉換參數，并通過“十五”前兆管理系統完成數據采集、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”儀器數據匯集率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的產出數據比較可知，兩套系統產數據出除個別儀器外，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”前兆系統中的產出為累計值而“十五”前兆系統中的產出為小時值;②個別儀器“九五”前兆系統與“十五”前兆系統數據精度不同，但不影響數據使用。

綜上所述，在并行運行階段，接入改造后前兆儀器運行穩定、可靠，產出數據準確、可信。接入系統整體運行良好。

3 結束語

“十五”前兆數據管理系統可以對改造后的“九五”前兆儀器實現自動采集數據、在線統一管理等功能，達到了“九五”前兆儀器接入“十五”前兆系統的目標。改造后的“九五”前兆儀器實現了網絡化功能，相關人員可以在線設置參數，查看數據。接入改造完成了“九五”前兆數據入“十五”前兆數據庫的目標，為分析預報人員訪問、處理數據提供了方便。

當然，本系統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，盡管此類儀器數量較少，但仍需繼續進行接入改造工作。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，使其熟悉協轉的操作機維護方法，使改造后儀器采集的數據完整、可信。

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(Spec):47－51.

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

王軍，趙剛，何案華，等.2008.“九五”前兆臺站與“十五”前兆臺網的整合研究［J］．大地測量與地球動力學，28(4):125－130.

中國地震局監測預報司.2003.地震前兆數字觀測公用技術與臺網［M］．北京:地震出版社.