基于開源WebGIS的測震臺站運維管理系統的設計與實現1

董一兵 朱音杰 王仁濤 劉 檀

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基于開源WebGIS的測震臺站運維管理系統的設計與實現1

董一兵1，2）朱音杰1）王仁濤3）劉 檀1）

1）河北省地震局，石家莊 050021 2）中國科學技術大學地球與空間科學學院，合肥 230046 3）中國科學院測量與地球物理研究所，武漢 430077

本文介紹了一套測震臺站運維管理系統的設計與實現。在研發過程中，使用開源的WebGIS服務器GeoServer和前端技術Openlayers，實現了測震臺站WebGIS、在線式臺站運維信息管理、臺站儀器狀態監視和臺站故障統計功能，對測震臺站運維管理工作提供軟件支持。系統在河北測震臺網的應用效果良好，具有一定的推廣應用價值。

測震臺站運維 管理信息系統 Web服務開源WebGIS

引言

臺站管理是區域測震臺網中心的一項基礎性工作，涉及臺站規劃、建設和運行維護的全過程，其中，運維階段的管理是整個管理工作的中心環節。臺站運維階段管理的目標是通過一系列管理手段的實施，提高臺網的實時運行率和數據可用性，保證臺網業務系統的穩定運行。臺站運維工作的主要內容是臺站基礎設施、專業設備的維修維護和升級改造，在工作過程中會積累大量的工作日志和技術檔案，這些記錄是反映臺站運行情況的基礎資料，具有重要的應用價值。比如，通過定期對臺站故障頻次進行分類統計和分析，可以獲悉導致臺站斷記的主要因素，從而為臺站的升級改造提供決策依據。測震臺站通常是無人值守臺，臺站維護需要借助計算機網絡和應用軟件完成。近年來，隨著中國地震背景場探測項目、地震烈度速報和預警項目等一系列項目的實施，測震臺網的規模日趨龐大，臺站維護任務日益繁重，傳統的記錄和管理方式則較為簡單、粗放，不利于資料的重復使用，研制專用軟件，為臺站運維階段管理過程提供服務，提高管理效能，已成為當務之急。為了提高臺站管理工作的效率、提高運維檔案的利用率，我們研發了一套B/S結構的測震臺站運維管理系統，支持用戶在PC端利用通用的Web瀏覽器管理臺站數據，在移動終端上遠程檢查臺站運行狀態。與傳統C/S結構的應用程序相比，這種瘦客戶端的應用架構具有更好的可維護性、可擴展性、可移植性和較低的使用門檻。

WebGIS是GIS技術與Web技術的有機結合，是在網絡環境下傳輸、存儲、處理、分析、顯示與應用地理空間信息的分布式系統（孟令奎等，2005）。開源WebGIS是源代碼開放的WebGIS平臺（魏波等，2009），與商業平臺相比，具有低成本、可定制、跨平臺的特點。WebGIS被廣泛應用于社會各個領域（劉吉夫等，2003）。近年來，在地震行業，也涌現出一系列基于WebGIS的應用，涉及監測預報、應急救援、震害防御3大體系（趙曦等，2014；胡斌等，2014；屈佳等，2014；班亞等，2014）。在系統中，我們利用GeoServer搭建了開源的臺站電子地圖服務器，利用OpenLayers實現了臺站電子地圖的遠程接入。

1　需求分析

1.1測震臺站的維護工作

在區域測震臺網中心，臺站運維的日常工作通常包括檢查狀態、發現故障、遠程維修、監控服務器/工作站、通信鏈路等。臺站發生故障時，首先判斷故障類型（表1），然后登記臺站維護日志。臺站故障總體可分為斷記和病態運行2種情況。斷記是指實時數據流中斷，導致斷記的主要因素有外部供電停止、通信鏈路中斷、數據采集器無輸出等。病態運行是指數據流未中斷，但儀器的健康狀態指標超限，如地震計零點漂移、數據采集器的鐘差過大等。儀器的病態運行會降低觀測數據的質量，影響臺網業務系統的資料產出，因此對儀器的健康狀態進行檢查是十分必要的。通過檢查，不僅可以糾正病態運行，還可以預防斷記。例如，可以對供電電壓進行監視，當電壓低于11V時，通常意味著外部供電停止，這時可以通過及時更換蓄電池來保證運行。有些故障可以通過遠程維修解決，例如地震計零點漂移、數據采集器無輸出等。無法遠程修復的故障必須進行現場維修，涉及到設備更換的，應當記錄儀器管理日志。遠程或現場維修以后，應當及時更新臺站維護日志。在維護過程中，要記錄4類信息：①臺站基本參數，主要內容包括臺站代碼、地理坐標、場地類型、儀器類型、啟用時間等；②臺站維護日志，主要內容包括臺站的故障類型、處置類型、故障持續時間等。③儀器管理日志，主要內容包括儀器的標識、序列號、臺站、啟用時間等；④臺站儀器運行狀態，包括電壓、溫度、鐘差、存儲空間、機械零位等11個參數（董一兵等，2013）。

在以往的臺站維護工作中，由于缺少專用的軟件平臺，各環節通常需要借助不同的工具完成，環節之間缺乏有效銜接和集成，導致工作程序繁瑣、工作效率不高。例如，檢查儀器狀態要使用廠家提供的客戶端軟件，登記故障要使用JOPENS系統的臺站日志，現場維修、儀器更新要借助紙介質或電子表格進行記錄，這些過程會逐漸積累大量獨立存儲的檔案資料，這些資料具有重要的參考價值，但難于保存、利用困難，尤其是紙介質記錄，更容易散失。采用集成化的臺站運維管理系統之后，可以對各類臺站、儀器以及運維檔案進行集中存儲和管理，提高運維工作效率和技術檔案的利用率。

1.2功能和性能要求

系統應能夠對臺站運維過程中形成的各類信息進行管理，并提供人機交互式的圖形用戶界面，主要功能包括：

（1）測震臺站運維信息管理：支持對測震臺站基本參數、臺站維護日志和儀器管理日志的增、刪、改、查操作。

表1　臺站故障類型編碼

（2）測震臺站儀器狀態監視：對測震臺站健康狀態的信息進行定時采集和發布，對異常及時報警。

（3）測震臺站故障統計：對測震臺站的故障類型、處置類型按頻次進行統計，輸出統計圖表。

（4）測震臺站WebGIS：支持縮放操作，提供地圖配置選項。

系統的性能應滿足下列要求：

（1）健壯性：系統運行穩定；具有可靠的容錯機制。

（2）安全性：系統應與測震臺網目前的技術系統良好兼容；提供認證機制，限制對重要數據的訪問。

（3）并發性：支持多用戶并發操作。

（4）易用性：提供友好的圖形用戶界面。

2　系統設計

2.1網絡結構

系統的網絡拓撲結構如圖1所示，服務器端采用分布式部署方式。采用分布式部署時，需要分別搭建幾種服務器環境，包括Web、WebGIS、消息和數據庫服務器。其中，Web服務器使用Tomcat 6.0，它是Web應用程序的容器，打包后的Web源程序要部署到它的webapps目錄下才能執行（Chetty，2009）；WebGIS服務器使用GeoServer 2.5，用于提供電子地圖；消息服務器使用ActiveMQ 5.10，用于管理臺站儀器狀態消息隊列——服務器端程序從數據采集器接收狀態數據，然后傳遞給ActiveMQ，客戶端程序從ActiveMQ訂閱狀態消息；數據庫服務器使用PostgreSQL 8.4+PostGIS，PostgreSQL存儲屬性數據，PostGIS是它的空間擴展，用于存儲空間數據。

2.2系統架構

系統采用分布式的多層架構（圖2）。在服務器端，儀器狀態數據采集服務從數據采集器查詢得到儀器的狀態數據，并傳遞給ActiveMQ；ActiveMQ管理名為SOH.TOPIC的主題隊列，緩存狀態數據并持久化寫入PostgreSQL數據庫；PostgreSQL存儲屬性數據，包括臺站基本參數、臺站維護日志、儀器管理日志和臺站儀器運行狀態；PostGIS存儲空間數據，例如行政區邊界和臺站分布等；測震臺站管理業務邏輯，包括臺站運維信息管理、儀器狀態監視和故障統計等功能模塊，都被部署到Tomcat容器中，并發布為Web服務，在前端使用JSP調用；GeoServer將PostGIS數據源發布為WebGIS服務（Iacovella等，2013），在前端使用Openlayers調用（Gratier等，2015）。在客戶端，授權用戶使用通用的Web瀏覽器即可訪問系統。

2.3儀器狀態監視模塊的設計

目前，在測震臺網業務系統中，已有對臺站實時地震波形數據進行監視、報警，并對臺站實時運行率和數據完整率進行統計的應用軟件，但對臺站健康狀態的數據仍缺乏高效的利用。近年來，各區域測震臺網對通信鏈路、避雷系統和地震儀器相繼進行了升級改造和更新換代，臺網的實時運行率和數據完整率得到了可靠保證。現階段，著力提高數據質量應成為臺網運維工作的重點之一，數據質量直接影響臺網的監測效能。儀器的健康狀態是影響數據質量的重要因素，例如，數據采集器的供電電壓、機箱溫度直接影響其正常運行，鐘差影響授時精度，地震計的零位飄移降低系統的動態范圍等等，因此，監視儀器的健康狀態十分必要。JOPENS系統在數據庫中定義了健康狀態數據表（Soh.table）的結構，其中，能夠直接從數據采集器獲取的數據及說明如表2所示。表2中定義的正常值區間是軟件的缺省配置，表示監測值落入區間內為正常，否則為異常。

本模塊由3個服務構成：儀器狀態采集服務、消息服務和Web服務。其中，儀器狀態采集服務與臺站的數據采集器進行通信，收集狀態數據，并交給消息服務（董一兵等，2015）；消息服務管理狀態消息的隊列，支持數據持久化選項；Web服務提供用戶訪問狀態數據的界面。

表2　臺站儀器狀態參數表

2.4用戶操作流程

根據測震臺站日常維護工作的一般程序設計了系統用戶的操作流程（圖3）。用戶登錄系統后，可以并行地執行臺站信息管理、儀器狀態檢查和故障統計等3類操作，當發現臺站故障時，首先需要記錄臺站維護日志；然后，根據故障類型進行維修，若更換了儀器，需要記錄儀器管理日志；最后，當臺站恢復正常后，更新臺站日志，將處置類型、故障結束時間、日志內容和備注等信息補充完整。

3　系統實現與應用

3.1系統主頁

在客戶端，用戶在瀏覽器中鍵入服務器地址即可進入系統主頁（圖4）。主頁頂部是系統LOGO和快捷按鈕區域，中部是測震臺站專題電子地圖。地圖左側提供了“魚骨”控件，可以對地圖進行縮放；地圖右側是WebGIS配置區域，用戶可選擇關心的圖層予以顯示。無論是局域網用戶還是移動用戶，只要與服務器連通，即可訪問系統，便于現場工作人員遠程檢查臺站運行狀態。

3.2測震臺站運維信息管理

單擊主頁頂部的“測震臺站管理”快捷按鈕，可從地圖左側彈出功能區域（圖5），自上而下依次是臺站參數管理、儀器管理和臺站維護日志管理。在“臺站參數管理”區域，缺省顯示測震臺站列表，用戶可以通過單擊字段名稱對列表記錄進行排序，也可以修改單頁顯示的記錄條數。工具欄上提供了基于“臺站代碼”關鍵字的模糊檢索功能。單擊某1條臺站記錄可以使WebGIS定位到該臺站。缺省狀態下，用戶以訪客身份進入系統，僅能瀏覽部分數據，沒有修改數據的權限。要使用系統的全部功能必須以管理員的身份登錄后才可通過單擊“新增”、“編輯”和“刪除”按鈕執行相應操作。儀器管理和臺站維護日志管理的界面與圖4類似，不再贅述。利用這幾項功能，當臺站參數發生變更、儀器進行了置換或者更新、臺站基礎設施更新時，臺站維護人員可以將這些變更記錄到數據庫中。當需要了解某臺站的資料時，可以利用模糊檢索查詢該臺站的歷史記錄。

3.3對測震臺站儀器狀態的監視

在臺站列表雙擊某臺站即可打開該臺站的儀器狀態監視頁面（圖6）。頁面上提供了2種視圖，即上部的數據列表和下部的儀表盤，2種方式同步刷新。根據系統配置的閾值范圍（表2），儀表盤上的綠色區域表示正常，紅色區域表示異常，指針隨區域改變顏色，用戶可以通過觀察儀表的讀數和指針的偏移了解臺站儀器的工作狀態，也可以自定義正常值的區間。比如，在實際工作中，測震儀器供電電壓的正常值在12V左右，當遇到外部供電停止時，供電電壓會逐漸下降，降至10V以下時，數采將不能正常工作，因此可以將供電電壓的閾值區間設置為[10，13]，這樣一來，當某臺站的供電電壓低于10V時，系統將發出報警提示。系統鐘差和地震計機械零位也是對數據質量影響很大的因素，用戶應當重點關注。

3.4測震臺站故障統計

從“測震臺站管理”功能區可打開臺站故障統計頁面。用戶設置“臺網”、“臺站”、“故障類型/處置類型”、“開始時間”和“結束時間”之后單擊“統計”按鈕，系統將按照用戶要求對臺站維護記錄進行統計并輸出統計圖表，用戶可以獲得各類故障的分布情況，并從中找出主要故障。圖7是河北測震臺網2014年故障統計餅圖，從圖中可以看出，外部供電停止在所有故障類型中占比重最高，達到48%，這提示用戶下一步應重視臺站的市電供應情況，及時更新UPS和蓄電池。通信鏈路中斷的情況占比達到13%，也屬于比較多發的故障類型，這提示用戶應當加強與網絡運營商的溝通和協調，督促運營商提高通信鏈路質量，加快故障處理速率。

3.5系統應用

河北是一個震害嚴重的區域（王想，2016），提高河北測震臺網運維工作的效率有利于保證臺網的監測能力，使之更好服務于防震減災事業。2015年以來，系統在河北測震臺網進行了應用。我們將2014年的臺站故障記錄導入系統，并進行了統計，結果表明，外部供電停止和通信鏈路中斷是導致臺站斷記的最主要因素，占到故障總數的60%。2015年，臺網有針對性地對臺站進行了升級改造，更新了臺站的供電設備并改進了通信設備的供電方式，使得因這2種因素導致的斷記得到有效控制，臺網的實時運行率和數據完整率均較上年有所提高。系統的應用，切實提高了臺站維護工作的效率，為保障臺網運行率和數據質量發揮了積極作用。

4　結論

本文介紹了綜合利用Java Web和GeoServer開發技術，設計、開發的一套測震臺站運維管理系統。系統采用B/S結構，免去了客戶端程序的安裝和維護，增強了系統的靈活性和可維護性，降低了使用門檻和維護成本。系統完全采用成熟的開源技術開發，在保證性能的同時控制了研發成本；通過引進開源的WebGIS開發技術GeoServer+PostGIS+Openlayers，實現了功能豐富、性能穩定、界面友好的臺站專題電子地圖；測震臺站運維信息管理實現了對臺站參數、儀器參數和臺站維護日志的管理；測震臺站儀器狀態監視實現了對臺站狀態參數的采集、存儲、發布與報警，為臺站數據質量的實時監控提供了工具；測震臺站故障統計實現了對臺站故障的分類統計，可為臺站建設、更新提供參考依據。系統在河北測震臺網的應用切實提高了臺網的實時運行率和數據完整率，具有一定的推廣應用價值。

班亞，王喜娜，馬蘭，2014．地震應急響應系統設計與實現．測繪科學，39（11）：57—61．

董一兵，高景春，劉勝國等，2013．測震儀器健康狀態數據交換平臺的設計與實現．地震研究，36（3）：379—383．

董一兵，何永波，劉強等，2015．一種測震儀器數據流接入框架的設計與應用．地震研究，38（2）：326—331．

胡斌，董一兵，劉新等，2014．基于百度地圖API的測震臺網電子地圖服務系統的設計與實現．地震研究，37（2）：312—316．

劉吉夫，陳颙，陳棋福等，2003．WebGIS應用現狀及發展趨勢．地震，23（4）：10—20．

孟令奎，史文中，張鵬林，2005．網絡地理信息系統原理與技術．北京：科學出版社．

屈佳，李俊，王耀宗等，2014．基于WebGIS的地震信息上報與服務系統的設計與實現．地震工程與工程振動，34（5）：254—260．

王想，王亞茹，郭蕾等，2016．2015年1月11日河北灤縣L3.3震群震兆分析．地震地磁觀測與研究，37（2）：41—47．

魏波，王學華，劉先林等，2009．開源WebGIS分析與設計．測繪科學，34（6）：233—236．

趙曦，姬建中，常俊等，2014．基于WebGIS的地震數據服務系統建設及關鍵技術研究．災害學，29（3）：224—228．

Chetty D., 2009.Tomcat 6 developer's guide. Birmingham: Packt Publishing.

Gratier T., Spencer P., Hazzard E., 2015.OpenLayers 3: beginner's guide. Birmingham: Packt Publishing.

Iacovella S., Youngblood B., 2013. GeoServer beginner’s guide. Birmingham: Packt Publishing.

Design and Implementation of the Seismic Station Maintenance Management System Based on Open Source WebGIS

Dong Yibing1, 2), Zhu Yinjie1), Wang Rentao3)and Liu Tan1)

1) Earthequake Administration of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China 2) School of Earth and Space Sciences, University of Science and Technology of China, Hefei 230046, China 3) Institute of Geodesy and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430077, China

In this paper, we introduce the design and implementation of the seismic station maintenance management system. The developed system can support services via Web pages such as station WebGIS, station maintenance information management, station equipment operation condition monitoring and station fault statistics on line, with the use of open source WebGIS server GeoServer and front-end technology Openlayers. The systemhas been approved to be successful of its application in the seismic networkof Hebei province, so it is of good promotion prospects.

Operation and maintenance of seismic station; Management information system; Web Service; Open source WebGIS

1基金項目 河北省科技支撐計劃項目（15275402D），測震青年骨干培養專項（20140303），地震科技星火計劃項目（XH17007）和河北省地震科研基金（DZ20170109002）聯合資助

2016-05-10

董一兵，男，生于1983年。工程師，博士生。從事區域測震臺網工作。E-mail：yuehun06@163.com

朱音杰，男，生于1986年。工程師，學士。從事區域測震臺網工作。E-mail：526252372@qq.com

董一兵，朱音杰，王仁濤，劉檀，2017．基于開源WebGIS的測震臺站運維管理系統的設計與實現．震災防御技術，12（2）：399—408．doi：10.11899/zzfy20170217