地震前兆儀器管理系統建設

周克昌 王軍 黃經國 余丹 紀壽文 劉高川 葉青

中國地震臺網中心，北京市西城區三里河南橫街5號 100045

0 引言

儀器是前兆臺網最重要的組成部分，前兆臺網各級節點（前兆臺站、省級前兆臺網中心、國家地震前兆臺網中心、學科臺網中心）的運行維護主要是圍繞前兆儀器進行的。因為，前兆儀器是決定前兆數據質量的最關鍵因素。

國家“十五”項目在建設前兆技術系統時，對前兆儀器較以前給予了較多考慮，如在設計前兆數據庫（周克昌等，2010）時已考慮了對儀器的管理需要，設計了關于儀器的基本信息表、運行信息表、運行維護信息表、參數信息表等，后又根據需要在數據庫中增加了對儀器的監控跟蹤信息表。但因對前兆儀器的管理并未覆蓋儀器的整個生命周期——從購買到淘汰的全過程，故導致無法對前兆儀器實施過程跟蹤。總之，長期以來對前兆儀器的管理相對零散、不完整。對儀器的各種統計信息始終不準確，儀器在發生變更后不能及時反映出來，數據用戶也無法知道產出數據的儀器的準確信息，例如，某測點下的數據是否是由同一臺儀器觀測的，中間是否更換過儀器，是否對儀器進行過大的維修等。本系統就是針對目前前兆臺網對儀器管理的需要，在現有儀器信息的基礎上，試圖構建一個完整的前兆儀器管理系統，以實現：

①對每臺儀器整個生命周期的運行情況進行全程跟蹤，形成儀器檔案。

②與現有的數據管理系統結合，充分利用并整合現有資源，形成一套基于儀器的管理系統。

③儀器綜合信息展示與服務。統計分析儀器運行狀況，綜合展示儀器信息，為前兆臺網管理人員的臺網管理工作（如儀器選型）提供參考，為前兆臺網日常管理提供輔助工具，并為數據應用提供儀器信息服務。

1 系統設計的幾個主要方面

1.1 儀器類別和狀態

1.1.1 儀器分類

根據儀器的使用情況，本系統將儀器性質劃分為以下幾類：

①觀測儀器 安裝在臺站長期運行的儀器。

②備用儀器 各單位、維修中心以備用為目的而購買的儀器，包括在開始購買時就配備的備用儀器，如地電儀。

③臨時性儀器 如短期的實驗性觀測儀器。

1.1.2 儀器狀態

①無狀態 儀器購置后到安裝前為無狀態。

②安裝 新購置儀器安裝和已有儀器遷址觀測的重新安裝。

③接入 接入正式觀測系統。

④試運行 對儀器運行進行測試。

⑤正式運行 儀器已進入正式觀測運行。

⑥故障維修 因儀器發生故障，進入故障維修階段。

⑦暫時停測 因各種儀器以外的原因（如臺站改造等）導致儀器暫時停止正常觀測。

⑧備用 儀器處于待命狀態。

⑨調撥／歸還 片區儀器維修中心將備用儀器調撥給下屬各省地震局（以下簡稱省局）臨時使用，省局在儀器修改后將片區儀器維修中心調撥的備用儀器歸還。

⑩永久停測 儀器故障無法修復，因而報廢，進入永久停測階段。儀器生命周期結束。

1.2 儀器、前兆片區儀器維修中心和儀器故障編碼

1.2.1 儀器編碼

儀器ID編碼是每臺儀器的唯一身份標識，是本系統跟蹤儀器生命周期各階段狀態的關鍵。儀器ID編碼采用的是《中國地震前兆臺網專用設備網絡通信接口規程》中規定的編碼格式，由12個字符組成，即：

——第1～4個字符為“X”加設備的測項代碼；

——第5～8個字符為廠家自定義標志；

——第9～12個字符為設備序列號，由4個阿拉伯數字組成。

儀器在本系統中進行登記后，其ID號不能更改，直至該儀器被淘汰。

1.2.2 前兆片區儀器維修中心代碼

為了提高儀器維修效率，中國地震局將全國前兆臺網的儀器維修管理劃分為幾個片區（表1）。在本系統中，給每個片區中心賦予一個代碼，以便管理。

1.2.3 故障編碼

儀器發生故障后的維修需要經歷臺站、省局、片區儀器維修中心等多個節點的處理。為了把一次儀器故障的全部有關信息關聯起來，因此對每次儀器故障賦予一個編碼。每次在登記儀器故障時，自動生成一個故障編碼，存儲在有關信息表中，故障編碼規則如下：

表1 前兆片區儀器維修中心一覽表

儀器ID＋故障開始日期（故障開始日期如“20160626”）。

在儀器狀態信息表、故障處理登記表、儀器收寄登記表等中記錄該故障編碼。因故障更換備用儀器時，在故障處理表中記錄更換的儀器ID，以及該故障編碼。

1.3 數據庫的設計

為了保存儀器的有關信息，在結合前兆數據庫現有儀器信息的基礎上，本系統在前兆數據庫中增加了下列諸表：

①儀器目錄表 本表是儀器主表，存放所有前兆儀器的有關信息，每臺（套）儀器為1條記錄。各單位的所有儀器均應在本表中有且僅有1條記錄。

②儀器狀態信息表 本表存放儀器生命周期中經歷的各個階段狀態的有關信息，每臺（套）儀器的每個狀態為1條記錄。

③儀器安裝信息表 本表存放儀器安裝時的有關信息，每套儀器的每次安裝（包括新儀器安裝和已有儀器遷址時的安裝）為1條記錄。

④儀器接入信息表 本表存放儀器接入申請和批復的有關信息，每套儀器的每次接入為1條記錄。

⑤故障處理登記表 本表存放臺站、區域中心、片區維修中心故障處理情況。1臺儀器的1次故障受理為1條記錄。

⑥備機備件出入庫登記表 本表存放備機備件的基本信息及其出、入庫信息。備機備件新采購或從臺站回收時，需辦理入庫；從庫中領用時需辦理出庫。每個備機備件每入庫出庫1次有1條記錄。

⑦儀器收寄登記表 本表存放儀器或備機備件郵寄的有關信息。1個郵寄件有1條記錄（包括寄件和收件）。

⑧儀器文檔信息表 本表存放有關儀器的有關文檔，包括PDF文檔、WORD文檔、圖片、視頻等。

上述諸表中的信息都實現了從臺站、省級中心到國家地震前兆臺網中心的數據交換。

本系統涉及的現有的有關儀器信息表主要有：臺站儀器運行維護信息表（用于儀器故障登記信息、故障處理結果、儀器標定檢定信息等）、儀器類型信息表（周克昌等，2013）。在第一次運行本系統進行系統初始化時，會從現有的臺站儀器運行信息表中將現有儀器信息加載到儀器目錄表中。

限于篇幅，在此不給出具體的表結構。

1.4 跨庫操作

前兆臺網目前的數據流程是：臺站→省級中心→國家地震前兆臺網中心（劉高川，2008），省級中心之間不能進行前兆數據交換，從國家地震前兆臺網中心也不能向省級中心傳送數據。在劃分了前兆儀器維修片區，并設立片區維修中心后，片區下屬的省局要把儀器故障信息報送給片區維修中心，備用儀器的調撥和歸還也需要在片區維修中心和其管轄的省局之間進行數據交換。國家地震前兆臺網中心要將儀器接入申請批復情況告訴省局。按照目前的前兆臺網數據流程，這些需求無法實現。為了滿足這些業務需求，本系統在前兆數據庫層面創建了一個專門用于前兆儀器管理的用戶，并通過網絡直接在省級中心的數據庫之間進行數據交換。新創建的用戶只用于前兆儀器管理系統內部，只對專門為前兆儀器管理系統新建的表具有操作權限。在整個前兆儀器管理系統中，跨庫操作只在下述情況下可行：

·省級中心向片區儀器維修中心注冊；

·有儀器接入的批復；

·片區中心備用儀器調撥；

·省局歸還調撥的備用儀器；

·省級中心向片區儀器維修中心上報故障信息。

1.5 流程梳理

儀器生命周期從儀器購置開始，到儀器報廢為止。在儀器故障期間，其維修流程從故障登記開始，經過各級節點的處理和維修，到維修結果為止。流程如圖。

圖1 儀器生命周期和維修流程圖

2 系統實現

基于以上設計以及對前兆儀器生命周期管理和故障維修流程管理的業務需求及模型的梳理，在實現本系統時，主要實現了儀器生命周期管理、儀器故障維修流程管理、備機備件管理、儀器信息統計分析等功能模塊。

2.1 儀器生命周期管理

儀器從購置到淘汰的整個生命周期，要經歷登記、安裝、接入、運行、故障、停測、報廢等過程。

2.1.1 儀器登記

新購置儀器首先應在本系統中進行登記，這是儀器生命周期的起點。在登記時，要給儀器一個唯一的ID號。本系統將對ID號進行查重，避免ID號沖突。

2.1.2 儀器安裝

新儀器登記后，對于觀測儀器，下一步就是在臺站安裝。儀器安裝信息包括儀器有關信息、儀器所在的臺站測點信息、觀測環境和設施準備情況、開箱檢查情況、安裝單位和過程情況、儀器網絡設置、現場測試情況和現場培訓情況等方面。在本系統中填寫以上安裝信息，并需要將儀器安裝報告（Word文檔）保存到本系統中。

2.1.3 儀器接入

每次完成儀器安裝后，接入系統進行運行（包括試運行和運行）之前，省級中心需通過本系統向國家地震前兆臺網中心申請接入。國家地震前兆臺網中心對接入申請進行審核批準后，省級中心方可將儀器接入到前兆系統中運行。本功能包括省級中心接入申請和查看申請的批復情況的界面，以及國家地震前兆臺網中心對接入申請的批復界面。對于未獲批接入的儀器，省級中心可查看國家中心的拒絕說明，改正后再次提交接入申請。

2.1.4 儀器運行

儀器接入后，省級中心可通過本系統中將接入的儀器投入試運行或運行。對于一些重大項目（如“十五”網絡項目、地震背景場項目等）的儀器建設，要求在項目驗收前先進行一段時間的試運行。如無此要求，可直接進行運行。

2.1.5 暫停觀測／恢復觀測

如在運行過程中，因儀器以外的各種原因導致無法正常進行觀測，如臺站或觀測設施（如山洞）改造等，可暫時停測（無故障停測），待觀測條件恢復正常后，再恢復儀器觀測。

2.1.6 儀器更新

儀器因老化需要更新是儀器被淘汰的情形之一（另一種被淘汰的情形是儀器故障后無法修復而淘汰，見下節）。在此情形下，使用新儀器將其替換掉，被替換的老儀器報廢，并在本系統中進行登記。

2.2 儀器故障維修流程管理

儀器在運行中發生故障，要按照“確認故障現象→分析故障原因→故障登記、處理→儀器維修”的流程進行故障處理。

2.2.1 故障信息登記

故障發生后，臺站或區域中心（對直管儀器）確認故障現象、分析故障原因，然后在本系統中登記本次故障的有關信息。故障信息登記由直接管理該儀器的節點（有信息節點的臺站節點或直屬儀器的省局中心節點）填寫。

2.2.2 故障處理

故障登記后，在本系統中按照臺站、省局、片區維修中心的順序進行故障處理。

①臺站故障處理 首先是臺站進行故障處理，如果是小故障，臺站自己可修好，則自行維修，否則，上報省局進行維修。

②省局故障處理 省局儀器維修中心在接到臺站上報的儀器故障后，要確定能否自修；若不能，則將故障上報給片區儀器維修中心；或者在咨詢了片區儀器維修中心后，將儀器返廠維修；或者儀器已經老化，無法維修，直接將儀器報廢。

③片區儀器維修中心處理 片區儀器維修中心在接到省局上報的儀器故障后，同樣有以下幾種處理方式：即自行維修，片區儀器維修中心派人進行維修；送到廠家維修；無法修復，儀器報廢。

每級節點在處理時，都可登錄本系統，查看故障信息和下級節點的處理情況。

2.2.3 更換備用儀器

如果維修需要比較長時間，且省局或片區儀器維修中心有相應的備用儀器，則在故障處理期間，可以臨時更換備用儀器進行觀測。在本系統中對備用儀器進行的使用進行登記。

2.2.4 維修結果填寫

維修結束后，由臺站或省局中心（對直管儀器）在其節點的本系統中，填寫維修結果。維修結果分3種情況：

①儀器修好后，重新放到原測點進行觀測；

②儀器修好后，轉為備用。如果在維修期間使用了備用儀器，現在也不想將備用儀器替換出來，而是將其作為觀測儀器使用，則修好的儀器轉為備用。

③修不好，報廢，該儀器生命周期結束。至此，儀器維修流程結束。

2.3 備機備件管理

為保障臺網運行，在省局和片區儀器維修中心均購置了一定數量的備用儀器及備用部件，如電源、數采等。為了便于管理，本系統對備機備件進行庫管理，對備機備件的入庫、出庫情況進行登記，以便掌握備機備件的使用和庫存情況。新購置的及用后要歸還的備機備件，需辦理入庫。而庫中的備機備件在使用前需辦理出庫。如果備機備件在片區儀器維修中心，在使用前需由片區儀器維修中心先將備機備件出庫并調撥給使用的省局。省局在不再使用該備機備件時，應將備機備件歸還片區儀器維修中心并入庫。

2.4 儀器有關信息的統計分析

針對儀器生命周期的信息和儀器維修的信息，可以進行統計分析。

2.4.1 儀器分類統計

①查看某儀器的生命歷程中所經歷的各種狀態。

②按單位、時間、儀器名稱、型號等要素查詢顯示某個單位、當前或某個時間段內、某種類型號的儀器的數量和儀器列表。

③顯示某個測點上曾使用過的儀器，為數據分析提供參考信息。

2.4.2 故障維修信息統計

①維修過程的信息匯總：包括故障時間、送修時間、臺站、省局和片區中心受理時間、最終維修機構（最終將儀器維修好的單位：臺站，省局，維修中心，廠家）、維修內容、維修結果等。

②各類儀器的故障率統計。

③維修率統計（總維修率、各維修參與方（臺站、省局、片區、廠家）的維修率）。

④維修耗時統計（每次故障的時長和平均時長、維修各階段的耗時等）

⑤備機備件使用情況統計（備機備件庫存情況、每個備機備件使用情況、各類備機備件的使用率、使用時長（天）等）。

2.5 系統開發與部署

2.5.1 系統架構

本系統是在Windows.NET平臺采用C＃開發的C／S模式應用，與后臺數據庫的連接通過Oracle客戶端進行。由于本系統的開發和部署環境及節點范圍與“前兆臺網數據處理系統”相同，因此為了簡化部署，將本系統集成在“前兆臺網數據處理系統”中，通過更新“前兆臺網數據處理系統”的可執行文件QZPROCESS.EXE文件直接部署。

2.5.2 系統界面

由于儀器生命周期管理和故障維修管理都是按照其流程逐步完成的，因此，本系統在設計界面時，采用了類似向導式的界面。這樣，既一目了然，不容易發生錯誤操作，又可讓用戶了解目前進展，在當前可以進行哪些操作。例如，儀器生命周期管理界面（圖2）：

圖2 儀器生命周期管理主界面

由圖2可知，對選中的這套磁通門儀器，已經進行了儀器登記、安裝、接入，目前該儀器正在運行，接下來可對該儀器進行的操作是暫時停測和儀器更新。對于已經走過的流程，可以查看相關信息，如，可查看這套磁通門儀器登記信息等。而對于沒有走過的流程，可以執行相應的管理操作。

再如，儀器維修管理流程界面（圖3）：

圖3 儀器維修管理主界面

在界面底部，給出了維修流程的幾個步驟的操作按鈕。

2.5.3 系統版本與部署

本系統部署到前兆臺網的各類節點，包括臺站、省局、片區儀器維修中心、國家地震前兆臺網中心。由于各類節點的需求和管理職能各有不同，故各類節點的功能會略有不同。如，臺站節點不能進行儀器的報廢和備機備件的管理，省局和片區儀器維修中心才具備這些功能。為了簡化系統部署和后期的系統維護，沒有專門發行本系統的臺站版、省級中心版、片區儀器維修中心版、國家中心版等，而是只發行一個綜合版本，在系統內部，通過程序檢測用戶所在節點類型，根據節點類型自動定制該節點的功能和操作選項。如果系統檢測到是臺站用戶，則在故障處理時，不出現報廢選項，是否報廢儀器由省級中心和片區中心決定。

3 討論

3.1 儀器ID問題

儀器ID是每臺儀器的唯一身份標識，在本系統中，它是數據庫中各個表的主鍵之一，是本系統用來跟蹤儀器生命周期各個階段狀態和儀器維修流程的關鍵標識。所以，儀器一旦在本系統中登記時賦予了儀器ID后，在該儀器的整個生命周期中，不能更改。

一臺前兆儀器通常由傳感器（探頭）、主機、信號放大器、數采、電源、通信單元等部件組成，儀器發生故障后，可能會對一些儀器部件進行更換和維修。如何判斷維修后，是否還是原來的儀器，還是該儀器已經變成了一臺跟舊儀器不同的新儀器了？筆者認為，儀器ID以儀器傳感器和主機為準，在不更換儀器傳感器和主機時，可認為該儀器沒有本質變化，儀器ID不得改變。

目前有2種關于儀器ID的不正確做法，一是有些單位在測點上更換了儀器后，為了將其接入前兆數據管理系統中運行，將該新儀器的ID號改為舊儀器的ID接入，使得新、舊儀器在前兆系統中無法區分，也無法對該測點上觀測使用過的儀器進行追蹤，這種做法是應該嚴格禁止的。二是儀器數采故障后更換了新的數采，由于儀器ID是記錄在數采中的，如果只更換了數采是不應該導致儀器ID改變的，所以這時應該在新數采上將儀器ID改為原儀器的ID。但有的單位沒有更改就將儀器接入系統運行。這種情況與前一種情況正好相反，是本應該保持儀器ID不變卻由于沒有更改新數采上的儀器ID而導致1臺儀器變成了2臺儀器。

因此，在實際工作中，必須正確處理好儀器ID，以確保本系統中的信息準確和完整。

3.2 信息交換問題

本系統中，各種儀器及其故障維修信息的報送，即信息從臺站到省級中心，再到片區儀器維修中心和國家地震前兆臺網中心，使用的數據交換機制是目前前兆數據使用的基于交換標志位的機制。這種機制是一天中設置多個交換時間點，每天定期進行數據交換，因此其最大的缺點是不能準實時地進行信息的交換，信息交換會滯后一段時間，導致下級節點的信息上級節點不能立即看到。例如，儀器故障后，臺站填報了故障信息和處理信息，但省級中心只有在到了最近的交換時間點進行信息交換后才能看到這個故障信息。因此，信息交換機制今后需要進一步完善。

4 結語

目前，本系統已在全國前兆臺網部署使用，包括臺站、省級中心（包括片區儀器維修中心）、國家地震前兆臺網中心，并根據使用情況和用戶需求在不斷完善。相信本系統的部署使用將為加強和規范前兆臺網對儀器的管理發揮積極作用。

另外，本系統是一個對前兆臺網固定臺站的觀測儀器進行管理的系統。地球物理場流動觀測（包括流動地磁測量、流動重力測量、流動形變測量等）使用的儀器的管理與前兆固定臺站觀測儀器的管理差異很大，同時用戶也不相同，因此本系統中未予考慮。在筆者最近完成的“地球物理場流動觀測數據管理系統”中，包含了對流動觀測儀器的管理，今后也將繼續對該系統進行完善。