地震在線分析會商廣播系統建設

劉堅 李盛樂 劉珠妹

地震在線分析會商廣播系統建設

劉堅 李盛樂 劉珠妹

劉堅，中國地震局地震研究所、減災與遙感應用研究室副主任，工程師，主要研究方向涉及地震大數據應用研究、地質災害風險評估、地震智能分析會商等。先后承擔科技部重大科技支撐項目《地震分析預測若干實用技術研究》專題之《數字前兆資料分析處理軟件》、地震行業專題基金項目《中央和省級地震信息行業服務系統》、地震科技星火計劃項目《遠程交互式地震會商廣播系統》、中國地震局三結合《前兆數據異常自動檢測報警系統研制》、測震青年骨干項目《基于ICE的測震數據庫中間件開發》、地震專項基金《大數據平臺下地震歷史數據整理遷移》等多項科研項目；發表學術論文10余篇。2016年，參與國家“863”《重大工程地質災害快速監測與評估》課題，運用優化隨機森林模型進行地質災害滑坡易發性評價，發表EI論文1篇。

項目立項背景

監測預報工作在防震減災三大體系中處于重要的位置，是防震減災工作的基石，做好監測預報工作是防震減災工作的發展方向；新修訂的《中華人民共和國防震減災法》第十七條規定：國家加強地震監測預報工作，建立多學科地震監測系統，逐步提高地震監測預報水平。而震情會商是政府對地震監測預報、趨勢分析等重要決策的主要依據來源。

1.制約監測預報地震會商的主要因素

目前制約監測預報地震會商的因素諸多，其中較為突出的因素有兩個：

（1）前兆數據分析方法庫沒有統一開放式標準化，其原因是各分析預報軟件因采用的開發環境（比如操作系統linux、Windows）、開發語言不同，皆將分析算法固化在各自程序內，沒有將方法集合庫形成統一開放式標準進行獨立分離，致使精通專業數據分析而不懂程序開發人員無法有效利用方法庫；精通程序開發但不熟悉分析預報研究人員亦無法有效豐富分析方法庫，引進最新分析方法成果受阻；從而造成分析預報方法研究與應用嚴重脫節的局面。

（2）會商形式不靈活導致多方“會商”的困難。當前，傳統的震情會商過程：①會商分析人員綜合測震分析、前兆異常、數值模擬等技術方法進行數據分析，借助MAPSIS、EIS2000等基于GIS（地理信息系統）分析預報軟件，事先做好各種靜態圖件及PPT；②參加會商分析人員集中指定在同一個地點進行會商；③結合歷史地震活動、區域地質構造運動特點等背景資料信息給出會商、震后趨勢會商意見。

然而，現有的震情會商系統與會商方式，難以滿足分析預報人員和社會公眾對提高地震預測、分析預報的現實需求，傳統震情會商過程亦明顯存在兩大不足：①當地震危險區或地震發生在區域交界時，各區域會商分析人員在異地，會商就無法進行；②由于會商材料是事先做好的靜態圖件及PPT，會商現場無法隨時改變參數，進行數據動態分析；上述制約監測預報地震會商的突出問題實際上是信息化和自動化程度不夠的問題。

2.研發地震在線分析會商系統的必要性

眾所周知，隨著信息技術的快速發展，已經完成了從技術應用到技術服務的轉變，而地震分析預報信息化還停留在單機處理的階段，信息化水平明顯滯后，迫切需要通過提升信息化水平來提高工作效率。因此，開發一套基于統一開放式標準分析方法庫、數據在線分析和信息動態展示的遠程交互式會商廣播系統可以將分析預報人員從大量煩瑣的數據處理中解放出來，將更多的精力用在分析研究上。

前兆數據分析預報方法庫統一標準化和會商機制（形式）改革是《國務院關于進一步加強防震減災工作的意見》和《中國地震局關于加強監測預報工作的意見》中重點關注的問題，也是“十二五”期間迫切需要解決的難題之一。該項目旨在研究和開發一套用于輔助地震專家進行地震趨勢分析和會商的網絡綜合信息服務平臺。平臺基于統一數據分析預報方法標準庫，提供靈活的地震數據產品在線服務和強大的在線分析工具，是對解決上述難題的探索和嘗試。

項目研究目標

本項目旨在研究和開發一套用于地震分析會商的綜合信息服務平臺。實現前兆數據分析方法庫的統一標準化和會商分析計算以及展示的信息化和自動化，建立緊急震情應對的交互式展示平臺，有效地提高分析會商的質量和緊急震情應對的及時性。

項目的具體研究目標為：

1.壓縮前兆數據庫目標

建立統一用于分析預報的前兆數據源，為使數據讀取訪問迅速，數據采用壓縮存儲，這樣不僅節省了數據庫的磁盤空間，同時也提高了數據存取效率，因壓縮數據體積變小，網絡傳輸的時間變短，因此，為緊急會商系統快速讀取數據，并為在線分析數據提供強勁有力數據來源贏得時間。

2.開放式會商分析方法庫目標

實現基于ICE中間件的跨平臺、跨語言的開放式分析計算方法庫模塊，該計算模塊不求大而全，先開發在省級區域中心使用較好的數據分析處理方法，預留開放式標準接口，可以根據實際需要隨時添加分析計算模塊。

3.在線動態交互式會商目標

實現基于統一壓縮前兆數據庫的會商分析計算和數據顯示功能，既可以導入普通PPT，亦可以快速便捷地查詢顯示任意時段的觀測數據曲線，同時可以隨時改變參數，動態調用方法庫進行數據分析。

4.涉密會商數據加密傳輸目標

遠程會商就要考慮會商材料及會商數據的涉密問題，因此數據材料在網絡傳輸時要考慮加密安全，涉密材料數據加密傳輸擬采用數字簽名原理實現，以保證涉密會商數據安全地在網絡中傳輸。

項目設計與實現

針對上述研究目標，具體開展的研究內容有4項：

1.統一前兆數據庫壓縮存取

目前，前兆數據庫分采樣、秒采樣等大數據是直接存入數據庫的大字段，以ASCII碼存儲，這給數據庫帶來數據急劇膨脹，且保密性差、傳輸速度慢、存取效率低。采用高壓縮比且高效的LZMA壓縮算法，并自定義壓縮二進制數據存儲結構，把核心壓縮二進制算法封裝成API動態鏈接庫，通過調用接口函數壓縮大數據，再保存至數據庫Blob字段；用數據時，再將保存在數據庫中的數據解壓縮進行還原。

2.標準化會商分析方法計算庫

通過數據庫的功能實現數據整點值、日均值、五日均值、月均值、年均值的顯示，方便分析預報人員進行篩選和分析。對于預報效能較好的處理方法如：差分、擬合、回歸、相關分析、理論固體潮計算、去趨勢及濾波等，編制不同的計算模塊實現數據的加工處理。該部分作為ICE中間件跨平臺、跨語言開放式的模塊化管理，可以根據需要以及分析預報的最新研究結果不斷增加計算模塊。

3.遠程在線交互會商演示

會商廣播系統將實現會商資料的在線演示，實現前兆數據曲線的動態演化，能同時快速調用不同時間尺度、不同采樣率的數據用于會商中，改變以往會商匯報采用PPT 固態演示模式，便于現場選擇異常臺站異常測項演示、討論、會商，提高會商效能。

遠程交互式會商廣播系統的整體架構分為3個層次，如圖1所示，分別是：

（1）數據層：存儲、管理會商的所有相關數據，包括統一會商前兆、測震數據庫、電子地圖信息數據庫、會商背景知識庫、基礎數據、分析數據，為應用提供信息服務數據支撐；

（2）服務層：連接數據層和應用層的核心層，包括三大功能模塊: ①協同管理功能模塊: 具有會議控制、發言管理、用戶管理等功能; ②數據分析與處理功能模塊: 主要有異常計算、數據分析方法庫、定制內容頁等功能; ③數據共享服務模塊: 包括信息自動發布、信息查詢、對外服務開發接口等功能。

（3）應用層：實現創建會議、用戶認證、會商資料網絡推送、將普通PPT導入會商系統，可以按矩形、圓形區域、測項查看數據曲線；亦可在線進行數據動態分析；分析操作可以將實時消息廣播至其他會商節點計算機，實時操作亦能接收其他會商節點的廣播消息。

圖1 系統總體框架示意圖

4.涉密會商數據加密傳輸

涉密材料數據加密傳輸是通過數字簽名原理實現，這里首先就要涉及“數字信封”的概念?！皵底中欧狻被驹硎菍⒃挠脤ΨQ密鑰加密傳輸，而將對稱密鑰用收方公鑰加密發送給對方。收方收到數字信封，用自己的私鑰解密信封，取出對稱密鑰解密得原文。未經認證和授權的人，看不見原數據，起到了在數字簽名傳輸中對敏感數據的保密作用。

項目實施成果

按會商場景進行描述，會商會議開始時，通過遠程交互式會商廣播系統創建會商環境，異地參會人員如圖2所示，登錄系統會商環境。啟動會商廣播系統后，選擇會商會議進行廣播或接收PPT報告，便會出現如圖3所示的界面，上半部分為廣播窗口，下半部分為收聽窗口，廣播窗口中可以通過點擊左邊導航條的頁面縮略圖，定位顯示該內容頁；亦可隨時改變參數，如圖4所示，通過相關測項選擇、矩形區域選擇、圓形區域選擇，瀏覽所關心的分量觀測數據曲線，如圖5所示，可以瀏覽選擇分量一天、兩天、一周、一個月的數據曲線，亦可以根據需要，選擇任意起止時間段的分量數據觀測曲線。以達到預期的動態分析會商效果。

圖2 系統登錄界面

圖3 系統廣播與接收功能界面

圖4 按不同方式查詢界面

圖5 廣播會商現場查詢的觀測曲線

項目產生的社會效益

1.系統推廣與應用

該系統在地震系統內部分省局（河北地震局、新疆地震局、安徽地震局、湖北地震局、寧夏地震局等）試點單位進行初步應用，得到用戶的好評。

2.系統培訓與升級

2014年9月中旬，筆者先后在云南地震局、大理州地震局為地震分析預報人員進行系統培訓。

在系統使用的過程中，用戶反饋回來很多比較中肯的建議與意見，這給系統的進一步升級完善起到了至關重要的作用，也為該系統的進一步推廣應用打下了堅實的基礎。