數字地震臺網綜合處理系統通用架構研究與設計

李水龍，周躍勇，于偉恒，周施文

（福建省地震局，福建 福州 350003）

0 引 言

隨著地震監測臺網密度的不斷增大以及更為先進的地震監測儀器的投入使用，對數字地震臺網數據處理系統的應用和發展提出了更高的要求。原有的各自為政、互不相干、獨立開發的應用建設模式，存在著資源重復消耗和開發效率難以令人滿意的缺陷，無法很好地滿足新的應用要求。為了保障數字地震臺網綜合處理系統的統一規劃和高效開發，需要研究為之服務的通用架構，以提供整體指導和基礎支撐。

1 通用架構概述

數字地震臺網綜合處理通用架構能夠為數字地震臺網綜合處理系統的具體設計提供理論指導和框架支持；降低數字地震臺網綜合處理系統的開發難度，提高應用系統的開發效率；為數字地震臺網綜合處理系統從傳統的桌面型單機應用向分布式的網絡化應用提供轉換的橋梁；通過功能重用和代碼重用，避免數字地震臺網綜合處理各項應用各自為政、重復開發的情況，減少資源浪費和消耗。通用架構定位示意圖如圖1所示。

圖1 通用架構定位示意圖

數字地震臺網綜合處理通用架構的設計，在滿足當前工作需要的同時，要充分考慮后續工作的延續性，使當前工作成為后續工作的基礎。信息采集要嚴格按照國家標準和共享規范統一入庫，保證數據標準化，實現多層次的信息資源共享。

充分利用計算機網絡技術，采用Client/Server 結構及Browser/Server 結構，保證系統的可伸縮性、可擴展性和開放性，避免電子業務平板化。遵循主流的接口規程和協議標準，保證系統后期擴充與升級的可能性以及與其他系統互聯的可行性，避免“今天的投資成為明天的浪費”。

關注點分離是對只與“特定概念、目標”（關注點）相關聯的軟件組成部分進行“標識、封裝和操縱”的能力，是處理復雜性事務的一個原則。數字地震臺網綜合處理系統不僅負責對地震數據的處理，而且還提供對處理結果的發布等功能。前者側重于數據的計算處理，后者側重于信息的界面表現。它們各自關注的重點不同，所采取的處理手段和技術也存在著差異。因此，基于關注點分離的技術，通用架構從結構上可以分為后臺計算處理和前端應用處理兩大部分，如圖2所示。

圖2 結構示意圖

數字地震臺網綜合處理系統包含地震預警、地震速報、地震烈度速報、震源機制解等應用。這些應用雖然在功能目標產出上存在較大差異，但在業務處理流程上還是存在著不少共性的。通過對這些處理過程的歸納抽象，可以發現這些應用都包含業務處理、控制網關和表現邏輯三個部分，業務處理包含數據接收、數據派發、通道處理和綜合處理四項任務，功能模塊如圖3所示。

圖3 功能模塊示意圖

數據接收部分主要負責從實時流服務器和歸檔波形服務器接收臺站的實時波形或歸檔波形。數據派發部分從數據接收部分得到統一格式的波形數據，傳遞給后續的通道處理部分。通道處理部分負責對數據派發部分傳送而來的連續波形數據進行仿真變換等預處理，并為后續的綜合處理提供預處理后的特征信息。綜合處理部分接收通道處理部分傳遞過來的特征信息，根據業務功能和規則的要求，對這些信息進行綜合判定，從而給出對地震事件的處理結果。控制網關部分實現數據在后臺處理計算與前臺應用展現之間的網絡傳遞，從綜合處理部分接收地震事件的處理結果，通過網絡發送給前端的信息發布、實時監控等應用。表現邏輯包括實時監控、人機交互、地震事件結果二次加工等工作。

2 主要任務

數字地震臺網綜合處理通用架構的任務主要包含三大塊內容：地震觀測數據處理研究、軟件技術研究以及通用框架的建設，任務路線如圖4所示。

圖4 任務路線圖

地震觀測數據處理研究主要涉及數據分類與格式、通用處理流程、數據交換接口、通用處理功能等方面，通過對業務需求的梳理分析，對地震預警、烈度速報等處理過程進行歸納抽象，構建數據模型、流程模型、共享模型、功能模型等模型，為綜合處理在線生產系統的開發奠定基礎。

數字地震臺網綜合處理系統是一個復雜的網絡分布式系統，需要實時不間斷地處理海量的波形數據，要求系統具有較高的可靠性、較好的容錯性和優越的性能。因此需要針對高效穩定的綜合處理需求，展開相關關鍵軟件技術的研究并得到針對綜合應用服務的技術解決途徑。

在前兩項工作成果的基礎上，基于軟件工程的先進方法和實踐情況，建立一套服務于數字地震臺網綜合處理系統的通用支撐框架，編寫并實現共性關鍵核心模塊程序，降低綜合處理業務系統的開發難度，提升綜合處理業務系統的質量水平和開發效率。通用框架的核心功能如圖5所示。

圖5 通用框架核心功能

3 關鍵技術

數字地震臺網綜合處理系統面對復雜的多網聯接、多源海量數據的快速處理、及時可靠的地震事件處理等難題，綜合處理通用架構需要應用先進的信息技術來為系統提供有力的支撐。根據數字地震臺網綜合處理系統的業務需求和難點，選取以下幾項關鍵技術：

（1）中間件技術。對中間件技術的研究可為綜合處理平臺的構建提供良好的技術支撐，有助于簡化開發難度，提升開發效率。

（2）可視化技術。通過對可視化技術的研究，為綜合處理系統構建統一規范的可視化平臺，為應用提供簡潔明了的數據可視化編程接口。對地震動態過程的規范化，使得地震應用的產出數據更富有表現力、更加人性化。

（3）并行計算技術。通過對并行計算技術的研究，為綜合處理系統構建一個高效可靠的協同計算平臺，作為綜合處理應用的算法框架的技術實現，有助于提升系統的性能，為處理海量數據提供支持。

（4）工作流技術。通過對工作流技術的研究，為綜合處理系統構建一個具有較強定制能力的工作流平臺，作為綜合處理應用的控制樞紐，有助于規范化地震應用的處理流程，隨需應變。

（5）空間信息技術。通過對空間信息技術的研究，為綜合處理系統構建一個空間處理平臺，通過把地震信息與矢量地圖、衛星遙感影像、DEM 地形數據相疊合，充分挖掘地震信息中地理空間要素的作用，有助于為政府管理部門和社會公眾提供多層次、多維度的立體信息，更好地發揮地震應用產出的數據價值，從而為抗震救災工作提供更有價值的輔助決策信息。

（6）Web 服務技術。通過對Web 服務技術的研究，為綜合處理系統構建一套集成化的業務互操作統一接口，實現標準化、規范化的功能復用，有助于分布式地震網絡應用的高效實現。

4 創新特色

隨著地震觀測臺網規模和復雜程度的不斷發展，新的業務需求也不斷涌現，數字地震臺網綜合處理系統通用架構也為不斷發展的觀測臺網和業務需求提供了切實有效的解決平臺，與原有的業務系統不同，數字地震臺網綜合處理系統通用架構主要創新點如下：

（1）多源海量數據融合。針對所采用的不同數據采集器和傳輸方式，研究相應的可插拔數據適配器系列，實現多種來源數據格式的規范統一，支持擴展新的數據來源。從而支持不同儀器類型的數據、不同信息內涵的數據在數據流共享平臺上的統一匯總，為后續的綜合處理提供一致的數據接口，大大降低了地震數據處理的復雜性，有助于提升系統的計算性能。

（2）無縫互連集成。研究地震監測各項應用的內在聯系和銜接要求，實現從數據接收、預處理、地震預警、烈度速報等一體化的功能，實現分布應用的功能統一集成。

（3）豐富多樣的高質量產出。結合地震防震減災工作的實際需要，研究對地震的基本信息和參數進行深入挖掘分析的技術，尤其是結合空間信息處理技術，達到形式多樣、內容豐富的要求，從而為政府管理部門和社會公眾提供優質的信息服務。

（4）方便快捷的資源共享。研究適合于地震監測應用的數據共享技術，選取的技術應當遵循先進性、支持廣泛性的原則，并應用到軟件系統中，以充分發揮地震各項資源的數據效用，避免數據孤島的產生和資源的浪費。

（5）實時快速的協同處理。針對地震監測數據各處理環節的特點，研究如何有效縮短加工處理的時間，優化數據的處理流程，減少數據的冗余重復處理，在此基礎上選取高效快速的計算機技術，以達到系統整體處理的實時高效。

（6）組件化的分布式網絡應用。根據系統的開發目標，結合軟件工程實踐，研究分布對象技術、組件技術和軟件體系結構技術，建立一套完整的問題解決方案，達到應用可管理、易配置的目標，便于專業模型嵌入信息系統并實現表現形式多樣的可視化功能；使應用系統的開發具有伸縮性、開放性、系列化和標準規范化的特征。

5 結 論

數字地震臺網綜合處理系統是復雜的分布式網絡應用系統，本文依托通用架構的研究與設計，引入先進的技術，結合應用的業務需求和難點，形成服務于應用的技術解決途徑，對應用的數據、流程、功能、接口等方面的共性內容進行抽象歸納，構建組件化的通用框架，從而為系統的建設提供頂層指導和基礎支持。