省級地球物理站網儀器運行監控系統設計與實現

摘要：順應地震監測業務改革方向，為提升地球物理站網儀器運維效率，設計了一套地球物理站網儀器運行監控系統。系統包括基于B/S架構設計的監控軟件平臺、手機監控App軟件和基于C/S架構設計的調試工具，通過實時獲取地球物理儀器狀態流和數據流，對儀器時鐘準確性、連通性，數據完整性、有效性等進行自動化分析，實現轄區范圍內地球物理站網儀器運行狀態的實時監控。該系統可對儀器運行狀態異常、產出數據不符合規范要求等情況進行異常告警，提示運維人員第一時間排查故障，從而提高了地球物理站網儀器運行率和數據質量；系統對獲取的數據進行備份，提高了地球物理臺網數據完整性，并為今后實現數據質量實時監控等數據服務提供了技術路線。

關鍵詞：地球物理站網；儀器運行監控；自動化分析；異常告警

中圖分類號：P315.62"" 文獻標識碼：A"" 文章編號：1000-0666（2025）01-0141-10

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2025.0015

0 引言

隨著中國地震局業務體系改革，“國家中心—省級中心—地震監測中心站—一般監測站”的四級業務架構逐步形成，地震臺站建設和觀測儀器運維工作由省級中心調整至地震監測中心站（以下稱“中心站”）。大部分省地震局中心站為新組建，運維保障能力有待提升，為確保在業務改革轉型后地震觀測數據產出質量保持穩定，亟需提升中心站運維效能。測震與預警站網現有數據匯聚軟件能夠實時監測數據連續性，若數據中斷就發出警報，提示運維人員開展故障排查與維修。而地球物理站網觀測數據多為分鐘采樣的非實時匯聚數據，通過地球物理臺網管理系統軟件收取前一天數據后進行檢查、預處理和數據交換，當儀器或供電等方面發生故障造成儀器中斷、儀器時間錯誤、儀器缺數等問題時，無法實時發現故障并開展運維工作。隨著地震預報業務對地球物理站網高質量數據的需求，以及信息化、智能化技術的發展，利用信息化技術實現地球物理站網觀測儀器運行狀態的實時監控，向中心站運維人員提供轄區觀測儀器實時狀態和告警提示，能有效提升故障修復及時性。

目前行業內有學者開展過地球物理站網儀器網絡、觀測數據、運維管理等方面監控或信息化研究工作。有基于商業化成熟軟件實現業務配置和部署的研究，包括利用Nagios軟件（李剛等，2012）、HostMonitor軟件（胡玉良等，2016），實現地震網絡化儀器的實時數據動態監控與異常報警。也有根據地球物理站網對臺站儀器監控和運維需求特點，開發相關專業儀器監控告警系統，如李俊超等（2019）設計地震臺站綜合觀測儀器自動化監控報警系統，通過軟件定時獲取一個臺站所有觀測儀器的數據，實現觀測儀器狀態信息監控；姜佳寧等（2019）研制地震觀測儀器自動監控軟件（SIAM軟件），對網絡化觀測儀器的網絡、運行及數據等狀態實現實時和定時監控；趙祖虎等（2022）對SIAM軟件進一步完善，豐富了地球物理臺網儀器狀態監控的可視化功能；王建國等（2007）開發了前兆觀測數據監視及異常自動識別軟件系統，實現了對數據上報情況和各測項異常情況的自動識別；瞿旻等（2016）對影響儀器網絡通訊單元運行效率的原因進行了分析，提出改進措施；陳力剛等（2016）根據《地震前兆臺網專用設備網絡通信規程》要求研發了斷層氣二氧化碳監測儀，實現了通過協議指令獲取儀器狀態和數據等功能；劉高川等（2021）開發了基于B/S架構的儀器維修管理系統，實現地球物理臺網儀器維修信息化管理。這些技術系統多為單個臺站內對特定型號儀器進行狀態監控，或提升某一學科日常業務信息化自動化水平，或監控范圍無法覆蓋核心專業儀器關鍵指標，或更面向于各級業務部門管理需求。

本文針對中心站對地球物理站網儀器運行維護需求設計開發了一套地球物理儀器運行監控系統。系統包括基于B/S（Browser/Server，即瀏覽器/服務器）架構設計的監控軟件平臺、手機監控App軟件和基于C/S（Client/Server，即客戶端/服務器）架構設計的調試工具，通過儀器通訊協議實時獲取儀器狀態流和數據流，實現了儀器狀態和數據質量在線監控；以北斗／GPS雙模分體式地震觀測授時終端（瞿旻等，2021）為基礎，配套開發地球物理儀器NTP授時服務器在不同中心站分布式部署，以實現地球物理儀器時間信息的在線監控和自動修正，以及對儀器和數據異常狀態實時告警推送。

1 系統設計

1.1 總體思路

地球物理儀器數據傳輸采用基于Socket連接的TCP/IP協議，根據《地震前兆臺網專用設備網絡通信規程》通過指令方式獲取儀器的觀測數據。系統設計思路如圖1所示，部署在中心站的NTP授時服務器為轄區內地球物理儀器提供精準授時，在地震行業內網部署基于B/S架構的監控平臺服務器，通過循環定時任務方式向地球物理儀器發送獲取儀器狀態和數據的指令和向NTP授時服務器獲取時間信息，對儀器返回數據進行處理解析、并對獲取的NTP服務器時間數據進行準確度校準，進而對觀測數據進行異常檢測分析，并將各類數據信息和狀態信息存儲到數據庫。通過WebAPI連接訪問數據庫，并在省級中心和中心站監控計算機網頁上展示相關監控信息，實現監控可視化。

另設計基于C/S架構調試工具可安裝在行業網的計算機上，實現客戶端可連接地球物理儀器測試單臺通訊情況，可連接監控平臺服務器獲取歷史數據、查看繪制波形和狀態告警等功能。同時，開發手機App軟件，通過VPN連接進入行業內網，應用程序連接訪問監控平臺服務器的數據庫并獲取相關數據，實現對儀器的故障信息發布與實時監控管理。

1.2 系統架構

網頁版監控系統軟件采用B/S架構開發，系統分為Web顯示端、API接口服務、數據處理、MySQL數據庫4大部分。采用前后端分離設計，前端技術基于VUE+ElementUI+OpenLayer，地圖采用離線地圖；后臺接口基于Asp.net Core3.1 WebApi，數據庫采用MySQL5.6。根據監控系統的設計思路和業務流程，通過通信指令采集臺站儀器的觀測數據存儲于數據庫，設計功能性模塊便于用戶切換界面，保證儀器運行狀態監控可視化。監控系統邏輯上分為前端展示層（UI）、業務邏輯層（BLL）、數據訪問層（DAL）、數據庫及運行環境，圖2為地球物理站網儀器運行監控系統架構圖。

（1）業務層（BL）是系統向用戶提供的各類業務服務以及人機交互，包括：臺站、儀器型號、測項代碼、用戶等各類管理服務、系統界面展示、告警消息推送、數據查詢下載等；并為用戶和系統直接交互提供可視化窗口，用戶根據實際應用需求通過瀏覽器使用地球物理站網儀器運行監控系統提供的各種應用服務。

（2）處理層（PL）連接業務層與數據層，提供各種組件，實現地球物理儀器數據獲取、完整性計算、超閾值檢測、校時比對、告警處理等功能。

（3）數據層（DL）負責數據庫的訪問，向處理層提供所需的各類數據，具有高效的數據存取、備份和安全管理等機制，實現對數據表的Select（查詢）、Insert（插入）、Update（更新）、Delete（刪除）等操作。

（4）運行環境是整個系統的最底層，為系統提供數據庫管理平臺、應用軟件運行平臺和相關系統運行儀器硬件。

1.3 數據庫表設計

系統基于MySQL數據庫實現監控系統數據的存儲和管理。根據系統需求，數據庫設計表格按表類別分為三大類：數據類、狀態類和告警類，其中數據類按信息內容分為基礎信息類、測量數據類和異常數據類。基礎信息類的數據表有用戶賬號表、臺站信息表、測項代碼表、儀器信息表、儀器型號管理表，這些表中的數據經用戶對系統進行基本配置后成為系統的數據詞典；測量數據類的數據表有當前測量數據表、NTP時鐘源數據表；異常數據表有儀器異常信息表、分鐘數據異常信息表、儀器狀態異常信息表、NTP異常信息表；狀態類數據表有設備狀態信息表；告警類數據表有測項閾值表。數據表及其存放相關信息說明見表1。

2 系統實現

2.1 業務流程

為了保證地球物理站網儀器的觀測數據可以被完整采集，儀器網絡連接、時鐘信息等狀態可及時呈現，監控系統采用多線程技術設計后臺程序，各項功能采用模塊化設計的方法實現，模塊之間職責明確。監控服務器采用Window Server，通過管理工具中的任務計劃程序，作為定時任務進行循環執行，循環時間為5 min。通過循環遍歷的儀器信息，實現多套儀器準實時的數據采集、數據異常檢測和告警提示。

以系統對單臺儀器監控為例，業務流程設計如圖3所示：

（1）連通性測試。部署測試儀器、時鐘服務器網絡地址的線程，如果儀器可Ping通，進行后續的數據采集，反之提示網絡異常告警，并將告警信息（臺站信息、儀器信息、告警類型、時間）存儲到數據庫。同理，時鐘源采用的時鐘服務器NTP授時，在定時任務中也通過Ping方法測試其IP地址是否在線。

（2）儀器數據和狀態獲取。部署獲取儀器當前測量數據和儀器當前狀態的程序，通過指令方式獲取儀器的觀測數據。服務器和儀器建立連接登錄后，發送響應的請求指令，儀器收到指令執行后會返回信息，按照通信規程的約定，進行處理解析，并存儲到數據庫。

（3）時鐘源信息獲取。搭建基于北斗授時的NTP授時系統，作為時鐘源為區域地球物理觀測儀器提供授時服務。部署獲取NTP服務器時間的程序，解析獲取最新的服務器時間作為基準時間，用于對比儀器時間，計算儀器鐘差。

（4）數據異常檢測。獲取儀器測量數據后進行完整性和有效性分析，對每套地球物理儀器按不同測項的觀測數據異常檢測，并統計數據的當日數據完整率（已收到的數據和應收到的數據比值）。數據異常檢測基于滑動窗口技術的閾值判斷、差分計算等，結果出現超過或低于判定條件，則以告警提示。

（5）數據庫存儲。為了保證各類監控信息穩定可靠的存儲和管理，包括臺站信息、用戶信息、儀器信息、儀器觀測數據、儀器狀態數據、異常告警等，在監控服務器安裝數據庫，實現數據的存儲、檢索、更新和刪除功能。通過建立數據庫，使監控系統能夠更好地實現數據的收集、存儲、分析和利用。

（6）監控信息展示。用戶可根據需求部署監控系統軟件，包括網頁版、手機App版和調試工具軟件。網頁版可通過瀏覽器遠程訪問監控系統全部信息；手機App版方便用戶在移動端實時查閱系統關鍵信息；調試工具包括儀器調試、數據下載導出、儀器基礎信息管理等功能。

2.2 功能模塊

基于監控系統的業務需求，在開發網頁版和手機App版的基礎上，配套開發調試工具軟件，如圖4所示。不同版本的軟件功能分類上略有區別，但各有側重，每個軟件版本均包括多個功能模塊，各個模塊之間相互配合，實現地球物理站網儀器運行監控。

（1）網頁版監控系統包括儀器監控、時鐘源監控、數據查詢、原始報文、下載中心和系統管理6個模塊。

（2）手機App版包括異常告警、故障處理、站點管理、儀器管理和用戶管理5個模塊，分別是網頁版儀器監控和系統管理模塊的子模塊。主要是為用戶提供手機端實時異常告警，便于用戶查看管理，是網頁版的簡化版。

（3）調試工具包括通信測試、數據導出、查看波形、設備管理4個模塊。

2.3 核心功能示例

以地球物理儀器數據和狀態信息獲取為例，系統使用Quartz.NET開源調度框架實現任務調度，開啟了2個定時任務，分別是“儀器分鐘數據計劃任務”和“儀器狀態計劃任務”，通過cron表達式來設置計劃任務的執行事件，通過修改jobs.json配置文件來實現定時執行。為了保證在盡可能短的時間內讀取完全部儀器的數據，使用了Task開啟多線程，每個儀器開啟一個線程去讀取數據，使用Socket讀取數據，通過登錄儀器，以指令獲取儀器的分鐘數據，實現把獲取到的分鐘數據返回做下一步的業務處理，如異常判斷等，核心代碼如下：

string backdata=\"\"；

IPAddress myIP=IPAddress.Parse（ip）；

IPEndPoint myServer=myServer=newIPEndPoint（myIP，port）；

Socket sock=new Socket（AddressFamily.InterNetwork，SocketType.Stream，ProtocolType.Tcp）；

Try

{

sock.Connect（myServer）；

byte［］bya=System.Text.Encoding.UTF8.GetBytes（cmd1.ToCharArray（））；

sock.Send（bya，bya.Length，SocketFlags.None）；

Thread.Sleep（100）；//短暫休眠后再獲取數據

int n=sock.Available；//獲取當前待讀取數據的字符節

if（ngt;0）

{

Byte［］byaBack=new Byte［n］；

sock.Receive（byaBack，n，0）；

string lognback=System.Text.Encoding.UTF8.GetString（byaBack）；

if（lognback.Index0f（\"ack\"）！=-1）

{

byte［］byaSend=System.Text.Encoding.UTF8.GetBytes（cmd2.ToCharArray（））；

sock.Send（byaSend，byaSend.Length，SocketFlags.None）；

Thread.Sleep（100）；

int nBack=sock.Available；

if（nBack gt;0）

{

Byte［］byaBackData=new Byte［nBack］；

sock.Receive（byaBackData，nBack，0）；

backdata=System.Text.Encoding.UTF8.GetString（byaBackData）；

//return backdata；

}

}

}

}

3 關鍵技術

3.1 儀器鐘差監控

當監控系統檢測到儀器時鐘偏差時，通過校正算法去除路徑延時影響，將準確時間以自動或手動方式賦予誤差儀器，實現了時鐘故障自動修復，節約了修復時間、提高了運維效率，使地球物理觀測數據的時間統一性得到提高，短臨預報分析中的可用數據更加豐富。校正算法采用多線程技術同步獲取儀器和時鐘源（NTP服務器）當前時鐘，再循環Ping儀器和時鐘源地址，獲取返回的時間。對儀器時鐘與NTP服務器時鐘，分別扣除路徑耗時，得到儀器鐘差的絕對值，進行判斷。計算公式如下：

t=（T1-t1）+（T2-t2）（1）

式中：T為儀器與與NTP服務器鐘差；T1與T2分別為同時刻儀器時鐘和NTP服務器時鐘；t1與t2分別為服務器分別到儀器與NTP服務器的網絡耗時。

經3次計算得出平均值T，若Tgt;1 s，通過控制指令以時鐘源時間對儀器校時，再次重新讀取儀器時間和時鐘源，再對比2個時間，如果Tgt;1 s，判定為時鐘異常信息，在監控系統提供告警或根據用戶需求由系統直接修正儀器時鐘。

3.2 數據檢測

監控系統的異常檢測包括網絡連接異常、儀器狀態異常、儀器數據異常和時鐘異常，其中儀器數據異常是系統監控的核心和難點，其他檢測易于實現。對于采集地球物理儀器觀測數據，開展數據異常檢測實現數據質量監控具有重要意義。

（1）數據完整性檢測

數據完整性檢測主要是診斷儀器數據是否缺測，缺測數據一般用“NULL”表示，通過軟件程序統計獲取當天截止當前數據非空的數據量，以及按照儀器采樣率和當前時間計算理論數據量值，計算兩者比值，即為當日數據的實時完整率。

（2）數據有效性檢測

監控系統主要采用基于閾值檢測方法和基于Z分數檢測方法建立數據異常監測的判定規則，實現數據的有效性分析。

基于閾值檢測的方法：設置閾值，超過或低于該閾值的數據點被判定為異常。設置的閾值可以是固定的，也可以是動態調整的。每套地球物理儀器有唯一序列號標識，但可能對應有一個或多個測項代碼，需要對每套儀器各個測項進行閾值設置。設置閾值的參數需要盡可能縮小閾值的上下限，這樣可以保證觀測數據出現突跳等異常數據時及時告警。同時，設置的閾值需根據觀測實際情況（如趨勢變化）進行動態調整和優化。

基于Z分數檢測的方法：計算數據點與平均值的Z分數，超過某個閾值的數據點被判定為異常。設x為最新采集的地球物理數據，y（i）（i=1，2，3，…，n）為已經采集的數據觀測序列。對采集到的數據計算Z分數，計算公式如下：

Z=（x-μ）/σ（2）

式中：x為儀器最新采集的觀測值；μ和σ分別是y（i）觀測序列樣本的平均值和標準差。對每個地球物理儀器觀測項設置Z分數判定閾值（一般為2或3），通過上述公式計算獲得x對應的Z分數，如果Z分數大于閾值，則判定為異常值，以告警提示。監控系統對于分鐘值采樣的數據，設置y（i）（i=1，2，3，…，n）的n取值為60，即以一個小時的數據為樣本，計算平均值和標準差。對于新采集到的數據x，如果Z分數檢測正常，則刪除y（i）序列中最早的一個數據y1，并將x添加進去，從而形成新的觀測序列，保證觀測序列樣本個數不變。對于新的觀測序列，計算其平均值和標準差，用于下一個時間點觀測數據的異常檢測。

3.3 異常識別告警

定時任務以多線程方式讀取儀器數據，儀器數據包括儀器狀態數據和儀器測量數據，儀器狀態數據的異常判斷主要對返回數據含義進行判斷從而實現異常識別；儀器測量數據的異常判斷包括：缺數判斷、超閾值判斷、時鐘判斷，通過各自不同的異常識別原則進行識別判斷。如果識別存在異常信息，系統會通過SignalR.Net主動通知頁面。系統監聽到后端的通知后在離線地圖上標記出異常站點，并通過報警聲音來進行提示，報警聲音可收到關閉和開啟。異常信息識別及告警流程如圖5所示。

3.4 系統運行機制

為保證系統的有效運行，系統將站點均部署到IIS上，設置應用程序池的啟動模式為：始終運行、回收時間間隔為0、進程模型的空閑時間為0、網站預加載等。此外，為確保業務系統的高可用性和數據安全，系統采用冗余和備份策略，具體做法如下：

（1）數據庫雙備份策略

①主從復制：設置主從數據庫服務器。主服務器負責處理所有的寫入操作，從服務器實時同步主服務器的數據，并且在主服務器故障時可以迅速切換為主服務器。

②定期備份：定期對數據庫進行完全備份和增量備份，并將備份文件存儲在不同的位置，如本地存儲和云存儲。

③災難恢復：部署災難恢復系統，以便在系統發生重大故障時能夠迅速恢復業務。

（2）站點雙備份策略

①負載均衡：使用負載均衡器將流量分配到多個Web服務器上。當一臺服務器發生故障時，負載均衡器可以自動將流量切換到其他可用的服務器。

②熱備份服務器：部署一臺或多臺熱備份服務器，實時同步主服務器的數據和配置。當主服務器發生故障時，熱備份服務器可以立即接管。

③自動故障轉移：配置自動故障轉移機制，當檢測到服務器故障時，自動切換到備份服務器。

4 系統應用

4.1 部署應用

監控系統于2020年開發完成，2021年將服務器部署于省級中心機房并投入試運行使用，為江蘇省地球物理臺網提供儀器運行監控服務，后不斷升級迭代。系統初始化運行需將本區域地震臺站及專業儀器相關信息完整導入服務器數據庫，實現在可視化地圖界面上對轄區內的地震專業儀器的運行質量要素監控。發生故障和數據異常時系統可提供報警并推送故障判斷原因，并具備地震臺站管理、地震儀器管理、歷史數據查詢等查詢和管理功能。

如圖6所示，監控系統首頁顯示監控所有站點運行情況，左側顯示全部站點列表，右側顯示離線地圖，地圖上標注監控站點，臺站所有儀器運行正常就以綠色顯示，反之則以紅色顯示臺站標識并以聲音告警提示，用戶可點擊左側列表或者地圖上的點彈窗，查看詳細的站點信息、儀器時間和異常信息描述等顯示內容。

為了滿足移動端客戶的使用需求，基于Android Studio平臺開發了手機版App監控系統，實現移動端對地球物理儀器的運行監控和儀器運維的實時管理，如圖7所示。

為了滿足地震監測中心站對地球物理儀器的運維需求，基于C# Winform框架開發了客戶端版的調試工具，如圖8所示。當監控系統無法采集數據時，可以使用調試工具軟件對單臺儀器進行通信協議指令以排除故障。調試工具還可支持臺站信息、儀器信息的管理、觀測數據的查看以及數據庫數據的下載和導出等功能。

4.2 應用實效

系統于2021年開始部署應用，經不斷優化完善將更多學科觀測類型的儀器納入監控，根據江蘇省地球物理臺網運行年報統計，對系統部署前1年（2020年）到2023年江蘇省地球物理臺網儀器運行率和數據有效率進行對比分析（圖9）。

如圖9所示，儀器運行率自2020年的99.87%逐年提高至2023年的99.94%；數據有效率自2020年的99.63%提升至99.7%以上，平均提升0.1%以上。這些提升得益于系統的實時告警功能，運維人員可以第一時間發現并處理故障，使儀器故障時長平均減少8～16 h，相當于每次儀器故障造成的運行率損失平均減少0.01%/月以上。此外，提升幅度也受當年故障儀器數量和故障嚴重程度影響。

根據2020—2023年度全國地震監測預報觀測資料質量評估結果，從2021年系統部署運行后，隨著儀器運行率的提高，江蘇省地球物理臺網系統運行從全國三等獎提升到二等獎，并一直保持在此水平，系統部署后在省級地球物理臺網運行中取得了理想的應用實效。

5 結論

地球物理站網儀器運行監控系統通過獲取儀器的狀態流和數據流，結合自研的基于北斗授時的NTP服務器作為時鐘源，實現了對省級和中心站級轄區地球物理儀器的狀態在線監控，當發現儀器異常時進行實時告警提示，為儀器故障快速修復提供有力的技術支撐，改善了省級地球物理站網值班人員手動查障的現狀，提高了省級地球物理站網運維效率和運行質量，為地震科學研究和地震監測預報提供穩定、連續、可靠的數據資料。

系統已實現對地球物理儀器異常狀態的監測，在引入數據異常判別指標后可建立典型異常的數據庫，為數據異常核實與判別提供基礎數據案例。在引入大數據分析、機器學習等技術后，可面向地震預報中地球物理異常跟蹤分析研究工作需求，開展數據質量實時監控以及監測預報綜合服務產出相關研究和二次開發，不斷拓展系統服務領域。

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Design and Implementation of the Monitoring System of theProvincial Geophysical Network s Instruments

QU Min1，2，ZHANG Min1，LIU Gaochuan3，YANG Zhenggang2，ZHANG Yang1，GONG Jie1，WANG Hengzhi1

（1.Yunnan Earthquake Agency，Kunming 650224，Yunnan，China）

（2.Jiangsu Earthquake Agency，Nanjing 210014，Jiangsu，China）

（3.China Earthquake Networks Center，Beijing 100045，China）

Abstract

In the light of the seismological observation trend，we design and realize a set of software system to monitor the instruments of the geophysical network in order to efficiently operate and maintain the them.The system includes a software platform，a mobile phone application designed based on B/S architecture，and a debugging tool designed based on C/S architecture.The monitoring system is able to acquire instrument s real-time state flow and data flow，and automatically analyze the accuracy and connectivity of the instruments "clocks，and the integrity and validity of the observational data.Thus，the system realizes real-time monitoring of the operating status of the geophysical network.Once the instruments fail or the output data do not meet the requirements，the monitoring system will alarm，then technicians will troubleshoot problems as soon as possible，to secure the continuity of the instruments "observation and the data quality of the geophysical network.In addition，the monitoring system can back up the observational data of the geophysical network and provide a technical route for the data services in the future.

Keywords：the geophysical network；operation and monitoring of the instrument；automatic analysis；alarm for abnormal operation