监控信息用来描述前兆设备正常运转的一种状态信息,可以是前兆规程中已经定义的一种设备状态信息,也可以根据前兆设备自身需要另外定义。为方便服务端对监控信息识别,需要定义统一的监控信息格式。

前兆设备正常运行时,按设定时间间隔定时向监控服务端重复发送此消息,确保动态监控服务端软件可以在约定时间接收该信息,将其识别为运行正常设备; 反之,超过约定时间服务端软件没有收到这个消息,即认为前兆设备死机或发生意外状况,可以马上发出警报通知相关技术人员排除仪器故障,最大限度减少设备观测数据缺失。利用动态监控功能可以使前兆台网/台站工作人员在最短时间内发现有问题的设备并尽快采取应对措施。

报警信息根据前兆设备观测目的和运行状态不同可以有多种约定,如:观测设备记录到超过设定阈值、设备被非法访问、设备运行状态发生突变,诸如交流电停电、直流电压低等以及其他影响设备正常运行或监测的突发状况等都可以作为报警信息。根据使用目的不同,一种前兆设备可以产生多种报警信息。

本文实例中前兆设备除观测水位、水温、油井压力等信息外,还有一个通道作为前兆设备运行现场防盗监控,当设备监测到无人运行现场有人员进入时,即产生报警信息,并通过报警功能发送给监控服务端。

无论以记录事件、工作电压还是其他状态突变作为报警信息,这些信息本身都是具有突发性和随机性的小概率事件,同常规的数据观测记录工作不同,需要一种特定的方式实现对该类信息的动态通知和监控。

现有的通讯协议主要针对观测数据传输和设备状态设置,缺少对设备动态信息传输的约定。为解决这个问题,我们对前兆设备通讯协议中动态信息传输特别进行了扩充,增加了定义前兆设备动态监控信息、动态报警信息工作模式和信息发送格式的内容。利用新的动态信息传输约定成功地解决了动态监控信息和动态报警信息的实时发送和接收,而且不会对网络通讯的带宽造成影响,不会增加仪器设备端的负担。

(1)实现思路

“十五”前兆设备通讯规程定义的基本工作方式为设备被动等待方式,即前兆设备等待客户端与其建立连接,并通过响应客户端发送的命令实现双方信息交换。在这种工作方式下,前兆设备总是处于被动等待状态,外界如果不主动与设备通讯,设备信息永远不会发送出去。这种工作方式对于通常的观测数据获取以及其他信息的交换是一般通讯中最常采用的工作方式,但对于动态信息以及监控报警信息的交换,如果被动等待外界通讯则会遇到前面所说的一系列问题,所以这里我们采取了设备主动发送信息的工作模式(王秀英等,2006b),即前兆设备自身在监测到报警信息或者其他动态信息后,主动将该信息发送到指定的接收方或者将信息以广播方式发送出去; 一直处于等待状态的前兆设备动态监控服务端接收到前兆设备发送来的动态信息后,对信息进行后续处理(显示报警信息,实时更新设备最新状态等)。

通过前兆设备主动发送信息的工作方式,可以省去服务端大量的请求命令,而设备端在信息或状态改变后,可以马上将其发送出去,使服务端可以在最快时间内获取设备的最新信息,从而解决设备动态信息实时获取问题。

(2)信息发送方式

采取前兆设备主动发送信息的工作方式,必须明确告知设备将信息发往何处,是发送给某一个确定接收地址,还是发送给多个接收地址,具体情况可以视消息接收端情况而定,通常情况下,需要接收设备动态信息的监控端不会只有一个。目前对地震前兆设备的工作状态进行动态监控的工作方式为三级监控:前兆台站、区域中心和国家中心,所以应将动态信息发送设计为可以发送到多个目的地。

前兆设备信息主动发送方式根据其使用目的和信息重要程度有两种方式可以选择:

① 利用TCP协议发送

利用TCP(史蒂文斯,2005; 莱特等,2007; 王秀英等,2003)可靠连接方式确保信息被正确传输到目的地。由于动态报警信息对前兆设备正常工作至关重要,必须确保信息能够被正确传送,因此采用此种方式。

TCP协议发送方式,一次只能对一个监控服务端发送信息,对于多个监控端的情况,需要在发送信息时,依次跟每个监控端建立连接并将信息发送给对方。

② 利用UDP协议发送

UDP(史蒂文斯,2005; 莱特等,2007; 王秀英等,2003)协议不需要建立连接,因此不能保证信息被监控端接收并处理,但UDP协议简单易实现,占用系统资源少。通过UDP协议可以将信息发送给一个接收者,或者作为广播消息,使多个客户端接收同一条消息。对于动态监控的常规消息,每隔一定时间间隔都要发送同样的消息,所以采用这种方式可以减少对设备资源的占用和发送信息的处理时间,减少网络上的冗余信息。

(3)信息封装格式

由于是由设备端主动发送信息,信息的接收端,即设备动态监控服务程序在接收到信息后必须能够识别信息来自哪个台站的哪一台设备,以便正确通知前兆台网技术人员。所以需要对前兆设备主动发送信息的信息格式作统一约定,具体来说,设备发送的信息应至少包含如下内容(图1):

① 设备序列号:前兆设备通讯规程(中国地震局,2005b)中定义的唯一标识前兆设备的一个12位编码,由厂家确定,不同设备对应不同的设备序列号;

② 台站代码:标识该设备所在的台站,从而可以由信息确定设备所在的台站;

③ 信息类型编码:标示监控信息还是报警信息,还可以对其进行扩充定义其他动态信息;

④ 信息产生(发送)时间:通过时间段的比较,可以确定收到的信息是否是最新信息;

⑤ 报警信息编码(可选):如果发送报警信息,进一步确定报警信息类别。

根据实际需求,可以对该信息封装格式进行适当扩充,使其提供更多信息。

图1 设备发送动态信息封装格式
Fig.1 Package of dynamic information sent by device

根据前述的前兆设备动态发送信息设计方案,我们设计了动态监控和动态报警功能实现流程(图2)。

图2 前兆设备动态报警、动态监控实现流程
Fig.2 Flow chart of dynamic alerting and monitoring process in the device

图2中,动态监控模块每隔一定时间间隔就主动向服务端发送一个设备运行正常的信息,不需要处理任何外来消息,减少设备不必要的重复工作; 当产生了预先定义的报警信息时,动态报警模块将该消息及时主动发送给服务端; 没有报警信息时,无需发送任何信息,避免没有报警信息而要处理和发送大量无用信息的情况,减少了对网络带宽的占用。

由设备监控软件运行流程可知,动态监控功能和动态报警功能与设备原来的通讯工作机制并不矛盾,可以通过增加处理动态信息的进程或模块得以实现,不会影响软件的整体结构,所以前兆设备可以在原来软件整体结构的基础上很方便地增加动态信息实时监控功能。

由于只改变前兆设备的软件部分,而无须改变任何硬件设备,所以本设计方案不会增加前兆设备的成本。前兆设备通讯规程中已明确定义了设备软件的升级方式(中国地震局,2005a)。在设备实际运行中,各软件厂家都实现了通过网络远程更新设备软件,并在不断更正和改进设备运行中发现的软件问题。将本设计方案的实现加入到设备的软件中并通过行业网远程更新原来的设备软件,实现过程简单,不会产生额外费用。