地震前兆台网的主要任务就是获取重力、地磁、形变、地电、流体等地球物理和地球化学观测数据,为地震预报、科学研究和社会应用提供基础数据。在地震行业领域,地震前兆观测是日常获取地震观测信息的重要手段之一。

地震前兆观测设备的种类很多,如数字水位仪、气象三要素观测仪、地电仪和相对重力仪等。各种观测设备的观测物理量、采样率、数据存储等方面不尽相同(中国地震局,2005)。

随着“十五”国家建设项目的推进,网络化前兆仪器安装相继完成,全国各省级地震局的台网中心甚至台站都已经接入互联网(何案华等,2008)。为了采集、传输、存储和管理各种前兆观测数据,各省局台网中心或台站根据现有设备特点开发了多种计算机管理系统,以提高工作效率(牛从达等,2005)。目前,前兆观测设备的数据汇集工作由中国地震前兆台网数据管理系统(以下简称管理系统)完成,该系统还负责台站、区域中心、国家中心和学科台网中心之间的数据同步交换并对地震专业用户提供数据服务。

由于管理系统的高度自动化和智能化,不利于专业人员了解设备的内部工作原理、数据格式和通信协议。操作人员严重依赖于管理系统获取数据或监控设备状态。一旦管理系统出现问题,操作人员很难找到错误、手动获取数据、查看设备状态或直接控制设备。

此外,在对相关技术人员培训、教学以及设备通信软件开发过程中,也需要了解设备的工作原理、数据格式和通信指令等内容。由于涉及的设备种类非常多,搭建真实的实验环境不仅费用昂贵,而且还需要合适的实验场地。

因此,研究和开发一套前兆观测设备模拟通信软件(以下简称模拟软件)就非常必要。模拟软件可以模拟大多数“十五”地震前兆观测设备,遵从“中国数字地震观测网络技术规程——地震前兆台网专用设备网络通信”标准(地壳运动监测工程研究中心,2005)(以下简称通信规程),能够根据客户端发送的指令,模拟不同设备产生相应格式的数据包并发送给客户端。利用模拟软件,可以模拟多种前兆设备的通信指令原语、返回相应数据包,有利于教师、受训人员和学生了解设备的通信原理、通信指令以及数据格式等信息,通过模拟软件有效地避免了对实际观测设备的频繁访问,降低了对正常运行设备的干扰。

模拟软件主要实现客户端与设备端通信指令原语的模拟。客户端向设备端发送通信指令和相关参数,设备端收到指令原语后,进行解释并执行相应动作、返回执行结果。指令原语主要分为数据传输类、设备控制类和设备监视类。数据传输类原语包括获取整体测量数据、当前测量数据和实时测量数据等原语。设备控制类原语包括设置工作参数、设备重新启动等。设备监视类原语包括获取设备状态信息、运行日志、工作参数等原语(地壳运动监测工程研究中心,2005)。

例如,获取当前测量数据通信指令原语格式定义如下:

get /length+ID+dat+5

指令原语含义:客户端通过指令获取设备端最近整5分钟采样的样本,如果没有采样样本,取最近的1个样本。

其中,“get”为命令关键字; “ID”为设备标识符,即出厂时厂家给设备分配的唯一ID号,通信规程规定命令中的ID号必须和设备本身的ID号完全一致,才可以执行该命令(王秀英等,2008)。

“length”为指令长度字,即除指令原语固有格式外指令的字节数总和; “dat”为数据传输命令字; “+”为分隔符。

指令必须通过TCP/IP协议发送,因此在发送该指令前,必须通过81端口建立到特定设备的Socket连接,然后再发送具体命令。

当设备接收到上述命令后,会将最新整5分钟采样的样本或最近一个样本按如下格式打包,并通过TCP/IP协议发回给客户端。

$数据包信息长度\n数据包内容\nack\n

其中,“$”为返回信息起始符; “数据包信息长度”是指数据包的具体内容的字节总数,不含“数据包信息长度”本身和以“\n”表示的分隔符; “数据包内容”是设备端最新整5分钟采样的样本,如果没有采样样本,取最近的1个样本; “\n”为换行符,用于分隔各个信息; 若该仪器不支持该命令,返回“$err\n”字符串。

通信规程仅仅规定了各种设备必须提供的命令以及命令格式,并没有规定各具体设备内部数据格式。设备采样率和测项不同,不同设备同一命令返回的数据也不同,如水温仪获取当前测量数据指令的返回数据如下:

$79

79 105601 11006 431320060705 01 01 4313 15.9684 15.9684 15.9684 15.9684 15.9684

ack

其中,79表示数据的字节数; 105601表示起始时间为10点56分01秒; 11006是台站代码; 431320060705为设备ID编号; 第一个01为采样率,表示分采; 第二个01表示通道数为1个; 4313为测量分项代码,即井表层水温; 15.968 4、15.968 4、15.968 4、15.968 4、15.968 4分别为最近5个观测数据的值。

如果是磁通门磁力仪设备,则返回的数据包含变化记录垂直分量、变化记录水平分量等4个测项数据。

所以,在实际模拟软件开发过程中,必须实际测试每种模拟设备的具体数据格式,有针对性地进行模拟。

模拟软件分设备端模拟软件子系统和客户端模拟软件子系统。设备端模拟软件子系统主要模拟实现各种前兆观测设备接收客户端模拟软件发送的各种通信指令,并对指令进行分析,进而执行相关指令,将运行结果按照规定的数据包格式打包,并发送给客户端模拟软件。客户端模拟软件子系统主要完成连接设备端模拟软件、发送各种通信指令原语、收到指令后解析观测数据。模拟软件的工作流程如图1所示。

当某个具体设备启动后,设备一直处于侦听状态,如果此时有客户端发送连接请求,设备将产生一个新的工作线程用来处理与该客户端的交互。客户端首先发送登录指令,服务器端根据指令中的用户名和密码查找数据库,判断是否正确,如果用户名和密码都正确,则返回“$ack\n”字符串,表示登录成功; 返回“$err\n”字符串,表示失败。登录成功后,工作线程继续等待接受客户端的其他指令请求,并根据不同的指令,模拟执行不同的操作,并将模拟执行产生的数据按照规定的格式打包,并发送回客户端。直至客户端关闭连接或设备端关闭或者设备端空闲超时自动关闭。

图1 模拟软件工作流程
Fig.1 Workflow of simulation system

设备端模拟软件子系统能够实现设备的添加、修改、删除以及查看详细信息,在设备列表中,选择一个具体设备后,可以启动或停止监听。客户端模拟软件子系统通过指定模拟设备的IP地址和端口号连接到一个运行中的模拟设备,然后发送登录、获取数据等指令,并将返回数据显示在界面上。

模拟软件能够模拟绝大部分通信指令。模拟的设备包括水管倾斜仪、竖直摆钻孔倾斜仪、测氡仪、数字式温度计等多种“十五”设备。设备端模拟软件子系统界面如图5所示,客户端模拟软件子系统界面如图6所示。

图5 设备端模拟软件子系统界面
Fig.5 UI of device side of simulative system

图6 客户端模拟软件子系统界面
Fig.6 UI of client side of simulative system

该模拟软件界面友好、简单实用、易于操作,能够模拟大部分“十五”前兆观测设备,为台站工作人员、教师、学生学习和了解前兆设备通信协议、设备功能、观测数据格式提供了模拟环境支持,同时也为各种前兆设备相关通信软件的开发提供模拟支撑环境,在实际开发中,可以直接连接该模拟软件,避免对实际观测设备的频繁访问,具有较大的应用价值。