测震仪器的健康状态(State Of Health,简称SOH),是关于仪器运行状态的信息,由数据采集器输出的一系列物理量及其取值来描述。目前,在各区域测震台网应用比较普遍的仪器包括:港震机电的EDAS24系列数据采集器和BBVS系列地震计,Guralp的CMG-DM24数据采集器和CMG-3ESPC地震计,Kinemtrics的Q330系列数据采集器和STS系列地震计等。这些仪器厂商对SOH信息的定义、编码方式和传输协议均有所不同。本着求同存异的原则,我们初步拟定了11个比较有共性的SOH参数,分别是:数据采集器的供电电压、输出电压、电瓶电压、机箱温度、时间误差、频率误差、内存总空间、内存可用空间,地震计A的垂直向零位、北南向零位、东西向零位。

系统由3个松散耦合的功能模块构成:① SOH接收与发布模块,② ActiveMQ消息服务器,③ SOH订阅与应用模块。其中,模块 ① 的功能是:与多部数据采集器建立并发连接,定时接收SOH数据,并通过ActiveMQ的消息队列进行发布。模块 ② 的功能是:作为统一交换平台,管理SOH消息队列,是系统实现分布式应用的关键环节。模块 ③ 的功能是:订阅SOH消息,实现自定义的业务应用。

系统应满足测震台网对应用软件的可靠性、可扩展性、可移植性和安全性等方面的要求。

系统运行的网络环境如图1所示。模块 ① 部署在SOH应用服务器上,模块 ② 部署在ActiveMQ服务器上,模块 ③ 部署在SOH订阅客户端上。系统运行约束见表1。

图1 系统网络环境图
Fig.1 System network environment

表1 系统运行约束表
Tab.1 Restriction table of system running environment

在程序设计过程中,主要用到了以下技术:

(1)Java TCP/IP Socket编程技术(Fall,Stevens,2012; Calvert,Donahoo,2008)。目前,不同仪器厂家对数据采集器网络通信协议的实现方式不同,例如,EDAS24系列数据采集器支持TCP通信协议; CMG-DM24可利用数据通信单元扩展实现UDP 通信协议; 而Q330HRS的Baler单元则提供了用HTTP协议传输健康状态信息的服务。针对这种差异性,我们的解决方案是为每一种仪器编写相应的客户端类,实现通信连接的维护、报文分组的分类解析等功能。

(2)Java并发编程技术(Goetz et al,2012)。每个地震区域台网中心都下属若干个地震台站,要同时维护与多个台站的通信连接,有两种实现方式——多进程方式和多线程方式。在操作系统中,进程是一个重量级的对象,每一个进程都独占一部分系统资源,线程是轻量级对象,同一进程内的多个线程间共享该进程所保有的资源(Silberschats et al,2009)。基于易于实现和优化性能的考虑,我们采用多线程方式来实现与多台站的并发通信连接。

(3)Java消息服务(Java Messaging Service,简称 JMS)。JMS是Java平台上有关面向消息中间件(Message Oriented Middleware)的技术规范(Monson et al,2009)。ActiveMQ是一个完全支持JMS1.1的JMS Provider实现。在系统中,我们利用JMS与ActiveMQ通信,实现SOH消息的交换。

系统的框架结构如图2所示。其中,SOH接收与发布模块由各类数采的客户端程序和SOH发布程序所构成。

图2 系统框架结构图
Fig.2 Fram structure of the system

① 系统初始化;

② 数采客户端程序与数采进行通信,对接收到的报文分组进行解析,将解出的SOH数据交给SOH发布程序;

③ SOH发布程序将SOH数据格式化为SOH消息,并交给AMQ消息服务器;

④ SOH订阅与显示模块从AMQ消息服务器订阅SOH消息,并进行处理;

⑤ 继续执行步骤2。

在开发SOH接收与发布模块时,需先行分析仪器的通信协议和数据格式,掌握每一种数采输出SOH数据的内容和方式,以此为基础来设计业务逻辑。模块将按照配置文件的内容进行初始化,配置文件采用XML格式,详细说明见表2。

表2 配置文件说明表
Tab.2 Description of configuration file

2.3.2 SOH发布程序的设计与实现

SOH发布程序的主要功能是:按照JMS规范,将接收到的SOH数据格式化为SOH消息,并将其传递给ActiveMQ消息服务器。程序在处理与ActiveMQ的通信连接时,采用的是长连接的方式。SOH消息包括消息属性和消息体。其中,消息属性的说明见表3,消息体采用XML格式,详细说明见表4。

表3 SOH消息属性说明表
Tab.3 Description of SOH message properties

表4 SOH消息体说明表
Tab.4 Description of SOH message body