测震仪器是现代测震台网技术系统的关键设备,为台网应用软件系统提供原始数据资料。现代地震数据采集器通常利用嵌入式TCP/IP协议高速地传输数据流,在输出实时地震波形数据的同时,还能够应服务或者应查询地输出一些辅助性数据,如心跳信息、GPS信息、地震计零位等参数,这些参数可以作为衡量仪器实时运行状态的指标,对于测震台网运维工作具有重要的应用价值。通常台网工程师可以使用仪器厂家提供的客户端软件对这些信息进行查询,但这种传统的工作方式难以应付台网规模较大而又比较复杂的需求,更好的方法是开发专用的应用程序对数据进行接收和处理,这涉及到与数采的通信、数据的存储、加工方式和交换协议等一系列问题。在JOPENS系统中,SSS实时数据流服务模块实现了对实时地震波形数据流的汇集和分发(吴永权等,2013)。为了对辅助性数据进行综合利用,笔者设计了一种轻量级、可复用的应用框架,为辅助性数据的接入提供了一套通用的开发方案和体系结构。

面向对象的应用框架是一种软件复用技术,它是基于特定应用领域的通用的基础结构,强调软件的设计复用性和系统的可扩展性(周树语,2004)。应用框架通常提供了支持该领域应用共同行为的类库,对于具体的应用可通过重写子类或组装对象来实现个性化的需求(Blanchette,Summerfield,2008)。辅助性数据以数据流的形式在网络中传输,与实时地震波形数据固定的传输间隔不同,这类数据流通常是受消息驱动的,消息来源可以是查询指令或者某种环境因素的变化。对这种数据流的应用,应实现以下3种基本功能:① 数据接入:支持与数采的双向Socket通信、数据流的接收和分发等; ② 异步通信:解决通用模块与非通用模块的解耦与通信问题; ③ 数据交换协议:提供分布式环境中异构系统之间的互操作性,实现数据共享。这3种功能的实现应具有通用性。

根据数据流的这种特点,采用消息驱动模型进行总体设计,将框架划分成服务器端和客户端,服务器端又包括:仪器适配器、数据缓冲区、数据处理器、消息中间件4个功能模块,各模块之间通过传递消息实现通信和协同。系统运行时,仪器适配器与数采通信、请求并接收数据流、提取目标数据块并写入缓冲区; 数据处理器从缓冲区读取并解析数据块、按协议封装消息并发布给消息中间件; 客户端从消息中间件订阅消息、加以处理并向用户提供服务。这个数据交换过程的工作序列如图1所示。应用时,这些模块既可以用进程实现也可以用线程实现,既可以用本地接口也可以用远程调用,实现方式取决于具体的应用需求。

图1 框架时序图
Fig.1 Time-sequence diagram of the framework

仪器适配器的设计功能是实现与数采的通信、对数据流进行接收和分发。要实现与数采的数据通信,需要先了解数采的网络协议及接口。现代地震数据采集器是一类典型的嵌入式系统,网络通信协议一般采用嵌入式TCP/IP。所谓嵌入式系统是一种以应用为中心、软硬件可剪裁、对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统(李佑军,2003)。嵌入式TCP/IP的实现通常是对标准TCP/IP协议栈进行模块化剪裁,从而在满足需求和节约资源之间达到平衡(Thomas,2006)。TCP/IP协议栈是一系列分层组织的协议的集合,自上而下依次为应用层、传输层、网络层和接口层,高层使用低层提供的服务(Fall,Stevens,2012)。图2描述了数采与计算机进行TCP/IP通信的过程,箭头代表的数据流由数采的进程输出,在协议栈中被封装成报文分组,在以太网信道中传输,进入计算机的应用进程后,在协议栈中执行解封装,将数据提交给适配器进程,完成了一次进程通信。其中,应用层与传输层之间的套接字层是一个抽象层,它为应用程序提供了调用传输层服务的接口。根据传输层协议的不同,套接字可分为流套接字(使用TCP)和数据报套接字(使用UDP)。每一个套接字都可由一个IP地址、一个传输层协议和一个端口号唯一确定,通信时,通过将应用程序与特定的套接字绑定,即可令传输层区分来自不同应用程序的数据,从而实现多进程的并发式数据通信,利用这种特性可以实现多台站数据的并发接收。

图2 TCP/IP通信示意图
Fig.2 Sketch diragram of TCP/IP communication

笔者介绍了一种面向仪器的数据处理应用框架。在设计过程中,通过引进生产者/消费者设计模式,实现了数据接收、数据处理和数据应用的解耦与异步流水。利用框架实现了一套台站仪器状态监视软件。经测试证明,该系统性能稳定、与现有仪器、软硬件的兼容性良好,验证了框架的合理性和实用性。设计本框架具有的现实意义为:(1)为仪器辅助性数据的接入提供一种通用的开发方法和体系结构,以简化同类系统的开发过程;(2)以数据接入为切入点,探索软件复用技术在测震台网业务系统中的应用方法,以降低系统升级改造的开销。