“Collectors强震动台网数据处理系统软件”是一套基于地震事件传输的强震动台网专业数据处理软件,较好地满足了当前强震动观测台网的日常业务需求。具体功能包括了强震动记录器的接口适配、全网台站运行状态准实时监控、地震事件数据自动汇集、强震动事件参数(PGA,PGV,PGD,IPGA,IPGV,反应谱)自动处理、设备远程控制、报表自动生成(远程通讯检查表、强震动记录报告单、强震动记录分析结果表、强震动观测简报)等,以下分别介绍各核心功能模块的具体实现。
2.1 强震动记录器接口适配模块
“强震动记录器的接口适配模块”是“Collectors强震动台网数据处理系统软件”的核心模块之一,数据流、状态流和控制流的适配及流向由该模块驱动实现。由于强震动记录器的种类繁多,不同类型的仪器有不同的命令集、不同的通信协议和数据格式,特别是基于事件传输的记录器(吴华灯等,2012),要实现数据流、状态流和控制流的三流汇集及分发,处理上比较复杂和繁琐,因此该模块采用了任务队列管理和线程池的技术,使复杂的问题简单化。具体操作为,在该模块中,定义了ETNA,K2,GDQJ,MR-2002,GSR-18,GSMA-2400IP,ETNA2,Basalt,MR-3000,EDAS-24IP,EDAS-24GN,130REN,TDE-CA等型号设备及与之对应的任务类别和通信命令; 根据设备型号和特定的任务,建立了相应的线程池; 最后,以DAO作为入口,从数据库中加载台站设备信息, 匹配设备型号,建立通信连接池,驱动获取事件数据、获取状态数据和通信控制等任务,实现数据流、状态流和控制流的汇集及分发(叶世山等,2019)。程序设计的核心是,创建一个任务包task实现接口适配, 包括2个枚举变量DevType和TaskType,3个类TaskBeanFactory、TaskManager和TaskExecutor:设备型号DevType用于指定需要适配接口的强震动记录器类型,任务类别TaskType定义接口适配时需要执行的诸如获取状态流、获取事件数据流、功能测试等任务; TaskBeanFactory和TaskExecutor类的作用是获取要执行的任务,TaskManager类用于建立线程、加载设备类型、执行队列中的任务。核心源代码如下:
public enum DevType {
ETNA,K2,GDQJ,MR2002,GSR18,GSMA2400IP,ETNA2,Basalt,MR3000,EDAS24IP,EDAS24GN,130REN,TDE-CA
} /*强震动记录器类型*/
public enum TaskType{
STA,EVENT,CONTROL,FT
}/*定义任务类型*/
public class TaskBeanFactory implements ApplicationContextAware {
public TaskExecutor getTask(String devType,String taskName){
return(TaskExecutor);
}
}/*获取要执行的任务*/
public class TaskManager {
protected TaskBeanFactory taskBeanFactory;
threads = Executors.newFixedThreadPool(thread Num); /*建立线程池*/
public void execute(TaskType type){
equipmentInfoDAO.loadEquipments(dev_type,starIndex,pageSize);
}/*加载指定的设备类型,准备执行任务*/
private void todo(EquipmentInfo eq,TaskType type){
TaskExecutor taskExecutor = taskBeanFactory.getTask();
pool.getConnect(); /*建立连接*/
taskExecutor.execute(terminal,eq); /*执行任务,匹配设备类型,调用接口*/
pool.recycle(terminal); /*资源回收*/
}
}
2.2 台站运行状态准实时监控模块
强震动台网监控平台是“Collectors强震动台网数据处理系统软件”的一个重要组成部分,具体由“台站运行状态准实时监控模块”实现。其主要功能是实现台站运行状态的多指标、精细化监控显示和设备的远程控制,便于工作人员了解台网的整体运行情况和开展台网的日常运维管理工作。出于使用方便及技术更新的需要,该模块摒弃了笔者早期基于C/S结构的强震动台网监控平台的设计思想(叶春明等,2011),采用MVC(Model View Controller,一种软件设计模式)框架重新进行了设计,以求做到软件前后端分离,易于分布式部署。
该模块在MVC框架下,结合“强震动记录器的接口适配模块”和底层数据库,基于电子地图实现前端展示和交互操作,如图2所示。具体是以电子地图展示台站的位置分布和台站的关键信息,并用黑、橙、红、绿4种颜色分别标示台站通信中断、通信告警、设备告警和正常工作4种状态。主控台的状态告示栏,及时显示各种状态下台站的数量及告警的具体原因(如链路告警、电池电压过低告警、磁盘空间告警、GPS授时告警、零点电压告警等),维护人员能针对已知的具体原因开展台站的维护工作。交互操作方面,通过DAO及API,实现前端台站状态的多指标查询、台站信息查询、设备信息查询、台站触发参数查询、功能测试等远程操控。后端则按照设定的任务,周期性自动地完成每月2次的功能测试及远程通讯检查,并把测试的结果写入远程通讯检查数据表。前端的所有操作,通过图2的人机交互界面便能轻松完成。该模块的核心实现过程如下:
(1)加载电子地图。在html页面中指定地图数据源,并在javascript代码中创建地图实例,通过API接口,调用地图数据源,实现地图的加载。
/*在html页面中指定地图数据源*/
<script type="text/javascript"src="http://api.map.baidu.com/api?v=2.0&ak=NU..">
</script>
/*在javascript代码中创建地图实例*/
map = new BMap.Map("map");
(2)展示台站信息及状态。通过前端的接口类MapDao和javascript代码中的getTitle,getMsg和statusInfo方法,在地图上实现台站信息提示及设备状态的准实时告警,代码如下:
/*用javascript代码实现台站信息提示*/
function getTitle(eq){
return eq.sta_code+" "+eq.sta_cname+"["+eq.recorder_model+"](经度:"+eq.lon+",纬度:"+eq.lat+")IP/port:"+eq.ip+":"+eq.port+" "
+getMsg(eq,eq.status)
}
/*用javascript代码展示设备状态告警信息*/
function statusInfo(status){
var title = "";
var img = "";
if(status==1){
title = "通信中断";
img = " ";
}else if(status==2){
title = "通信告警";
img = " ";
}else if(status==3){
title = "告警";
img = " "
}else if(status==0){
title = "正常"
img = " ";
}
for(var i=0; i<length; i++){
html+='<li>'
html+='<span></span>'
html+='<a href="javascript:; " class="ellipsis" ><span >'
+datas[i].sta_code+'</span>'+getMsg(datas[i],status)+'<i></i></a>'
html+='<label>'+ new
Date(datas[i].lastUpdateTime*1000).toLocaleTimeString()+"</label>"
html+='</li>'
}
……
}
(3)人机交互。通过前端的html页面、InfoDAO接口类、InfoMapper类和后端的API相互结合,实现从监控平台的电子地图上控制设备。
图2 Collectors强震动台网监控平台
Fig.2 Collectors monitoring platform for strong motion observation network
2.3 事件数据自动汇集模块
事件数据自动快速汇集是进行地震烈度速报的先决条件。在业务逻辑层,该模块依托“强震动记录器的接口模块”,联合“强震动事件参数自动处理模块”,解码并计算出入库的参数,按照数据库和文件存储方式(Ancheta et al,2014),实现对各个台站的事件数据流归档存储。存储的内容包括地震事件ID、台站事件名、台网代码、台站代码、台站名称、采样率、采样点个数、记录长度、记录开始时间、记录结束时间、三通道的PGA和PGV、仪器烈度、事件类型、提交时间、操作者等,存储的结果信息,如图3所示。存储过程的核心程序如下:
WaveformEvent w = new WaveformEvent();
w.setEvent_id(String.valueOf(TimeUtil.date2 YMDHMS(sDate))); /*置地震事件ID*/
w.setSta_Event_name(eq.getSta_code()+w.getEvent_id()); /*置台站事件名*/
w.setNet_code(eq.getNet_code()); /*置台网代码*/
w.setSta_code(eq.getSta_code()); /*置台站代码*/
w.setNsamples((int)event.getFileHead().getRoParams().getStream().getNscans()); /*置采样点个数*/
w.setSamp_rate(event.getFileHead().getRwParams().getStream().getSps()); /*置采样率*/
w.setStart_time(sDate); /*置记录开始时间*/
w.setEnd_time(eDate); /*置记录结束时间*/
w.setRec_lenth((int)duration); /*置记录长度*/
w.setEW_PGA((float)result.getEwPGA()); /*置东西向PGA*/
w.setNS_PGA((float)result.getNsPGA()); /*置北南向PGA*/
w.setUD_PGA((float)result.getUdPGA()); /*置垂直向PGA*/
w.setEW_PGV((float)result.getEwPGV()); /*置东西向PGV*/
w.setNS_PGV((float)result.getNsPGV()); /*置北南向PGV*/
w.setUD_PGV((float)result.getUdPGV()); /*置垂直向PGV*/
w.setIntensity((float)result.getIntensity()); /*置烈度*/
w.setSub_time(new Date()); /*置提交时间*/
w.setOperator("sys"); /*置操作者,缺省为sys*/
w.setFlag(event.getFlags()); /*置事件类型*/
w.setWaveform(event.getBs()); /*存储波形文件*/
图3 事件数据展示页
Fig.3 Display page of event data
2.4 强震动事件参数自动处理模块
当“强震动记录器的接口模块”驱动事件数据流接收任务时,直接解码三分向数据,并根据通道位置和极性确定正确的三分向数据。然后按照事件前20 s的样本对三分向数据进行基线校正,积分出速度和位移时程,结合仪器参数进行单位换算后,求取峰值加速度PGA、峰值速度PGV和峰值位移PGD。最后,按照“〔2015〕18号《仪器地震烈度计算暂行规程》”的烈度算法 中国地震局.2015.仪器地震烈度计算暂行规程.(金星等,2013),计算仪器地震烈度I。“强震动事件参数自动处理模块”实现了强震动参数的自动计算和存储入库,为强震动记录报告单、强震动记录分析结果、强震动观测简报、峰值加速度、峰值速度和仪器烈度等报表及分布图件的生成提供了可调用的结果数据(Worden,Wald,ORDEN2010),如图4所示。该模块的核心实现过程如下:
(1)解码三分向数据,从数据库中匹配通道位置和极性,确定正确的三分向数据。
(2)取事件前20 s的样本均值进行零线校正,用线性加速度法积分出速度和位移时程,求PGA,PGV值。即在程序中,按照下面的式(1)和(2),在t=0时,取Vt=0,Dt=0,逐次计算出速度和位移时程,并分别取其最大值,最后合成三分向的PGA和PGV,具体算式如下:
Vt+Δt=Vt+(At+At+Δt)(Δt)/2(1)
Dt+Δt=Dt+VtΔt+((At)/3+(A<sub>t+Δt)/6)(Δt)2(2)
式中:V为速度值; A为加速度值; D为位移值; Δt为一个采样点的时间间隔; t为某个采样点的时间。
(3)计算由峰值加速度得到的仪器烈度IPGA或由峰值速度得到的IPGV:
IPGA=3.20lg(PGA)+6.59(3)
IPGV=2.96lg(PGV)+9.78(4)
当IPGA和IPGV均大于等于6.0时,则仪器地震烈度I取IPGV,如式(5)所示; 否则取IPGA和IPGV的算术平均值,如式(6)所示:
I=IPGV(IPGV≧6.0且IPGA≧6.0)(5)
I=(IPGV+IPGA)/2(IPGV<6.0且IPGA<6.0)(6)
图4 强震动参数展示页
Fig.4 Display page of strong motion parameters
2.5 强震动台网交互分析数据处理模块
为方便强震动台网工作人员交互分析、校核强震动事件参数及提交事件入库,该系统软件还专门设计了桌面版的“强震动台网交互分析数据处理模块”,如图5所示。该模块的开发,力求
界面简洁、友好、易用、通用,除沿用“强震动事件参数自动处理模块”的大部分功能外,还扩充了部分常用的功能。具体包括基线校正、仿真速度、仿真位移、反应谱计算、仪器烈度计算、傅立叶谱计算、功率谱计算、自相关系数计算、
图5 强震动台网交互分析数据处理软件
Fig.5 Data processing software of mutual analysis for strong motion network
波形显示、反应谱曲线显、傅立叶谱曲线显示和功率谱曲线显示、ASCII格式,MiniSEED格式和SEED格式转换、事件文件及结果参数入库等。该模块用Java SE 8实现上述数据处理方法,用JFreeChart和JCommon类库来实现波形及其他曲线图的绘制及显示。本模块的具体实现所占篇幅较大,将另外行文介绍。
2.6 报表自动生成模块
因日常业务的需要,根据《强震动台网运行维护与管理细则》的规定,该模块设计了远程通讯检查报表、远程通讯及功能测试结果上报表的自动生成模板。按照选定的某个台网或某个台站的条件,由相应的模板批量自动生成指定时间内的报表,取代传统手工填报的方式,减轻了台网工作人员的劳动强度。“台站运行状态准实时监控模块”为远程通讯检查报表、远程通讯及功能测试结果上报表提供了必要的结果信息,“报表自动生成模块”仅仅需要通过DAO,从底层数据库的远程通讯检查数据表中提取信息,生成相应的报表。
