2.1 业务流程
为了保证地球物理站网仪器的观测数据可以被完整采集,仪器网络连接、时钟信息等状态可及时呈现,监控系统采用多线程技术设计后台程序,各项功能采用模块化设计的方法实现,模块之间职责明确。监控服务器采用Window Server,通过管理工具中的任务计划程序,作为定时任务进行循环执行,循环时间为5 min。通过循环遍历的仪器信息,实现多套仪器准实时的数据采集、数据异常检测和告警提示。
表1 系统数据库表设计
Tab.1 System database table design
以系统对单台仪器监控为例,业务流程设计如图3所示:
(1)连通性测试。部署测试仪器、时钟服务器网络地址的线程,如果仪器可Ping通,进行后续的数据采集,反之提示网络异常告警,并将告警信息(台站信息、仪器信息、告警类型、时间)存储到数据库。同理,时钟源采用的时钟服务器NTP授时,在定时任务中也通过Ping方法测试其
IP地址是否在线。
(2)仪器数据和状态获取。部署获取仪器当前测量数据和仪器当前状态的程序,通过指令方式获取仪器的观测数据。服务器和仪器建立连接登录后,发送响应的请求指令,仪器收到指令执行后会返回信息,按照通信规程的约定,进行处理解析,并存储到数据库。
(3)时钟源信息获取。搭建基于北斗授时的NTP授时系统,作为时钟源为区域地球物理观测仪器提供授时服务。部署获取NTP服务器时间的程序,解析获取最新的服务器时间作为基准时间,用于对比仪器时间,计算仪器钟差。
图3 仪器监控业务流程设计
Fig.3 Design of instrument monitoring process
(4)数据异常检测。获取仪器测量数据后进行完整性和有效性分析,对每套地球物理仪器按不同测项的观测数据异常检测,并统计数据的当日数据完整率(已收到的数据和应收到的数据比值)。数据异常检测基于滑动窗口技术的阈值判断、差分计算等,结果出现超过或低于判定条件,则以告警提示。
(5)数据库存储。为了保证各类监控信息稳定可靠的存储和管理,包括台站信息、用户信息、仪器信息、仪器观测数据、仪器状态数据、异常告警等,在监控服务器安装数据库,实现数据的存储、检索、更新和删除功能。通过建立数据库,使监控系统能够更好地实现数据的收集、存储、分析和利用。
(6)监控信息展示。用户可根据需求部署监控系统软件,包括网页版、手机App版和调试工具软件。网页版可通过浏览器远程访问监控系统全部信息; 手机App版方便用户在移动端实时查阅系统关键信息; 调试工具包括仪器调试、数据下载导出、仪器基础信息管理等功能。
2.2 功能模块
基于监控系统的业务需求,在开发网页版和手机App版的基础上,配套开发调试工具软件,如图4所示。不同版本的软件功能分类上略有区别,但各有侧重,每个软件版本均包括多个功能模块,各个模块之间相互配合,实现地球物理站网仪器运行监控。
(1)网页版监控系统包括仪器监控、时钟源监控、数据查询、原始报文、下载中心和系统管理6个模块。
(2)手机App版包括异常告警、故障处理、站点管理、仪器管理和用户管理5个模块,分别是网页版仪器监控和系统管理模块的子模块。主要是为用户提供手机端实时异常告警,便于用户查看管理,是网页版的简化版。
(3)调试工具包括通信测试、数据导出、查看波形、设备管理4个模块。
图4 地球物理站网仪器运行监控系统功能模块
Fig.4 Function modules of the monitoring system of the geophysical network's instruments
2.3 核心功能示例
以地球物理仪器数据和状态信息获取为例,系统使用Quartz.NET开源调度框架实现任务调度,开启了2个定时任务,分别是“仪器分钟数据计划任务”和“仪器状态计划任务”,通过cron表达式来设置计划任务的执行事件,通过修改jobs.json配置文件来实现定时执行。为了保证在尽可能短的时间内读取完全部仪器的数据,使用了Task开启多线程,每个仪器开启一个线程去读取数据,使用Socket读取数据,通过登录仪器,以指令获取仪器的分钟数据,实现把获取到的分钟数据返回做下一步的业务处理,如异常判断等,核心代码如下:
string backdata="";
IPAddress myIP=IPAddress.Parse(ip);
IPEndPoint myServer=myServer=newIPEndPoint(myIP,port);
Socket sock=new Socket(AddressFamily.InterNetwork,SocketType.Stream,ProtocolType.Tcp);
Try
{
sock.Connect(myServer);
byte[]bya=System.Text.Encoding.UTF8.GetBytes(cmd1.ToCharArray());
sock.Send(bya,bya.Length,SocketFlags.None);
Thread.Sleep(100); //短暂休眠后再获取数据
int n=sock.Available; //获取当前待读取数据的字符节
if(n>0)
{
Byte[]byaBack=new Byte[n];
sock.Receive(byaBack,n,0);
string lognback=System.Text.Encoding.UTF8.GetString(byaBack);
if(lognback.Index0f("ack")!=-1)
{
byte[]byaSend=System.Text.Encoding.UTF8.GetBytes(cmd2.ToCharArray());
sock.Send(byaSend,byaSend.Length,SocketFlags.None);
Thread.Sleep(100);
int nBack=sock.Available;
if(nBack >0)
{
Byte[]byaBackData=new Byte[nBack];
sock.Receive(byaBackData,nBack,0);
backdata=System.Text.Encoding.UTF8.GetString(byaBackData);
//return backdata;
}
}
}
}
,若
>1 s,通过控制指令以时钟源时间对仪器校时,再次重新读取仪器时间和时钟源, 再对比2个时间,如果
>1 s,判定为时钟异常信息,在监控系统提供告警或根据用户需求由系统直接修正仪器时钟。
