田 野，郝 臻，王小娟，牛延平，王建軍，2

0 引言

中國(guó)地震前兆臺(tái)網(wǎng)作為我國(guó)目前規(guī)模最大的地震前兆監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)，涉及多項(xiàng)學(xué)科，是國(guó)內(nèi)地震前兆數(shù)據(jù)共享服務(wù)的主要數(shù)據(jù)來(lái)源 (周克昌等，2009;楊滿棟等，2000)。中國(guó)地震前兆數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了地震前兆數(shù)據(jù)的逐級(jí)自動(dòng)采集、交換、匯集以及野外觀測(cè)儀器的網(wǎng)絡(luò)化控制，為前兆臺(tái)網(wǎng)統(tǒng)一規(guī)范的運(yùn)行、觀測(cè)數(shù)據(jù)的整合與數(shù)據(jù)共享服務(wù)提供了可靠的技術(shù)支撐平臺(tái)。

“十五”前兆數(shù)字地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)工程項(xiàng)目和“九五”并網(wǎng)改造工程的建設(shè)及運(yùn)行，使各省前兆臺(tái)網(wǎng)的大多數(shù)數(shù)字地震監(jiān)測(cè)儀器接入地震局行業(yè)網(wǎng)，大大簡(jiǎn)化了區(qū)域臺(tái)網(wǎng)維護(hù)的復(fù)雜度，為觀測(cè)數(shù)據(jù)的管理和科學(xué)共享提供了極大便利。然而，部分觀測(cè)儀器不能并網(wǎng)接入“十五”前兆臺(tái)網(wǎng)的現(xiàn)象依然普遍存在，并且隨著地震前兆理論研究和探測(cè)方法的不斷進(jìn)步，多種結(jié)構(gòu)各異、類型繁多的前兆數(shù)據(jù)將源源不斷地產(chǎn)生，這都對(duì)“十五”前兆數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的適用性和穩(wěn)定性提出了新的挑戰(zhàn)。

本文介紹了一種新的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的實(shí)施方案，旨在解決目前存在的部分前兆儀器不能并入“十五”前兆數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，以及該類儀器產(chǎn)出的數(shù)據(jù)無(wú)法自動(dòng)入庫(kù)的問(wèn)題，并對(duì)該實(shí)施方案的運(yùn)行情況及存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析和展望。

1 運(yùn)行現(xiàn)狀

“十五”前兆臺(tái)網(wǎng)充分利用計(jì)算機(jī)通信技術(shù)，將前兆數(shù)據(jù)系統(tǒng)部署在網(wǎng)絡(luò)上，通過(guò)基于web的采集管理軟件和數(shù)據(jù)處理軟件，實(shí)現(xiàn)了前兆數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理及數(shù)據(jù)資源的共享和開(kāi)放?！笆濉鼻罢着_(tái)網(wǎng)信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳控流程如圖1所示 (馬文娟等，2010;黃暉，2008)。相對(duì)于早期的前兆系統(tǒng)，“十五”前兆數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)以太網(wǎng)、采用基于TCP/IP協(xié)議的SOCKET連接的前兆臺(tái)網(wǎng)專用設(shè)備與客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換 (中國(guó)地震局，2005a，b)，其傳輸模式有著明顯的優(yōu)勢(shì)，它使觀測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸和管理更加高效、安全、便捷，這種模式是信息網(wǎng)絡(luò)化的必然要求。

圖1 “十五”數(shù)據(jù)傳控流程圖Fig.1 The flow chart of data transmission and control for“Tenth Five-Years”data

甘肅省地震局前兆臺(tái)網(wǎng)目前仍存在部分非“十五”標(biāo)準(zhǔn) (以下簡(jiǎn)稱“非標(biāo)”)儀器，其數(shù)據(jù)格式與數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)指標(biāo)無(wú)法與“十五”前兆數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)兼容，只能由人工完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及傳輸?shù)裙ぷ?，效率低且成本高，安全性和可靠性差。因此將非?biāo)數(shù)據(jù)自動(dòng)納入“十五”前兆數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)已成當(dāng)務(wù)之急。

在不更改“十五”模式的運(yùn)行流程且不影響前兆數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性的前提下，較為合理的解決方案主要有兩種:①硬件策略。使用前兆儀器協(xié)議轉(zhuǎn)換器等硬件設(shè)備完成，其功能在于將“十五”系統(tǒng)所發(fā)送的通信規(guī)程指令信息和其他通信信息進(jìn)行雙向解析，實(shí)現(xiàn)對(duì)非標(biāo)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)、采集和儀器控制等功能。該方案需要在應(yīng)用程序服務(wù)器端或前兆儀器端增加新的協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備 (王秀英等，2004;何案華等，2008);②軟件策略。開(kāi)發(fā)“十五”數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換專用軟件，在數(shù)據(jù)采集后和入庫(kù)前，根據(jù)相關(guān)通信協(xié)議完成數(shù)據(jù)格式的標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換。該方案只需在應(yīng)用程序服務(wù)器端部署數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件即可 (王軍等，2008;崔慧敏等，2004)。

硬件策略存在實(shí)現(xiàn)和部署成本過(guò)高等缺點(diǎn);而軟件策略具有低成本、方便部署、靈活且易修改等優(yōu)點(diǎn)。因此本工作采用軟件策略完成非標(biāo)數(shù)據(jù)并入“十五”前兆數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的任務(wù)。

2 實(shí)施方案

非標(biāo)數(shù)據(jù)在采集后，以文本文件的形式存儲(chǔ)于原始數(shù)據(jù)服務(wù)器中，作為輸入數(shù)據(jù)參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件的處理;部署于應(yīng)用程序服務(wù)器上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件負(fù)責(zé)輸出“十五”標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)文件，并將輸出文件上傳至“十五”前兆數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)服務(wù)器中以備入庫(kù)。整體處理過(guò)程如圖2所示。

圖2 非標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)到標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換處理過(guò)程Fig.2 Transform process from the non-standard data to the“Tenth Five-Years”standard one

2.1 數(shù)據(jù)同步

如圖2所示，數(shù)據(jù)文件的傳輸涉及到3臺(tái)服務(wù)器間的文件同步問(wèn)題，分別是應(yīng)用程序服務(wù)器與原始數(shù)據(jù)服務(wù)器間、“十五”管理系統(tǒng)服務(wù)器與應(yīng)用程序服務(wù)器間的數(shù)據(jù)通訊。文件同步是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件獲得即時(shí)輸入文件、生成輸出文件并及時(shí)入庫(kù)的前提。

鑒于服務(wù)器的操作系統(tǒng)各異 (原始數(shù)據(jù)服務(wù)器和應(yīng)用程序服務(wù)器均為Windows，前兆數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)服務(wù)器是Suse Linux)，因此考慮使用Rsync作為服務(wù)器間文件同步的工具。Linux操作系統(tǒng)中自動(dòng)集成了 Rsync，而在 Windows平臺(tái)上則部署cwRsync軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)文件同步。

2.2 轉(zhuǎn)換流程設(shè)計(jì)

研究工作的主要環(huán)節(jié)為將非標(biāo)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為“十五”前兆數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)兼容的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，考慮到軟件的靈活性和擴(kuò)展性，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件應(yīng)具備以下幾個(gè)特征:

(1)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件的運(yùn)行只與邏輯流程有關(guān)，和需要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)及其格式無(wú)關(guān);

(2)軟件可以適應(yīng)需要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)類型的增加、刪除、修改等變更操作;

(3)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換算法與軟件的編譯運(yùn)行相互獨(dú)立，算法不會(huì)影響軟件運(yùn)行的穩(wěn)定性。

圖3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方案工作流程圖Fig.3 The working flow chart of data transformation scheme

圖3 顯示了轉(zhuǎn)換軟件在應(yīng)用程序服務(wù)器中的工作流程，該工作流程以上述特征為設(shè)計(jì)前提，其中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法由用戶根據(jù)原始數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的格式設(shè)計(jì)，以函數(shù)的形式組織編寫(xiě)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件具有編譯數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法和執(zhí)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換兩個(gè)主要作用。前者將算法編譯為程序可識(shí)別的入口文件備用;后者通過(guò)數(shù)據(jù)監(jiān)聽(tīng)模塊獲知原始數(shù)據(jù)的接收狀況，并通知數(shù)據(jù)分揀模塊實(shí)時(shí)獲得原始數(shù)據(jù)。程序根據(jù)原始數(shù)據(jù)的類型選擇對(duì)應(yīng)的算法程序入口文件，之后運(yùn)行轉(zhuǎn)換功能將其保存為標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)，最后通過(guò)數(shù)據(jù)上傳模塊將轉(zhuǎn)換后的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)上傳到“十五”前兆數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)服務(wù)器以備其他程序使用。

考慮到文件傳輸?shù)陌踩?，上述流程中的?shù)據(jù)監(jiān)聽(tīng)、數(shù)據(jù)分揀和數(shù)據(jù)上傳模塊均由數(shù)據(jù)文件同步完成。

2.3 動(dòng)態(tài)編譯與執(zhí)行

在具體實(shí)施中引入動(dòng)態(tài)編譯技術(shù)以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換流程所要求的3個(gè)特征。動(dòng)態(tài)編譯技術(shù)允許在程序運(yùn)行時(shí)加入額外的編譯信息以完成特定功能 (崔慧敏等，2004)，其優(yōu)點(diǎn)在于減少了程序主體的體積，并且增強(qiáng)了程序的可擴(kuò)展性;但另一方面，該技術(shù)也增加了程序框架的邏輯復(fù)雜度，使系統(tǒng)運(yùn)行效能有所降低，并且對(duì)程序的內(nèi)存管理提出較高要求。

程序框架采用Microsoft Visual Studio的.Net Framework開(kāi)發(fā)平臺(tái)完成，.Net在System.CodeDom.Compiler命名空間中封裝了各種支持指定編程語(yǔ)言源代碼的生成和編譯管理的類與接口，這些類與接口提供了實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)編譯功能的方法。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件的動(dòng)態(tài)編譯與執(zhí)行的運(yùn)行框架如圖4所示。程序在運(yùn)行時(shí)，首先檢測(cè)轉(zhuǎn)換算法是否存在變更，如果存在變更，則利用編譯模塊將以文件形式存在的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法動(dòng)態(tài)編譯為動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù) (dll)文件;之后程序的執(zhí)行模塊將dll文件加載到新開(kāi)辟的應(yīng)用程序域中，利用反射機(jī)制，遠(yuǎn)程調(diào)用dll文件提供的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法，輸入原始數(shù)據(jù)完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工作，最后銷(xiāo)毀新的應(yīng)用程序域及其內(nèi)存占用。這種設(shè)計(jì)有效改進(jìn)了動(dòng)態(tài)編譯在運(yùn)行效率和內(nèi)存管理等方面的不足。

圖4 動(dòng)態(tài)編譯與執(zhí)行的運(yùn)行框架Fig.4 The operating framework of dynamic compilation and execution

2.4 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

動(dòng)態(tài)編譯與執(zhí)行的運(yùn)行框架提供了程序中算法編譯和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊的運(yùn)行邏輯，其具體步驟如下:

(1)構(gòu)建數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換代碼。獲取所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法的代碼，生成包含完整命名空間以及轉(zhuǎn)換算法類的代碼文件。

(2)編譯代碼文件。.Net的CSharpCodeProvider類提供動(dòng)態(tài)編譯功能，利用該類的CompileAssemblyFromSource方法編譯第1步得到的代碼文件，生成唯一的轉(zhuǎn)換算法類的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，保存到程序指定目錄。

(3)創(chuàng)建遠(yuǎn)程訪問(wèn)類和跨程序應(yīng)用域調(diào)用的接口。新建繼承于遠(yuǎn)程訪問(wèn)類MarshalByRefObject的子類RemoteInvoker，實(shí)現(xiàn)其創(chuàng)建遠(yuǎn)程訪問(wèn)程序應(yīng)用域的功能;新建接口IRemoteInf，實(shí)現(xiàn)其跨應(yīng)用程序域調(diào)用方法，用于執(zhí)行指定的算法函數(shù)。

(4)開(kāi)辟新的應(yīng)用程序域。利用AppDomain類的CreateDomain方法生成一個(gè)新的可管理的應(yīng)用程序域appDom，以下的步驟皆在此空間中運(yùn)行。

(5)加載數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換代碼。利用應(yīng)用程序域類AppDomain的方法CreateInstance的創(chuàng)建RemoteInvoker的一個(gè)實(shí)例，并加載轉(zhuǎn)換算法的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。

(6)調(diào)用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能。利用第5步的實(shí)例，實(shí)現(xiàn)接口IRemoteInf調(diào)用函數(shù)的功能，完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。該步驟使用反射機(jī)制，從當(dāng)前應(yīng)用程序域遠(yuǎn)程調(diào)用appDom域中的相關(guān)功能。

在上述步驟中，第1、2步只在新建或者更新數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法時(shí)執(zhí)行;第3、4步的作用為在主程序應(yīng)用域之外創(chuàng)建新的應(yīng)用域空間，用于管理內(nèi)存中動(dòng)態(tài)執(zhí)行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，并為主程序提供了跨程序域調(diào)用的方法;第5、6步在執(zhí)行轉(zhuǎn)換時(shí)將生成的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)加載到內(nèi)存中的指定應(yīng)用程序域中，利用反射調(diào)用需要的轉(zhuǎn)換方法。結(jié)合圖3可以看出，轉(zhuǎn)換算法是以類似于插件的形式參與到程序的運(yùn)行中的，更新、增加算法只需要對(duì)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件進(jìn)行相關(guān)操作即可，無(wú)需改動(dòng)程序，保證了算法和轉(zhuǎn)換程序之間的獨(dú)立性。

具體編碼實(shí)現(xiàn)如下:

//創(chuàng)建編譯參數(shù)實(shí)例，加載引用、設(shè)置動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)輸出路徑，arithmeticName代表算法名稱

CSharpCodeProvider objCompPara=new CSharp-CodeProvider();

objCompPara.ReferencedAssemblies.Add("System.dll");

objCompParaOutputAssembly="arithmetic Name.dll";

//創(chuàng)建 CSharpCodePrivoder對(duì)象 cp，source-Code為代碼文件 (實(shí)現(xiàn)步驟2)

CSharpCodeProvider cp=new CSharpCodeProvider();

cp.CompileAssemblyFromSource(objCompPara，sourceCode);

//創(chuàng)建應(yīng)用程序域 (實(shí)現(xiàn)步驟4)，名稱為DataTransformation

AppDomain appDom=AppDomain.CreateDomain("DataTransformation"，null，objSetup);

//創(chuàng)建遠(yuǎn)程訪問(wèn)類對(duì)象ri，RemoteInvoker繼承自MarshalByRefObject(實(shí)現(xiàn)步驟5)

RemoteInvoker ri=(RemoteInvoker)appDom.CreateInstance("RemoteInvoke"，"RemoteInvoke.RemoteInvoker").Unwrap();

//加載動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，加載轉(zhuǎn)換算法類 (實(shí)現(xiàn)步驟5)

object obj=ri.Create("arithmeticName.dll"，"DynComp.DataTransformation"，null);

//調(diào)用轉(zhuǎn)換算法 (實(shí)現(xiàn)步驟6)，objArithmeticParams為算法所需的輸入?yún)?shù)

IRemoteInf iri=(IRemoteInf)obj;

iri.Invoke("arithmeticName"，objArithmetic Params);

3 實(shí)施結(jié)果

目前甘肅省前兆臺(tái)網(wǎng)共有17臺(tái) (套)儀器產(chǎn)出的非標(biāo)數(shù)據(jù)使用本文的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方案進(jìn)行處理。以ZKGD－3000型中科流體儀水溫?cái)?shù)據(jù)為例，表1和表2分別列出了其原始數(shù)據(jù)格式和轉(zhuǎn)換后的“十五”標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件中的算法根據(jù)此格式編寫(xiě)，處理后的數(shù)據(jù)已經(jīng)完全符合“十五”標(biāo)準(zhǔn)。

在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換前，將每臺(tái)ZKGD－3000型中科流體儀以非在線儀器的形式添加到“十五”管理系統(tǒng)中，它們各自具有唯一的儀器ID標(biāo)識(shí)。之后運(yùn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件實(shí)現(xiàn)非標(biāo)數(shù)據(jù)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換及入庫(kù)。

表1 ZKGD－3000水溫原始數(shù)據(jù)格式Tab.1 The original data format of the underground water temperature recorded by the ZKGD－3000 instrument

表2 ZKGD－3000“十五”標(biāo)準(zhǔn)水溫?cái)?shù)據(jù)格式Tab.2 The data format of the underground water temperature in“Tenth Five-Year”recorded by the ZKGD －3000 instrument

4 總結(jié)與討論

本研究工作以非標(biāo)儀器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換入庫(kù)為出發(fā)點(diǎn)，在總結(jié)歸納“十五”前兆臺(tái)網(wǎng)運(yùn)行流程的基礎(chǔ)上，開(kāi)展相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換實(shí)施方案的工作。處理對(duì)象可以涵蓋各類非標(biāo)儀器的地震前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方案具有一定的拓展前景，同時(shí)也有不足之處，有待在今后的研究工作中進(jìn)一步完善和改進(jìn)。

(1)數(shù)據(jù)的完整性和一致性校驗(yàn)

完整性和一致性校驗(yàn)是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的后續(xù)工作，是轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性的保證。數(shù)據(jù)校驗(yàn)可在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后、上傳前完成，數(shù)據(jù)若通過(guò)完整性和一致性校驗(yàn)則正常上傳，否則重新實(shí)施轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)校驗(yàn)涉及到具體的數(shù)據(jù)內(nèi)容和格式，因此亦可采用動(dòng)態(tài)編譯的方式實(shí)現(xiàn)。

(2)數(shù)據(jù)預(yù)處理

實(shí)施方案設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件，對(duì)處理算法采用了類似于插件的運(yùn)行模式，所以對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象和處理方法都具有較高的兼容性。各種數(shù)據(jù)對(duì)象的處理算法經(jīng)過(guò)適當(dāng)改寫(xiě)，都可運(yùn)行于軟件中。因此本工作研發(fā)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件，除了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的功能以外，還可向多種數(shù)據(jù)預(yù)處理功能拓展，包括異常值識(shí)別、儀器工作日志信息提取、文件格式轉(zhuǎn)換等。

(3)儀器控制功能

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方案的實(shí)現(xiàn)首先必須依賴于儀器產(chǎn)出的原始數(shù)據(jù)已正確傳輸至數(shù)據(jù)服務(wù)器，而部分儀器必須由客戶端向其發(fā)送指令，才會(huì)傳輸數(shù)據(jù)。這導(dǎo)致數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工作的自動(dòng)化流程受到該操作延遲的影響，因此有必要研究?jī)x器客戶端的數(shù)據(jù)采集接口或命令，并將其集成于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件中以實(shí)現(xiàn)儀器自動(dòng)控制功能。

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