趙銀剛王 晨譚 婧劉慶杰1）中國山東262100安丘地震臺2）中國北京100081中國地震局地球物理研究所3）中國遼寧110162沈陽炮兵學(xué)院4）中國河北065201防災(zāi)科技學(xué)院

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基于云計(jì)算的強(qiáng)震預(yù)警軟件開發(fā)

趙銀剛1)王 晨2)譚 婧3)劉慶杰4)
1）中國山東262100安丘地震臺2）中國北京100081中國地震局地球物理研究所3）中國遼寧110162沈陽炮兵學(xué)院4）中國河北065201防災(zāi)科技學(xué)院

摘要依托專業(yè)地震監(jiān)測臺網(wǎng)，采用云技術(shù)環(huán)境，利用Java開發(fā)平臺，開展地震早期預(yù)警軟件系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)研究，研制一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的地震早期預(yù)警軟件系統(tǒng)，并在中國地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)和試驗(yàn)場開展系統(tǒng)試驗(yàn)，建立信息發(fā)布平臺，實(shí)現(xiàn)預(yù)警參數(shù)和地理信息的近實(shí)時動態(tài)發(fā)布。該軟件在地震事件觸發(fā)準(zhǔn)確率、誤觸發(fā)判斷及信息發(fā)布速度等方面具有一定創(chuàng)新，從而提高地震預(yù)警信息的時效性和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞強(qiáng)震預(yù)警；云計(jì)算；多線程技術(shù)；功能模塊

0 引言

地震預(yù)警（Earthquake Early Warning，EEW）技術(shù)作為震災(zāi)預(yù)防的新手段，已經(jīng)在多個地震多發(fā)國家和地區(qū)引起重視并得到應(yīng)用（趙紀(jì)東等，2009）。地震預(yù)警系統(tǒng)的基本硬件組成（袁志祥等，2007）為：地震監(jiān)測系統(tǒng)（數(shù)字化實(shí)時強(qiáng)震儀）→通信系統(tǒng)（電話線、無線撥號上網(wǎng)、中繼站）→控制中心（計(jì)算機(jī)和專業(yè)軟件）→警報(bào)發(fā)布系統(tǒng)（手機(jī)、電子媒體、政府）。整套地震預(yù)警系統(tǒng)的特點(diǎn)應(yīng)該是高度集成、實(shí)時監(jiān)控、飛速響應(yīng)，尤其是飛速響應(yīng)至關(guān)重要。地震預(yù)警作為一種以秒計(jì)的“超級地震速報(bào)”，每1 s均是決定地震預(yù)警成敗的關(guān)鍵。地震預(yù)警信息的發(fā)布過程涉及數(shù)據(jù)傳輸、處理、信息確認(rèn)等環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)均會消耗一定時間（殷海濤等，2012；張晁軍等，2013；張紅才，2013）。由于地震動參數(shù)獲取的速度和精度直接影響到地震預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行的效率和準(zhǔn)確度，因此數(shù)據(jù)傳輸處理系統(tǒng)也是需要重點(diǎn)保障和維護(hù)的子系統(tǒng)。本文基于云計(jì)算技術(shù)開發(fā)強(qiáng)震預(yù)警軟件，并在示范區(qū)開展系統(tǒng)試驗(yàn)，建立信息發(fā)布平臺，實(shí)現(xiàn)預(yù)警參數(shù)和地理信息的近實(shí)時動態(tài)發(fā)布。在地震事件觸發(fā)準(zhǔn)確率、誤觸發(fā)判斷以及信息發(fā)布速度等方面有一定創(chuàng)新，從而進(jìn)一步提高預(yù)警信息的時效性和準(zhǔn)確性。

1 總體構(gòu)架

本文所涉及的強(qiáng)震預(yù)警軟件系統(tǒng)由參數(shù)管理、數(shù)據(jù)匯集服務(wù)、事件觸發(fā)判斷、自動震相拾取、自動定位、震級估算、烈度估算、Web信息發(fā)布等模塊組成。系統(tǒng)集成后分為用戶層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層。搭建環(huán)境采用云技術(shù)，利用Java平臺開發(fā)編制各功能模塊及集成模塊，程序編制注重系統(tǒng)運(yùn)行的快速、自動處理和實(shí)用化功能，盡量實(shí)現(xiàn)智能化，減少人機(jī)操作，提高產(chǎn)出速度。

圖1為強(qiáng)震預(yù)警軟件系統(tǒng)構(gòu)架示意圖。其中，數(shù)據(jù)層主要是數(shù)據(jù)獲取，從設(shè)備或離線數(shù)據(jù)文件中獲取數(shù)據(jù)，通過TCP SOCKET提供后續(xù)模塊使用。臺網(wǎng)基礎(chǔ)信息可通過TCP SOCKET，從數(shù)據(jù)服務(wù)模塊獲取。應(yīng)用層主要是系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能模塊，包括誤觸發(fā)判斷、事件觸發(fā)判斷、震相拾取、事件定位、震級估算、烈度估算等功能模塊。在應(yīng)用層中采用多線程技術(shù)和分布式計(jì)算技術(shù)，以共享數(shù)據(jù)區(qū)動態(tài)震相數(shù)據(jù)為耦合點(diǎn)，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，縮短計(jì)算時間，充分利用CPU資源。用戶層主要包括面向?qū)I(yè)用戶的參數(shù)管理模塊和面向公眾用戶的預(yù)警信息發(fā)布模塊。預(yù)警信息發(fā)布模塊通過Web Service服務(wù)與后臺模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

圖1　系統(tǒng)構(gòu)架Fig.1 System architecture diagram

圖2　物理機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig.2 Physical network topology

1.1 分布式云計(jì)算環(huán)境搭建

物理機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲性骗h(huán)境搭建采用5臺高性能服務(wù)器，通過2個網(wǎng)口分別連接2臺千兆交換機(jī)。5臺服務(wù)器中的1臺做控制節(jié)點(diǎn)，其他4臺做計(jì)算節(jié)點(diǎn)兼存儲節(jié)點(diǎn)。2臺交換機(jī)中1臺與行業(yè)網(wǎng)相連，用于外部通訊，另1臺進(jìn)行私有云內(nèi)部通訊；臺式機(jī)作為監(jiān)控用機(jī)。圖2為物理機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

OpenStack是一個開源的云計(jì)算管理平臺項(xiàng)目，以Apache許可證授權(quán)，由美國國家航空航天局和Rackspace合作研發(fā)，該項(xiàng)目由幾個主要組件組合完成某些具體工作。Ubuntu Linux是OpenStack的主要操作系統(tǒng)，本軟件采用最新的64位版本Ubuntu Server安裝、配置OpenStack，搭建私有云環(huán)境。

1.2 多線程技術(shù)應(yīng)用

線程是程序運(yùn)行的基本執(zhí)行單元。操作系統(tǒng)（不包括單線程操作系統(tǒng)）執(zhí)行程序時，在系統(tǒng)中建立一個進(jìn)程，且必須至少建立一個線程（此線程稱為主線程）作為該程序運(yùn)行的入口點(diǎn)。合理的使用線程，可充分利用CPU資源，簡化編程模型及異步事件的處理，減少開發(fā)和維護(hù)成本，使GUI更有效率，改善應(yīng)用程序性能。

Java是純面向?qū)ο笳Z言，通過Thread類將線程必須的功能封裝起來。有3種方法可以實(shí)現(xiàn)多線程：①繼承Thread類實(shí)現(xiàn)多線程；②以Runnable接口方式實(shí)現(xiàn)多線程；③使用Executor Service、Callable、Future，實(shí)現(xiàn)有返回結(jié)果的多線程。

2 功能模塊接口封裝

2.1 數(shù)據(jù)匯集服務(wù)

數(shù)據(jù)匯集服務(wù)分為3部分：①實(shí)時數(shù)據(jù)匯集服務(wù)程序，提供測震、強(qiáng)震與GPS波形數(shù)據(jù)；②離線數(shù)據(jù)服務(wù)程序，將數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為模擬實(shí)時數(shù)據(jù)流，模擬實(shí)際臺網(wǎng)觀測環(huán)境；③客戶端讀取接口程序，以TCP SOCKET方式從數(shù)據(jù)匯集服務(wù)器獲取臺站的信息和數(shù)據(jù)，采用Java語言開發(fā)，方便與系統(tǒng)集成。數(shù)據(jù)匯集服務(wù)在運(yùn)行前需進(jìn)行臺網(wǎng)參數(shù)、速度結(jié)構(gòu)模型等配置，服務(wù)框架見圖3。

圖3　數(shù)據(jù)匯集服務(wù)框架Fig.3 Data collection service block diagram

客戶端接口模塊采用雙數(shù)據(jù)緩沖方式，兩個緩沖區(qū)的作用分別是：①存儲從流服務(wù)接收到的數(shù)據(jù)，緩沖區(qū)中各通道循環(huán)隊(duì)列長度為10 s；②為事件觸發(fā)檢測模塊提供數(shù)據(jù)，循環(huán)隊(duì)列長度為事件觸發(fā)檢測模塊數(shù)據(jù)分析總長度。程序創(chuàng)建單獨(dú)線程，每間隔20 ms 對1號緩沖區(qū)進(jìn)行檢查，有新數(shù)據(jù)時將新數(shù)據(jù)追加到2號緩沖區(qū)，然后啟動事件觸發(fā)檢測模塊。采用雙緩沖區(qū)的優(yōu)點(diǎn)是，在事件觸發(fā)檢測模塊占用緩沖區(qū)進(jìn)行計(jì)算時，不影響數(shù)據(jù)接收。

2.2 地震波形實(shí)時顯示

基于Web頁面的地震波形實(shí)時顯示模塊，在瀏覽器中使用High Chart JS組件，顯示地震實(shí)時波形，后臺應(yīng)用服務(wù)器通過Servlet從波形服務(wù)器獲取實(shí)時波形數(shù)據(jù)，利用Ajax技術(shù)，將波形數(shù)據(jù)傳遞到前臺展示。波形顯示界面提供波形顯示時間長度控制、通道控制、縱軸放大等功能。波形顯示時間長度分為30 s、60 s和120 s等3種模式，可通過下拉菜單選擇控制。波形顯示長度為120 s時，因需要緩存的數(shù)據(jù)包較多，需要工作站具有較高性能。通道控制菜單可以單獨(dú)控制垂直、東西、南北3個通道的顯示情況，未選中則相應(yīng)通道圖形不顯示。圖4為基于Web的波形實(shí)時顯示框架。

2.3 地震事件觸發(fā)檢測

震相分析是波形數(shù)據(jù)中提取數(shù)據(jù)的主要手段，快速確定地震參數(shù)是地震預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)之一，關(guān)系到預(yù)警時間的長短。地震事件觸發(fā)檢測模塊的功能是，從實(shí)時數(shù)據(jù)流中計(jì)算提取臺站震相信息，包括P波、S波的觸發(fā)時間、位移幅度、卓越周期。提取時間的時效性關(guān)乎全局預(yù)警時間，因此本模塊采用Java多線程和分布式計(jì)算技術(shù)，以縮短每次計(jì)算時間。模塊采用全局動態(tài)數(shù)組存放提取的震相信息，作為與其他模塊交互的接口，減少與其他模塊的耦合，提高程序的靈活性。地震事件觸發(fā)檢測模塊主要有管理線程和識別計(jì)算線程2部分。管理線程負(fù)責(zé)初始化相關(guān)參數(shù)、輪詢臺站數(shù)據(jù)和創(chuàng)建啟動計(jì)算線程；識別計(jì)算線程負(fù)責(zé)將波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式計(jì)算分析，將最終震相結(jié)果返回管理線程。圖5為地震事件觸發(fā)檢測管理線程流程。

圖4　基于Web的波形實(shí)時顯示框架Fig.4 The real-time wave display based on Web

圖5　地震事件觸發(fā)檢測管理線程流程Fig.5 Detection management fl ow chart of seismic event trigger

2.4 誤觸發(fā)判斷模塊

誤觸發(fā)判斷采用2種方法：①基于V圖和走時，找出其中不合理的臺站；②根據(jù)臺站與周邊臺站的距離、波速及周邊臺站的觸發(fā)情況，判斷該臺是否為誤觸發(fā)。

對于1組觸發(fā)臺站，根據(jù)Delaunay三角網(wǎng)空間分布，對相鄰臺站進(jìn)行分組，每組臺站中，根據(jù)兩兩走時差判定此臺站是否滿足走時原理，從而為臺站誤觸發(fā)檢測提供依據(jù)。程序流程見圖6。

對于動態(tài)觸發(fā)的1組臺站，根據(jù)臺站間距和P波波速計(jì)算周邊臺站的傳播時間，如果傳播時間與臺站觸發(fā)后的時間差超出預(yù)設(shè)值，則認(rèn)為臺站是誤觸發(fā)，判斷流程見圖7。

具體判斷檢測流程如下：從動態(tài)震相數(shù)組中獲取震相信息進(jìn)行V圖分組；對組內(nèi)震相做走時檢驗(yàn)，刪除不符合走時的震相；對組內(nèi)震相做Pd、τc檢驗(yàn)，未通過檢驗(yàn)則刪除該組震相；如果組內(nèi)有一個或兩個臺站，計(jì)算每個臺站距周邊臺站的最大距離內(nèi)P波走時T1，并計(jì)算P波觸發(fā)時間到目前的時間差T2；如果T2＞ T1，則刪除該組震相，否則進(jìn)行定位、震級計(jì)算、烈度計(jì)算、信息發(fā)布等操作；如果組內(nèi)有3個以上臺站，確認(rèn)為地震事件，從震相數(shù)組中清除其他組的震相后，進(jìn)行定位、震級計(jì)算、烈度計(jì)算、信息發(fā)布等操作。

圖6　臺站誤觸發(fā)流程Fig.6 False trigger in monitoring station

圖7　臺站誤觸發(fā)判斷流程Fig.7 False trigger judgment in monitoring station

3 系統(tǒng)離線測試

選取山東省內(nèi)7個震例（2 ≤ M ＜ 5）、國內(nèi)17個震例（4 ≤ M ≤ 8.2）、日本陸地6個震例（5.9 ≤ M ≤ 7.0），共計(jì)30個震例用于強(qiáng)震預(yù)警系統(tǒng)離線測試，其中國內(nèi)震例中有2個震例前3個觸發(fā)臺站既有測震臺又有強(qiáng)震臺。測試結(jié)果表明，強(qiáng)震預(yù)警軟件可在地震監(jiān)測能力一定條件下，最大程度地提高預(yù)警信息的時效性和準(zhǔn)確性，中強(qiáng)地震（M ≥ 5）觸發(fā)率為100%，隨著觸發(fā)臺站增多系統(tǒng)不斷對震中位置、震級及震中最大烈度進(jìn)行修訂，預(yù)警信息通過信息發(fā)布平臺實(shí)時發(fā)布。同時發(fā)現(xiàn)，因建立震級計(jì)算關(guān)系式時缺少M(fèi)S7.0以上地震數(shù)據(jù)樣本，導(dǎo)致較大地震（MS7.0以上）的震級測定偏差較大。

4 結(jié)束語

搭建環(huán)境采用云技術(shù)，利用Java開發(fā)平臺，開展地震早期預(yù)警軟件系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)研究，并在山東省示范區(qū)開展系統(tǒng)離線測試，建立信息發(fā)布平臺，實(shí)現(xiàn)預(yù)警參數(shù)和地理信息的近實(shí)時動態(tài)發(fā)布，以期在強(qiáng)震預(yù)警實(shí)踐中取得實(shí)效。

參考文獻(xiàn)

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Strong earthquake early warning software development based on cloud computing

Zhao Yingang1)，Wang Chen2)，Tan Jing3)and Liu Qingjie4)
1) Anqiu Seismic Station， Shandong Province 262100， China 2) Institute of Geophysics， China Earthquake Administration， Beijing 100081， China 3) Shenyang Artillery Academy， Liaoning Province 110162， China 4) Institute of Disaster Prevention Science and Technology， Hebei Province 065201， China

Abstract

Relying on professional earthquake monitoring network， using cloud technology environment and Java development platform， we had developed the key technologies in earthquake early warning software system with independent intellectual property rights. The system testing is carried out in earthquake-prone regions and testing sites of China， which build an information release platform， implementing early warning parameters and geographical information near realtime dynamic publishing. The timeliness and accuracy of early warning information had been further improved based on seismic event trigger accuracy， false trigger judgment and information releasing speed innovations.

Key words：strong earthquake early warning，cloud computing，multi-threading technology，function module

doi:10. 3969/j. issn. 1003-3246. 2016. 01. 027

基金項(xiàng)目：國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“面向公眾的地震監(jiān)測預(yù)警技術(shù)研究與集成示范”（編號：2012BAK19B04）、地震科技星火計(jì)劃項(xiàng)目“基于Android平臺的前兆管理系統(tǒng)監(jiān)控軟件研制”（編號：XH13038Y）

作者簡介：趙銀剛（1978—），男，山東諸城人，主要從事地震監(jiān)測工作與研究

本文收到日期：2015-07-09