池海江，馬 棟，白亞東，溫 佳

(1.河北省地震局懷來地震臺(tái)，河北 張家口 075400；2.河北省地震局，石家莊 050021)

前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)告警軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

池海江1，馬 棟2，白亞東1，溫 佳1

(1.河北省地震局懷來地震臺(tái)，河北 張家口 075400；2.河北省地震局，石家莊 050021)

針對(duì)地震前兆觀測(cè)無法實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)觀測(cè)異常的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一套小型短信告警應(yīng)用軟件；利用前兆觀測(cè)設(shè)備收集當(dāng)天數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行簡(jiǎn)單分析來判斷前兆設(shè)備運(yùn)行情況，對(duì)判斷為異常的設(shè)備通過短信方式進(jìn)行告警。系統(tǒng)可及時(shí)掌握儀器工作狀況，有效降低工作量，提高前兆觀測(cè)臺(tái)站日常管理和儀器維護(hù)效率，具有推廣實(shí)用價(jià)值。

前兆；監(jiān)控；短信；告警

0 引言

隨著中國(guó)地震局“十五”改造計(jì)劃的實(shí)施，前兆觀測(cè)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，進(jìn)入了數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)代。按照《數(shù)字化地震前兆臺(tái)網(wǎng)運(yùn)行管理規(guī)定》，臺(tái)站每天通過前兆臺(tái)網(wǎng)管理系統(tǒng)對(duì)前一天數(shù)據(jù)進(jìn)行收取、存儲(chǔ)、預(yù)處理等工作；對(duì)當(dāng)前儀器觀測(cè)工作狀態(tài)檢查要求是“每天定時(shí)對(duì)臺(tái)站前兆儀器和公用設(shè)備工作狀態(tài)進(jìn)行不少于兩次的檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理”。值班人員通過網(wǎng)頁(yè)方式對(duì)儀器進(jìn)行查看，人工輸入每一個(gè)儀器的用戶名、口令，然后文件下載、數(shù)據(jù)查看，通常上、下午各一次。實(shí)際工作中，由于前兆觀測(cè)缺乏實(shí)時(shí)監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)問題一般滯后幾個(gè)小時(shí)，而夜間儀器運(yùn)行情況第二天才能發(fā)現(xiàn)，屬監(jiān)控空白。

目前測(cè)震實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸，有完善的告警系統(tǒng)[1-2]，而前兆觀測(cè)沒有。一個(gè)臺(tái)站的前兆觀測(cè)儀器種類雜，數(shù)量多，一次人工檢查需較長(zhǎng)時(shí)間。日常工作中，多種原因如電源、數(shù)采器、儀器等故障，大震靠擺或超量程都會(huì)造成數(shù)據(jù)缺測(cè)，即數(shù)據(jù)文件中為NULL，或明顯錯(cuò)誤的壞數(shù)、走直線的死數(shù)，或產(chǎn)生較大差值的階躍，成片數(shù)據(jù)超差等，出現(xiàn)這些問題都需要及時(shí)檢查儀器。

短信息服務(wù)是GSM網(wǎng)絡(luò)的一種基本業(yè)務(wù)，通過服務(wù)中心進(jìn)行文本信息收發(fā)，在全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)和漫游，具有隨時(shí)在線、收費(fèi)便宜、穩(wěn)定可靠、覆蓋面廣的特點(diǎn)，不需要單獨(dú)投資運(yùn)營(yíng)和維護(hù)。

本文主要內(nèi)容就是利用現(xiàn)有成熟的技術(shù)手段，設(shè)計(jì)一套小型應(yīng)用軟件，用指令方式定時(shí)依次對(duì)多種前兆儀器連接登錄，采集當(dāng)天數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行簡(jiǎn)單的判斷分析，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀況的判斷。對(duì)于判斷為異常的設(shè)備通過手機(jī)短信方式進(jìn)行有效告警，便于臺(tái)站人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，提高儀器運(yùn)行率和數(shù)據(jù)完整率。

1 軟件設(shè)計(jì)

1.1 硬件配置

發(fā)送短信選用SIM900A，一款由SIMCOM公司工業(yè)級(jí)雙頻GSM/GPRS的通訊模塊，支持移動(dòng)、電信和聯(lián)通卡的短信收發(fā)和GPRS連接。模塊性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，功耗低，廣泛應(yīng)用于短信通知、短信查詢、短信監(jiān)控等服務(wù)。模塊由射頻天線、內(nèi)部閃存、ZIF連接器、GSM基帶處理器、支持2A的匹配電源和一個(gè)40腳的Zip插座組成。GSM基帶處理器是其核心部件，相當(dāng)于協(xié)議處理器，用來處理外部系統(tǒng)發(fā)的AT指令。只要將SIM900A的串口和PC計(jì)算機(jī)的串口相連，就可用AT指令與通信模塊進(jìn)行信息通信[3-4]。

1.2 軟件功能

目前臺(tái)站運(yùn)行的前兆數(shù)字化儀器都是按照中國(guó)數(shù)字地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)工程要求，通過以太網(wǎng)、基于SOCKET連接的HTTP協(xié)議，接受并響應(yīng)客戶端指令或網(wǎng)頁(yè)方式控制，完成與客戶端、數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)信息交換。本軟件主要是利用前兆儀器的指令端口(缺省值81)來完成指令服務(wù)，主要功能如圖1結(jié)構(gòu)框圖所示。手動(dòng)模式下可查看儀器的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、基本信息、屬性、工作參數(shù)，進(jìn)行時(shí)鐘校準(zhǔn)、設(shè)備復(fù)位等操控[5-6]，方便快捷。自動(dòng)模式是按照預(yù)定時(shí)間依次對(duì)儀器進(jìn)行連接登錄，收取當(dāng)天數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷分析，發(fā)現(xiàn)儀器狀態(tài)異?；驍?shù)據(jù)錯(cuò)誤，及時(shí)發(fā)出音樂或者短信告警。

2 功能實(shí)現(xiàn)

軟件采用VB6.0語言編程， 在windowsXP、win7、win10等操作系統(tǒng)下“SETUP.EXE”安裝后運(yùn)行。主程序運(yùn)行界面如圖2，主要分為菜單欄、信息顯示窗口、告警控制信息窗口及底部的狀態(tài)欄4個(gè)部分。

圖1 前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)告警軟件的結(jié)構(gòu)框圖

圖2 前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)告警軟件運(yùn)行主界面

2.1 系統(tǒng)設(shè)置

軟件正常運(yùn)行必須進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置。主要包括“臺(tái)站信息設(shè)置”，即添加臺(tái)站儀器實(shí)際布設(shè)情況，包括臺(tái)站名稱、臺(tái)站代碼、儀器名稱、IP、ID、用戶名、口令等內(nèi)容?！皵?shù)據(jù)文件路徑設(shè)置”，即對(duì)十五格式的前兆文件、九五前兆原始文件、九五格式的前兆文件保存路徑進(jìn)行設(shè)置?！爱?dāng)天自動(dòng)收數(shù)時(shí)間設(shè)置”可根據(jù)臺(tái)站儀器數(shù)量及工作需要設(shè)置，使用“添加”、“刪除”按扭設(shè)置任意次數(shù)，任意時(shí)刻，保存后按時(shí)間先后自動(dòng)排序?！把訒r(shí)設(shè)置”是儀器響應(yīng)指令延時(shí)，可以根據(jù)本臺(tái)網(wǎng)絡(luò)及儀器響應(yīng)情況適當(dāng)調(diào)整，系統(tǒng)默認(rèn)為20 s。

2.2 手動(dòng)模式

軟件啟動(dòng)默認(rèn)方式為手動(dòng)模式，即對(duì)選中的一個(gè)儀器連接登錄，然后監(jiān)控?！皟x器監(jiān)視”的主要功能是獲取儀器的狀態(tài)信息、運(yùn)行日志、屬性信息和工作參數(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、表述參數(shù)、測(cè)量參數(shù)等?！皟x器控制”主要是設(shè)置儀器的工作參數(shù)、校對(duì)儀器時(shí)鐘、儀器調(diào)零(由此功能)、儀器重新啟動(dòng)和設(shè)備復(fù)位等?！皵?shù)據(jù)傳輸”可進(jìn)行整體、當(dāng)天數(shù)據(jù)文件調(diào)收和數(shù)據(jù)繪圖及當(dāng)前數(shù)據(jù)顯示?！爱?dāng)天數(shù)據(jù)”還可進(jìn)行實(shí)時(shí)曲線顯示，該功能曲線是利用VB 的timer控件，根據(jù)不斷接收到的當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行更新繪圖。

關(guān)鍵部分代碼：

獲取儀器屬性信息的代碼：

Winsock1.SendData get /19(長(zhǎng)度) XXXXXXXXXXXX(ID)ppy /http/1.1

獲取儀器狀態(tài)信息的代碼：

Winsock1.SendData get /19(長(zhǎng)度) XXXXXXXXXXXX(ID)ste /http/1.1

時(shí)鐘設(shè)置代碼：

Winsock1.sendData get /40(長(zhǎng)度) XXXXXXXXXXXX(ID)set clock YYYYMMDDHHMMSS /http/1.1

儀器復(fù)位代碼：

Winsock1.sendData get /19(長(zhǎng)度) XXXXXXXXXXXX(ID)rst /http/1.1

2.3 自動(dòng)模式

自動(dòng)模式是本軟件的應(yīng)用特點(diǎn)，代替值班員完成數(shù)據(jù)采集、判別、告警的功能。

2.3.1 數(shù)據(jù)采集功能

按照前面“當(dāng)天自動(dòng)收數(shù)時(shí)間”設(shè)置，該時(shí)刻會(huì)對(duì)選中的儀器依次進(jìn)行連接、登錄、收取當(dāng)天數(shù)據(jù)。如果該儀器不能進(jìn)行正常連接或者登錄，即無法收取當(dāng)天數(shù)據(jù)，那么計(jì)為二次登錄對(duì)象，其它儀器依次進(jìn)行。反復(fù)三次如果仍不成功，那么就在窗體的告警文本框中填寫“XX儀器網(wǎng)絡(luò)故障。”

雖然理論上可以對(duì)前兆儀器進(jìn)行隨時(shí)登錄采集，但大部分前兆設(shè)備的主機(jī)系統(tǒng)較為“嬌氣”，頻繁大量訪問有時(shí)會(huì)造成設(shè)備死機(jī)或工作不正常，故間隔1～2小時(shí)為宜，時(shí)刻任選，且注意避開整點(diǎn)時(shí)刻。

2.3.2 異常數(shù)據(jù)的判別

1)缺數(shù)。十五文件中以“NULL”表示缺測(cè)數(shù)據(jù)。主要原因有主機(jī)故障無輸出，數(shù)采故障不采集，時(shí)鐘誤差，線路故障，觀測(cè)數(shù)值超量程，如電壓輸出一般為±2 000 mV，SQ70D石英水平擺的測(cè)量范圍是0～30 mm。在分鐘或秒采樣情況下，產(chǎn)生1～2個(gè)“NULL”一般并不代表前兆儀器或數(shù)采故障，無需告警。警報(bào)的產(chǎn)生應(yīng)根據(jù)儀器的特征進(jìn)行判別。本程序?qū)⒎昼姴蓸訂畏至?個(gè)連續(xù)“NULL”，秒采樣180個(gè)連續(xù)“NULL”，時(shí)值采樣1個(gè)“NULL”作為告警閾值。如圖3a水平擺儀在地震時(shí)靠擺，數(shù)據(jù)文件產(chǎn)生連續(xù)的“NULL”，這時(shí)在告警文本框中添加“水平擺07時(shí)后有缺測(cè)”。

2)壞數(shù)，即儀器故障后產(chǎn)生的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，其特征為取值明顯超出正常范圍，或數(shù)值大小無變化，呈直線狀的死數(shù)。每個(gè)臺(tái)站每個(gè)儀器都有其正常有效值，通過多年觀測(cè)的均值得到。如據(jù)2014—2016年統(tǒng)計(jì)結(jié)果，懷來臺(tái)氣壓值有效值為910.0～965.0 hPa、洞溫有效值為10.85～10.95℃、氣氡有效值為18.0～142.0 Bq/L, 氣汞有效值為0.1～5.0 ng/L。和缺數(shù)判別類似，程序?qū)⒎昼姴蓸?個(gè)連續(xù)壞數(shù)，秒采樣180個(gè)連續(xù)壞數(shù)，時(shí)值采樣1個(gè)壞數(shù)作為告警閾值。死數(shù)的判別是通過觀測(cè)數(shù)據(jù)一階差分值是否持續(xù)為0來判斷。設(shè)xi為某測(cè)項(xiàng)某時(shí)刻的測(cè)值，差分值Δxi=xi+1-xi(i=1,2,3,…n)，程序中采用判斷10個(gè)連續(xù)Δxi為0，即可初步判斷為觀測(cè)走直線，儀器輸出有問題。如圖3b垂直擺09時(shí)后儀器故障，產(chǎn)生壞數(shù)，這時(shí)在告警文本框中添加“垂直擺09時(shí)后有壞數(shù)”。

不同的測(cè)項(xiàng)從判斷配置文件panduan.txt讀取不同的有效值、差分閾值、日變幅度等參數(shù)，根據(jù)每個(gè)儀器易發(fā)生問題的數(shù)據(jù)特征，應(yīng)用不同的方法來判別異常數(shù)據(jù)。產(chǎn)生告警后需要人工再次預(yù)處理，只為最大限度及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，發(fā)現(xiàn)地震前兆異常。

2.4 告警

當(dāng)所有選中儀器完成收數(shù)和數(shù)據(jù)判別后，進(jìn)入告警環(huán)節(jié)。告警有音樂模式和短信模式。

音樂告警。可在組合框中進(jìn)行音樂或歌曲的選擇，告警音樂采取循環(huán)播放，直到點(diǎn)擊停止按鈕。

圖3 前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)變化分類圖

短信告警。軟件啟動(dòng)時(shí)要對(duì)短信告警硬件進(jìn)行測(cè)試，如有問題則彈出提示框，需“短信設(shè)置”(圖4)，主要包括：串口屬性設(shè)置，即串口選擇，波特率，8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無校驗(yàn)位，一般為默認(rèn)；值班員手機(jī)號(hào)碼設(shè)置；本月值班安排表，軟件根據(jù)排班表自動(dòng)確定短信發(fā)送手機(jī)號(hào)碼；短消息中心控制號(hào)碼；SIM卡的信息讀取、刪除操作?！笆謩?dòng)測(cè)試”是測(cè)試串口、通信模塊初始化連接是否成功，即發(fā)送AT是否返回“OK”，在狀態(tài)欄顯示。

圖4 短信設(shè)置窗體

SIM900A通信模塊有AT命令指令集接口，支持文本和PDU(Protocol Data Unit)模式的短消息。軟件選用可支持中英文短信的PDU模式，它有7-bit、8-bit、UCS2三種編碼。7-bit用于發(fā)送普通ASCⅡ字符，即英文短信，最多160字符；8-bit用于發(fā)送數(shù)據(jù)信息；UCS用于發(fā)送Unicode字符， 最多發(fā)送70個(gè)中文字符[7-8]。關(guān)于AT指令和短信發(fā)送具體命令略。

發(fā)送完畢的告警信息會(huì)記入日志文件，以后對(duì)當(dāng)日發(fā)送記錄進(jìn)行檢索，發(fā)現(xiàn)重復(fù)不再發(fā)送，避免同一事件多次告警。

3 系統(tǒng)應(yīng)用效果

懷來地震臺(tái)有東良形變，后郝窯流體和沙城電磁波等多種類儀器，共15臺(tái)套，58個(gè)前兆測(cè)項(xiàng)分量，每天2次收取當(dāng)天前兆數(shù)據(jù)并查看。實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)儀器問題不可能恰到其時(shí)，特別是水平擺儀器，由于地震靠擺，發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，常造成缺測(cè)，嚴(yán)重影響觀測(cè)資料質(zhì)量。2016年應(yīng)用本系統(tǒng)進(jìn)行告警監(jiān)控，6月24日洞溫線路故障造成“壞數(shù)”，7月31日伸縮儀儀器故障數(shù)據(jù)產(chǎn)生“階躍”，11月13日新西蘭M8.0級(jí)、12月25日智利M7.6級(jí)地震造成水平擺“缺數(shù)”都及時(shí)發(fā)出了告警，為搶修調(diào)整儀器贏得了時(shí)間，提高了儀器運(yùn)行率。

4 結(jié)束語

1)前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)告警軟件的應(yīng)用，替代人工進(jìn)行儀器加密巡檢，晝夜對(duì)前兆儀器的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行分析判斷儀器工作狀態(tài)是否正常，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)告警。

2)該軟件在懷來地震臺(tái)試用，適用于形變、流體、電磁學(xué)科多種儀器，但儀器型號(hào)不是很全面，對(duì)漸變的臺(tái)階、曲線畸變以及趨勢(shì)轉(zhuǎn)折等復(fù)雜形態(tài)不能做出判別。今后應(yīng)不斷改進(jìn)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，增強(qiáng)軟件的智能性和通用性。

[1] 趙鐵鎖, 張暉, 高昌志, 等. 單臺(tái)測(cè)震實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)斷記監(jiān)測(cè)軟件[J]. 高原地震, 2016, 28(3): 65-69.

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DesignandImplementationofWarningSoftwareforPrecursoryObservationData

CHI Hai-jiang1, MA Dong2, BAI Ya-dong1, WEN Jia1

(1. Huailai Seismic Station, Hebei Earthquake Agency, Zhangjiakou 075400, China; 2. Hebei Earthquake Agency, Shijiazhuang 050021, China)

In order to realize real-time or quasi-real-time detection of anomalies of the earthquake precursory observation, we design a set of SMS alarm application software. The software can collect data through precursory observation devices and simply analyzes the data files to check the operation of precursor equipment. When find anomalies, the software can give an alarm for abnormal equipment via SMS. The software can grasp the working conditions of the instrument in time, effectively reduce the workload, improve the daily management of the observation station and the efficiency of instrument maintenance, and then have practical value.

precursor; monitoring; short message; alarm

池海江，馬棟，白亞東，等. 前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)告警軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．華北地震科學(xué)，2017，35(4):75-79.

2017-04-22

池海江(1971—)，男，河北懷來人，高級(jí)工程師，主要從事數(shù)字化地震監(jiān)測(cè)工作.E-mail:hlscchj@126.com

P315.6

A

1003-1375(2017)04-0075-05

10.3969/j.issn.1003-1375.2017.04.014