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1、地震观测仪器自动监控软件设计与实现姜佳宁;吴利军;徐磊;赵祖虎;方宏【摘 要】结合地震地球物理观测台网台站监测工作实际,研制一款地震观测仪器自 动监控软件.该软件适用于不同网络环境下 IP 类仪器设备的网络实时或定时自动监 控,地球物理观测类仪器时钟、状态和观测数据的定时自动监控,能自动识别当日观 测数据中的无效数据、变幅异常、干扰、地震和限幅等信息,无需借助其他硬件和 软件即可将告警信息以短信方式发送给值班人员和管理人员,可实现对仪器原始观 测数据的自动备份和手动恢复,及对仪器的一键重启和校正时钟等控制类操作,无需 跨平台操作即可查看当日观测数据曲线及分析数据的完整性和有效性,从而实现对 仪
2、器的统一高效管理.期刊名称】地震地磁观测与研究年(卷),期】2019(040)004【总页数】9页(P167-175) 【关键词】 地震监测;仪器监控;网络监控;数据监视;短信告警【作 者】 姜佳宁;吴利军;徐磊;赵祖虎;方宏【作者单位】 中国河北075400河北省地震局怀来地震台;中国北京100036 中国 地震局地震预测研究所;中国山东25 19 10 山东省地震局无棣大山地震台;中国河南 450062河南省地震局郑州地震台;中国上海200031 申万宏源证券有限公司正文语种】 中 文0 引言观测数据是地震科学研究的基础（钟卫星等，2016），而观测仪器的连续稳定运 行又是产出高质量观测数
3、据的基础。快速发现并及时解决仪器设备故障，是地震台 网台站日常运行维护工作的重要环节（赵楠等，2015）。地震观测仪器在运行过 程中，经常因供电故障、网络中断、仪器或探头故障等造成数据记录中断，若监测 人员无法及时发现并处理，将导致仪器运行率降低，严重影响数据完整率。同时， 仪器时钟失准、数据错误发现不及时等因素，亦会影响观测数据质量。目前，多数 台站采用的方法是间隔固定时间对逐台仪器进行人工检查校正，浪费人力、物力， 观测数据准确性低。因此，利用现有成熟的技术手段，通过开发监控软件，实现对 仪器和设备的自动监控，及时或实时掌握地震观测仪器设备运行状态，加强对仪器 设备的维护与管理，可提高数据
4、的真实有效性，并有效减轻地震监测人员的劳动强 度。近年来，多位学者（王建国等，2010；陈新兴等，2016；王莉森等，2016， 2018；卜玉菲等，2017；戴波等，2017；李雨泽等，2017；赵楠等，2017）通 过自行研制软件，实现对网络、仪器设备或数据库等的监视。部分地震台网使用 Nagios 免费开源软件或 HostMonitor 商用运维管理软件，实现对服务器及网络 化仪器的监控与管理（李刚等，2012；姚会琴等，2012；高东辉等，2013；胡 玉良等，2016）。此外，调研发现，某些地震台站使用不同开发语言，配合安装 电话卡的短信猫等硬件设备，开发供电、地震观测仪器或设备的远
5、程监控软件。众 多仪器生产厂商研发相应管理软件，如地下流体综合测量仪通讯控制软件、体应变 通信控制软件等，对相关仪器具有较完善的管理和控制功能，但一般不具备自动监 视功能。综合来看，上述软件多针对某一台网台站、某类型仪器，实现某种特定功能，或需 要的硬件支撑等实现对仪器设备的监视或控制，适用范围相对狭窄，推广应用具有 局限性。由于缺少专用软件平台，各环节通常需要借助不同工具完成，缺乏有效衔 接和集成，导致工作流程繁琐，效率不高（董一兵等，2017）。因此，笔者对以 往监控软件功能进行借鉴和完善，采用集成化监控方式，尽可能实现对各类台网台 站仪器设备的统一监控和管理，以提高运维工作效率。基于上述
6、原因，研制地震观测仪器自动监控软件（简称SIAM软件），对网络化 观测仪器的网络、运行及数据等状态实现实时和定时监控，并对观测结果进行有效 性分析，以发送手机短信的方式，使地震监测人员快速获知仪器设备故障现象及可 能原因，以便在最短时间内排除故障，提高对观测仪器设备的管理、处置能力。1 软件设计SIAM软件采用Visual Basic作为开发语言，整体架构使用单进程、多线程的工作 模式，地球物理类仪器定时自动监控功能采用流程化结构设计（图1 ） 。图 1 SIAM 软件监控流程 Fig.1 Monitoring flow chart of SIAM software 软件模块充分考虑功能独立、
7、代码复用原则，每个模块独立封装自身参数、方法， 并单独编译（李宏科等，2016）。涉及用户登录和仪器安全等敏感信息，使用加 密的Access数据库存储。软件开发过程中，使用大量控件、类库和API函数，增 强可操作性，无需安装辅助软件即可实现相关功能。绝大多数功能用户可根据实际 情况自行设置，软件适用性得到提高。2 软件功能与实现SIAM软件针对监控类、管理类和工具类模块设置相关功能（图2）。其中，核心 功能包括IP类仪器设备网络实时与定时自动监控、地球物理类仪器定时自动监控 和短信告警等。图 2 SIAM 软件功能架构 Fig.2 Functional architecture diagram
8、 of SIAM software2.1 网络实时与定时自动监控 地震观测仪器的网络故障主要有通信线路故障与网络设备故障（贺巍等， 2016）， 仪器供电故障、死机等原因在远端也会被诊断为网络故障。因此，进行网络实时与 定时自动监控，对于判定网络状态和仪器运行状态至关重要。PING （packet Internet groper ）因特网包探索器，属于TCP/IP协议的一部分，为 用于测试网络连接量的程序。利用“ping”命令可以检查网络是否连通，有助于 分析和判定网络故障。该功能批量执行ping命令，可实现IP化观测仪器的实时 诊断，即通过扫描仪器设备IP地址来检测网络状态。诊断结果异常时，
9、以告警短 信方式发送给值班人员和管理人员，可有效解决人工诊断网络的繁琐性和不及时性 等问题。2.2 仪器定时自动监控 地球物理类仪器定时自动监控可任意设置起始时间和时间间隔。监控步骤分为仪器 网络分级诊断、仪器状态监控和观测数据监控等（图1）。其中，仪器状态监控、 观测数据监控通过以太网，采用基于TCP/IP协议的SOCKET连接的前兆台网专 用设备，与客户端数据信息进行交换，使用基于SOCKET连接的HTTP或FTP协 议进行数据传输。（1）仪器网络分级诊断，即依次诊断本地计算机至所有共用路由器，然后诊断各 个台站路由器，最后分别诊断每个台站的观测仪器。利用该方式，能够避免误判， 提高准确性
10、，尤其适用于无人值守台站无线传输方式网络环境较差的情况。（2）仪器状态监控，包括监控仪器时钟、直流电源、交流电源、事件触发和异常 告警等信息。其中，仪器时钟监控尤为重要，仪器授时方式一般为GPS授时和SNTP授时。GPS授时较为精确，但多数仪器采用SNTP授时。该方式受网络延 迟影响较大，若网络延迟始终较高或仪器设置的时间服务器停止服务，随着时间的 推移，则与实际时钟的差距越来越大。因此，地震监测人员需要频繁逐一登录仪器Web页面进行手动校正，由于人为误差较大，导致仪器时钟精确程度降低。使用 观测数据开展短临异常分析时，难以或基本不可能获知数据实际产生的准确时间， 因而影响到数据的准确性分析，
11、甚至得出错误结论。基于以上考虑，利用软件监控 仪器状态，用户可及时掌握仪器运行状况，以便及时对仪器进行检查、校正，并对 故障进行快速修复。（3）观测数据监控，包括当前数据监控和当天（当日0时至当前）数据监控。当 前数据监控主要是诊断当前数据是否缺测。当天数据监控则由软件自动完成当日观 测数据采集和格式转换，并计算数据完整率，确认缺测时段，实现完整性分析。根 据用户设置测项的阈值、特征值、允许最大变幅值和N倍标准差等，实现数据的 有效性分析，可自动识别无效数据、变幅异常、干扰、地震、水位探头埋深、靠摆 或限幅等信息。通过观测数据监控，可避免造成严重的数据丢失和产出大量错误数 据，有助于及时掌握仪
12、器监测情况。该软件同时具备手动监控功能，除不提供声音告警和短信发送，其他功能与定时自 动监控相同，不再赘述。2.3 自动授时与告警功能SIAM软件具备校正仪器时钟功能，实现该功能的前提是安装此软件的计算机时钟 足够精准。软件通过获取网络时间为本地计算机定时自动授时，经测试，误差小于 1 s。获取网络时间的函数代码如下软件初次运行时自动检测当前计算机所处网络环境，根据网络连接方式决定采取的 授时和短信发送方式。在“单一地震行业网”模式下，采用C/S架构，即SIAM 软件作为客户端程序，访问部署在行业网内具有广域网环境的时间与短信服务器， 由该服务器分别访问时间服务器和短信服务器，实现对本地计算机
13、的授时和短信发 送服务（图3）。客户端与服务端通讯采用TCP/IP协议，约定字符串头段和尾段且进行加密处理，并在服务端防火墙设置出站和入站规则，保障数据交换的安全性在“地震行业网+广域网”模式下，由软件直接访问广域网短信服务器、时间服务告警方式有界面告警、声音告警（2种告警方式不再介绍）和短信告警等3种。短 信发送遵循相关信息安全体系和标准规范体系（杨天青等，2016）。触发短信告 警时，短信发送模块通过HTTP协议的POST方式接入短信服务商平台接口，实 现发送功能。可支持移动、联通、电信等手机用户接收，采用成功到达率最高（达100% ）的通知类短信，接收响应时间在10 s以内，保障了短信推
14、送的成功率和 及时性。图3 C/S模式授时与短信服务拓扌卜结构Fig.3 C/S mode timing and topology structure of short message service2.4 手动监视控制类功能（1）时钟管理，包括读取时钟和校正时钟功能。实现读取仪器当前时钟和使用本 地计算机时钟校正仪器时钟。校正时钟时自动产出日志描述信息可直接复制填入管 理系统的工作日志，避免逐一登录仪器主页手动校正时钟的不准确和繁琐性，大幅 提高工作效率。（2）仪器重启。实现对仪器的一键重启操作。（3）数据管理，包括查看仪器当前数据和当天数据绘图显示。当天数据绘图显示 功能无需跨平台操作，将
15、采集的数据自动绘制成曲线图，且自动完成数据完整性和 有效性分析（图4） ，以方便用户直观查看观测数据和分析结果。（4）获取仪器状态信息，包括仪器时钟、时钟状态、设备零点、直流电源状态、 交流电源状态、自校准开关状态、调零开关状态、事件触发个数、异常告警信息等图4当天观测数据曲线与分析结果显示Fig.4 The day observation data curve and the analysis results2.5 管理类功能管理类功能设置如下：值班管理。添加、删除值班人员、管理人员及对应的手机 号码；仪器管理。包括添加、插入和删除仪器；网络监控管理。设置网络实时 监控的IP类仪器设备信息；
16、路由器管理。设置本地计算机至仪器间的共用路由 器和台站路由器信息。2.6 工具类主要功能（1）仪器原始数据备份与恢复。在前兆台网的日常运维过程中发现，某些仪器死 机重启会造成当天数据丢失，造成不可挽回的损失，基于软件定时自动监控的特点， 开发了仪器原始数据自动备份功能，以尽可能地保障数据的连续完整。软件自动备份每次自动监控过程中下载的原始数据。利用数据恢复功能，可手动将 备份的原始数据，通过空数据补齐或数据文件合并方式，实现原始数据的恢复，使 用 FTP 软件，将恢复后的文件上传至仪器原始文件目录，使用中国地震地球物理 台网数据管理系统的手动采集功能，实现恢复数据入库。（2）日常任务提醒。用户可自行设置一次性或周期性任务（如定期校正仪器时钟、 提交异常零报告、月报和年报等），以短信方式发送给相应人员，提醒办理。（3）软件备份与恢复。用户可备份和恢复保存的相关配置信
