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摘要

依托專業(yè)地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)，采用云技術(shù)環(huán)境，利用Java開(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)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(shí)產(chǎn)權(quán)的地震早期預(yù)警軟件系統(tǒng)，并在中國(guó)地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)和試驗(yàn)場(chǎng)開(kāi)展系統(tǒng)試驗(yàn)，建立信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)預(yù)警參數(shù)和地理信息的近實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)。該軟件在地震事件觸發(fā)準(zhǔn)確率、誤觸發(fā)判斷及信息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(shí)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

地震預(yù)警（EarthquakeEarlyWarning，EEW）技術(shù)作為震災(zāi)預(yù)防的新手段，已經(jīng)在多個(gè)地震多發(fā)國(guó)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(cè)系統(tǒng)（數(shù)字化實(shí)時(shí)強(qiáng)震儀）→通信系統(tǒng)（電話線、無(wú)線撥號(hào)上網(wǎng)、中繼站）→控制中心（計(jì)算機(jī)和專業(yè)軟件）→警報(bào)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(shí)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(jí)地震速報(bào)”，每1s均是決定地震預(yù)警成敗的關(guān)鍵。地震預(yù)警信息的過(guò)程涉及數(shù)據(jù)傳輸、處理、信息確認(rèn)等環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)均會(huì)消耗一定時(shí)間（殷海濤等，2012；張晁軍等，2013；張紅才，2013）。由于地震動(dòng)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(kāi)發(fā)強(qiáng)震預(yù)警軟件，并在示范區(qū)開(kāi)展系統(tǒng)試驗(yàn)，建立信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)預(yù)警參數(shù)和地理信息的近實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)。在地震事件觸發(fā)準(zhǔn)確率、誤觸發(fā)判斷以及信息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(shí)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(dòng)震相拾取、自動(dòng)定位、震級(jí)估算、烈度估算、Web信息等模塊組成。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(tái)開(kāi)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(dòng)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(guò)TCPSOCKET提供后續(xù)模塊使用。臺(tái)網(wǎng)基礎(chǔ)信息可通過(guò)TCPSOCKET，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(jí)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(dòng)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(shí)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)警信息模塊。預(yù)警信息模塊通過(guò)WebService服務(wù)與后臺(tái)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

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(tái)高性能服務(wù)器，通過(guò)2個(gè)網(wǎng)口分別連接2臺(tái)千兆交換機(jī)。5臺(tái)服務(wù)器中的1臺(tái)做控制節(jié)點(diǎn)，其他4臺(tái)做計(jì)算節(jié)點(diǎn)兼存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。2臺(tái)交換機(jī)中1臺(tái)與行業(yè)網(wǎng)相連，用于外部通訊，另1臺(tái)進(jìn)行私有云內(nèi)部通訊；臺(tái)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(gè)開(kāi)源的云計(jì)算管理平臺(tái)項(xiàng)目，以Apache許可證授權(quán)，由美國(guó)國(guó)家航空航天局和Rackspace合作研發(fā)，該項(xiàng)目由幾個(gè)主要組件組合完成某些具體工作。UbuntuLinux是OpenStack的主要操作系統(tǒng)，本軟件采用最新的64位版本UbuntuServer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(shí)，在系統(tǒng)中建立一個(gè)進(jìn)程，且必須至少建立一個(gè)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(jiǎn)化編程模型及異步事件的處理，減少開(kāi)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(yǔ)言，通過(guò)Thread類將線程必須的功能封裝起來(lái)。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ExecutorService、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(shí)數(shù)據(jù)匯集服務(wù)程序，提供測(cè)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(shí)數(shù)據(jù)流，模擬實(shí)際臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)環(huán)境；③客戶端讀取接口程序，以TCPSOCKET方式從數(shù)據(jù)匯集服務(wù)器獲取臺(tái)站的信息和數(shù)據(jù)，采用Java語(yǔ)言開(kāi)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(tái)網(wǎng)參數(shù)、速度結(jié)構(gòu)模型等配置，服務(wù)框架見(jiàn)圖3。客戶端接口模塊采用雙數(shù)據(jù)緩沖方式，兩個(gè)緩沖區(qū)的作用分別是：①存儲(chǔ)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(zhǎng)度為10s；②為事件觸發(fā)檢測(cè)模塊提供數(shù)據(jù)，循環(huán)隊(duì)列長(zhǎng)度為事件觸發(fā)檢測(cè)模塊數(shù)據(jù)分析總長(zhǎng)度。程序創(chuàng)建單獨(dú)線程，每間隔20ms對(duì)1號(hào)緩沖區(qū)進(jìn)行檢查，有新數(shù)據(jù)時(shí)將新數(shù)據(jù)追加到2號(hào)緩沖區(qū)，然后啟動(dòng)事件觸發(fā)檢測(cè)模塊。采用雙緩沖區(qū)的優(yōu)點(diǎn)是，在事件觸發(fā)檢測(cè)模塊占用緩沖區(qū)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，不影響數(shù)據(jù)接收。

2.2地震波形實(shí)時(shí)顯示基于Web頁(yè)面的地震波形實(shí)時(shí)顯示模塊，在瀏覽器中使用HighChartJS組件，顯示地震實(shí)時(shí)波形，后臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器通過(guò)Servlet從波形服務(wù)器獲取實(shí)時(shí)波形數(shù)據(jù)，利用Ajax技術(shù)，將波形數(shù)據(jù)傳遞到前臺(tái)展示。波形顯示界面提供波形顯示時(shí)間長(zhǎng)度控制、通道控制、縱軸放大等功能。波形顯示時(shí)間長(zhǎng)度分為30s、60s和120s等3種模式，可通過(guò)下拉菜單選擇控制。波形顯示長(zhǎng)度為120s時(shí)，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(gè)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(shí)顯示框架。

2.3地震事件觸發(fā)檢測(cè)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(shí)間的長(zhǎng)短。地震事件觸發(fā)檢測(cè)模塊的功能是，從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流中計(jì)算提取臺(tái)站震相信息，包括P波、S波的觸發(fā)時(shí)間、位移幅度、卓越周期。提取時(shí)間的時(shí)效性關(guān)乎全局預(yù)警時(shí)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(shí)間。模塊采用全局動(dòng)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(cè)模塊主要有管理線程和識(shí)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(tái)站數(shù)據(jù)和創(chuàng)建啟動(dòng)計(jì)算線程；識(shí)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(cè)管理線程流程。

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(shí)，找出其中不合理的臺(tái)站；②根據(jù)臺(tái)站與周邊臺(tái)站的距離、波速及周邊臺(tái)站的觸發(fā)情況，判斷該臺(tái)是否為誤觸發(fā)。對(duì)于1組觸發(fā)臺(tái)站，根據(jù)Delaunay三角網(wǎng)空間分布，對(duì)相鄰臺(tái)站進(jìn)行分組，每組臺(tái)站中，根據(jù)兩兩走時(shí)差判定此臺(tái)站是否滿足走時(shí)原理，從而為臺(tái)站誤觸發(fā)檢測(cè)提供依據(jù)。程序流程見(jiàn)圖6。對(duì)于動(dòng)態(tài)觸發(fā)的1組臺(tái)站，根據(jù)臺(tái)站間距和P波波速計(jì)算周邊臺(tái)站的傳播時(shí)間，如果傳播時(shí)間與臺(tái)站觸發(fā)后的時(shí)間差超出預(yù)設(shè)值，則認(rèn)為臺(tái)站是誤觸發(fā)，判斷流程見(jiàn)圖7。具體判斷檢測(cè)流程如下：從動(dòng)態(tài)震相數(shù)組中獲取震相信息進(jìn)行V圖分組；對(duì)組內(nèi)震相做走時(shí)檢驗(yàn)，刪除不符合走時(shí)的震相；對(duì)組內(nèi)震相做Pd、τc檢驗(yàn)，未通過(guò)檢驗(yàn)則刪除該組震相；如果組內(nèi)有一個(gè)或兩個(gè)臺(tái)站，計(jì)算每個(gè)臺(tái)站距周邊臺(tái)站的最大距離內(nèi)P波走時(shí)T1，并計(jì)算P波觸發(fā)時(shí)間到目前的時(shí)間差T2；如果T2>T1，則刪除該組震相，否則進(jìn)行定位、震級(jí)計(jì)算、烈度計(jì)算、信息等操作；如果組內(nèi)有3個(gè)以上臺(tái)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(jí)計(jì)算、烈度計(jì)算、信息等操作。

3系統(tǒng)離線測(cè)試

選取山東省內(nèi)7個(gè)震例（2≤M<5）、國(guó)內(nèi)17個(gè)震例（4≤M≤8.2）、日本陸地6個(gè)震例（5.9≤M≤7.0），共計(jì)30個(gè)震例用于強(qiáng)震預(yù)警系統(tǒng)離線測(cè)試，其中國(guó)內(nèi)震例中有2個(gè)震例前3個(gè)觸發(fā)臺(tái)站既有測(cè)震臺(tái)又有強(qiáng)震臺(tái)。測(cè)試結(jié)果表明，強(qiáng)震預(yù)警軟件可在地震監(jiān)測(cè)能力一定條件下，最大程度地提高預(yù)警信息的時(shí)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(tái)站增多系統(tǒng)不斷對(duì)震中位置、震級(jí)及震中最大烈度進(jìn)行修訂，預(yù)警信息通過(guò)信息平臺(tái)實(shí)時(shí)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，因建立震級(jí)計(jì)算關(guān)系式時(shí)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(jí)測(cè)定偏差較大。

4結(jié)束語(yǔ)

搭建環(huán)境采用云技術(shù)，利用Java開(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)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(kāi)展系統(tǒng)離線測(cè)試，建立信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)預(yù)警參數(shù)和地理信息的近實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，以期在強(qiáng)震預(yù)警實(shí)踐中取得實(shí)效。

參考文獻(xiàn)

殷海濤，劉希強(qiáng)，李杰，等.現(xiàn)今地震預(yù)警技術(shù)及其在國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r的探討[J].中國(guó)地震，2012，28（1）：1-9.

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張紅才.地震預(yù)警系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].哈爾濱：中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，2013.

作者：趙銀剛 王晨 譚婧 劉慶杰 單位：安丘地震臺(tái)  中國(guó)地震局地球物理研究所 沈陽(yáng)炮兵學(xué)院 防災(zāi)科技學(xué)院