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基于移动平台的测震应急流动台现场监控系统的设计与实现
基于移动平台的测震应急流动台现场监控系统的设计与实现
戴波*, 张扬, 居海华, 卢永, 徐戈
(江苏省地震局,南京 210014)
 [收稿日期]: 2016-11-30
摘要

流动测震观测是在大地震发生以后开展的一项重要的地震应急响应工作,能够获得震区高质量的地震数据,而野外环境的复杂性对测震应急流动台的架设提出了较高的要求。本文通过对地震应急流动现场工作进行需求分析,设计并实现了一种基于IOS系统的测震应急流动台现场监控系统,能够让现场工作队员快速获取流动台数据和状态信息,有利于流动台的快速架设,提高了应急流动观测现场工作的效能。

关键词:测震应急  流动台  IOS



引言

大地震发生后,及时开展流动测震观测,提高震区地震监测能力,是产出高质量地震序列目录的前提条件,是为监视、判断震情、抢险救灾以及科学研究提供可靠数据信息的有效手段。我国的地震应急流动观测从20世纪60年代至今,共经历了非传输型模拟流动台站观测模式、传输型模拟应急流动台网、数字化地震应急流动台网和虚拟动态数字地震台网4个阶段,设备技术指标、集成度、信号传输方式等各方面都经历了不断的发展(姜旭东等,2009)。目前,应急流动台远程监控主要通过中国地震台网中心JOPENS系统流服务软件SSS和地震设备厂家提供的监控软件实现(吴永权等,2013)。在架设测震应急流动台设备的过程中,现场工作队员通常使用安装有监控软件的笔记本电脑对仪器参数设置和数据质量进行监控,记录到的地震数据实时传输回流动台网中心的流服务器中。另外,在流动台观测过程中,观测点工作人员还需要定期巡查。在进行这些工作时,流动台站设备状态的监控成为至关重要的一环。研发一款可靠、稳定、操作简单的手持终端监控软件,用于帮助现场工作队和观测点工作人员进行数据传输监测和仪器控制则十分必要(戴波等,2016)。

目前,智能手机适合进行图形化状态显示和基本控制处理,并支持2G、3G和Wi-Fi通信,它通常有足够的存储空间和计算能力,并且提供了灵活的编程环境,是理想的存储和处理传感器数据的便携终端。相对于Android平台,IOS平台使用Xcode开发环境和Objective-C语言,该开发环境具有运行速度快、功能强大且安全性高等特点。在用户体验设计方面,IOS开发环境下进行的视觉设计更为便捷。在网络通信实现方面,IOS提供了一整套工具和API帮助开发者实现相关功能(黄镇彩等,2012)。本文以港震公司通用地震数据采集服务器(下文简称地震数采)为例,设计并实现了基于IOS平台的测震应急流动观测监控系统,该系统将实现地震数据获取和图形化显示,以及与地震数采之间的访问控制(网络通讯协议的解析)。

1 系统设计方案

测震应急流动台包括观测仪器、数据传输和供电设备等。本系统总体框图如图 1所示。地震数采和智能移动终端(IOS设备)分别通过有线连接(网线)和无线连接(Wi-Fi)与协议转换器(4G无线路由器)交换数据,在地震应急现场建立可管理设备的局域网,在局域网环境内移动终端作为客户端直接与地震数采(服务器端)进行数据交换。协议转换器采用虚拟网络(VPN)技术通过无线通讯方式(CDMA/GPRS)与流动监控中心进行实时通讯(董一兵等,2015)。


图 1 测震应急流动台系统框图 Fig. 1 Schema of portable seismographic system in earthquake emergency

本文涉及的地震数据采集器型号为港震公司生产的EDAS-24GN,该设备服务器的通信方式基于传输控制协议(Transmission Control Protocol,TCP)。

2 系统功能模块

基于移动平台的测震应急流动台监控系统的设计从流动台架设、巡查出发,并结合了移动平台的特点。所设计的系统包括用户登录、数据获取、波形绘制、状态监视、参数设置5大功能模块,如图 2所示。各个模块互相配合,实现对测震应急流动台的数据传输监测和仪器的控制。


图 2 系统功能模块 Fig. 2 Modules of the system function

(1)用户登录模块:用户需要输入用户名和密码,通过验证后才能使用系统其它功能。

(2)数据获取模块:获取有效的地震数据。

(3)波形绘制模块:实现地震数据波形的绘制,用户可以对图形进行缩放和拉伸。

(4)状态监视模块:远程监控系统状态,包括系统时钟、GPS经纬度和海拔高度、采集器温度等。

(5)参数设置模块:主要包括网络参数(地址、掩码、网关)、台站参数(台号、台站名称、台站缩写、台网标志)、地震计参数(采样率、量程、系统时间)等常用设置。

3 IOS客户端

测震应急流动台监控系统的登陆页面如图 3所示,登陆页面可供用户输入地震数采IP地址、端口号、访问用户名及密码。系统利用正则表达式对用户输入内容进行逻辑过滤,保证输入内容的规范性。在输入信息后,用户可选择将信息添加至列表,或者对列表中已有信息进行修改及删除。同时,登陆页面具有日志传输功能,方便记录监控系统与地震数采的交互信息,便于开发和调试人员监视交互事件,检查错误发生原因。


图 3 系统登陆页面 Fig. 3 System login page

用户点击登陆页面的连接按钮后,便可进入系统主界面,如图 4所示。主页面主要显示的信息包括观测点信息、数采和地震计信息、经纬度和时间。地震数采会将实时采集到的数据上传至监控系统,监控系统获取数据后绘制成波形图,方便用户直观地监测实时采集数据的质量。主界面设计充分考虑了用户的使用习惯和使用场景,遵循简单、实用的原则。


图 4 系统主界面 Fig. 4 Main page of the system

图 4所示的主界面中,用户可通过点击右上角的设置图标切换至状态界面,状态界面如图 5所示。左侧列表显示用户可进行的查询操作,当用户点击左侧列表中的某一参数,如台站参数,监控系统向地震数采发送查询指令,地震数采接收指令后将查询结果返回至监控系统,监控系统对查询结果进行解析,并将解析结果显示于列表右侧。此外,系统提供一种快速便捷的状态参数设置方法,用户可直接对右侧列表信息进行编辑,编辑完成后点击更新按钮,便可实现对该状态参数的设置操作。


图 5 仪器状态界面 Fig. 5 Working state of the instrument
4 关键技术
4.1 通信协议解析

数据采集器同时使用控制端口和数据端口通信。在建立连接时,通过控制端口对用户进行验证并发出服务申请,其采用ASCII码通讯。数据端口用于数据服务和系统配置,采用二进制协议通讯。IOS客户端与数据采集器连接流程如图 6所示(孙贵成等,2015)。


图 6 客户端与数采连接流程 Fig. 6 Connection flow between clients and data collectors

IOS客户端与港震EDAS-24GN地震数据采集器之间数据交互依赖于自定义通信协议,协议范围包括波形数据服务和系统参数的查询与设置。

IOS客户端解析参数帧的流程如图 7所示。客户端首先监听数据端口,接收到参数帧后,利用帧同步字确定参数帧开始位置,并对参数帧进行“校验和”。“校验和”成功后,根据帧标志(包括查询帧、设置帧、响应帧、广播帧和错误帧)进行参数帧的解析。


图 7 参数帧监听及解析过程 Fig. 7 Parameter frame monitoring and analysis process

代码中参数帧解析相关类的输入参数为解析得到的NSData类型的帧数据,返回参数为NSMutableArray数组。IOS客户端首先初始化数据类型为NSMutableArray的可变数组detailArray,并将数据类型为NSData的帧数据转换为Byte数组,随后利用参数帧结构表中定义的字段类型及字段长度进行参数帧解析,并将解析结果与字段名称整合为字符串,存储在可变数组detailArray中。程序加入了异常处理功能以提高稳定性,若在解析字段过程中有任何一处发生异常,以返回nil数组的方式结束,防止因解析异常而造成程序崩溃。

4.2 STEIM 2数据压缩算法与波形绘制方法

数采中的地震波形传输采用SEED格式的STEIM 2数据压缩算法,SEED格式是目前被广泛使用的标准化地震数据格式。STEIM 2算法是一种差分无损压缩算法,其原理是每一帧开头存储第一个样本值,后面只存储相邻的两个样本的差值,所以在解析地震波数据时候,首先需要获取信号采样率信息,然后提取初值和个点差值,最后根据时间序列恢复整体数据(王洪体等,2004)。

代码中波形绘制相关类输入参数为NSArray类型的数据体DataArray,DataArray为压缩数据解析及处理后得到二维数组,该数组的每一行为地震数据每个分量的数据,列数为采样点数。程序通过提取DataArray的行数和列数确定道数及采样点数,利用UIGraphicsGetCurrentContext方法获取当前上下文,利用CGContextSetLineWidth方法设置绘制线条宽度,建立CGPoint类型数组points,利用嵌套循环遍历DataArray中每个采样点并存储在points数组中,通过CGContextAddLines方法将采样点添加到当前上下文,并最终利用CGContextStrokePath方法将各个采样点绘制到用户视图。该程序同样加入异常处理功能以提高稳定性以及人机交互体验效果,同时利用委托传递消息机制实现分层解耦,若在绘制波形过程中有任何一处发生异常,利用委托对象返回绘制失败提示,若绘制完成同样返回绘制成功提示。

5 结论和讨论

手持终端监控系统的出现,解决了测震应急现场工作快速获取流动台地震波数据和运行状态的问题,同时,该监控系统良好的人机交互界面满足了应急队员最迫切的信息需求。除此之外,移动智能终端在野外流动观测中有笔记本电脑无法比拟的机动性,与笔记本电脑相比,其低功耗的特点也是一大优势。因为移动平台硬件性能的限制,目前只实现了常用的监控功能,对地震数据质量监控等复杂功能的实现还需进一步研究。除此之外,应急队员对于流动台架设的现场环境情况也存在需求,如何配合相关硬件设计,对流动台架设现场的环境信息(现场影像、温湿度、光照)进行采集、显示是下一阶段的研究方向。总之,测震流动应急工作充满挑战,本监控系统将对地震流动应急起到积极作用。

参考文献
戴波, 王大伟, 江昊琳, 等, 2016. 基于Android平台的地震设备维修管理系统[J]. 地震地磁观测与研究, 37(2): 153-156.
董一兵, 何永波, 刘强, 等, 2015. 一种测震仪器数据流接入框架的设计与应用[J]. 地震研究, 38(2): 326-331.
黄镇彩, 刘昱, 邸文华, 2012. 基于iOS平台的便携心率监测系统设计[J]. 电子测量技术, 35(9): 120-124.
姜旭东, 杨建思, 徐志强, 等, 2009. 应对巨大地震的应急流动观测系统[J]. 地震地磁观测与研究, 30(5): 59-65.
孙贵成, 董一兵, 杨锐, 等, 2015. 测震仪器数据访问中间件的设计与应用[J]. 地震地磁观测与研究, 36(6): 128-133.
王洪体, 陈阳, 庄灿涛, 2004. SEED格式STEIM 2数据压缩算法在实时地震数据传输中的应用[J]. 地震地磁观测与研究, 25(4): 14-19.
吴永权, 黄文辉, 苏柱金, 2013. 国家测震台网的实时数据传输与服务[J]. 华南地震, 33(3): 77-84.


Design and Implementation of Portable Monitoring and Control System for the Earthquake Emergency Based on IOS
Dai Bo*, Zhang Yang, Ju Haihua, Lu Yong, Xu Ge
(Earthquake Administration of Jiangsu Province, Nanjing 210014, China)
Abstract

The mobile seismic monitoring plays an important role in earthquake emergency response after earthquake, since which obtains high quality seismic data in the earthquake zone. Due to the complexity of the field environment, a high demand for the installation of the mobile station for earthquake emergency is put forward. In this paper we design and develope a monitoring system of earthquake emergency mobile station based on IOS. It can provide portable seismographic data and status information for field work team for earthquake emergency despondence.



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基于移动平台的测震应急流动台现场监控系统的设计与实现
戴波*, 张扬, 居海华, 卢永, 徐戈
《震灾防御技术》, DOI:10.11899/zzfy20170327