引言

强制性国家标准《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)已于2016年6月1日正式实施,其将抗倒塌作为编图的基本准则,不仅是一般建设工程抗震设计的依据,同时也是国家各类规划和应急救援设施建设的安全要求,为全面提高我国的抗震设防能力提供了法律保障和科学依据(高孟潭,2017)。新版中国地震动参数区划图主要包含“两图两表”,“两图”指《中国地震动峰值加速度区划图》和《中国地震动加速度反应谱特征周期区划图》;“两表”指《场地基本地震动加速度反应谱特征周期调整表》和《场地地震动峰值加速度调整系数表》(高孟潭等,2016)。与2001年颁布的第4代地震区划图(GB 18306—2001)相比,新一代《中国地震动参数区划图》采用了多种科学的创新性方法,技术上充分吸纳了国内外最新的科研成果和研究资料;使用上采用“土层影响双参数调整”技术方法,并提出“四级地震作用”的概念,其基础资料更扎实,技术依据更加充分,科学认识更加全面,具有更强的科学性、先进性和工程适用性(刘晓东,2015高孟潭,2016)。面对诸多新概念、新技术和新方法,贯彻实施新一代地震动参数区划图对使用者也提出了更高的要求。如果只借助于纸质的国标文本和图件查阅参数,即便目前已精细到乡镇级别,仍无法实现具体工程场址设防参数的快捷、准确取值;特别是对于新版区划图使用“双参数调整”获取四级地震作用下五类场地地震动参数的技术方法,虽然市县防震减灾的技术力量和人才队伍在不断加强,但对新方法的具体实施仍存在较大疑惑。鉴于此,相关用户迫切需要1套针对新一代地震动参数区划图特点的工具或信息服务平台,来解决使用中存在的问题。

随着互联网和移动智能终端(如手机、平板电脑等)的迅速发展,基于Andriod、iOS等平台的开发应用程序(Application,简称APP)具有更高的实用性,能够为行业和大众提供更加便捷、高效、智能的服务。《防震减灾规划(2016—2020年)》强调了要强化信息化支撑,实施“互联网+”行动计划,拓展物联网、云计算、大数据、移动互联网、地理信息系统等新技术应用。地震动参数区划图涉及大量与地理位置有关的信息,人们从传统纸质媒介获取信息往往需要耗费巨大的工作量,而信息存储、查询、搜索、定位、批量审核、标准化信息录入、图形绘制、数据统计、可视化展示等恰恰是计算机信息技术的强项(赵士达等,2014Sola等,2015许镇等,2015龙立等,2016)。移动智能终端操作简单,注重用户体验,移动互联网可以使传统媒介提供的应用与增值服务化身为1个图标,直面用户(柴焱,2014)。近年来,防震减灾领域涌现了大批基于智能终端的服务应用,如“地震速报”APP、“地震信息播报机器人”、“地震科研助手”、“地震公众服务”及其他微博、微信等公共服务(肖健等,2015),很大程度上满足了人们对防震减灾信息服务的需求,提升了防震减灾的现代化水平。

本文旨在借助日益普及的手机、平板电脑等移动智能终端和快速发展的互联网技术,分别面向公众服务和行业需求,开发包含地震动参数区划APP(Android和iOS版)及B/S架构数据库管理等功能模块的信息服务平台,对新一代区划图涉及的“四级地震作用”、“土层影响双参数调整”等技术方法进行无纸化、自动化和智能化处理;并结合市县基层防震减灾管理工作特点和需求,从实用化的角度,助力新一代中国地震动参数区划图服务于防震减灾工作中的抗震设防监管备案、土地利用、抗震设计、地震保险、应急备灾等各方面(图 1)。


图 1 基于中国地震动参数区划图的防震减灾服务 Fig. 1 Supervise service system based on the Seismic Ground Motion Parameters Zonation Map of China
1 系统总体架构

基于《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)的地震动参数查询与管理服务系统,以服务市县基层防震减灾业务、宣贯全新地震动参数区划图为出发点,集分布式应用和集约化管理于一体,涵盖了区划参数计算查询、建设工程许可备案、村镇地震区划管理等功能。系统架构主要分为应用层、服务层、数据层及基础层,系统架构设计如图 2所示。系统主体可部署在本地服务器或云服务器,基础设施层主要包括了本地服务器、阿里云基础架构(包括云服务器、云存储等)、云服务器弹性伸缩及安全防护模块;数据层搭建在Postgres数据库的基础之上,辅以PostgreGIS及Topology插件,以支持空间数据的存储及查询;服务层则主要实现对外提供标准RESTful服务,包括功能服务、地图服务及地理编码服务;系统应用层作为应用窗口,提供了Web端的运维管理平台和移动端应用,其中运维管理平台既支持统一使用全国运维管理中心平台的集约化应用模式,也支持各单位单独部署管理中心平台的分布式应用模式;移动端则包括了面向行业内部的行业版和面向普通大众的公众版,对目前主流的Android及iOS设备都能较好地适配使用。


图 2 系统总体架构 Fig. 2 System framework

智能终端APP用来查询展示目标场点地震动参数并采集相关的抗震设防监管信息,地震区划中心服务器(北京)为查询新一代中国地震动参数区划图提供接口,后台管理服务器可以部署在不同市县等基层防震减灾部门,用于实现对目标场点地震动参数及抗震设防监管信息的存储、管理和展示。实施过程(图 3)主要包括:①用户通过智能终端APP确定目标场点的位置(经、纬度坐标);②通过互联网将位置信息上传至地震区划中心服务器,提交地震动参数查询的请求;③地震区划中心服务器取得目标场点位置信息后,通过检索匹配,得到目标位置的Ⅱ类场地基本地震动峰值加速度和特征周期,并将这2个数值通过互联网返回至用户移动终端,智能终端APP自动解算,即可展示“双参数调整”后的四级地震作用下五类场地地震动参数;④在实现查询地震动参数的基础上,智能终端APP还可针对目标场点补充添加抗震设防监管相关的信息,并通过互联网上传至后台管理服务器(地方)。


图 3 系统实施流程 Fig. 3 System set-up and its flow path

上述服务系统架构和实施过程有利于新一代地震动参数区划图的高效贯彻使用,可以实现多用户实时并行查询和调查作业。通过中心式的唯一查询接口,保证了数据的一致性和准确性,并可深入到基层的后台管理系统,辅助市县基层防震减灾部门对辖区抗震设防信息进行查询、统计分析及展示。

2 智能终端APP及关键功能

根据系统建设定位和用户需求的不用,本服务系统分别开发了面向普通用户的《中国地震区划公众版》和面向行业内用户的《中国地震区划行业版》2个版本APP,均涵盖了目前市场上主流的Android和iOS移动操作系统,在遵循2大移动操作系统平台设计规范的基础上,以科学、准确、简单、便捷为目标,设计智能终端APP用户界面(User Interface,简称UI)及用户体验(User Experience,简称UE)时,尽量保证不同平台端用户体验的一致性,同时对不同分辨率的设备(包括智能手机、平板电脑等)进行了良好的适配。在功能上,2个版本均包含了地理空间位置信息快捷获取、计算结果多样化展示等基本查询模块。此外,为了满足基层防震减灾部门对抗震设防信息监管的需求,行业版增添了用户认证和抗震设防信息采集表单等更为丰富的功能。以iOS版APP为例,中国地震动参数区划图智能终端APP公众版和行业版的启动页面分别如图 4(a)(b)所示。目前,各版本APP均可在华为、百度、91助手、Apple App Store等应用商店下载。


图 4 智能终端APP启动页面 Fig. 4 Launch page of smart terminal APP
2.1 地理空间位置信息的获取机制

新一代地震动参数区划图利用“两图两表”展现了我国不同区域的地震危险性,有效确定目标场点的地震动参数,首先需准确获取其地理空间位置信息。为了最大限度方便用户快速锁定目标场点的地理空间位置信息,本文研发的APP设计了4种空间位置获取模式,如图 5所示。


图 5 地理空间位置信息的获取机制 Fig. 5 Acquisition mechanism of geo-spatial position information

(1)通过智能终端地图界面点选。利用智能终端定位系统,如内置GPS芯片、移动运营网的基站或Wi-Fi定位模式快速锁定用户当前位置,在地图界面点选目标场点,利用地图运营商应用程序的编程接口(Application Programming Interface,简称API)技术解译目标场点经纬度。

(2)输入经纬度。在已知目标场点经纬度的情况下,可直接打开输入框,键入相应经纬度数值。

(3)通过地址、地名搜索。在已知目标场地地名的情况下,通过地址框键入地名关键词,搜索目标场点的地址,然后通过地理编码确定其经纬度坐标。

(4)按照行政区划名称匹配。按照《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)附录C的行政区划名,即中华人民共和国民政部编制的《中华人民共和国乡镇行政区划简册2014》,检索目标场点所在行政区域。

4种目标场点位置信息获取模式的APP界面如图 6所示。其中,前3种模式基于将目标场点地理空间位置信息转化为与地震区划图相适应的经纬度坐标的原理,通过在地震区划图中心服务器空间检索得到相应的地震动参数区划值,根据智能终端硬件、网络环境及地理区域的不同,其定位精度能够满足一般建设工程抗震设防的使用需求;而第4种模式则适用于乡镇人民政府所在地、县级以上城市,严格以附录C给出的行政区划名称为依据进行检索,进而提供相应的地震动参数区划值。


图 6 4种地理位置信息获取模式的APP界面 Fig. 6 APP interface of four acquisition mechanism of geo-spatial position information
2.2 地图模式切换及地震信息图层展示

智能终端APP地图使用了Maps API服务,内嵌普通地图、卫星影像及地形图 3种展现模式,有利于快速锁定目标场点位置。此外,在地图上叠加了中国地震动峰值加速度参数区划图(GB 18306—2015)、中国地震动加速度反应谱特征周期区划图(GB 18306—2015)及中国活动构造图中断层分布(邓起东等,2007)3个图层,如图 7所示。同时,APP提供丰富的地震区划信息展示平台,用户可在数据库管理平台对断层分布信息进行增加、删除、修改等更新操作。


图 7 地图图层切换及展示 Fig. 7 Map layer switch and its exhibition
2.3 查询结果展示及抗震设防信息采集

在获得目标位置的Ⅱ类场地基本地震动参数后,通过APP自动计算,可以快速实现根据不同场地条件和不同超越概率水平,同时调整峰值加速度和反应谱特征周期的双参数调整流程,进而得到不同分区场地在不同场地条件下,四级地震动相应的峰值加速度和反应谱特征周期的确定结果。图 8(a)显示了目标场点的空间位置信息及其Ⅱ类场地基本地震动参数,经过自动“双参数调整”给出了四级地震作用下五类场地的地震动参数,见图 8(b)


图 8 地震区划参数查询结果及抗震设防信息采集表单 Fig. 8 Query result of seismic zonation map and the collected seismic fortification information

新一代地震动参数区划图是我国一般建设工程抗震设防要求的确定依据,地震动参数明确到乡镇,可服务于国土利用规划在内的各类规划制定、新建建设工程抗震设防、城市老旧危房改造、重大建设工程选址、农村安全农居建设、城市重大地震风险源排查以及地震灾害应急准备等。因此,本文设计的APP除了具有地震动参数查询和展示功能外,还结合市县基层防震减灾管理工作特点和需求,增添了建设工程类和村级行政类抗震设防信息采集表单。

(1)建设工程类抗震设防信息采集表单(图 8(c)),主要满足市县防震减灾部门对新、改、扩建工程进行抗震设防监管的需求,通过该表单可以实现对建设工程的项目名称、建设单位信息、场地类别、抗震设计参数及建设工程影像资料等多方位信息的便捷采集和多用户并行实时的数据库上传。

(2)新一代中国地震动参数已明确到乡镇,在此基础上,为了便于村级行政区域,特别是边界线附近区域,可以利用村级行政类抗震设防信息采集表单(图 8(d)),采集村级行政区域的地震动区划参数,该表单可以采集设定村级行政区域的地理位置信息和典型民居等图片,并与查询的地震动区划参数进行匹配,方便多用户并行实时上传至后台数据库进行管理。

3 数据库功能及后台管理模块

数据库及后台管理端基于B/S架构开发,主要对前端的相关数据进行集中管理,实现了抗震设计信息的数据汇集展示、数据统计分析、数据检索、终端应用情况统计、地震动参数区划图网页版查询及用户组织管理维护等功能,首界面如图 9(a)所示。截至2017年10月,已有30余个省、市、县防震减灾部门使用了中国地震动参数区划图服务行业版APP,公众版和行业版APP累计使用量1万余次,用户使用情况如图 9(b)所示。


图 9 后台管理端首界面及用户使用情况 Fig. 9 Interface of back-end management system and its user application
3.1 基础数据库构建

数据库主要分为业务库和空间库。

(1)业务数据库采用开源的对象-关系型数据库PostgreSQL,内置丰富的数据类型,如文本、几何图元、IP地址、数组等。业务库主要存储工程场点、村镇区划场点、区划计算信息、用户、部门、权限等业务数据。工程场点数据主要属性包括工程名称、设计单位、地址、结构类型、照片等描述信息;村镇区划场点主要属性包括省、市、县、镇、村、地址、照片等描述信息。

(2)空间数据库主要用于存储中国地震动参数区划面数据以及基础空间数据等,采用PostgreSQL的空间扩展PostGIS。基于PostGIS创建的空间索引,提高了空间搜索能力,并提供了丰富的空间操作函数。以WKB(well-known binary)的方式存储地震动参数面数据以及基础空间数据,实现了地震动参数区划中多类型空间数据的统一存储和管理。

3.2 后台管理模块

后台管理端提供了3个应用模块。

(1)建设工程许可备案模块。该应用模块与智能终端APP“工程场点类抗震设防信息采集”相关联,用于数据存储、查看、统计、添加、检索、删除及更新等管理功能。以列表形式展示的工程场点类抗震设防信息,显示了工程名称、调查员、经纬度、地震动区划参数和调查时间(图 10)。打开每1个条目可以查看相应建设工程的采集信息详情(图 11),如地址地名、地图位置、工程抗震设防信息和照片等。


图 10 上传至后台数据库的采集信息列表 Fig. 10 List of uploaded collection of information in back-end database

图 11 采集信息的详情展示 Fig. 11 Details of the collected information

(2)村级地震区划管理模块。该应用模块与智能终端APP“村级行政类抗震设防信息采集”相关联,与“建设工程许可备案”功能类似,存储并展示了采集的村级地震区划信息。

(3)地震区划参数查询模块。该应用模块链接至中国地震动参数区划图公共服务网站(www.gb18306.cn)。该网站基于B/S架构开发,可以实现PC端对地震动参数区划及地震区划编制参考资料的查询,同时,作为地震动参数区划图的中心服务器,该网站还可申请相应的数据查询接口,网站界面如图 12所示。


图 12 中国地震动参数区划图公共服务网站 Fig. 12 Website of public service of the Seismic Ground Motion Parameters Zonation Map of China
4 结语

本文设计研发了一套基于智能终端和互联网技术的新一代中国地震动参数区划图服务系统,包含了地震动参数区划APP(Android和iOS版)及B/S架构数据库管理等功能模块。目前,该系统已在全国30余个省市县的防震减灾部门进行了试运行,累计使用量1万余次,取得了良好的效果。服务系统覆盖了地震动参数区划的快捷搜索、查询、计算、管理、存储、更新等多个环节,为强制性国家标准《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)的贯彻实施提供了智能、便捷、高效的一体化服务,同时,也能够服务于市县基层防震减灾部门的人防、物防、技防等能力建设。

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