基于Oracle的全国砂层应变数据中心设计及应用

蔡佩蕊， 沈 勇， 陈 伟， 吴劲柏， 李毅伟，黄欢欢， 宋 超， 何星源

(1. 福建省地震局莆田地震台， 福建 莆田 ； 2. 福建省莆田市地监测与应急中心， 福建 莆田）

0 引言

砂层应变观测仪使用埋设于土层中的应变传感器， 探测地层中的应变， 依据颗粒物质的特性和运动规律， 分析地震前兆信息[1]。 自1999年以来， 全国已陆续建成的18个砂层应变观测站。 各个台站主要还是采用单台观测分析， 缺少对全国数据统一对比研究， 各台之间数据共享能力差， 难于进行有效的地震砂层应变观测数据共享服务。 2010年11月3日在莆田召开了砂层应变研讨会， 与会代表针对砂层应变台站的运行情况及数据处理分析情况进行交流， 并一致认为有必要建立全国砂层应变数据中心， 为全国砂层应变研究提供更好的平台。 2011年， 在中国地震局监测司的支持下， 在莆田建立了全国砂层应变数据中心。

1 砂层应变数据中心系统设计

1.1 系统需求分析

1.1.1 系统设计原则

系统以目前成熟技术， 参照“十五” 前兆数据库[2]， 结合砂层应变观测仪器的实际情况进行研制和开发， 主要解决观测数据采集、 共享平台搭建、 数据服务及系统管理等方面问题， 为管理和分析人员提供连续、 可靠的观测数据。

系统建设应遵循全局性和整体性， 科学性和先进性， 标准化和规范化， 开放性和扩展性， 安全稳定性以及经济时效性等原则。 系统的软件设计遵循实用性、 模块化、 开放性、网络化等原则

1.1.2 系统功能需求

（1）对全国各砂层应变观测台站数据进行采集、 定时传输并自动入库。

（2）建立共享平台， 为观测分析人员提供数据下载、 图形绘制及数据处理等服务。

（3）实现对全国各个台站观测数据的综合分析， 进行多台对比。

（4）为全国地震砂层应变台站提供基于web 的综合分析管理平台。

1.2 系统总体设计

1.2.1 砂层应变观测数据中心系统总体思路

（1）实现观测数据自动采集和管理， 自动收集全国各砂层应变台站观测数据。

（2）采用B/S 与C/S 相结合的模式， 实现数据共享， 客户端可通过网页或专业软件访问数据库， 为数据处理及分析人员提供连续可靠的数据。

（3）采用Oracle 数据库存储数据， 参照“十五” 数据库格式， 充分利用现有专业软件，提高系统可用性。

1.2.2 全国砂层应变数据中心系统结构

本系统采用Oracle 数据库作为基础数据库， 总体架构采用B/S 与C/S 相结合的结构。 B/S 结构， 即由表示层、 服务层和数据层组成的三层体系网络架构， 包括后台数据库、 WEB服务器、 客户端组成， 其中客户层和服务层中间用网络防火墙隔开。 这种体系结构使得数据和应用完全独立。 C/S 结构是客户机和服务器结构。 它是软件系统体系结构， 通过它可以充分利用两端硬件环境的优势， 将任务合理分配到Client 端和Server 端来实现。 本系统的服务器端参照“十五： 数据库格式， 客户端充分利用现有的专业软件EIS2000， 实现数据处理分析功能， 减短系统的开发周期（图1）。

1.2.3 Web 应用程序快速开发工具

Oracle Application Express， 以前称HTML DB。 它是一个针对Oracle 数据库的Web 应用程序快速开发工具， 只需要一个Web 浏览器以及少量的编程经验， 数据库开发人员就可以利用它开发和部署快速、 安全的专业应用程序。 开发、 部署或者运行APEX 不需要额外的客户端软件， 目前其所提供的工具为应用程序构建器、 SQL Workshop 和实用程序等。APEX 对Web 2.0 特性的开发也提供了多种支持， 比如分页、 基于Ajax 的列选、 动态创建报表以及Web 服务开发等。

1.3 运行环境设计

1.3.1 硬件环境

服务器采用IBM system x3650M3， 数据存储采用三块300G 硬盘做成RAID5 阵列。 为硬保系统24 小时不间断运行， 配置了艾默生UPS 电源。

1.3.2 软件环境操 作 系 统： Suse Linux 11； Oracle 数 据 库： oracle 11gR1； Web 服 务 器： Oracle Application Express Lisener。

1.3.3 开发环境

操作系统采用Suse Linux； 数据库采用Oracle 数据库； Oracle 数据库存储程序单元的开发采用PL/SQL Developer； WEB 页面制作采用DreamWeaver MX 和Oracle Application Express。

图1 系统结构图Fig.1 System structure diagram

1.4 数据库设计

结构化的表格数据由关系数据库系统（Oracle）管理, 关联数据库将数据保存在不同的表中， 而不是将所有数据放在一个大的仓库内。 这样就增加了速度并提高了灵活性。

1.4.1 数据库设计原则

数据库设计时， 按以下原则进行：

（1）应用驱动数据集成的原则。

（2）集成数据分级共享的原则。

（3）保护数据知识产权的原则。

（4）数据的独立性高、 既具有物理的独立性， 又具有逻辑的安全性。

（5）具有较好的保护数据安全性和维护数据一致性的措施。

（6）关系表、 字段等命名规则遵循地震前兆数据库结构规范。

（7）为适应数据库跨平台运用的需要， 数据库的字段名均为英文、 拼音或英文词组缩写。

1.4.2 数据库关系表结构设计

数据库包含砂层应变观测数据、 台站基础信息、 台站测项信息和砂层应变仪器信息等。

（1）砂层应变观测数据表： 包括原始数据、 预处理数据的秒值、 分钟值、 整点值、日均值等。

日（均）值表存放按日采样的数据或日均值数据， 每天每个测项分量为一条记录。 观测值序列将观测值数据以ASCII 字符形式存放。 对于日（均）值， 该序列只有一个数据。

小时值表存放按小时采样的数据， 包括整点值和时均值数据， 每天每个测项分量为一条记录。 观测值序列将观测值数据以ASCII 字符形式存放， 将一天24 h 值数据按采样次序连接起来， 数据之间用空格符分隔。 缺测数据用 “NULL” 表示。 全天缺数时可用“NULLALL” 表示。

分钟值表存放每分钟1 次采样的数据， 秒值表存放每秒1 次采样的数据。 分钟值表和秒值表每天每个测项分量为一条记录。 观测值序列将观测值数据以ASCII 字符形式存放，将一天1 440个分钟值或86 400个秒值数据按采样次序连接起来， 数据之间用空格分隔。缺测数据用“NULL” 表示， 全天缺数时可用“NULLALL” 表示。

（2）台站基础信息表： 台站名称、台站代码、 经纬度、 所在行政区划等信息。

（3）台站测项信息表： 测项（分量）名称、 测项（分量）代码、 数据量纲、观测精度、 数据起始和结束时间等。

（4）砂层应变仪器信息表： 仪器信息、 仪器运行信息、 仪器校准信息、 仪器维修与维护记录信息等。

1.4.3 数据库备份

为确保观测数据的连续、 可靠， 需定期对数据库进行备份。 本系统采用数据泵的方式对数据库进行定期自动备份。

表1 分钟值表和秒值表结构Table 1 Minutes value table and seconds value table structures

1.5 软件模块设计

1.5.1 数据采集、 存储模块

数据采集、 存储模块实现观测数据采集并存入Oracle 数据库的功能。 该模块采用PL/SQL 语言编程实现。 数据入库采用外部表方式， 先建立外部表， 再通过查询语句进行入库。Oracle 有这样一种特性， 它可以将某些特定格式的文件映射到数据库中， 形成一个 “表”，称为“外部表”。 当用户更改文件内容时， 外部表中的数据即随之改变。 同时， 用户又可以像检索普通表一样， 以只读的方式对外部表进行检索。

砂层应变观测原始数据为dat 文件， 格式如下：

外部表建立SQL 语句如下：

1.5.2 数据管理系统

数据管理系统采用B/S 结构， 可提供基于WEB 的服务， 包括数据监控、 数据采集、 数据下载、 台站设置、 仪器设置及基础信息查询等服务。 本系统开发采用Oracle Application Express 进行Web 快速开发 ， 采 用 Oracle Application Express Listener 作为Web 服务器。

（1）监控模块： 此模块包括测点分布图全局监控和曲线监控。 测点分布图监控是采用Anymap 绘制测点分布图， 对当天数据缺失的台站形成异常台站系列， 并在分布图上显示出来。 曲线监控则是通过Anychar 绘制当天观测数据曲线， 可直观地看出当天数据是否有异常。

（2）数据采集模块： 此模块包括手动采集和自动采集。 手动采集通过页面调用数据采集、 存储模块进行观测数据采集入库。 自动采集通过页面激活Oracle Job， 每天定时调用数据采集、 存储模块进行观测数据采集入库。

图2 数据采集、 存储模块流程图Fig.2 Flow chart of data acquisition and memory modules

（3）信息维护模块： 此模块通过APEX 的交互式报表形式对基础信息进行维护。

图3 数据管理系统结构图Fig.3 Structure of Data management system

2 砂层应变数据中心系统应用

2.1 中国地震前兆砂层应变观测台网数据管理系统

中国地震前兆砂层应变观测台网数据管理系统主要功能有： 观测数据监控、 观测曲线显示、 观测数据下载、 观测数据入库、 观测台站基本信息设置及查询、 仪器信息查询、 仪器测项查询等。

图4 观测台站基础信息设置页面图Fig.4 Page of setting the base information of stations

图5 观测数据曲线图Fig.5 Curve of the observational data

2.2 EIS2000 软件应用

由于砂层应变数据库参考 “十五” 前兆数据格式规范建立， 因此针对 “十五” 前兆数据库开发的应用软件在砂层应变数据库系统也适用。 EIS2000 是地震前兆分析、 处理软件，可直接连至数据库提取数据， 进行处理、 分析。

图6 EIS2000 应用Fig.6 Application of EIS2000

3 结语与讨论

在莆田地震台建立的全国砂层应变数据中心是我国第一个砂层应变数据中心。 系统采用功能强大的Oracle 数据库作为基础数据库， 具有稳定性。 采用B/S 与C/S 相结合的体系结构， B/S 结构对用户客户端配置要求不高， 只需WEB 浏览器就可访问数据库， C/S 结构则可采用专业软件做进一步的数据处理、 分析。 本系统服务器性能稳定并配置UPS， 达到24 h 连续工作， 提供的观测数据连续、 可靠。

由于数据量及网络带宽等限制， 本系统采用定时传输、 入库模式， 未实现真正意义上的实时传输。 今后有待进一步升级、 优化， 提高数据利用的实效性。

[1] 陆坤权， 厚美瑛， 王强， 等. 颗粒介质中探测地震前兆和前兆应力－应变传播模型[J]. 科学通报，2011， 56（6）： 383-390.

[2] 周克昌， 蒋春花， 纪寿文， 等. 地震前兆数据库系统设计[J]. 地震， 2010， 30（2）： 143-151.