实时震情跟踪与快速发布系统建设

王想 李永庆

引言

震情跟踪和震情信息发布是地震局监测预报部门的主要职能之一。但是震情跟踪工作的现代化水平不足，远远不能满足政府和社会公众的迫切要求，同时也不能满足地震信息工作者本身对地震信息的要求。因此，有必要进行供给侧改革，丰富新常态下和非常态下的公共服务产品，提高震情跟踪工作的网络化、自动化和智能化水平。

今天，互联网已成为地震消息发布的主要载体，比如专业地震信息网，中国地震台网速报微博，各省地震局的政务微博等。互联网与各个传统行业深度融合、快速发展的互联网+时代，对震情跟踪消息发布的时效性、开放性、通俗性以及专业性都提出了更高的要求。一方面，地震观测数据的应用方式发生了新的变革，越来越注重多学科交叉和数据资源的开放共享，而目前单机模式的分析预报软件彼此孤立，形成了信息孤岛，影响了资源的交换共享。另一方面在政府和社会公众聚焦震情跟踪相关信息发布的情况下，整个过程要求分析预报人员快速、准确、高效地完成，分析预报软件单机模式的滞后性、封闭性、复杂性的问题日益显露，影响了震后应急处置的效率。

图1 系统工作流程图

本研究研制了一套实时震情跟踪与震情快速发布系统，充分利用服务器强大的存储和处理能力、宽带通信网络的高速数据交换能力、WebGIS平台的空间数据处理能力以及测震业务系统开放的服务接口，实现震情的实时、快速、自动分析与发布，通过设计良好的自动化程序大幅提高震情跟踪工作效率以及地震应急响应速度，为震情跟踪工作、地震活动性分析、地震应急会商、地震趋势研判提供软件工具，实现分析预报业务系统部分功能的网络化、自动化和智能化。

实时震情跟踪与快速发布系统的工作流程

实时震情跟踪与震情内容的快速发布都属于科研型业务流程，主要涉及收集数据、分析数据和可视化数据三个方面的工作，整个系统功能侧重网络化、自动化和智能化（图1），兼顾时效性和适用性，专业性和通俗性。收集数据功能同步了现有的EQIM（EarthQuake Instant Messenger）地震速报消息服务系统以及测震统一编目系统；分析数据功能减少人机交互过程，实现了部分地震学分析方法，提供交互式的地震活动性分析、震情跟踪方法；可视化数据生成的数据产品包括：地震专题的WebGIS服务，震情分析与发布，测震学短临异常指标动态跟踪结果和安卓客户端APP。

实时震情跟踪与快速发布系统的架构

我们参考传统Web应用架构设计了本系统的三层结构，自下而上分别是：数据层、业务层和应用层（图2）。通过在各层次上扩展空间数据管理功能，实现Web与WebGIS业务的综合集成。其中在数据层，用关系型数据库PostgreSQL管理一般数据，用其空间扩展PostGIS管理断层分布、行政区、道路等空间数据；在业务层，将Web和WebGIS服务统一部署到Web容器Apache Tomcat中；在应用层，使用JavaScript客户端访问常规Web服务，使用OpenLayers客户端访问WebGIS服务。

图2 系统技术框架结构图

实时震情跟踪与震情快速发布系统的核心内容

（一）收集数据——地震目录同步

通过中国地震局“九五”“十五”项目建设，国家逐步建成了大震速报(EQIM)、统一编目等一系列共享软件系统，新的统一编目系统也于2015年底进行上线测试。这些系统是我们可靠的数据来源。

我们采用Java SE+Eclipse IDE技术同步以上震情数据系统，程序以预设的同步周期主动访问EQIM系统和统一编目系统的数据，检测到数据更新时，将新数据写入本系统的数据库表中。为保证数据的时效性，同步周期与速报系统和编目系统的数据更新周期保持一致。EQIM系统的数据是实时更新的，因此同步周期设置为10～30秒；统一编目系统中包括快报目录和正式报目录，数据更新周期分别是24时和4周，同步周期设置为24时。地震目录同步服务启动后，数据同步和发布将自动完成，全程无须用户参与。系统同时提供了操作地震目录的交互式界面，一旦自动同步失败或者出错，用户可以手动更新数据。

（二）分析数据——震情分析服务

震情分析服务集成了震情分析业务逻辑、Web服务、Web客户端、WebGIS服务和WebGIS客户端等多种组件。

WebGIS服务是系统的关键功能模块，用户的各种操作都要依托WebGIS平台完成。WebGIS平台的搭建流程是在服务器端：①安装数据库PostgreSQL和空间数据引擎PostGIS，创建数据库、数据表，导入数据；②安装、配置WebGIS服务器GeoServer，发布WMS（Web Map Service）和WFS（Web Feature Service）。在客户端：利用OpenLayers调用WMS和WFS。

震情分析服务系统从JMS（Java Message Service）数据交换总线上读取地震目录数据，利用PostgreSQL和PostGIS数据库将地震目录转换为空间数据，再利用开源的WebGIS服务器GeoServer将地震数据发布为WMS服务，在客户端使用Openlayers技术将WMS渲染成电子地图，并提供多种地图操作控件。用户通过Web浏览器进行震情分析，无须安装任何客户端程序，也无须任何配置。大震应急时，现场工作人员亦可通过手机等智能终端访问系统。

（三）可视化数据——震情发布服务

速报地震将自动触发震情信息，并通过Web接口和安卓客户端进行发布。使用了Python总体技术路线，利用WebGL技术实现了断层的3D模拟，采用Threejs技术实时渲染，根据断层的实际参数如断层性质（正断层、逆断层、走滑断层）、走向角和倾角，反映断层在地壳内的真实展布状态。

实时震情跟踪与快速发布系统的功能

（一）地震目录及信息服务

支持对地震目录数据库的交互式管理。管理模块提供了对地震目录进行增、删、改、查、导入/导出、排序和分类统计的功能。目录中选中的地震在地图中居中显示，并弹窗显示地震的基本参数，包括：发震时刻、震中位置、震源深度、ML震级、MS震级、震中地名等。

系统支持震情时空分析，灾情风险评估，震情发布以及对第五代地震动参数区划图、人口网格、GDP 网格、建筑网格、应急避难场所分布的查询等功能。平台主页包括三个功能区域（图3）：顶部是系统LOGO和快捷按钮区，中部是WebGIS功能区，右侧是图层配置区。除了提供通用的视图缩放、多边形选择、测量等编辑和图层配置工具外，快捷按钮可以分别链接到地震目录管理、图层配置和震情信息等八个模块。功能区将最近发生的一次地震作为主震，呈现动画效果。

系统实现了分等级用户权限。用户进入系统后，游客用户仅能使用“地震目录”“时空分析”和“风险评估”这3个模块。普通用户，可以使用“地震目录”“时空分析”“风险评估”和“震情发布模块”。管理员用户，可以使用系统全部模块。其中地震风险评估结果综合展示平台利用公里网格的人口、GDP 数据对我省的地震风险进行了计算，并利用WebGIS 方式进行展示。

（二）实时震情跟踪服务

图3 地震空间分析

系统支持测震学短临异常指标实时动态跟踪，对显著平静、缺震、b 值、小震窗等在河北地区应用效果较好的测震学短临异常指标进行跟踪。具体方法包括震级-时间（M-T）、发震次数-时间(N-T)、发震次数-震级(N-M或lgN-M）、发震时间间隔-时间（Δt-t）分析等8种方法。通过对划定的研究区域，比如华北、首都圈、冀晋蒙、冀鲁豫、唐山、京津等，按照预设的窗长、步长对指标进行自动计算，超过阈值则发布异常报警消息。然后通过图形用户界面，实现分析结果的空间可视化，并将分析结果存入数据库，以JMS消息的方式上传到ActiveMQ。

（三）震情快速发布服务

震情推送服务根据专业用户和大众用户不同的需求，主要功能是将生成的震情信息分为常态推送和非常态推送两种，进行统一的存储、管理和发布。常态推送是自动生成并发布日常会商涵盖的震情信息内容，减少了科研人员在更新维护地震数据以及图件编制方面的工作量。非常态推送是在显著地震后，对符合触发条件的地震自动生成首期震情信息，可以跟踪地震发展并自动更新后续多期震情内容。常态推送包括会商版震情信息和常态版震情信息；非常态推送包括显著地震发生后，速报服务产生的大众版震情信息和专家版（多期）震情信息。两类四种震情信息均可以通过Web接口和安卓客户端进行实时发布。

系统提供自动触发条件的配置界面，触发条件的内容包括经纬度范围和震级范围（MS震级或者ML震级）。震情内容（一期）包含地震基本参数、震中和邻近断裂附近历史地震活动和地震类型的统计情况；震情（二期）增加了余震、历史地震震源机制解读及推测发震构造基本参数等情况。当有余震不断发生时，系统会自动跟踪余震序列的发展趋势，并定期产出“震情（N期）”，做到震情的实时跟踪播报。

生成的手机安卓APP主要包括四个模块：应急、震情、地图和列表（图4）。

成果推广应用及下一步工作设想

系统上线后，在河北省地震局预测研究中心，部分市局、中心台的周、月以及年度会商的震情跟踪工作，地震活动性分析，测震学短临异常指标自动更新，地震趋势研判中发挥了积极作用。2018年以来在包括永清4.3级地震在内的26次显著地震的应急工作中发挥了积极作用。为服务政府、服务社会起到了积极作用，为公众舆论引导，科学解读地震知识发挥了实际作用（图5）。

图4 手机安卓APP

与传统的预报软件相比，本软件有一些突出的优势：

1.建立了统一的地震目录数据服务平台，数据实时更新，免去了用户人工维护数据的烦恼。目前地震目录的种类和格式众多，更新周期和震级标度各不相同，使得地震目录维护工作成为困扰科研人员的难题，成为影响数据交换共享和科研交流的瓶颈。系统服务大大提高了分析预报人员日常工作更新地震目录的工作效率，降低了出错概率，保证数据的时效性和准确性。利用这一服务，在地震应急时，分析预报人员不必浪费时间进行地震目录的收集和整理，可以直接投入目录分析与研究工作，提高了应急响应工作的效率。

2.用B/S服务模式，无须安装客户端程序，也无须复杂的配置，使用通用的Web浏览器即可访问系统服务，降低了系统的使用门槛，增强了易用性。

尽管本研究建立了预期的系统平台，但仍有进一步进行研发和扩展的迫切需求，首先 “十五”以来，我国地震系统的监测预报、震害防御和应急救援三大体系各自发展了一系列优秀的行业应用软件，比如：测震台网的JOPENS系统、EQIM系统，预测研究中心的MapSIS系统，应急中心的灾情评估系统等，但由于部门各有分工，这些行业应用软件各自遵循相对独立的发展脉络，相互之间少有联合和协同，因而形成了各自为政的局面，在部门之间形成了信息孤岛甚至技术壁垒。本系统将继续尝试汇集监测预报、应急救援、震害防御等各部门的资料，为大震应急工作提供统一的数据交换平台，实现各部门数据的无缝集成。

图5 通过媒体开展地震科普宣传和引导公众舆论

其次本软件核心内容仅限于测震学科，且方法比较单一，用于作为震情会商的支撑平台仍显能力不足，下一步将在数据层接入前兆资料、更多测震学参数（如震源机制）、更丰富的基础地理数据（如人口、GDP）；在业务层，增加更多分析预报的方法，丰富系统的方法库；增加自动化模块，使系统能够自动跟踪地震形势并持续自动产出多期震情信息，逐渐丰富震情信息的内容。最终形成一套性能可靠、自动化程度较高的、能支撑地震部门防震减灾基础能力提升的系统平台。