一種多通道地震數(shù)據(jù)視聽及異常自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的開發(fā)

一種多通道地震數(shù)據(jù)視聽及異常自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的開發(fā)

0自動(dòng)識(shí)別高效分析預(yù)報(bào)系統(tǒng)研發(fā)天津市地震臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)包括437個(gè)站的測(cè)量數(shù)據(jù)，其中數(shù)字原始數(shù)據(jù)169個(gè)，預(yù)處理后預(yù)處理數(shù)據(jù)183個(gè)，并行模擬數(shù)據(jù)85個(gè)。每日生產(chǎn)近16萬(wàn)條數(shù)據(jù)。大量數(shù)據(jù)是異常的，這給地震預(yù)測(cè)人員和地震預(yù)測(cè)人員的日常分析和處理帶來(lái)了沉重的負(fù)擔(dān)。目前已有的分析預(yù)報(bào)軟件系統(tǒng)涵蓋了針對(duì)各測(cè)項(xiàng)的分析預(yù)報(bào)方法,但操作復(fù)雜,且側(cè)重于預(yù)測(cè)方法和趨勢(shì)判定,僅適合于地震會(huì)商工作。因此有必要編制一套軟件,用來(lái)監(jiān)視前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)上報(bào)情況,并能夠自動(dòng)識(shí)別前兆數(shù)據(jù)異常,實(shí)現(xiàn)對(duì)前兆數(shù)據(jù)的自動(dòng)檢測(cè)和報(bào)警功能?；谶@個(gè)想法,筆者通過(guò)大量的編程工作,反復(fù)試驗(yàn),開發(fā)了前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)監(jiān)視及異常自動(dòng)識(shí)別軟件系統(tǒng),并已將其應(yīng)用到日常工作中,大大提高了工作效率(蔣淳等,2003;楊昆等,2006)。1數(shù)字化節(jié)拍數(shù)據(jù)下載與解壓縮前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)監(jiān)視及異常自動(dòng)識(shí)別軟件系統(tǒng)采用VisualBasic6.0語(yǔ)言開發(fā),具有靈活、高效、實(shí)用的特點(diǎn)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了模擬前兆數(shù)據(jù)文件的下載與格式轉(zhuǎn)換功能。對(duì)未上報(bào)數(shù)據(jù)文件的臺(tái)站、地辦進(jìn)行報(bào)警提示;對(duì)數(shù)據(jù)文件格式有誤的臺(tái)站、地辦進(jìn)行報(bào)警提示。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化前兆數(shù)據(jù)壓縮文件的下載與解壓縮,對(duì)未上報(bào)壓縮文件的臺(tái)站、地辦進(jìn)行報(bào)警提示;對(duì)數(shù)字化ORG文件進(jìn)行個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)和字節(jié)數(shù)檢測(cè);對(duì)數(shù)字化原始前兆測(cè)項(xiàng)文件進(jìn)行個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì),對(duì)數(shù)字化預(yù)處理前兆測(cè)項(xiàng)文件進(jìn)行個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)、缺數(shù)統(tǒng)計(jì);模擬、數(shù)字化前兆測(cè)項(xiàng)數(shù)據(jù)入庫(kù)后,采用一階差分法、日變幅度法和均方差法對(duì)預(yù)處理前兆數(shù)據(jù)進(jìn)行異常識(shí)別,對(duì)存在異常的臺(tái)站測(cè)項(xiàng)進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警,真正使重大異常能得到及時(shí)處理與落實(shí),并可通過(guò)數(shù)據(jù)瀏覽和圖形顯示等方式反映異常情況,幫助前兆臺(tái)網(wǎng)值班人員、預(yù)報(bào)人員確認(rèn)異常并進(jìn)行分析處理(王建國(guó)等,2001;谷光裕等,2002)。編程時(shí)采用EZFTP控件從FTP服務(wù)器中自動(dòng)下載模擬前兆數(shù)據(jù)文件、數(shù)字化前兆數(shù)據(jù)壓縮文件;采用Winrar軟件自動(dòng)解壓縮數(shù)字化前兆數(shù)據(jù)壓縮文件;采用ADO控件和SQL語(yǔ)句完成MicrosoftSQLServer2000分布式網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)讀寫(王建國(guó)等,2003;李倩等,2004)。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。2系統(tǒng)功能2.1模擬拾遺文件上傳錯(cuò)誤天津市地震前兆臺(tái)網(wǎng)的薊縣臺(tái)、寶坻臺(tái)、青光臺(tái)、張道口臺(tái)、塘沽臺(tái)、寧河臺(tái)、靜海臺(tái)、徐莊子臺(tái)、漢沽地震辦公室和塘沽地震辦公室等10個(gè)單位每天都將按照一定格式編碼、命名的模擬前兆數(shù)據(jù)文件上報(bào)至天津市地震局FTP服務(wù)器中。系統(tǒng)從服務(wù)器中將這些文件下載到本地計(jì)算機(jī),轉(zhuǎn)換成“九五”格式前兆測(cè)項(xiàng)文件,同時(shí)報(bào)警提示信息被寫入前兆臺(tái)網(wǎng)工作日志中。編程時(shí),采用EZFTP控件實(shí)現(xiàn)從FTP服務(wù)器中自動(dòng)下載模擬前兆數(shù)據(jù)文件到本地計(jì)算機(jī),并通過(guò)dir()函數(shù)判斷文件是否存在,若dir(文件名)=",表明文件不存在,然后通過(guò)Msgbox對(duì)話框報(bào)警,提示未收到文件。因天津市地震局FTP服務(wù)器出現(xiàn)過(guò)存儲(chǔ)空間爆滿,導(dǎo)致臺(tái)站、地震辦公室上報(bào)的模擬前兆數(shù)據(jù)文件內(nèi)容為空(字節(jié)數(shù)等于0)的情況,因此,VB程序采用FileLen()函數(shù)檢查文件字節(jié)數(shù)是否為0,若等于0則表明文件內(nèi)容為空,然后通過(guò)Msgbox對(duì)話框報(bào)警提示字節(jié)數(shù)錯(cuò)誤的文件。臺(tái)站、地震辦公室每天上報(bào)的模擬前兆數(shù)據(jù)文件中的數(shù)據(jù)組數(shù)和位置是固定不變的。以寧河臺(tái)2006年9月1日的模擬前兆數(shù)據(jù)文件“06090121.j15”為例,該文件包含9組數(shù)據(jù),每組數(shù)據(jù)含義如表1所示。在讀取該數(shù)據(jù)文件時(shí),若數(shù)據(jù)組數(shù)小于或大于9,表明文件內(nèi)容有誤,報(bào)警提示。當(dāng)某組數(shù)據(jù)不正確時(shí),也報(bào)警提示。比如第3組數(shù)據(jù)應(yīng)為核旋測(cè)項(xiàng)代碼300,若不是300,則提示數(shù)據(jù)有誤。數(shù)據(jù)文件的這種錯(cuò)誤處理和報(bào)警方式,有效地避免了因轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤而造成的入庫(kù)數(shù)據(jù)混亂的問題,提高了程序的容錯(cuò)能力。2.2數(shù)字化創(chuàng)見文件獲取薊縣臺(tái)、寶坻臺(tái)、青光臺(tái)、張道口臺(tái)、塘沽臺(tái)、靜海臺(tái)和徐莊子臺(tái)7個(gè)臺(tái)站每天都將數(shù)字化原始前兆數(shù)據(jù)壓縮文件和數(shù)字化預(yù)處理前兆數(shù)據(jù)壓縮文件上報(bào)至天津市地震局FTP服務(wù)器中。系統(tǒng)從局FTP服務(wù)器中將這些壓縮文件下載到本地計(jì)算機(jī)并解壓縮。數(shù)字化ORG文件、原始前兆測(cè)項(xiàng)文件、預(yù)處理前兆測(cè)項(xiàng)文件分別放入不同目錄中。對(duì)各類文件進(jìn)行檢索后,報(bào)警提示信息也被寫入前兆臺(tái)網(wǎng)工作日志中。通過(guò)檢索本地計(jì)算機(jī)中已收到的臺(tái)站數(shù)據(jù)壓縮文件,以對(duì)話框形式報(bào)警提示未收到的壓縮文件。前兆臺(tái)網(wǎng)中心每天應(yīng)收到數(shù)字化ORG文件總數(shù)為49個(gè)。通過(guò)讀取本地計(jì)算機(jī)中各個(gè)數(shù)字化前兆臺(tái)站的臺(tái)站代碼、儀器連接、分量表等參數(shù)文件,獲得數(shù)字化ORG文件名、文件總數(shù),從而統(tǒng)計(jì)已經(jīng)收到和未收到的ORG文件,并檢測(cè)已收到的ORG文件字節(jié)數(shù)是否正確。以寶坻臺(tái)高村井為例。高村井的臺(tái)站代碼為CD,儀器連接文件VHF.CD內(nèi)容如下:1,LN-3型水位儀,00000000,113,SZW-1A型數(shù)字式溫度計(jì),20016346,11C,PTH/R-Ⅲ型氣象三要素儀,00000000,11從文件內(nèi)容可知高村井2006年9月1日數(shù)字化ORG文件應(yīng)有3個(gè),即:1號(hào)LN-3型水位儀觀測(cè)文件CD1X901.ORG(正確字節(jié)數(shù)25211)、3號(hào)SZW-1A型數(shù)字式溫度計(jì)觀測(cè)文件CD31901.0RG(正確字節(jié)數(shù)為8874)、C號(hào)PTH/R-Ⅲ型氣象三要素儀觀測(cè)文件CDCX901.0RG(正確字節(jié)數(shù)為468)。依此信息,可逐個(gè)檢索ORG文件是否存在,字節(jié)數(shù)是否正確。前兆臺(tái)網(wǎng)中心每天應(yīng)收到數(shù)字化原始前兆測(cè)項(xiàng)文件169個(gè),數(shù)字化預(yù)處理之后的前兆測(cè)項(xiàng)文件183個(gè)。通過(guò)讀取原始前兆數(shù)據(jù)庫(kù)PDBY-TJ和預(yù)處理前兆數(shù)據(jù)庫(kù)PDB-TJ中臺(tái)站測(cè)項(xiàng)信息表獲得前兆測(cè)項(xiàng)文件信息,檢索已收到和未收到的原始前兆測(cè)項(xiàng)文件和預(yù)處理前兆測(cè)項(xiàng)文件,并對(duì)已收到的預(yù)處理前兆測(cè)項(xiàng)文件缺數(shù)情況進(jìn)行檢測(cè)。以寶坻臺(tái)高村井前兆測(cè)項(xiàng)文件信息為例,其原始前兆測(cè)項(xiàng)文件、預(yù)處理前兆測(cè)項(xiàng)文件各應(yīng)有9個(gè)(表2)。依據(jù)表2中列出的前兆測(cè)項(xiàng)文件信息,逐個(gè)檢索原始前兆測(cè)項(xiàng)文件和預(yù)處理前兆測(cè)項(xiàng)文件是否存在,并逐個(gè)檢索預(yù)處理前兆測(cè)項(xiàng)文件的缺數(shù)情況。2.3原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理一階差分法實(shí)質(zhì)上就是用第二天的觀測(cè)值減去第一天的觀測(cè)值,再用第三天的觀測(cè)值減去第二天的觀測(cè)值,依此類推,得出一列新的數(shù)據(jù)的計(jì)算方法。這列新的數(shù)據(jù)叫做原始數(shù)據(jù)序列的一階差分序列或一階差分值。設(shè)計(jì)程序時(shí),在預(yù)處理前兆數(shù)據(jù)庫(kù)PDB-TJ中建有“一階差分法”表,表結(jié)構(gòu)及記錄如表3所示。預(yù)報(bào)人員可通過(guò)軟件提供的窗口修改一階差分異常指標(biāo)(王秀英等,2004)。系統(tǒng)利用表3信息,從PDB-TJ的臺(tái)站分鐘值、整點(diǎn)值或日(均)值數(shù)據(jù)表中讀取測(cè)項(xiàng)數(shù)據(jù),采用日(均)值一階差分法對(duì)表中各測(cè)項(xiàng)依次進(jìn)行異常識(shí)別,若測(cè)值超出或低于給定的一階差分異常指標(biāo),即為異常數(shù)據(jù)。2.4確定異常數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)程序時(shí),在預(yù)處理前兆數(shù)據(jù)庫(kù)PDB-TJ中建有“日變幅度法”表,表結(jié)構(gòu)及記錄如表4所示,預(yù)報(bào)人員可通過(guò)軟件提供的窗口修改日變幅度異常指標(biāo)。系統(tǒng)利用表4信息,從PDB-TJ的臺(tái)站分鐘值或整點(diǎn)值數(shù)據(jù)表中讀取測(cè)項(xiàng)數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)每天的最大值和最小值(VB程序中的一條SQL語(yǔ)句使用了max()、min()函數(shù))。當(dāng)日變幅度(每天最大值與每天最小值之差)超出給定的“日變幅度異常指標(biāo)”,即為異常數(shù)據(jù)。此方法能有效地檢測(cè)出影響曲線形態(tài)的單點(diǎn)突跳數(shù)據(jù)、臺(tái)階數(shù)據(jù)等。2.5選擇多臺(tái)臺(tái)的測(cè)項(xiàng)系統(tǒng)一次可以對(duì)一種采樣率下某個(gè)臺(tái)站的所有測(cè)項(xiàng)進(jìn)行超差數(shù)值檢索(中國(guó)地震局,2001)。如圖2所示,選擇“分鐘值”、“整點(diǎn)值”或“日均值”采樣率,與該采樣率對(duì)應(yīng)的臺(tái)站便列于“選擇臺(tái)站”一欄,選擇某個(gè)臺(tái)站后,該臺(tái)站的測(cè)項(xiàng)列于“選擇測(cè)項(xiàng)”一欄。例如,在“采樣率”中選擇“整點(diǎn)值”、在“選擇臺(tái)站”中點(diǎn)擊“寶坻臺(tái)”,再選擇該臺(tái)測(cè)項(xiàng)“電阻率NS”,設(shè)置開始日期為“2006-06-01”、結(jié)束日期為“2006-06-18”、方差倍數(shù)為“3”,點(diǎn)擊“檢索”按鈕,就得出如下結(jié)果:“寶坻臺(tái)電阻率NS整點(diǎn)值超限個(gè)數(shù):1(3倍標(biāo)準(zhǔn)差上限57.7468,3倍標(biāo)準(zhǔn)差下限49.4437)2006-06-0818:0081.4200”2.6“選擇”測(cè)項(xiàng)的選擇系統(tǒng)一次可以對(duì)一種采樣率下含有某個(gè)測(cè)項(xiàng)的所有臺(tái)站進(jìn)行超差數(shù)值檢索。如圖3所示,選擇“分鐘值”、“整點(diǎn)值”或“日均值”采樣率,不同采樣率對(duì)應(yīng)的測(cè)項(xiàng)便列于“選擇測(cè)項(xiàng)”一欄,點(diǎn)擊某個(gè)測(cè)項(xiàng)后,具有該測(cè)項(xiàng)的臺(tái)站就列于“選擇臺(tái)站”一欄。2.7日超3倍方差均方差法異常自動(dòng)識(shí)別就是對(duì)所有臺(tái)站的所有測(cè)項(xiàng)進(jìn)行超差數(shù)值檢索。如圖4所示,點(diǎn)擊“確定”按鈕,系統(tǒng)就自動(dòng)檢索2006年6月12～18日一周內(nèi)超3倍方差的分鐘值、整點(diǎn)值數(shù)據(jù),以及2006年6月1日以來(lái)超3倍方差的日均值數(shù)據(jù)。由于前兆測(cè)項(xiàng)繁多、數(shù)據(jù)量較大,有可能影響檢索效率,因此在編制軟件時(shí)要考慮盡可能提高其運(yùn)行速度。比如在程序中有一條SQL語(yǔ)句使用了avg()和stdev()函數(shù),因而能夠同時(shí)算出一段時(shí)間內(nèi)的所有數(shù)據(jù)的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差,再通過(guò)另外一條SQL語(yǔ)句就可一次檢索出某個(gè)測(cè)項(xiàng)的所有超差數(shù)據(jù)。2.8異常識(shí)別工作系統(tǒng)每天定時(shí)自動(dòng)完成前兆模擬數(shù)據(jù)文件下載與格式轉(zhuǎn)換、數(shù)字化前兆數(shù)據(jù)壓縮文件下載與解壓縮、一階差分法異常識(shí)別、日變幅度法異常識(shí)別、均方差法異常自動(dòng)識(shí)別等項(xiàng)工作。前兆臺(tái)網(wǎng)值班人員和地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)人員根據(jù)已寫