0 引言

地球重力场是地球最基本的物理场之一，是地球内部、地表及外部空间物质分布与地球本身旋转运动信息的综合反映(申重阳等，2020)。地球重力场观测已成为我国地震中期预测的主要观测手段之一，按照“以场求源、场源结合”的思路将重力监测成果运用于地震预测实践，在我国防震减灾工作中发挥了重要作用(祝意青等，2020)。自1966年邢台大地震以来，我国陆续开展了以固体潮观测和研究为目的的连续重力观测活动，历经50余年的发展，依托“中国数字地震观测网络”“中国地震背景场探测工程”“中国大陆构造环境监测网络”等重大工程项目建设，我国建立了基本覆盖中国大陆的连续重力观测站网，75个台站、78套重力仪器基本均匀分布于我国大陆活动块体内(张培震等，2003；韩宇飞等，2024)，观测仪器包括PET/gPhone、DZW、GS15、TRG等(图 1)。经过“九五”“十五”数字化和网络化改造，中国地震局地壳形变、重力、流体、地磁和地电学科共同开发了中国地震局地球物理台网数据管理系统(简称“管理系统”)，初步实现了重力固体潮观测数据网络采集、分发和存储的管理需求。连续重力观测站网提供的高时空分辨率重力场变化数据和图像，为固体潮研究、地震监测预报、地球动力学研究提供了坚实基础(许厚泽，2010；韩宇飞等，2020；李辉等，2022；王嘉沛等，2023；孙和平，2024)。但由于我国的地震重力站网建设长期以来主要依托不同项目开展，分块设计、多头建设，在一定程度上影响了重力站网的运行管理效率，现有管理系统也无法满足站网运管信息化的发展需求。另外，长期以来连续重力站网仍存在站网运行管理效率较低、仪器运行状态无感知、数据质量监控滞后、实时波形无法获取展示等问题。随着重力站网规模不断扩大，运行维护的高效安全稳定性要求日益突出，在地震系统站网改革和信息化、现代化建设的推进下，急需建设一套全国统一管理、分级运维、责权明确、实时运行的连续重力站网监控管理平台，对重力站网进行全方位的监控管理(王方建等，2009；王坦等，2021；师宏波等，2023)。因此，本研究研发了重力站网运行管理平台(以下简称“平台”)，实现了全国重力站网数据流、状态流的实时远程监控，以及仪器状态、观测环境、数据传输、质量评估和网络安全等全流程信息资源的统一监控、运行管理、统计分析等功能。平台的建成初步达到了标准化、智能化、信息化站网管理的建设效果，大大提高重力站网的运行管理效率和数据使用效能，显著提升了连续重力站网运管的信息化水平和服务能力。

1 平台架构设计 1.1 总体技术路线

重力站网运行管理平台运行于当前主流的开源架构SpringMVC、SpringBoot、MyBatis之上，框架系统健壮稳定(潘伟东等，2021)。采用前后端分离技术架构、多线程方式提高平台运行效率(曹浩等，2024)，以实现重力站网实时监控高效性、数据接入存储可靠性、数据传输存储安全性、功能升级和软硬件资源可扩展性、操作界面友好易用性等设计目标。后端数据源方面，平台支持通过Oracle接入“十五”站网观测数据，支持通过Socket实时接入重力仪器波形数据，支持通过Httpclient、Jsoup技术采集重力仪Web网页数据。中间层数据库方面，通过Redis实时数据库用于存放常用数据(如重力原始值、重力修正值等)，以便更好地提高系统查询性能，将业务数据存储到Oracle数据库，设计Oracle数据库热备，提高数据安全性。前端引入专用大数据绘图技术，通过VUE、Bootstrap、Node.js、CSS3、HTML5、Echarts、地图等技术进行业务逻辑和数据可视化交互，并通过token和API实现数据交换(王军等，2024)。平台整体技术架构如 图 2所示。

1.2 平台业务架构

平台采用分层的B/S架构，下层为上层服务，上层调用下层相应的服务或者组件。总体业务架构由接入层、存储层、应用服务层、展示层四部分构成，如 图 3所示。

接入层采用流数据处理技术，对连续重力站网的观测数据流、状态流数据进行接入、解析和预处理。接入数据主要包括台站基础数据、业务数据和网络数据三部分，基础数据主要为台站代码、测点编码、供电通信、台基类型、地形地貌、构造背景、典型图片等；业务数据主要为重力原始值、重力修正值、横水准、纵水准、环境温度、设备温度、环境压强、设备压强、湿度等观测数据；网络数据主要指路由器通信状态。

存储层对接入数据进行清洗、解析后，将数据存入系统数据库和业务数据库。存储层主要以平台的数据库系统实现数据的存储和管理。系统提供的数据获取服务接口方便平台应用层对数据抽取、检查、过滤、计算等。

应用服务层的设计切合实际应用，主要包括站网运行监控管理和日报产出、统计分析系统相关功能模块。

展示层通过业务网站实现平台可视大屏、站网分布、站网监控、实时曲线、数据下载等核心功能展示，通过综合管理实现用户权限管理和任务管理。

1.3 平台功能架构

重力站网运行管理平台采用一级部署、三级应用的管理模式，建立了国家级、省局级和中心站级三级管理用户，支持多人协同在线管理办公，业务链条更加清晰，站网管理更加动态高效。为满足不同层级用户对于重力站网运行监控、实时曲线(包括“陆态网络”站网和“十五”重力站网)展示、站网数据管理、监控日志制作、数据下载、统计分析等功能需求，设计平台包含站网监控、实时曲线、数据管理、站点运维、站网运维、统计分析、综合管理7个业务模块，29项功能，功能架构如 图 4所示。

2 数据库设计

制定规范的数据库设计原则及约束，构建健壮、高效的数据库系统，可为长期运行管理提供良好的数据库环境。平台通过同步国家地球物理站网Oracle数据库、实时接入重力仪器波形数据、采集重力仪Web网页数据三种方式实现重力观测数据采集接入。其中，通过Redis内存数据库存放实时数据流，以便快速处理大量数据，快速实现高效读写操作，增强业务并发处理性能。通过新搭建的Oracle主、备库进行全部业务数据的存储管理，保障高性能的同时兼顾数据安全。

2.1 总体设计

合理的数据库设计能够提高数据存储效率，保证数据的完整性和一致性(陈俊等，2016)。平台数据库设计参照《DB/T51—2012地震前兆数据库结构台站观测》(中国地震局，2012)要求，充分考虑规范化，支持数据库设计三范式和反三范式，包括BCNF和其他高级范式。平台设计采用的Oracle和Redis数据库间分工协作，充分发挥各数据库的优势实现业务工作(帅向华等，2021)。数据库设计支持地震地球物理站网数据库中数据字典表、日志类型等业务表的结构设计(周克昌等，2010)，同时考虑数据交换接口的安全性和效率，确保与现有地球物理业务运行系统兼容(刘高川等，2016)。对于非关系数据源，支持Word、Excel、PDF、图片(JPEG、PNG)等常用文件格式(樊俊屹等，2024)。

2.2 建表原则

命名规则：表名、字段名使用英文字母(不区分大小写)或数字，禁止出现数字开头，禁止2个下划线中间只出现数字，命名简洁明确，多个单词间用下划线分割，下划线不超过3个，表名长度不超过64个字符；实体完整性：确保每个表都有一个主键，主键值唯一且不能为空；域完整性：确保每一列的数据类型和格式正确；一致性：表名、字段根据业务定义统一名词，台站(SITE)、测点(POINT)、测项(ITEM)、区域(ZONE)、开始日期(STARTTIME)、结束日期(ENDTIME)等，字段长度允许适当冗余，以提高查询性能，但须考虑数据一致；用户定义的完整性：根据业务规则添加特定的约束条件；ACID属性：确保事务具有原子性、一致性、隔离性和持久性。

2.3 物理结构设计

重力站网运行管理包括站点基础信息及观测数据管理、故障告警、运维日志制作、数据回补等核心业务，设计表结构见 表 1~6。

3 核心功能模块实现

平台设计的主要目的是服务连续重力站网日常运行管理工作，依据《地球物理站网运行管理技术要求》^①、《重力站网运行管理技术细则》^②开展相关功模块设计，根据实际业务工作需求设计站网GIS地图展示、多维数据状态报警及分析、数据采集存储及下载、实时波形展示、数据质量分析、运维日报制作、综合运维管理等为7个核心功能模块。

① 中国地震局监测预报司. 2022. 地球物理站网运行管理技术要求.

② 中国地震台网中心2023. 重力站网运行管理技术细则.

3.1 站网GIS地图展示

实现重力站网实时监测运行一张图。基于WebGIS叠加自定义图层数据，对连续重力站点运行情况进行一览式展示，通过界面扁平化UI设计、强调系统架构逻辑，以实现平台界面美观和应用友好。登录后跳转至台站地图概览(图 5)，按照通信中断、仪器中断、数据质量、环境变化和暂停观测5种类型对站网运行情况进行实时监控报警，背景GIS图提供了中国行政区划图和地形图 2种模式，支持无损缩放、鼠标拖动、切换背景等功能。点击台站可弹框显示仪器设备信息，实时数据曲线和今日报警信息。

3.2 多维数据状态报警及分析

通过分布式算法，对接实现海量数据实时计算处理。克服设备型号多样和数据格式多样的问题，实现了对重力站网主流仪器和辅助设施的数据流、状态流的实时采集解析。实现对台站供电、通信、观测设备、数据质量进行全方位的故障自动识别定位。断记定位精确到通道，故障触发精确到分钟，故障分离精细到12种(重力仪中断、路由器通信异常、重力值偏大等)，故障分类易扩展、易兼容(故障合并、区域告警)，通过后台实时监控故障状态，故障自愈后秒级识别持续验证并归档到历史故障库(图 6)。基于历史故障库中的报警数据，用户可通过起止时间、省份、台站、报警类型等条件进行统计查询，导出报警统计信息便于后续开展改善决策。平台允许用户根据阶段性需求自定义不同告警级别、触发条件和阈值范围等告警机制策略，提高平台易用性和灵活性。

3.3 数据采集存储及下载

平台通过Oracle数据库接入、实时数据流接入和基于Httpclient、Jsoup技术的重力仪数据文件方式，将结构化和非结构化数据接入存储到平台数据库中进行重力数据管理(图 7)，对于特定原因(如某日通信中断)未接入数据库的重力数据，可使用平台数据回补功能实现站网/台站数据回补至数据库。平台将三部分数据融合处理后将最终数据保存到一个HDFS新索引中，并基于新索引中的数据聚合出日度、月度、年度数据存储情况，保存到索引数据库中进行实时展示查询。数据库系统采用灾备机制，主、备库相互备份保障观测数据安全完整。另外，平台提供.TSF格式(Van Camp et al，2005；刘少明等，2012)重力原始数据下载功能，供系统内网技术人员研究使用。

3.4 实时波形展示

重力实时数据流基于Socket协议进行传输。平台通过Socket协议连接重力仪器(81端口)后发送指令，连接获取实时数据，并通过多线程机制拓展更多的Socket连接(邹立晔等，2024)。重力实时数据源为“陆态网络”和“十五”站网1Hz采样频率的观测数据，实时数据流具体格式是ASCII字符，记录了重力原始值、重力修正值、横水准、纵水准等重力观测数据。用户只需配置仪器IP地址和端口号即可接入重力仪实时数据流，接入平台后即可实时展示观测数据，便于用户监控管理。设计平台可按照“陆态网络”和“十五”站网自动筛选展示实时曲线(图 8)，提供“矩阵”“横排”两种展示方式，可对实时数据流服务手动重启，方便用户进行实时数据流管理，保障站网实时数据流稳定可靠。

3.5 运行质量分析

统计并展示台站连续运行率、数据完整率和观测环境维护质量情况，便于运维技术人员跟踪台站的运行质量情况。连续运行率根据台站通信情况进行连续运行状态分析，得出某段时间内的连续运行率。台站数据完整率综合观测数据文件、观测数据流入库情况，对台站进行数据完整率统计。观测环境维护质量则基于重力仪横纵水准值、观测室温度、湿度、气压数据、设备集成图片等综合反映台站供电、避雷、防潮、观测室环境维护等状态。利用Hive分布式查询工具，对存储在HDFS分布式数据库中的站网业务数据、观测环境数据进行聚合分析，将分析统计数据存入Elasticsearch(开源的分布式搜索引擎)中，供平台实时在线查询和可视化展示(图 9)。

3.6 运维日报制作

为便于重力学科日常管理，设计平台运维日报一键式自动化、标准化产出功能(图 10)，实现平台的日常值班业务化应用，辅助日常运维值班，解放人力。通过日历表的形式展示当月的日志产出情况，其中红色表示未产出，绿色代表已产出，可点击日期查看日报信息和日志下载。点击“日志产出”按钮，平台自动查询前一日数据缺数的台站，然后对数据进行回补，回补情况自动添加至“数据入库状态”。有通讯或故障的仪器，会自动添加至对应数据类型中，与前一日的日志信息进行对比，将恢复运行的台站信息添加至“恢复运行”类型中。产出完成后可下载Excel格式的日报文件进行编辑报送。

3.7 综合运维管理

平台设计了国家级业务中心、省级业务中心和重力台站三类用户综合运维管理重力站网，实现报警信息处理、设备变更记录、站点大事记录、通知公告发布、台站质量检查、数据存储管理的上下有机联动。面向系统管理员集成了单位管理、台站管理、用户管理、角色管理、权限管理等功能，面向全部用户提供台站基础信息管理功能，展示包括台站代码、测点编码、供电通信、台基类型、地形地貌、地质构造背景信息及设备集成和外观展示等典型图片，供不同层级的运维人员使用(图 11)。多视角共同提高连续重力站网的运行管理水平和运行效能。

4 技术特点与功能特性 4.1 技术特点

(1) 冗余、容错技术设计。平台核心数据库采用一主、一备模式，监控平台采集的监控信息实时写入主数据库，同时主数据库通过数据同步技术同步到备份数据库，即使主数据库服务器故障，备用数据库服务器可立即接管工作，保证连续重力数据安全。另外，平台具备完善的软件容错能力，能够自动检测和处理运行中的错误和异常情况，保证站网运行监控服务的连续性和稳定性。

(2) 一级部署三级应用架构设计。平台采用一级部署三级应用管理模式，建立了国家中心级、省级、台站级三级管理，不同层级用户登录平台即可管理辖区范围内所有站点，高度适配地震系统现行站网业务管理模式，有利于协同开展重力站网运行管理维护工作。

(3) 平台可扩展性和兼容性。考虑到未来连续重力站网发展需求，设计平台具有后台添加标准观测仪器的功能，允许用户通过添加仪器基础信息、IP地址、通道配置等参数，实现对新增观测设备进行统一监控管理。允许用户自定义不同告警级别、触发条件和阈值范围等告警机制策略，提高平台灵活性。另外，平台预留标准接口，方便第三方高效封装接入，实现服务的统一管理。

4.2 功能特性

重力站网运行管理平台实现了重力站网的信息化运维转变，集重力站网运行信息获取、信息处理、信息传递于一体，实现了连续重力站的观测数据波形实时绘制、运行状态实时监控、运行故障及时报警、运行日志自动生成、数据汇集目录展示、运维信息综合统计等功能，打造成为一个集信息集成、信息发布和协同工作为一体的综合性监控平台，并提供重力运行日志一键式智能化、标准化产出服务功能，保障了重力站网稳定高效运行。经中国地震台网中心和十余个省地震局日常业务使用，平台稳定可靠，保障了重力站网的稳定运行与持续数据产出，显著提升了重力站网的运行管理效率。

平台从重力观测数据的采集、存储、管理、处理、发布、成果共享、状态监管等各个环节进行规范化、自动化、智能化处理。对于重力站网的故障监控开发了实时报警，实现了全国重力站网的综合运维；准实时对数据质量进行在线评估；将站网运行各类业务集成到平台中并制定标准，从而提高团队化协作能力，最大限度地提升运管效率。建成融合全部“陆态网络”和“十五”站网数据的新数据库，解决了重力数据长久以来的存储分离问题，实现了重力站网数据的科学、统一管理。同时还考虑了对外数据服务接口，实现实时数据流、关系型数据、文件数据的接入工作，实现数据统一存储、管理功能，并提供规范化的数据存储规范和数据访问标准，为今后平台的大规模推广应用提供必要支撑。

5 结语

在地震系统站网改革和信息化、现代化推进下，中国地震台网中心建立了基于B/S架构的重力站网运行管理平台。本文详细描述了重力站网运行管理平台的技术构架、数据库设计、主要功能模块设计和技术特点等，为省地震局站网监控提供思路和技术支撑。总体而言，该平台操作简单、可靠稳定，可扩展性强，是开展相关业务工作的有力工具。目前平台已在中国地震台网中心正式部署启用，并为多个省地震局、重力台站的管理应用人员开设账号，通过实际业务应用，有效提高了连续重力站网信息化水平，丰富的监控信息和产品提升了连续重力观测数据在地震行业及其他科学研究领域中的应用效能，也为重力站网现代化建设发挥了积极作用。随着人工智能、大数据、云计算技术在地震行业的不断深入，后续平台将会持续优化迭代，更好地服务于防震减灾工作。