福建地震預(yù)警運(yùn)維保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王士成，周施文，李水龍，于偉恒，周躍勇

（福建省地震局，福州 350003）

0 引言

經(jīng)福建省政府授權(quán)，福建省地震局已于2018年5月12日開始面向公眾發(fā)布地震預(yù)警信息，因此地震預(yù)警系統(tǒng)的運(yùn)維工作至關(guān)重要。由于地震的不可預(yù)見，而地震預(yù)警系統(tǒng)不像12306或淘寶等系統(tǒng)存在明顯可預(yù)見的高峰或低谷期，亦無法停機(jī)維護(hù)，而地震預(yù)警又是“爭(zhēng)分奪秒”，這要求地震預(yù)警系統(tǒng)必須具備7×24 h不間斷運(yùn)行的能力，其穩(wěn)定性和可靠性要求堪比航天級(jí)。地震預(yù)警系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行除受軟件本身影響外，還會(huì)受到臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)、通信網(wǎng)絡(luò)、時(shí)鐘、運(yùn)行環(huán)境等諸多因素的影響。由于福建地震預(yù)警系統(tǒng)是一套具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，采用多線程、高并發(fā)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)的分布式的高度定制化軟件系統(tǒng)，市面上現(xiàn)有通用監(jiān)控軟件及前人研究成果[1-2]等無法滿足地震預(yù)警監(jiān)控運(yùn)維需求，因此建設(shè)一套地震預(yù)警運(yùn)維保障系統(tǒng)十分必要。

福建地震預(yù)警系統(tǒng)自2012年正式上線運(yùn)行以來，筆者及所在團(tuán)隊(duì)就開始負(fù)責(zé)該系統(tǒng)的運(yùn)維工作。早期主要以人工為主，每天安排值班人員分時(shí)段檢查系統(tǒng)，一般通過分析日志和觀察系統(tǒng)界面及后臺(tái)等方式進(jìn)行，存在工作負(fù)荷重、效率低下、無法監(jiān)控臺(tái)站數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器等諸多問題，遠(yuǎn)不能滿足地震預(yù)警系統(tǒng)的運(yùn)維保障需求。因此，從2015年開始筆者針對(duì)福建地震預(yù)警系統(tǒng)的運(yùn)維特點(diǎn)和需求，利用JMX、Sigar、MQTT、WebSocket、ECharts和Html5等技術(shù)組件建設(shè)了一套福建地震預(yù)警運(yùn)維保障系統(tǒng)，經(jīng)過多年的功能擴(kuò)充和完善，當(dāng)前系統(tǒng)已具備臺(tái)站數(shù)據(jù)斷記/時(shí)延、數(shù)據(jù)質(zhì)量、預(yù)警系統(tǒng)JVM和關(guān)鍵線程、預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行日志、服務(wù)器CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)和硬盤及NTP授時(shí)等的（近）實(shí)時(shí)監(jiān)控及可視化展示的功能，在保障地震預(yù)警系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，提升運(yùn)維效率的同時(shí)，為福建地震預(yù)警系統(tǒng)服務(wù)福建民眾提供有力保障。系統(tǒng)目前已在福建局、四川局和甘肅局等地部署應(yīng)用，本文就系統(tǒng)有關(guān)情況進(jìn)行介紹。

1 整體設(shè)計(jì)

運(yùn)維保障系統(tǒng)需要滿足跨平臺(tái)、分布式部署的需求，因此采用B/S和C/S混合開發(fā)模式，后端使用Java語言開發(fā)，前端使用Jsp&Servlet及Echarts、Html5等，使用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行日志等的持久化存儲(chǔ)，利用Eclipse/IDEA作為IDE開發(fā)工具，使用subversion進(jìn)行版本控制[2-4]。系統(tǒng)技術(shù)方案如圖1所示，設(shè)計(jì)思路如下：

圖1 運(yùn)維保障系統(tǒng)技術(shù)方案Fig.1 Technical scheme of the operation and maintenance system.

（1）系統(tǒng)運(yùn)維需要具備值排班、日志登記、結(jié)果分析比較、經(jīng)驗(yàn)分享等功能，針對(duì)地震預(yù)警的運(yùn)維保障系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)共設(shè)計(jì)16張表，包括：值班人員信息表，值班人員角色表，值班表，業(yè)務(wù)系統(tǒng)編碼表，監(jiān)控系統(tǒng)連接信息表，監(jiān)控系統(tǒng)日志路徑配置表，系統(tǒng)監(jiān)控日志登記表，值班日志登記表，值班文檔表，波形延遲表，值班報(bào)告信息表，預(yù)警系統(tǒng)處理登記表，預(yù)警發(fā)布信息表，地震預(yù)警定位表，地震三要素表和用戶名密碼找回表。

（2）考慮到地震預(yù)警等業(yè)務(wù)系統(tǒng)一般運(yùn)行在內(nèi)網(wǎng)環(huán)境，而告警信息的展示和推送等又需要外網(wǎng)支持，因此為保障數(shù)據(jù)安全和方便運(yùn)維人員管理，將運(yùn)維保障系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集（Agent）和數(shù)據(jù)應(yīng)用（Server）兩個(gè)部分，兩者之間通過消息中間件進(jìn)行通信。下面分別就這兩部分進(jìn)行介紹。

數(shù)據(jù)采集（Agent）部分主要負(fù)責(zé)信息采集和處理，一般部署在地震預(yù)警服務(wù)器上?？蛻舳烁鶕?jù)其IP地址從數(shù)據(jù)庫(kù)獲取該IP下需要監(jiān)控的業(yè)務(wù)系統(tǒng)的配置參數(shù)，如連接預(yù)警系統(tǒng)JVM的JMX參數(shù)、預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行日志路徑等；客戶端采集到的信息使用MQTT協(xié)議或JMS等發(fā)送到消息中間件指定主題；客戶端采用模塊化設(shè)計(jì)，各模塊可獨(dú)立運(yùn)行，通過配置文件或網(wǎng)頁可以實(shí)現(xiàn)功能的動(dòng)態(tài)開啟和關(guān)閉而不用更改代碼。其核心功能包括：

（1）監(jiān)控地震預(yù)警系統(tǒng)Java虛擬機(jī)（JVM）的CPU使用率、堆內(nèi)存占用情況、預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收線程和處理主線程等重要線程有無丟失、監(jiān)控其運(yùn)行狀態(tài)；

（2）根據(jù)一定規(guī)則提取地震預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行日志中不同等級(jí)（DEBUG，INFO，WARN，ERROR，F(xiàn)ATAL等）的日志信息，重點(diǎn)關(guān)注ERROR及以上級(jí)別的日志信息，并對(duì)外告警。

（3）以某個(gè)NTP授時(shí)服務(wù)為基準(zhǔn)，比如中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心（NTSC）提供的NTP授時(shí)服務(wù)（ntp.ntsc.ac.cn），監(jiān)控臺(tái)站數(shù)據(jù)斷記/延遲情況，還可以對(duì)預(yù)警系統(tǒng)所在服務(wù)器的NTP授時(shí)進(jìn)行監(jiān)控，保證地震預(yù)警系統(tǒng)授時(shí)準(zhǔn)確；

（4）利用臺(tái)站噪聲功率譜等方法監(jiān)控臺(tái)站數(shù)據(jù)質(zhì)量；

（5）監(jiān)控預(yù)警服務(wù)器的CPU、內(nèi)存、硬盤、網(wǎng)卡等使用情況。

數(shù)據(jù)應(yīng)用（server）部分主要負(fù)責(zé)訂閱消息中間件對(duì)應(yīng)主題，然后接收Agent采集到運(yùn)行狀態(tài)信息和告警信息等并進(jìn)行推送和可視化展示；服務(wù)端同樣采用模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)需要進(jìn)行功能配置部署在不同的機(jī)器上，這樣的設(shè)計(jì)一方面可以減輕單一服務(wù)端的節(jié)點(diǎn)壓力，起到負(fù)載均衡功能；另一方面可以做到內(nèi)外網(wǎng)分離，比如打印、FTP上傳日志和數(shù)據(jù)入庫(kù)等可在內(nèi)網(wǎng)進(jìn)行，而郵件告警或企業(yè)微信推送可在外網(wǎng)處理。服務(wù)端的核心功能包括：

（1）設(shè)定異常等級(jí)劃分和告警規(guī)則，按照不同等級(jí)和規(guī)則向?qū)?yīng)的人員發(fā)送信息；

（2）通過企業(yè)微信或郵件等推送監(jiān)控告警信息或人員值班提醒信息等；

（3）運(yùn)維報(bào)告自動(dòng)打印、自動(dòng)以FTP等方式對(duì)信息進(jìn)行歸檔；

（4）Web界面進(jìn)行排班、統(tǒng)計(jì)分析、監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)配置等；

（5）Web界面實(shí)時(shí)推送和可視化顯示臺(tái)站數(shù)據(jù)斷記/延時(shí)，臺(tái)站數(shù)據(jù)質(zhì)量、服務(wù)器的信息等。

2 功能設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

基于運(yùn)維人員的監(jiān)控運(yùn)維需求，按照系統(tǒng)技術(shù)方案，福建地震預(yù)警運(yùn)維保障系統(tǒng)主要包括7個(gè)功能模塊，各模塊之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 軟件系統(tǒng)功能流程圖Fig.2 Flow chart of the system

值排班模塊負(fù)責(zé)調(diào)配值班人員，系統(tǒng)巡檢模塊負(fù)責(zé)對(duì)已配置業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行檢查，并將告警信息通過信息通知模塊推送到值班人員。同時(shí)，巡檢結(jié)果、值班人員信息、告警信息、配置參數(shù)等信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，供日志管理模塊、報(bào)表產(chǎn)出、統(tǒng)計(jì)分析和服務(wù)模塊使用。

2.1 值排班模塊

值排班模塊包括用戶管理模塊和排班模塊。用戶管理模塊按照不同角色用戶擁有不同權(quán)限進(jìn)行設(shè)計(jì)。管理員擁有最高權(quán)限，可查看所有值班日志的權(quán)限并對(duì)某一天的值班日志可進(jìn)行增加、刪除、查詢和修改等操作，普通值班員具有查詢往日值班日志和修改當(dāng)天值班日志內(nèi)容的權(quán)限；排班模塊可以根據(jù)當(dāng)前值班人員情況自動(dòng)地每天分配相應(yīng)的值班人員，同時(shí)允許值班人員申請(qǐng)修改調(diào)整值班順序（圖3）。

圖3 值班查詢與管理界面Fig.3 Query and management interface of system.

2.2 系統(tǒng)巡檢模塊

系統(tǒng)巡檢模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)軟件及服務(wù)器硬件等信息的采集和處理、配置和管理系統(tǒng)監(jiān)控有關(guān)參數(shù)進(jìn)行管理，采用模塊化設(shè)計(jì)，各模塊可獨(dú)立運(yùn)行，可通過配置文件或網(wǎng)頁實(shí)現(xiàn)功能的動(dòng)態(tài)管理（圖4）。主要功能包括：

圖4 系統(tǒng)重要線程管理界面（可動(dòng)態(tài)配置監(jiān)聽參數(shù)及監(jiān)控狀態(tài)）Fig.4 Management interface of key threads of the system（dynamically configure monitoring parameters and status）

（1）利用JMX技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地震預(yù)警系統(tǒng)JVM虛擬機(jī)的CPU，堆內(nèi)存使用率，以及數(shù)據(jù)接收、預(yù)警處理等重要線程的實(shí)時(shí)監(jiān)控；

（2）利用自研組件實(shí)現(xiàn)了對(duì)地震預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行日志的監(jiān)控和錯(cuò)誤自動(dòng)提?。灰灾袊?guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心（NTSC）提供的NTP授時(shí)服務(wù)（ntp.ntsc.ac.cn）為基準(zhǔn)，對(duì)中心NTP授時(shí)服務(wù)以及各臺(tái)站數(shù)據(jù)的時(shí)間延遲進(jìn)行監(jiān)控；

（3）使用基于臺(tái)站噪聲判別數(shù)據(jù)質(zhì)量方法實(shí)現(xiàn)對(duì)地震臺(tái)站的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控[5]；

（4）利用Sigar組件實(shí)現(xiàn)了對(duì)預(yù)警系統(tǒng)服務(wù)器的CPU、內(nèi)存、硬盤、進(jìn)程和網(wǎng)絡(luò)接口等的監(jiān)控；

（5）利用MQTT、JMS等技術(shù)協(xié)議將監(jiān)控信息和告警信息推送到消息中間件，供服務(wù)模塊使用。

2.3 信息通知模塊

包括告警規(guī)則設(shè)定和告警通知兩部分。告警規(guī)則設(shè)定根據(jù)問題嚴(yán)重程度進(jìn)行劃分，具體包括：一般異常、中等異常和嚴(yán)重異常。告警通知包括每日值班提醒和告警信息提醒。一般異常無須處理只進(jìn)行歸檔，中等異常需要加強(qiáng)關(guān)注可不處理，嚴(yán)重異常需要人工立即處理（表1）。

表1 異常分類表Table 1 Anomaly classification table

2.4 日志管理模塊

此模塊允許運(yùn)維人員通過網(wǎng)絡(luò)查詢當(dāng)前或歷史的系統(tǒng)運(yùn)行日志、值班日志，支持時(shí)間范圍、系統(tǒng)名稱、日志等級(jí)、進(jìn)程名稱等的搜索；可手動(dòng)添加、補(bǔ)充或編輯系統(tǒng)和值班日志，同時(shí)還可自動(dòng)生成當(dāng)天或任一時(shí)段任意指定內(nèi)容的值班內(nèi)容（圖5）。

圖5 日志查詢與管理界面Fig.5 Query and management interface for logs

2.5 統(tǒng)計(jì)分析模塊

統(tǒng)計(jì)分析模塊使用HighCharts顯示統(tǒng)計(jì)結(jié)果，主要包括：異常統(tǒng)計(jì)分析，可以統(tǒng)計(jì)一天、一周或一個(gè)月異常出現(xiàn)的情況；地震預(yù)警系統(tǒng)產(chǎn)出分析，可以統(tǒng)計(jì)預(yù)警的處理情況，如震中偏差、震級(jí)偏差等；人員值班分析，可根據(jù)排班情況，自動(dòng)分析每位值班員的值班次數(shù)，值班情況，用于后續(xù)排班和值班人員績(jī)效考核。見圖6。

圖6 地震預(yù)警統(tǒng)計(jì)分析Fig.6 Statistic analysis of earthquake early warning system

2.6 產(chǎn)出模塊

產(chǎn)出模塊可根據(jù)需求自動(dòng)產(chǎn)出當(dāng)日值班報(bào)告、一周異常統(tǒng)計(jì)分析報(bào)告，業(yè)務(wù)系統(tǒng)處理情況報(bào)告或值班人員考勤報(bào)告等，運(yùn)維人員可通過網(wǎng)頁進(jìn)行下載。

2.7 服務(wù)模塊

服務(wù)模塊包括兩個(gè)部分：資料共享服務(wù)部分和可視化展示部分。資料共享服務(wù)部分具有展示系統(tǒng)值班相關(guān)材料的功能。如值班制度，值班細(xì)則，值班表等可以通過網(wǎng)頁形式進(jìn)行展示，可提供下載與打印服務(wù)。使用pdfview.js實(shí)現(xiàn)PDF文件在網(wǎng)頁的顯示?？梢暬故静糠质褂肳ebSocket協(xié)議、ECharts開源組件和Html5等實(shí)現(xiàn)臺(tái)站數(shù)據(jù)延遲/斷記，臺(tái)站數(shù)據(jù)質(zhì)量，臺(tái)站地震動(dòng)信息的實(shí)時(shí)顯示；使用Highcharts組件顯示服務(wù)器硬件CPU、內(nèi)存、硬盤等的監(jiān)控信息（圖7）。

圖7 基于HighCharts的預(yù)警服務(wù)器監(jiān)控信息顯示Fig.7 The interface of the system monitoring information based on HighCharts

3 應(yīng)用情況

自2015年研發(fā)完成上線運(yùn)行以來，福建地震預(yù)警運(yùn)維保障系統(tǒng)已先后在福建局、甘肅局和四川局等地部署應(yīng)用，用于福建地震預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)控運(yùn)維，實(shí)時(shí)監(jiān)控和告警包括臺(tái)站時(shí)延異常、數(shù)據(jù)流服務(wù)中斷、內(nèi)存溢出、重要線程丟失等嚴(yán)重異常，有效地保障了地震預(yù)警系統(tǒng)的正常運(yùn)行，提升了運(yùn)維效率。部分告警信息如圖8、圖9所示。

圖8 內(nèi)存溢出告警，流服務(wù)中斷郵件告警Fig.8 The warning of the OOM and data service interruption notified by E-mail.

圖9 企業(yè)微信推送告警信息Fig.9 Warning information pushed by Enterprise WeChat

4 結(jié)語

本文介紹了福建地震預(yù)警運(yùn)維保障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案、關(guān)鍵技術(shù)和功能模塊，對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用情況進(jìn)行了說明。應(yīng)用表明，福建地震預(yù)警運(yùn)維保障系統(tǒng)可以對(duì)影響地震預(yù)警處理諸多因素如臺(tái)站數(shù)據(jù)斷記/延時(shí)，臺(tái)站質(zhì)量、NTP授時(shí)和運(yùn)行環(huán)境等進(jìn)行監(jiān)控和告警，有效地保障了福建地震預(yù)警系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，提升了運(yùn)維效率。當(dāng)然，一套完整的監(jiān)控與運(yùn)維保障系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)包含臺(tái)站、觀測(cè)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)系統(tǒng)、設(shè)備運(yùn)行和臺(tái)網(wǎng)運(yùn)行等諸多方面，本文介紹的福建地震預(yù)警運(yùn)維保障系統(tǒng)只涉及到其中很少部分，因此考慮后續(xù)逐步進(jìn)行功能的擴(kuò)充和完善。