2023年11月29日发(作者：)
论在地震记录GPRS远程采集中的传输质量控制方案
本文详细论述了利用GPRS平台实现地震记录远程、实时传输；如何利用相关服务质量
（QoS）实现数据不丢包，不变形和降低延时；如何利用数据控管技术达到数据传输的可靠
性、完整性和安全性。为GPRS应用平台在地震记录采集中提供了一套优异的、适用的无
线解决方案，极具推广价值。
关键词：传输质量(QoS)、远程采集、GPRS、地震记录、数据安全
Discussion Transfer QoS Control Project of GPRS Remote Collection
in Earthquake Track Records
Tiejun Liao
(Network Center of Chongqing Institute of Technology, Chongqing 400050)
Abstract: The discourse discusses earthquake remote and real-time transferring by GPRS
platform. How to use quality of service implements that earthquake track records don’t
lose and transmute, debase delay. How to use integrated data control and management
accomplishes reliability, integrality and security. So that it provides a perfect solution in
earthquake track records by GRPS platform.
Key word: QoS; Remote Gathering; GPRS; Earthquake Track Records; Data Security
1. 引言
我国是全球大陆地震灾害最严重的国家，严重的地震灾害给人民生命财产和国民经济带来重
大损失。仅新中国成立以来的50多年地震造成的死亡人数已接近40万。据不完全统计，经
济损失平均每年16亿元。减轻地震灾害直接关系到国家的发展、社会的稳定和人民生命财
产的安全。
在国内，由于地震监测台站大多地处偏僻，有线传输网络无法全部覆盖，同时有线网络费用
较高。目前，绝大多数地震监测台站在记录采集方面采用电话拨号传输地震波的段传输模式，
这样无法实现地震记录的自动实时传输，也无法实现及时确定震源和震级；在存储方面，数
据采集本地采用一定时间的连续记录模式，一般为连续五天，这样为监测中心应用大容量自
动存储技术带来极大不便；在数据共享方面，由于只对地震波记录长期保存，而对于整个地
震记录既无法长期保存，也无法提供实时共享支持；在移动监测方面，更是无法按自己需求
实时性地远程调取指定监测台站数据，就失去了移动监测中心存在的价值。
“十五”规划，中国局明确要求所属监测台网必须实现实时、全记录不间断传输，并将建立
与地震记录采集相适应的无线应用平台。现有的无线传输多采用传输质量较高的卫星传输方
式，但卫星传输费用较高，运营费用压力较大，广泛推广不易。随着通信技术、网络技术和
计算机技术的发展，尤其是GPRS网络的成熟，结合有线网络的优势建立基于GPRS的地
震记录传输应用平台成为地震记录实时采集、远程传输、移动监测和数据共享的优秀解决方
案。如何在GPRS传输平台上实现地震记录不丢包，不变形，减小延时和保证数据的可靠
性、完整性和安全性就成为急需解决的核心问题。
2. 设计目标
无论是震前还是震后数据收集与分析，确定震源和震极有高度的实效性，因此记录远程采集
系统中对基于GPRS无线传输平台需要解决五个方面的问题：
1) 地震记录不丢包
2) 图形不变形
3) 传输延时小于50ms，正常情况小于10ms
4) 地震记录实时共享
5) 数据具有可靠性、完整性和安全性
3. 系统结构及流程
地震记录GRPS远程采集系统由五大子系统组成：数据采集子系统、数据传输子系统、数
据控管子系统、移动监测中心和数据共享子系统。如下图所示：
图1 系统流程及结构
Fig. 1 The diagram of system flow and structure
3.1 数据采集子系统
数据采集子系统是地震记录的源，由各种震前和震后数字采集仪器组成。其功能如下：
1) 通过各种专用探测仪器收集地壳和地质变化数据，参照GPS时钟，经过固定编码格式实
时向串口转发相关记录。
2) 该仪器将串口转发的实时数据在本仪器内按一定周期覆盖存储，达到数据备份之功效。
3) 接收串口传输的数据请求，将存储器内的相关数据重新向串口发送，也就是丢包重传。
3.2 数据传输子系统
数据传输子系统由GPRS无线网络和有线专网组成，实现数据的远程传输。其功能如下：
1) 按设置的传输速率和最大传输单元透明地将数据采集子系统发送的实时地震记录传输到
指定IP地址的数据控管中心，或者通过APN功能点对点地传到指定的GPRS数据接收终
端（DTU）。
2) 对传输的数据进行IP和DTU标识（ID）封装后，通过GSSN将无线网络（GSM）转发
到有线专网（Leased Line）。
3) 通过目的IP地址实现数据控管中心和数据传输单元(DTU)之间双向透明传输。
4) 将数据业务中心（DSC）回传的数据重传指令转发到数据采集子系统。
3.3 数据控管子系统
数据控管子系统即数据业务中心（DSC），是地震记录基于GPRS远程采集质量控制的核心。
其功能如下：
1) 实现互联网接收多台远程数据传输单元（DTU）传输来的数据，并通过解封装还原为数
据采集仪器串口转发的相同数据。
2) 自动实现数据策略判别，判断数据在传输过程中是否丢包或数据出错。如果丢包或数据
出错，就向数据传输单元（DTU）发送请求重传指令；如果正常则向地震处理系统和数据
共享系统转发数据。
3) 通过用户设置，按指定速率和转发端口输出到地震处理系统和移动中心。
4) 数据控管子系统向移动中心发射指定台站的地震记录，同时接收移动中心发射的丢包重
传指令。
5) 数据中心再次将接收到的各数据传输单元发送的数据进行IP封装，同时向本地和异地地
震处理系统提供实时数据。
3.4 移动监测中心
移动监测中心接收数据控管中心转发来的实时数据，实时分析地壳或地质变化。这是地震记
录基于GPRS远程传输应用平台的亮点之一。其功能如下：
1) 根据移动中心需要向数据控管中心发射选择监测台站需求，当数据控管中心接收到该指
令后就创建与移动中心的连接，同时转发指定监测台站的实时数据。
2) 通过控制软件，根据用户需要可以随时更换监测台站。
3) 移动监测中心可以获取数据中心实时地震记录，也可以获取历史地震波记录。
3.5 共享子系统
数据共享子系统综合应用各种传输平台向中国局或其他兄弟局提供数据共享。其功能如下：
1) 通过IP封装多帧拷贝机制提供实时数据共享，且利用VCOM技术实现虚拟串口方式向
第三方地震分析软件提供实时地震记录。这样对第三方地震分析软件不需作任何改动。
2) 通过文件传输协议（FTP）方式共享地震波数据(event文件)或地震记录(trace文件)。
前者可以向国家局和各兄弟局提供实时数据，后者则只能提供历史文件。
4. 传输质量控制
移动环境下QoS策略的发展趋势是在核心网采用DiffServ，在无线接入网既可采用IntServ
也可采用DiffServ；无线接入网内用信令协议支持动态资源分配；资源分配信令可以和移动
主机位置管理信令相结合，加快资源分配过程，减少信令开销。另外，动态资源分配可以将
接纳控制和无线分组调度技术结合，更好地解决QoS问题。地震记录采集速率为0.6kbps，
每小时2.11M，每月1.5G，相对流量较大，且实时性要求极高。而GPRS运用UDP协议提
高带宽利用率，仅靠现有的GPRS平台QoS无法达到应用要求。因此提出一些新的可行性
解决方案迫在眉睫。
4.1 数据编码与存储
由于GPRS应用平台通常采用UDP协议实现公网传输，本身不带重传机制，就无法解决丢
包问题。经过研究与实际应用证明，可以采用三种途径解决丢包和时延问题。由于地震处理
系统采用了以数据采集设备封装的GPS时钟作为唯一时钟，所以逻辑上延时为零，从而有
效地解决了时延问题。
4.1.1 数据编码
地震记录是地震数据采集仪将收集的各种地壳和地质运动相关数据和GPS时钟数据进行编
码构成的连续记录。以GPS时钟和采样速率就可标识数据的序列，可判断在某一时间序列
内是否丢包，以及确定某一时间或某一时段的具体记录。数据编码如图所示：
图2 封装与解封装
Fig. 1 The diagram of encapsulation and de-encapsulation
1) 封装
数据源在本系统中经过三次封装，达到了数据传输的有序、定位、共享和减小时延。
第一次封装：由数据采集仪器将收集的地壳和地质变化数据按固定格式进行编码，加上长度
和GPS时钟，按每秒约768字节发送。
第二次封装：数据采集设备上传的数据在GPRS数据传输单元（DTU）进行传输编码，加
入域名解析，进入数据控管子系统的进程号，数据控管子系统所在的目的主机IP地址，数
据传输单元唯一标识号(ID)，上层数据及上层数据的长度。
第三次封装：数据从数据控管子系统流向数据共享子系统，加入IP地址和进程端口号。便
于内外网用户以IP地址方式访问实时地震记录，判断访问者是否有权限访问，以及实时数
据是否属于合法数据正常流向访问终端。
2) 解封装
第一次解封装：数据通过GPRS平台和有线专网将数据还原为数据传输单元（DTU）接收
前的数据，即原始数据。
第二次解封装：数据控管中心将接收到的原始数据进行复制和拆分，将GPS时钟及长度与
策略库进行对比，判断是否有丢包发生。如果有丢包发生，就抛弃该数据，同时向该数据对
应的数据传输单元（DTU）发送重传请求。如果未丢包，则将该数据透明传向数据共享服
务器。
重传请求的编码由三部分组成：第一部分为引导位，其值为固定FF（255）；第二部分为起
始GPS时钟；第三部分为终止GPS时钟。
第三次解封装：数据从共享服务器被复制实时转发给多个数据请求分析终端，到达数据终端
前先解除进程端口号，如果允许该类端口号的数据通过，则再解除目的IP地址。这样数据
就能以透明方式向多台合法数据请求分析终端同时传输实时数据，以便地震记录显示、存储
和分析。
4.1.2 存储(Storage)
在无法保证传输质量控制的传输线路上进行实时数据传输，存储的应用是其解决丢包问题的
前提。本应用系统充分采用了存储技术，共在三个系统内运用了存储功能。
1) 本地存储
数据采集子系统由各厂商震前和震后测震数据采集设备组成，要达到整个系统丢包重传就必
须在此处采用存储功能。将所有地震记录按触发条数保存，用GPS时钟对每一条记录进行
唯一标识，以便在丢包时能快速对记录进行定位。存储量根据各厂商采用的存储技术和存储
容量不同而各异，如珠海泰德采用一月覆盖存储模式。
2) 数据控管子系统存储
为了保证前置数据采集设备实时传输数据不丢包，向移动监测中心和请求共享地震处理终端
传输数据不丢包，数据控管子系统采用了GPS时钟存储和地震记录存储。
GPS时钟存储。运用综合策略库判断各前置数据采集设备发送的实时数据是否丢包，如果
丢包就将所丢包起始和终止GPS时钟记录到对应数据库，以便重传后的匹配，同时向丢包
数据采集设备所使用的数据传输单元（DTU）发送请求重传指令。数据控管中心直至收到
对应的丢包数据立即将数据库中的GPS时钟号对应条目删除。
地震记录存储。数据控管中心将接收到正确的地震记录转发给指定的串口服务器，在串口服
务器内缓存，并进行IP封装，向指定合法请求共享的地震分析终端转发。串口服务器提供
4M缓存，按地震记录数据量计算，可以单点存储约2小时，四点近30分钟，十六点7.5分钟。
串口服务器同样采取时间覆盖存储方式，即使采用最大值16个前置数据采集设备也能保证
7.5分钟时间段不丢包，综合GPRS传输服务质量控制（QoS），完全能满足地震记录远程
传输的各项要求。
3) 地震处理系统存储
地震处理系统存储包括用户终端显示地震记录的保存和地震波触发记录两种。地震记录显示
是实时性的，一般来讲包括北南、东西和上下三条变化曲线。存储则是将这三条变化曲线完
整地保存为以trc为扩展名的文件，每个文件保存一个小时的连续变化。可以用地震数据处
理软件来读取历史记录，并判断是否有包丢失。地震波触发记录是指有地震发生时，地震发
生段记录作为一个单独文件保存，一般保存为以evt作为扩展名的文件。
4.1.3 软件分析
由于基于GPRS远程传输平台采用GPS时钟作为唯一时钟，所以对地震处理系统提出了更
高要求，主要体现在时间有序性上。各地震请求分析终端接收到丢包补偿重传数据后，需要
对原来接收的数据进行整理，将重新传来的丢包数据插入到时间序列正确位置。其核心就是
以前置数据采集设备数据封装的GPS时钟作为唯一序列，与GPRS平台、有线传输平台、
数据控管中心和地震处理系统所在终端时钟无关。即使地震记录在传输过程中发生数据传输
时延和丢包重传而导致的数据序列混乱，也不影响软件正常显示、存储和分析。
地震处理系统采用固定格式存储，对丢包数据位用空白填充，当接收到丢包的数据时再以其
相应数据替换对应的空白位。这样节约了传输带宽、缓存，也减小了延时，因为不必要传输
过多的确认信息（Acknowledgement），也不必要对传输过程中的数据进行整理序列而先行
缓存，采用直通型转发方式(Cut-through)，避免了因存储-转发(Store-and-Forward)而导致
时延。
4.2 双向透明传输(Full duplex and transparent transfer)
GPRS远程采集系统解决丢包和不变形问题，重点在于实现双向透明传输。所谓双向透明
传输是指将前置数据采集设备的数据向数据控管中心发送，同时有丢包发生时将丢包重传指
令从数据控管中心向DTU回传。
在发送数据和请求重传中不改变原始数据的任何属性，以十六进制方式转发数据，真正实现
透明传输。实验证明，DTU、GPRS网络和有线专网、交换机、防火墙都支持透明传输模
式。
一般情况下解决双向传输有两种办法，虚拟专网（APN）和公网回传。前者是需要向运营
商申请开通虚拟专网功能（APN），以明文或加密方式在公网通过隧道技术实现专网功能，
可以实现逻辑的端到端传输(End-to-End)。后者则是充分利用GPRS透明传输的本身特点，
不开通虚拟专网功能而实现双向数据透明传输。
由于现在公网绝大多数采用IP技术组网，所以实现数据双向传输所要解决的一个核心问题
就是IP地址的问题。开通APN功能后DTU的IP地址是固定的， DTU重新登录网络后其
IP地址不变。非APN功能的DTU其IP未固定，每次重新登录GPRS网络其IP地址会变
化，不一定相同。所以要实现非APN功能下双向传输必须解决IP定位问题。一种最佳的解
决方案是用DTU的ID号作为标识，在数据控管中心建立DTU关系表，关系表的条目（Entry）
包括ID号和IP地址。每次丢包发生后，只需要向丢包的DTU对应的ID号发送数据，再通
过条目表映射到对应的IP地址，这样就能有效地解决IP变化的问题。
4.3 可靠性、完整性和安全性
无线网络当前主要采用802.11和802.1x作为认证协议，保证数据可靠性、完整性和安全性。
前者是通过认证服务和一种编码协议来实现的，后者是一种基于端口的网络访问控制
（Port-Based Network Access Control）协议。802.1x可提供更强的认证、访问控制和密
钥管理。由于802.11本身具有很多安全缺陷，所以在地震记录远程采集中采用802.1x两级
认证作为安全保证。
无论是第一级认证还是第二级认证，都由三部分组成：客户端（Supplicant）、认证系统
(Authenticator)和认证服务器（Authentication Sever）。由客户端发起IEEE802.1x协议认
证过程；认证系统完成用户认证信息的上传、下达工作，根据认证的结果打开或关闭端口；
认证服务器通过检验客户端发送来的身份标识判断用户是否有权使用网络系统提供的网络
服务。
4.3.1 第一级认证
一级认证是指从数据传输单元（DTU）到数据控管中心的认证，采用所有数据包验证机制。
在数据传输单元（DTU）端设置密钥和端口号，每个数据都需上传密钥和端口号。数据控
管中心由管理人员建立DTU账号，在DTU登录时作为判断是否为系统合法用户的依据。
具体认证过程如下：
1) DTU封装密钥、端口号和数据；
2) DTU数据包在进入数据控管中心所在网络前，先经过防火墙认证。数据包与防火墙的访
问控制列表(ACL)匹配，如果访问控制列表允许该DTU端口数据包通过，就将此包向数据
控管中心转发，否则就抛弃该DTU的数据包；
3)数据中心接收到数据包后，通过与认证中心数据库进行匹配，如果找到相应记录条目且密
钥一致，判定为合法用户，就在数据控管中心触发转发列表和数据记录。否则，数据控管中
心向DTU发送Down机命令，强制DTU从GPRS网络下线。
4.3.2 第二级认证
二级认证是指从地震处理系统所在终端与共享服务器间的认证连接，采用握手连接机制。在
共享服务器上设置链路连接端口、允许访问的合法IP地址、被访问的IP地址和访问方式。
地震处理系统所在终端防火墙上设置允许通过的IP地址和对应端口的访问控制列表条目，
并建立特殊的虚拟串口（VCOM）映射。具体认证如下：
1) 在地震处理系统终端上安装软件，设置与服务器允许端口一致的端口号，设置成功后终
端立即向服务器发送握手报文；
2) 地震处理系统终端出口的防火墙接到握手报文后与访问控制列表（ACL）匹配，如果允
许则转发给服务器所在的目的网络，否则抛弃该握手报文；
3) 共享服务器所在网络入口防火墙接收到握手报文后与其访问控制列表（ACL）匹配，如
果允许则转发给共享服务器，否则抛弃该握手报文；
4) 共享服务器接收到握手报文与允许访问的IP列表匹配，如果找到相应条目，即回传确认
报文，随后建立连接，否则拒绝创建连接。
5. 结论
对地震局各监测台站数据采集仪收集的地震记录通过GPRS网络自动、实时、全记录进行
采集、存储、远程传输到地震局数据中心；地震局数据中心根据需要自动将接收的数据存储、
比较匹配、分析、验证，串口转发到地震处理软件，无线转发到移动中心，IP报文方式转
发到中国局或其他兄弟局；综合运用GPRS无线网、专线等有线网和无线虚拟专网（APN），
采用IP地址定位数据控管中心，采用ID技术对应各数据传输单元（DTU），实现一对一、
一对多的传输控管模式；通过多种控制手段保证数据传输的可靠性、稳定性和完整性；实现
在运行成本低、低可靠的网络传输平台进行高可靠性传输，解决传统的地震数据远程采集手
段中无法直观自动、实时收集远程地震记录全部数据和数据共享的不足；实现由地震触发段
传输变为全过程传输，由被动传输变为主动传输的质的飞跃，并彻底改变地震信息传输的低
效率，为重点地震监测防御、年度中期预报和年度预报提供准确的科学依据。
该技术在重庆市地震局实验成功，通过了重庆市软件测评中心登记测试，并通过了重庆市科
委组织的项目验收。
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