JOPENS系統(tǒng)下斷記記錄數(shù)據(jù)補救

劉克驤

（中國云南 679100 騰沖地震臺）

0 引言

一個專業(yè)測震臺站（網(wǎng)），提供連續(xù)、可靠的地震數(shù)據(jù)是其基本職責。然而，地震記錄中做到真正意義上的數(shù)據(jù)連續(xù)比較困難，因為地震觀測系統(tǒng)的正常運行由多方面因素決定，包括人為因素、儀器因素，甚至自然因素（劉克驤等，2006）。因此，只能在系統(tǒng)中斷后盡量減少數(shù)據(jù)丟失量，進行數(shù)據(jù)補救工作。簡言之，在地震系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，觀測數(shù)據(jù)斷記，地震臺站（網(wǎng)）管理人員通過其他渠道獲取斷記的部分數(shù)據(jù)，添加到觀測數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)。雖然這些數(shù)據(jù)多數(shù)為一段背景噪聲，但在某些重要時段，往往三五秒鐘的數(shù)據(jù)也彌足珍貴。

地震數(shù)字化觀測前的模擬時代，觀測信號被放大后直接記錄到介質(zhì)上，在此過程中，任何原因造成的數(shù)據(jù)中斷均無法從其他渠道獲得數(shù)據(jù)，不存在數(shù)據(jù)補救的可能；數(shù)據(jù)采集器運用于地震觀測系統(tǒng)后，如果故障出現(xiàn)在觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集器之后，理論上，可以從數(shù)據(jù)采集器獲得原始數(shù)據(jù)，并保存到記錄系統(tǒng)。然而，“九五”時代的數(shù)據(jù)采集器一般無法進行操作。觀測系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，同樣無法從其他渠道獲得數(shù)據(jù)，也不存在數(shù)據(jù)補救的可能。“十五”項目完成后，地震觀測儀器進入IP時代，為數(shù)據(jù)補救工作創(chuàng)造了可實現(xiàn)的條件。另外，JOPENS系統(tǒng)的出現(xiàn)，使地震記錄由文件存儲方式改變?yōu)閿?shù)據(jù)庫存儲方式（吳永權(quán)等，2010）。然而，由于數(shù)據(jù)采集器與記錄系統(tǒng)之間存在網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)復(fù)雜度增加，故障機率隨之增加，且故障原因多樣化，數(shù)據(jù)補救工作比以往更加重要。

本文通過分析數(shù)據(jù)中斷類型及JOPENS系統(tǒng)存儲地震記錄的方式，結(jié)合地震臺站（網(wǎng)）實際管理過程出現(xiàn)的故障類型，給出相應(yīng)數(shù)據(jù)補救方法。

1 數(shù)據(jù)中斷

運行率可以直接評價地震臺站儀器運行情況，是臺站綜合評價的一個重要考量指標（中國地震局監(jiān)測預(yù)報司，2003）。任何方式的數(shù)據(jù)中斷均直接影響運行率指標，可通過計算斷記時間得出運行率指標。

“十五”項目后，測震觀測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。運用JOPENS系統(tǒng)后，地震計拾取地震信號后，最終被保存到JOPENS數(shù)據(jù)庫，任何一個中間環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題均會造成數(shù)據(jù)中斷，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法寫入數(shù)據(jù)庫。而用戶主要通過直接讀取數(shù)據(jù)庫獲得原始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫中是否存在數(shù)據(jù)是用戶判定某一時段數(shù)據(jù)是否中斷的依據(jù)。測震觀測系統(tǒng)流程見圖1。

目前使用的地震數(shù)據(jù)采集器可以保存一部分數(shù)據(jù)，故障發(fā)生時，可以按照數(shù)據(jù)采集器是否可以采集數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)中斷分為兩種情況：①數(shù)據(jù)采集器無法采集數(shù)據(jù)，因數(shù)據(jù)采集器故障，無法獲取有效數(shù)據(jù)，也就無法存儲數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中斷將無法彌補；②數(shù)據(jù)無法寫入數(shù)據(jù)庫，但地震臺站（網(wǎng)）管理人員可以從數(shù)據(jù)采集器獲得有效數(shù)據(jù)，觀測數(shù)據(jù)存在補救的可能，論文將討論此類故障造成的數(shù)據(jù)中斷。

數(shù)據(jù)中斷，可以從數(shù)據(jù)采集器獲取有效數(shù)據(jù)的故障原因有：①通信鏈路故障，主要由網(wǎng)絡(luò)運營商設(shè)備故障造成；②JOPENS系統(tǒng)故障；③GPS授時故障，數(shù)據(jù)采集器可以獲取數(shù)據(jù)，但時間編碼存在問題（主要原因是GPS衛(wèi)星接收裝置損壞，而數(shù)據(jù)采集器重啟后，未獲得GPS授時前的工作狀態(tài)也可歸為授時故障）。

圖1 測震觀測系統(tǒng)流程Fig.1 Seismic observation system flow

2 地震信號存儲

JOPENS系統(tǒng)通過SSS服務(wù)，從數(shù)據(jù)采集器獲取數(shù)據(jù)，打包為MiniSeed格式數(shù)據(jù)，存儲于功能強大的數(shù)據(jù)庫，存儲表為Waveform_con（中國數(shù)字測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)規(guī)范設(shè)計工作組，2007），其表結(jié)構(gòu)見表1。

表1 Waveform_con表結(jié)構(gòu)Table1 Waveform_con list structure

Waveform字段是整個數(shù)據(jù)的關(guān)鍵，是一個二進制MiniSeed數(shù)據(jù)壓縮塊，字節(jié)數(shù)為Rec_lenth，SEED標準定義為2n（IRIS，2006），JOPENS系統(tǒng)主要采用512或者4 096，包括48位SEED頭段數(shù)據(jù)，8位Blockette1 000子塊， 8位未使用字節(jié)以及剩余字節(jié)的壓縮數(shù)據(jù)。壓縮數(shù)據(jù)的編碼格式為Encode_format，根據(jù)SEED標準，有34種編碼格式可供選擇，其中Encode_format＝10表示STEIM1壓縮，Encode_format＝11表示STEIM2壓縮，JOPENS系統(tǒng)主要使用上述兩種編碼格式。

從Waveform_con表結(jié)構(gòu)可見，按時間排序后的兩條記錄，比較上一條記錄的結(jié)束時間與下一條記錄的開始時間，可知兩條記錄間是否存在斷記。而增加或修改某一時段的記錄，將改變此時段內(nèi)的數(shù)據(jù)情況。

結(jié)合前述第2種情況下造成的數(shù)據(jù)中斷，分析Waveform_con表的記錄，可以發(fā)現(xiàn)，GPS授時故障造成的斷記可以在Waveform_con表中找到，但時間編碼存在問題。因為，在沒有獲得GPS授時前，數(shù)據(jù)采集器時鐘從默認時間（1970-01-01T08∶00∶00）開始進行采集工作。

3 數(shù)據(jù)補救

數(shù)據(jù)補救的核心是如何找到可供系統(tǒng)利用的有效數(shù)據(jù)。需要說明的是，數(shù)據(jù)補救的是有效數(shù)據(jù)而非虛假數(shù)據(jù)。有效數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集器提供，只要從數(shù)據(jù)采集器讀取中斷數(shù)據(jù)，寫入JOPENS數(shù)據(jù)庫即可完成數(shù)據(jù)補救。在實際操作過程中，主要存在數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換問題，國內(nèi)通用的EDAS-IP數(shù)據(jù)采集器保存的數(shù)據(jù)是*.dat格式，需要轉(zhuǎn)換為JOPENS系統(tǒng)認可的MiniSeed格式。另外，如果JOPENS數(shù)據(jù)庫存在時間編碼錯誤的數(shù)據(jù)，修改這些記錄相對容易，但也需要了解MiniSeed格式，因為Waveform_con表中Waveform字段保存著時間編碼。

數(shù)據(jù)補救方法如下：①確定數(shù)據(jù)中斷時段，可通過讀取Waveform_con表獲得；②分析故障原因，如果存在數(shù)據(jù)補救可能，進一步分析可供補救的數(shù)據(jù)源是數(shù)據(jù)采集器還是JOPENS數(shù)據(jù)庫；③從數(shù)據(jù)源提取中斷時段的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫。

以騰沖地震臺數(shù)據(jù)故障為例，驗證該方法的有效性。2012年6月29日14時42分，騰沖地震臺因停電造成數(shù)據(jù)采集器死機，17時市電恢復(fù)，由于GPS天線故障，無法授時，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集器時鐘從默認時間（1970-01-01T08∶00∶00）開始計時，打開JOPENS數(shù)據(jù)庫無法找到數(shù)據(jù)，6月30日更換GPS天線后，系統(tǒng)記錄正常。在中斷時段，于2012年6月30日05∶07∶21發(fā)生新疆6.3級地震，如果放棄數(shù)據(jù)補救，則該地震數(shù)據(jù)將丟失。分析認為，市電恢復(fù)至更換GPS天線前，數(shù)據(jù)庫丟失數(shù)據(jù)存在補救可能。數(shù)據(jù)補救過程如下：①確認JOPENS數(shù)據(jù)庫保存此時段時間編碼錯誤數(shù)據(jù)；②獲取斷記時間連接點，即更換GPS天線后，數(shù)據(jù)采集器的開始時間即為更換GPS天線前數(shù)據(jù)采集器的結(jié)束時間（從默認時間開始的時段），計算二者差值即可獲取更換GPS天線前數(shù)據(jù)記錄的真實時間；③修改Waveform_con記錄中以默認時間開始的數(shù)據(jù)記錄；④用JOPENS系統(tǒng)自帶分析軟件打開該時段數(shù)據(jù)，結(jié)果正常。數(shù)據(jù)補救前后地震記錄對比見圖2。

據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心測定，新疆6.3級地震發(fā)震時刻為2012年6月30日05∶07∶31.6，震中（43.4°N，84.8°E），震源深度7 km，據(jù)此計算該地震到騰沖臺的P波理論到時為2012年6月30日05∶12∶22.3，采取補救措施前地震數(shù)據(jù)丟失，P波無法識別，而采取補救措施后P波清晰可見，實際量取到時為2012年6月30日05∶12∶22.46，與理論到時相差0.16 s，故認為采用的補救措施有效。

圖2 2012年6月30日新疆6.3級地震數(shù)據(jù)補救前后對比(a)補救前數(shù)據(jù)記錄；(b)補救后數(shù)據(jù)記錄Fig.2 Contrastive analysis before and after the data recover of Xinjiang M 6.3 earthquake

4 結(jié)束語

綜上所述，在JOPENS系統(tǒng)下出現(xiàn)數(shù)據(jù)中斷現(xiàn)象，需分析數(shù)據(jù)中斷原因，進而采取必要措施，彌補數(shù)據(jù)中斷造成的損失。實際操作中，對時間參數(shù)的修改需要慎重，因為時間錯誤將導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯誤。

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