基于JOPENS系統的地震速報模擬演練平臺

黃顯良 戚 浩 郁建芳 王瑣琛 楊 波 夏仕安

（中國合肥 230031 安徽省地震局）

0 引言

“十五”項目建成后，中國省級測震臺網中心和各臺站開展日常數據分析和存儲工作，主要基于廣東省地震局開發的JOPENS數字化地震觀測系統（劉軍等，2011），該系統在接收、匯集和存儲波形數據的同時，實現了 JOPENS系統中交互分析軟件MSDP 對庫中數據的顯示和SEED格式導出以及地震事件分析處理、速報等功能（蘇莉華等，2012）。

隨著網絡廣泛普及和社會高速發展，越來越多的人開始將目光投注于地震速報工作，對速報的準確性和時效性提出了更多更高的要求。地震速報任務能否成功處置，取決于速報人員的臨震反應能力和專業技能水平，特別是對于少震和弱震省份，更加需要通過日常工作中常態化、規范化的模擬演練達到強化崗位練兵、提升業務能力的目的。以往常用的速報演練形式需要修改IP和搭建多種平臺，比較繁瑣，費時費力，在很大程度上限制了演練效果。本研究立足于測震臺網實際工作需要和核心技術，基于JOPENS系統開發了一套地震速報模擬演練系統，利用一體化技術最大程度還原速報地震時的真實情況，為提升地震速報人員業務水平提供一個快捷、高效的平臺。

1 功能設計

根據地震觸發到值班人員對波形進行分析處理并報送結果的過程中各個步驟，在設計地震速報模擬演練系統時，采用模塊劃分實現功能的方式。模塊化設計不僅可以縮短周期、節約成本和降低難度，而且簡化程序結構，并提升系統擴展性，方便后期調試和二次開發。

地震速報模擬演練系統將波形回放、波形入庫、分析處理和結果報送4個主要模塊集成在同一平臺上，實現了地震波形的回放與入庫、地震事件觸發報警、多用戶數據庫的快速調取、速報結果自動評分等4大功能。系統結構設計見圖1：動態回放地震事件波形并發出警報，回放同時將波形存入MySQL數據庫，以便使用MSDP軟件打開，通過人機交互分析，確定地震三要素，并通過EQIM系統（陳曉輝等，2009）速報地震，計分系統讀取EQIM數據庫中存儲的速報結果進行自動評分，產出得分結果文件。

圖1 地震速報演練系統結構設計Fig.1 The design structure of the earthquake quick-report training system

2 平臺介紹

該研究主要利用C++程序語言，通過聯合調試，將以上各功能模塊整合為一體，即為地震速報模擬演練系統。該系統主要包含地震波形回放與入庫、地震事件觸發報警、多用戶數據庫的快速調取和速報結果自動評分等4個主要部分，其中波形回放與入庫、速報結果自動評分是本研究的重點和難點。

2.1 波形回放與入庫

波形入庫設計到大量數據寫入數據庫，耗時較長，而回放波形時需要一定延遲以等待隨時間而逐漸顯示的波形的繪制，故對時間消耗也有要求。所以程序運行時為了使這兩個功能不會互相影響或者影響主程序運行，需要分別建立線程，在后臺同時運行，保證程序穩定流暢。

2.1.1 波形入庫。將波形數據寫入數據庫，目的是為了后續使用MSDP軟件打開指定的事件波形并以此模擬地震發生時的場景。入庫的數據源是SEED格式的地震波形文件（王永革等，1995），事件的入庫過程為，從SEED格式文件提取臺站信息和波形數據，寫入數據庫。實現波形入庫需要掌握3個基本要素：從地震事件文件獲取地震波形數據和臺站信息；數據庫中用來保存地震波形數據和臺站信息的位置；將地震波形數據和臺站信息寫入上述數據庫指定位置。

實現上述3個要素，需要：①SEED格式文件的解析。SEED格式是一種常見地震事件文件格式，結構較復雜，主要部分是以二進制編碼并經過壓縮的地震波形數據（王洪體等，2004）。不同SEED文件中數據波形記錄的單位長度不同，存儲的采樣點數值數量也不是固定的，512字節長度存儲約400個采樣點，4 096字節長度存儲約3 000個采樣點。一個地震事件波形通常約5—30 min，包含臺站數約40—150個，即有120—450個通道。可以計算出一個地震事件波形包含的512字節長度的數據記錄范圍約為9 000—200 000個，而如果采取4 096字節為數據記錄長度，則一個事件大約包含1 000—25 000個數據記錄。通過編程，利用循環語句便可完成對SEED文件中波形數據的提取和入庫。另一方面，臺站信息位于SEED文件前部，程序根據位置信息就可找到某個數據庫所對應的臺站信息。這樣就實現了從地震事件文件中獲取地震波形數據和臺站信息；②通過向函數提供數據庫的IP地址、端口號、數據庫名稱等調用MySQL類庫的連接函數，實現程序對數據庫的連接，結合查詢命令完成波形數據和臺站信息向數據庫的寫入；③將上述臺站信息寫入數據庫相應表中，并將上述解壓后的波形文件再次壓縮成MiniSEED格式文件存入MySQL庫（張旸等，2007），即實現波形入庫。

2.1.2 波形回放。在屏幕上動態顯示地震事件波形，以模擬地震發生時波形監控軟件所記錄到的畫面。實現波形回放需要解決的關鍵問題是波形數據的獲取和存放數據的內存空間。

要獲取的數據是各個通道按時間順序排列的采樣點數值，即MSDP軟件中的count值。count值在內存中以整形變量的形式儲存，占4 bytes。地震事件一般包含的臺站數目不超過200個，波形長度在3 600 s以內，而地震事件波形的采樣頻率為每秒100個，可以計算出一個地震事件一般包含采樣點數不超過2.16×108，根據每個采樣點占4 byte計算，可得程序必須預先準備一個至少814 MB的內存空間儲存波形數據。由于count值是經過壓縮的數據且數據量龐大，所以編程時需要根據壓縮算法對其進行解壓，并執行循環語句讀取數據存放到上述準備好的內存空間。最后構造一個顯示界面，每一組采樣點用一列寬度為一個分辨率的顯示區域來體現，那么所有組別采樣點所繪成的圖像就按照時間順序由左至右依次顯示在同一區域，即形成臺網通常所看到的分道、實時地震波形圖像。

以2014年4月20日安徽霍山MS4.3地震為例，對該地震速報模擬演練系統進行介紹。地震速報模擬演練系統的波形回放界面見圖2，界面上設置不同功能按鍵：點擊“事件”選擇回放不同地震波形；點擊“波形回放”開始回放所選擇的地震事件波形；“波形回放速率”可調節動態回放速度；點擊“復位”清除已入庫的波形并將程序參數復位；通過“臺站數”和“顯示通道”可選擇一屏要顯示的臺站和通道數量。

圖2 地震模擬演練系統波形回放界面（安徽霍山MS4.3地震）Fig.2 Interface of waveform playback of the earthquake quick-report training system（Anhui Huoshan MS 4.3 earthquake）

2.2 自動計分系統

測震臺網以往對速報結果進行評分的主要方式是人工手動打分，按照速報評比標準對每個速報人員的速報結果逐條核對計分，耗時耗力，容易存在人為誤差。本研究在系統開發過程中設計一個自動計分系統，設計思路見圖3。由圖3可見：程序讀取EQIM數據庫（陳曉輝等，2009）中catalog和message表中的速報信息參數，存儲于程序分配的內存中，同時從配置文件中得到對應地震事件的參數，并按照編寫好的評分函數，對速報結果逐項計算分數（評分函數根據中國地震局臺網中心《省級測震臺網速報評比標準》編寫而成）。編程實現該功能的難點主要是參數設置，評比細則中涉及多種參數，還有各地震事件的參數和數據庫參數，參數種類和數量繁多，需要構建大量對話框完成參數的讀取和保存。

地震速報模擬演練計分系統見圖4。通過解析shp地圖格式，實現速報結果和地理位置圖文結合的雙顯示，方便用戶查看結果。界面左側設置不同參數查詢條件：通過“地震事件參數設置”可選擇查看不同地震事件得分情況；點擊“評分標準設置”可調整各項參數的評分標準以適應實際應用的需要；檢索功能可在多條結果中快速選中所查詢目標；“分數顯示”的功能細化，既可以查詢同一事件中單個速報人員和所有速報人員的得分，也可以查看每個速報員的所有事件得分和指定事件得分；“分析統計”實現了對不同事件各參評項的柱狀圖顯示，直觀凸顯薄弱環節；通過“輸出結果”將每個速報人員的總成績以及扣分項和扣分原因輸出到一個word文檔中，方便后續查看。

圖3 地震速報模擬演練計分系統設計思路Fig.3 The design structure of automatic scoring of the earthquake quick-report training system

圖4 地震速報模擬演練計分系統輸出結果Fig.4 Output results of automatic scoring of the earthquake quick-report training system

2.3 其他

地震事件觸發報警主要使用STA/LTA（周彥文等，2007）和AR-AIC（Reinoud Sleeman，1999）算法自動識別P波初動，并對地震進行定位，然后通過外置擴音設備完成觸發報警。

多個用戶同時打開數據庫中地震波形數據，可能造成堵塞或者數據庫響應緩慢。影響MySQL數據庫讀取速度的主要因素是innodb引擎參數的配置，通過調整innodb引擎中key_buffer_size、Threads_created等參數值，尋找最優參數配置，以達到優化MySQL數據庫讀取速度的目的。通過測試，該系統可以將30余人同時調取地震波形數據庫的時間控制在1 min內。

3 結束語

以往地震速報模擬演練從配置IP地址到震相分析，從上報結果到人工評分，完成一次演練平均耗時約30 min。基于JOPENS系統的地震速報模擬演練系統研發后，安徽測震臺網以此為平臺對值班人員開展不定期速報演練，平均每次耗時不到10 min，而且通過觸發報警、波形動態回放、自動評分等一體化的仿真演練，最大程度地還原了速報地震時的真實情況。本系統的研發和應用，為2014年度安徽測震臺網成功應對安徽金寨震群和周邊省份頻發地震的嚴峻震情形勢做出了堅實保障。

陳曉輝，侯建民，劉瑞豐.全國地震速報信息共享與服務系統[J].地震地磁觀測與研究，2009，30（3）：132-134.

劉軍，陳貴美.Google地圖應用之廣東省地區JOPENS地震速報系統[J].華南地震，2011，31（3）：41-49.

蘇莉華，趙暉，李源，等.MSDP軟件提高地震速報質量[J].地震地磁觀測與研究，2012，33（5/6）：351-355.

王洪體，陳陽，莊燦濤.SEED格式STEIM2數據壓縮算法在實時地震數據傳輸中的應用[J].地震地磁觀測與研究，2004，25（4）：14-19.

王永革，李鴻吉，姚立平，等.SEED格式臺站卷及帶有可變頭段節數據記錄的實例剖析[J].地震地磁觀測與研究，1995，16（5）：6-11.

周彥文，劉希強.初至震相自動識別方法研究與發展趨勢[J].華北地震科學，2007，25（4）：18-21.

張旸，滕云田，王喜珍，等.地震地磁儀器的MiniSEED數據格式的實現[J].地震地磁觀測與研究，2007，28（3）：110-113.

Reinoud Sleeman, Torild van Eck.Robust automatic P-phase picking∶ an on-line implementation in the analysis of broadband seismogram recordings[J].Physics of the Earth and Planetary Interiors, 1999, （113）：265-275.