黃顯良 戚 浩 郁建芳 王瑣琛 楊 波 夏仕安

（中國(guó)合肥 230031 安徽省地震局）

0 引言

“十五”項(xiàng)目建成后，中國(guó)省級(jí)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)中心和各臺(tái)站開(kāi)展日常數(shù)據(jù)分析和存儲(chǔ)工作，主要基于廣東省地震局開(kāi)發(fā)的JOPENS數(shù)字化地震觀測(cè)系統(tǒng)（劉軍等，2011），該系統(tǒng)在接收、匯集和存儲(chǔ)波形數(shù)據(jù)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了 JOPENS系統(tǒng)中交互分析軟件MSDP 對(duì)庫(kù)中數(shù)據(jù)的顯示和SEED格式導(dǎo)出以及地震事件分析處理、速報(bào)等功能（蘇莉華等，2012）。

隨著網(wǎng)絡(luò)廣泛普及和社會(huì)高速發(fā)展，越來(lái)越多的人開(kāi)始將目光投注于地震速報(bào)工作，對(duì)速報(bào)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性提出了更多更高的要求。地震速報(bào)任務(wù)能否成功處置，取決于速報(bào)人員的臨震反應(yīng)能力和專(zhuān)業(yè)技能水平，特別是對(duì)于少震和弱震省份，更加需要通過(guò)日常工作中常態(tài)化、規(guī)范化的模擬演練達(dá)到強(qiáng)化崗位練兵、提升業(yè)務(wù)能力的目的。以往常用的速報(bào)演練形式需要修改IP和搭建多種平臺(tái)，比較繁瑣，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，在很大程度上限制了演練效果。本研究立足于測(cè)震臺(tái)網(wǎng)實(shí)際工作需要和核心技術(shù)，基于JOPENS系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了一套地震速報(bào)模擬演練系統(tǒng)，利用一體化技術(shù)最大程度還原速報(bào)地震時(shí)的真實(shí)情況，為提升地震速報(bào)人員業(yè)務(wù)水平提供一個(gè)快捷、高效的平臺(tái)。

1 功能設(shè)計(jì)

根據(jù)地震觸發(fā)到值班人員對(duì)波形進(jìn)行分析處理并報(bào)送結(jié)果的過(guò)程中各個(gè)步驟，在設(shè)計(jì)地震速報(bào)模擬演練系統(tǒng)時(shí)，采用模塊劃分實(shí)現(xiàn)功能的方式。模塊化設(shè)計(jì)不僅可以縮短周期、節(jié)約成本和降低難度，而且簡(jiǎn)化程序結(jié)構(gòu)，并提升系統(tǒng)擴(kuò)展性，方便后期調(diào)試和二次開(kāi)發(fā)。

地震速報(bào)模擬演練系統(tǒng)將波形回放、波形入庫(kù)、分析處理和結(jié)果報(bào)送4個(gè)主要模塊集成在同一平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)了地震波形的回放與入庫(kù)、地震事件觸發(fā)報(bào)警、多用戶(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)的快速調(diào)取、速報(bào)結(jié)果自動(dòng)評(píng)分等4大功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1：動(dòng)態(tài)回放地震事件波形并發(fā)出警報(bào)，回放同時(shí)將波形存入MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，以便使用MSDP軟件打開(kāi)，通過(guò)人機(jī)交互分析，確定地震三要素，并通過(guò)EQIM系統(tǒng)（陳曉輝等，2009）速報(bào)地震，計(jì)分系統(tǒng)讀取EQIM數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的速報(bào)結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)評(píng)分，產(chǎn)出得分結(jié)果文件。

圖1 地震速報(bào)演練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.1 The design structure of the earthquake quick-report training system

2 平臺(tái)介紹

該研究主要利用C++程序語(yǔ)言，通過(guò)聯(lián)合調(diào)試，將以上各功能模塊整合為一體，即為地震速報(bào)模擬演練系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包含地震波形回放與入庫(kù)、地震事件觸發(fā)報(bào)警、多用戶(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)的快速調(diào)取和速報(bào)結(jié)果自動(dòng)評(píng)分等4個(gè)主要部分，其中波形回放與入庫(kù)、速報(bào)結(jié)果自動(dòng)評(píng)分是本研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2.1 波形回放與入庫(kù)

波形入庫(kù)設(shè)計(jì)到大量數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)，耗時(shí)較長(zhǎng)，而回放波形時(shí)需要一定延遲以等待隨時(shí)間而逐漸顯示的波形的繪制，故對(duì)時(shí)間消耗也有要求。所以程序運(yùn)行時(shí)為了使這兩個(gè)功能不會(huì)互相影響或者影響主程序運(yùn)行，需要分別建立線(xiàn)程，在后臺(tái)同時(shí)運(yùn)行，保證程序穩(wěn)定流暢。

2.1.1 波形入庫(kù)。將波形數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)，目的是為了后續(xù)使用MSDP軟件打開(kāi)指定的事件波形并以此模擬地震發(fā)生時(shí)的場(chǎng)景。入庫(kù)的數(shù)據(jù)源是SEED格式的地震波形文件（王永革等，1995），事件的入庫(kù)過(guò)程為，從SEED格式文件提取臺(tái)站信息和波形數(shù)據(jù)，寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)。實(shí)現(xiàn)波形入庫(kù)需要掌握3個(gè)基本要素：從地震事件文件獲取地震波形數(shù)據(jù)和臺(tái)站信息；數(shù)據(jù)庫(kù)中用來(lái)保存地震波形數(shù)據(jù)和臺(tái)站信息的位置；將地震波形數(shù)據(jù)和臺(tái)站信息寫(xiě)入上述數(shù)據(jù)庫(kù)指定位置。

實(shí)現(xiàn)上述3個(gè)要素，需要：①SEED格式文件的解析。SEED格式是一種常見(jiàn)地震事件文件格式，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，主要部分是以二進(jìn)制編碼并經(jīng)過(guò)壓縮的地震波形數(shù)據(jù)（王洪體等，2004）。不同SEED文件中數(shù)據(jù)波形記錄的單位長(zhǎng)度不同，存儲(chǔ)的采樣點(diǎn)數(shù)值數(shù)量也不是固定的，512字節(jié)長(zhǎng)度存儲(chǔ)約400個(gè)采樣點(diǎn)，4 096字節(jié)長(zhǎng)度存儲(chǔ)約3 000個(gè)采樣點(diǎn)。一個(gè)地震事件波形通常約5—30 min，包含臺(tái)站數(shù)約40—150個(gè)，即有120—450個(gè)通道?？梢杂?jì)算出一個(gè)地震事件波形包含的512字節(jié)長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)記錄范圍約為9 000—200 000個(gè)，而如果采取4 096字節(jié)為數(shù)據(jù)記錄長(zhǎng)度，則一個(gè)事件大約包含1 000—25 000個(gè)數(shù)據(jù)記錄。通過(guò)編程，利用循環(huán)語(yǔ)句便可完成對(duì)SEED文件中波形數(shù)據(jù)的提取和入庫(kù)。另一方面，臺(tái)站信息位于SEED文件前部，程序根據(jù)位置信息就可找到某個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)所對(duì)應(yīng)的臺(tái)站信息。這樣就實(shí)現(xiàn)了從地震事件文件中獲取地震波形數(shù)據(jù)和臺(tái)站信息；②通過(guò)向函數(shù)提供數(shù)據(jù)庫(kù)的IP地址、端口號(hào)、數(shù)據(jù)庫(kù)名稱(chēng)等調(diào)用MySQL類(lèi)庫(kù)的連接函數(shù)，實(shí)現(xiàn)程序?qū)?shù)據(jù)庫(kù)的連接，結(jié)合查詢(xún)命令完成波形數(shù)據(jù)和臺(tái)站信息向數(shù)據(jù)庫(kù)的寫(xiě)入；③將上述臺(tái)站信息寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)相應(yīng)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(kù)（張旸等，2007），即實(shí)現(xiàn)波形入庫(kù)。

2.1.2 波形回放。在屏幕上動(dòng)態(tài)顯示地震事件波形，以模擬地震發(fā)生時(shí)波形監(jiān)控軟件所記錄到的畫(huà)面。實(shí)現(xiàn)波形回放需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是波形數(shù)據(jù)的獲取和存放數(shù)據(jù)的內(nèi)存空間。

要獲取的數(shù)據(jù)是各個(gè)通道按時(shí)間順序排列的采樣點(diǎn)數(shù)值，即MSDP軟件中的count值。count值在內(nèi)存中以整形變量的形式儲(chǔ)存，占4 bytes。地震事件一般包含的臺(tái)站數(shù)目不超過(guò)200個(gè)，波形長(zhǎng)度在3 600 s以?xún)?nèi)，而地震事件波形的采樣頻率為每秒100個(gè)，可以計(jì)算出一個(gè)地震事件一般包含采樣點(diǎn)數(shù)不超過(guò)2.16×108，根據(jù)每個(gè)采樣點(diǎn)占4 byte計(jì)算，可得程序必須預(yù)先準(zhǔn)備一個(gè)至少814 MB的內(nèi)存空間儲(chǔ)存波形數(shù)據(jù)。由于count值是經(jīng)過(guò)壓縮的數(shù)據(jù)且數(shù)據(jù)量龐大，所以編程時(shí)需要根據(jù)壓縮算法對(duì)其進(jìn)行解壓，并執(zhí)行循環(huán)語(yǔ)句讀取數(shù)據(jù)存放到上述準(zhǔn)備好的內(nèi)存空間。最后構(gòu)造一個(gè)顯示界面，每一組采樣點(diǎn)用一列寬度為一個(gè)分辨率的顯示區(qū)域來(lái)體現(xiàn)，那么所有組別采樣點(diǎn)所繪成的圖像就按照時(shí)間順序由左至右依次顯示在同一區(qū)域，即形成臺(tái)網(wǎng)通常所看到的分道、實(shí)時(shí)地震波形圖像。

以2014年4月20日安徽霍山MS4.3地震為例，對(duì)該地震速報(bào)模擬演練系統(tǒng)進(jìn)行介紹。地震速報(bào)模擬演練系統(tǒng)的波形回放界面見(jiàn)圖2，界面上設(shè)置不同功能按鍵：點(diǎn)擊“事件”選擇回放不同地震波形；點(diǎn)擊“波形回放”開(kāi)始回放所選擇的地震事件波形；“波形回放速率”可調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)回放速度；點(diǎn)擊“復(fù)位”清除已入庫(kù)的波形并將程序參數(shù)復(fù)位；通過(guò)“臺(tái)站數(shù)”和“顯示通道”可選擇一屏要顯示的臺(tái)站和通道數(shù)量。

圖2 地震模擬演練系統(tǒng)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(dòng)計(jì)分系統(tǒng)

測(cè)震臺(tái)網(wǎng)以往對(duì)速報(bào)結(jié)果進(jìn)行評(píng)分的主要方式是人工手動(dòng)打分，按照速報(bào)評(píng)比標(biāo)準(zhǔn)對(duì)每個(gè)速報(bào)人員的速報(bào)結(jié)果逐條核對(duì)計(jì)分，耗時(shí)耗力，容易存在人為誤差。本研究在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)計(jì)分系統(tǒng)，設(shè)計(jì)思路見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)：程序讀取EQIM數(shù)據(jù)庫(kù)（陳曉輝等，2009）中catalog和message表中的速報(bào)信息參數(shù)，存儲(chǔ)于程序分配的內(nèi)存中，同時(shí)從配置文件中得到對(duì)應(yīng)地震事件的參數(shù)，并按照編寫(xiě)好的評(píng)分函數(shù)，對(duì)速報(bào)結(jié)果逐項(xiàng)計(jì)算分?jǐn)?shù)（評(píng)分函數(shù)根據(jù)中國(guó)地震局臺(tái)網(wǎng)中心《省級(jí)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)速報(bào)評(píng)比標(biāo)準(zhǔn)》編寫(xiě)而成）。編程實(shí)現(xiàn)該功能的難點(diǎn)主要是參數(shù)設(shè)置，評(píng)比細(xì)則中涉及多種參數(shù)，還有各地震事件的參數(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)，參數(shù)種類(lèi)和數(shù)量繁多，需要構(gòu)建大量對(duì)話(huà)框完成參數(shù)的讀取和保存。

地震速報(bào)模擬演練計(jì)分系統(tǒng)見(jiàn)圖4。通過(guò)解析shp地圖格式，實(shí)現(xiàn)速報(bào)結(jié)果和地理位置圖文結(jié)合的雙顯示，方便用戶(hù)查看結(jié)果。界面左側(cè)設(shè)置不同參數(shù)查詢(xún)條件：通過(guò)“地震事件參數(shù)設(shè)置”可選擇查看不同地震事件得分情況；點(diǎn)擊“評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置”可調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)以適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用的需要；檢索功能可在多條結(jié)果中快速選中所查詢(xún)目標(biāo)；“分?jǐn)?shù)顯示”的功能細(xì)化，既可以查詢(xún)同一事件中單個(gè)速報(bào)人員和所有速報(bào)人員的得分，也可以查看每個(gè)速報(bào)員的所有事件得分和指定事件得分；“分析統(tǒng)計(jì)”實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同事件各參評(píng)項(xiàng)的柱狀圖顯示，直觀凸顯薄弱環(huán)節(jié)；通過(guò)“輸出結(jié)果”將每個(gè)速報(bào)人員的總成績(jī)以及扣分項(xiàng)和扣分原因輸出到一個(gè)word文檔中，方便后續(xù)查看。

圖3 地震速報(bào)模擬演練計(jì)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路Fig.3 The design structure of automatic scoring of the earthquake quick-report training system

圖4 地震速報(bào)模擬演練計(jì)分系統(tǒng)輸出結(jié)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(fā)報(bào)警主要使用STA/LTA（周彥文等，2007）和AR-AIC（Reinoud Sleeman，1999）算法自動(dòng)識(shí)別P波初動(dòng)，并對(duì)地震進(jìn)行定位，然后通過(guò)外置擴(kuò)音設(shè)備完成觸發(fā)報(bào)警。

多個(gè)用戶(hù)同時(shí)打開(kāi)數(shù)據(jù)庫(kù)中地震波形數(shù)據(jù)，可能造成堵塞或者數(shù)據(jù)庫(kù)響應(yīng)緩慢。影響MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)讀取速度的主要因素是innodb引擎參數(shù)的配置，通過(guò)調(diào)整innodb引擎中key_buffer_size、Threads_created等參數(shù)值，尋找最優(yōu)參數(shù)配置，以達(dá)到優(yōu)化MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)讀取速度的目的。通過(guò)測(cè)試，該系統(tǒng)可以將30余人同時(shí)調(diào)取地震波形數(shù)據(jù)庫(kù)的時(shí)間控制在1 min內(nèi)。

3 結(jié)束語(yǔ)

以往地震速報(bào)模擬演練從配置IP地址到震相分析，從上報(bào)結(jié)果到人工評(píng)分，完成一次演練平均耗時(shí)約30 min?；贘OPENS系統(tǒng)的地震速報(bào)模擬演練系統(tǒng)研發(fā)后，安徽測(cè)震臺(tái)網(wǎng)以此為平臺(tái)對(duì)值班人員開(kāi)展不定期速報(bào)演練，平均每次耗時(shí)不到10 min，而且通過(guò)觸發(fā)報(bào)警、波形動(dòng)態(tài)回放、自動(dòng)評(píng)分等一體化的仿真演練，最大程度地還原了速報(bào)地震時(shí)的真實(shí)情況。本系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用，為2014年度安徽測(cè)震臺(tái)網(wǎng)成功應(yīng)對(duì)安徽金寨震群和周邊省份頻發(fā)地震的嚴(yán)峻震情形勢(shì)做出了堅(jiān)實(shí)保障。

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