基于JOPENS系统的地震速报模拟演练平台

黄显良 戚 浩 郁建芳 王琐琛 杨 波 夏仕安

（中国合肥 230031 安徽省地震局）

0 引言

“十五”项目建成后，中国省级测震台网中心和各台站开展日常数据分析和存储工作，主要基于广东省地震局开发的JOPENS数字化地震观测系统（刘军等，2011），该系统在接收、汇集和存储波形数据的同时，实现了 JOPENS系统中交互分析软件MSDP 对库中数据的显示和SEED格式导出以及地震事件分析处理、速报等功能（苏莉华等，2012）。

随着网络广泛普及和社会高速发展，越来越多的人开始将目光投注于地震速报工作，对速报的准确性和时效性提出了更多更高的要求。地震速报任务能否成功处置，取决于速报人员的临震反应能力和专业技能水平，特别是对于少震和弱震省份，更加需要通过日常工作中常态化、规范化的模拟演练达到强化岗位练兵、提升业务能力的目的。以往常用的速报演练形式需要修改IP和搭建多种平台，比较繁琐，费时费力，在很大程度上限制了演练效果。本研究立足于测震台网实际工作需要和核心技术，基于JOPENS系统开发了一套地震速报模拟演练系统，利用一体化技术最大程度还原速报地震时的真实情况，为提升地震速报人员业务水平提供一个快捷、高效的平台。

1 功能设计

根据地震触发到值班人员对波形进行分析处理并报送结果的过程中各个步骤，在设计地震速报模拟演练系统时，采用模块划分实现功能的方式。模块化设计不仅可以缩短周期、节约成本和降低难度，而且简化程序结构，并提升系统扩展性，方便后期调试和二次开发。

地震速报模拟演练系统将波形回放、波形入库、分析处理和结果报送4个主要模块集成在同一平台上，实现了地震波形的回放与入库、地震事件触发报警、多用户数据库的快速调取、速报结果自动评分等4大功能。系统结构设计见图1：动态回放地震事件波形并发出警报，回放同时将波形存入MySQL数据库，以便使用MSDP软件打开，通过人机交互分析，确定地震三要素，并通过EQIM系统（陈晓辉等，2009）速报地震，计分系统读取EQIM数据库中存储的速报结果进行自动评分，产出得分结果文件。

图1 地震速报演练系统结构设计Fig.1 The design structure of the earthquake quick-report training system

2 平台介绍

该研究主要利用C++程序语言，通过联合调试，将以上各功能模块整合为一体，即为地震速报模拟演练系统。该系统主要包含地震波形回放与入库、地震事件触发报警、多用户数据库的快速调取和速报结果自动评分等4个主要部分，其中波形回放与入库、速报结果自动评分是本研究的重点和难点。

2.1 波形回放与入库

波形入库设计到大量数据写入数据库，耗时较长，而回放波形时需要一定延迟以等待随时间而逐渐显示的波形的绘制，故对时间消耗也有要求。所以程序运行时为了使这两个功能不会互相影响或者影响主程序运行，需要分别建立线程，在后台同时运行，保证程序稳定流畅。

2.1.1 波形入库。将波形数据写入数据库，目的是为了后续使用MSDP软件打开指定的事件波形并以此模拟地震发生时的场景。入库的数据源是SEED格式的地震波形文件（王永革等，1995），事件的入库过程为，从SEED格式文件提取台站信息和波形数据，写入数据库。实现波形入库需要掌握3个基本要素：从地震事件文件获取地震波形数据和台站信息；数据库中用来保存地震波形数据和台站信息的位置；将地震波形数据和台站信息写入上述数据库指定位置。

实现上述3个要素，需要：①SEED格式文件的解析。SEED格式是一种常见地震事件文件格式，结构较复杂，主要部分是以二进制编码并经过压缩的地震波形数据（王洪体等，2004）。不同SEED文件中数据波形记录的单位长度不同，存储的采样点数值数量也不是固定的，512字节长度存储约400个采样点，4 096字节长度存储约3 000个采样点。一个地震事件波形通常约5—30 min，包含台站数约40—150个，即有120—450个通道。可以计算出一个地震事件波形包含的512字节长度的数据记录范围约为9 000—200 000个，而如果采取4 096字节为数据记录长度，则一个事件大约包含1 000—25 000个数据记录。通过编程，利用循环语句便可完成对SEED文件中波形数据的提取和入库。另一方面，台站信息位于SEED文件前部，程序根据位置信息就可找到某个数据库所对应的台站信息。这样就实现了从地震事件文件中获取地震波形数据和台站信息；②通过向函数提供数据库的IP地址、端口号、数据库名称等调用MySQL类库的连接函数，实现程序对数据库的连接，结合查询命令完成波形数据和台站信息向数据库的写入；③将上述台站信息写入数据库相应表中，并将上述解压后的波形文件再次压缩成MiniSEED格式文件存入MySQL库（张旸等，2007），即实现波形入库。

2.1.2 波形回放。在屏幕上动态显示地震事件波形，以模拟地震发生时波形监控软件所记录到的画面。实现波形回放需要解决的关键问题是波形数据的获取和存放数据的内存空间。

要获取的数据是各个通道按时间顺序排列的采样点数值，即MSDP软件中的count值。count值在内存中以整形变量的形式储存，占4 bytes。地震事件一般包含的台站数目不超过200个，波形长度在3 600 s以内，而地震事件波形的采样频率为每秒100个，可以计算出一个地震事件一般包含采样点数不超过2.16×108，根据每个采样点占4 byte计算，可得程序必须预先准备一个至少814 MB的内存空间储存波形数据。由于count值是经过压缩的数据且数据量庞大，所以编程时需要根据压缩算法对其进行解压，并执行循环语句读取数据存放到上述准备好的内存空间。最后构造一个显示界面，每一组采样点用一列宽度为一个分辨率的显示区域来体现，那么所有组别采样点所绘成的图像就按照时间顺序由左至右依次显示在同一区域，即形成台网通常所看到的分道、实时地震波形图像。

以2014年4月20日安徽霍山MS4.3地震为例，对该地震速报模拟演练系统进行介绍。地震速报模拟演练系统的波形回放界面见图2，界面上设置不同功能按键：点击“事件”选择回放不同地震波形；点击“波形回放”开始回放所选择的地震事件波形；“波形回放速率”可调节动态回放速度；点击“复位”清除已入库的波形并将程序参数复位；通过“台站数”和“显示通道”可选择一屏要显示的台站和通道数量。

图2 地震模拟演练系统波形回放界面（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 自动计分系统

测震台网以往对速报结果进行评分的主要方式是人工手动打分，按照速报评比标准对每个速报人员的速报结果逐条核对计分，耗时耗力，容易存在人为误差。本研究在系统开发过程中设计一个自动计分系统，设计思路见图3。由图3可见：程序读取EQIM数据库（陈晓辉等，2009）中catalog和message表中的速报信息参数，存储于程序分配的内存中，同时从配置文件中得到对应地震事件的参数，并按照编写好的评分函数，对速报结果逐项计算分数（评分函数根据中国地震局台网中心《省级测震台网速报评比标准》编写而成）。编程实现该功能的难点主要是参数设置，评比细则中涉及多种参数，还有各地震事件的参数和数据库参数，参数种类和数量繁多，需要构建大量对话框完成参数的读取和保存。

地震速报模拟演练计分系统见图4。通过解析shp地图格式，实现速报结果和地理位置图文结合的双显示，方便用户查看结果。界面左侧设置不同参数查询条件：通过“地震事件参数设置”可选择查看不同地震事件得分情况；点击“评分标准设置”可调整各项参数的评分标准以适应实际应用的需要；检索功能可在多条结果中快速选中所查询目标；“分数显示”的功能细化，既可以查询同一事件中单个速报人员和所有速报人员的得分，也可以查看每个速报员的所有事件得分和指定事件得分；“分析统计”实现了对不同事件各参评项的柱状图显示，直观凸显薄弱环节；通过“输出结果”将每个速报人员的总成绩以及扣分项和扣分原因输出到一个word文档中，方便后续查看。

图3 地震速报模拟演练计分系统设计思路Fig.3 The design structure of automatic scoring of the earthquake quick-report training system

图4 地震速报模拟演练计分系统输出结果Fig.4 Output results of automatic scoring of the earthquake quick-report training system

2.3 其他

地震事件触发报警主要使用STA/LTA（周彦文等，2007）和AR-AIC（Reinoud Sleeman，1999）算法自动识别P波初动，并对地震进行定位，然后通过外置扩音设备完成触发报警。

多个用户同时打开数据库中地震波形数据，可能造成堵塞或者数据库响应缓慢。影响MySQL数据库读取速度的主要因素是innodb引擎参数的配置，通过调整innodb引擎中key_buffer_size、Threads_created等参数值，寻找最优参数配置，以达到优化MySQL数据库读取速度的目的。通过测试，该系统可以将30余人同时调取地震波形数据库的时间控制在1 min内。

3 结束语

以往地震速报模拟演练从配置IP地址到震相分析，从上报结果到人工评分，完成一次演练平均耗时约30 min。基于JOPENS系统的地震速报模拟演练系统研发后，安徽测震台网以此为平台对值班人员开展不定期速报演练，平均每次耗时不到10 min，而且通过触发报警、波形动态回放、自动评分等一体化的仿真演练，最大程度地还原了速报地震时的真实情况。本系统的研发和应用，为2014年度安徽测震台网成功应对安徽金寨震群和周边省份频发地震的严峻震情形势做出了坚实保障。

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