SeisComP3地震实时监测与自动处理系统*

徐志国　邹立晔　梁姗姗　刘敬光

1) 国家海洋环境预报中心， 北京100081 2) 中国地震台网中心， 北京100045



SeisComP3地震实时监测与自动处理系统*

徐志国1)邹立晔2)※梁姗姗2)刘敬光2)

1) 国家海洋环境预报中心， 北京100081 2) 中国地震台网中心， 北京100045

本文简要介绍了地震实时监测与自动处理系统SeisComP3的发展历程、 主要功能和基本架构， 并对其主要模块做了详细说明， 最后对该软件的特点加以总结， 从而为SeisComP3系统操作与使用人员提供帮助和支持。

地震实时监测； 自动处理； 数据获取

引言

SeisComP(Seismological Communication Processor)是近些年发展起来的一款免费的、 部分开源的地震实时监测与自动处理系统。 SeisComP最初是在GEOFON/GFZ(德国地学科学研究中心)和ORFEUS(欧洲地震学研究实验室)的支持下， 由德国GEOFON台网开发的全自动数据获取和(准)实时数据处理工具， 实现了数据质量控制、 地震事件检测、 定位和报警等功能， 并在MEREDIAN项目中得到扩展。 2006年至2008年期间， 在德国印度洋海啸预警系统GITEWS(German Indian Ocean Tsunami Early Warning System)项目背景下， SeisComP增加了新功能， 用以满足海啸预警需求。 随着功能的进一步完善及主体框架的改变， 2007年， GITEWS/GEOFON开发小组发布了第三代SeisComP软件系统——SeisComP3[1]。

SeisComP3系统主要采用C++和Python语言进行开发， 支持MySQL、PostgreSQL、 SQLite等数据库接口， 具有很好的可移植性。 SeisComP3具有强大的地震数据处理与分析能力， 可对台网日常处理的地震波形、 定位结果、 震相数据进行统一管理， 能够完成地震台网所承担的地震速报、 地震编目和数据服务等日常工作任务。 目前， SeisComP3已广泛应用于欧洲、 东南亚、 南美等国家和地区， 应用于地方、 区域、 全球的地震活动监测以及大地震海啸预警预报等工作[2-6]。

本文将对SeisComP3系统的功能和结构进行概述， 进而详细介绍其主要模块， 简要说明其安装配置方法， 最终对该软件的特点加以总结， 从而为SeisComP3系统操作与使用人员提供帮助和支持。

1　功能和架构

1.1主要功能

SeisComP3作为一款优秀的地震实时监测与自动处理软件系统， 主要具有以下功能：

(1) 地震数据获取；

(2) 数据质量控制；

(3) 数据记录；

(4) 实时地震数据交换；

(5) 台网运行状态监视；

(6) 实时地震数据处理；

(7) 事件报警；

(8) 波形数据归档；

(9) 波形数据分发；

(10) 地震事件自动检测和定位；

(11) 地震事件交互分析；

(12) 地震事件参数归档；

(13) 访问台站元数据、 波形、 事件等相关信息。

1.2系统构架

SeisComP3是一套基于数据库体系的地震实时监测与自动处理软件系统。 图1给出了SeisComP3软件系统的组成构架， 系统集成了多个独立的模块， 模块间采用分布式的TCP/IP协议进行数据通讯， 实现地震数据的实时接收、 处理等功能。 根据功能的不同， 各模块可以分为数据获取、 数据处理、 数据分析和数据管理四种类型。 表1列出了SeisComP3主要模块， 并对各模块功能进行简单的描述。

图1　SeisComP3软件系统组成

2　主要系统介绍

2.1数据获取系统

SeisComP3系统主要通过SeedLink[7]、 slarchive[8]和ArcLink[9]模块实现不同节点间的数据汇集、 交换与共享， 为地震常规业务工作提供数据服务和技术支持。

SeedLink模块是SeisComP软件系统获取数据的核心部分， 它基于SOCKET实现TCP/IP协议通讯， 具有客户端-服务器端通讯模式， 端口号为18000。 目前， 世界上大多数台网或系统都支持SeedLink通讯协议， 例如美国地震学联合研究会(IRIS)地震数据中心、 欧洲GEOFON台网、 Earthworm系统、 Antelope系统等。 SeisComP3系统利用SeedLink模块接收多种来源的地震监测数据， 采用SeedLink协议数据包进行传输。 这种包是以512 B大小的mini-SEED格式的数据包形式发送，其中包括8 B大小的SeedLink头段数据。 此外， SeisComP3系统还支持不同类型的数据接口， 例如北京港震公司EDAS系列、 美国Geotech公司的SMART-24、 英国Guralp公司的CMC-DM24、 瑞士SYSCOM公司的MR2002等类型的数据采集器， 使得SeisComP3直接与多台地震仪器相连接， 实现单台地震数据的汇集与共享，极大地发挥了地震台站数据的应用效能。

表1　SeisComP3软件系统主要模块列表

slarchive模块为波形数据归档模块， 其与SeedLink模块相连接请求数据流， 按照SDS(SeisComP Data Structure， SeisComP数据结构)目录结构存储波形数据文件， 并存储在本地磁盘， 存储的数据格式为mini-SEED格式。 SDS的目录结构为： /Year/NET/STA/CHAN.TYPE/NET.STA.LOC.CHAN.TYPE.YEAR.DAY。 例如： “archive/2016/HE/HNS/BHZ.D/HE.HNS.00.BHZ.D.2016.001”表示河北红山地震台2016年1月1日垂直分向波形数据存储的SDS目录结构。 SDS目录结构为地震数据处理、 分析及管理提供了数据存储标准， 便于地震数据的应用与管理。

SeisComP中使用了ArcLink软件包实现地震数据的下载与分发功能。 ArcLink是基于TCP/IP协议开发的， 可以用来请求归档非实时波形数据及相关的地震元数据， 是一种适合分布归档数据的存储协议。 端口号为18001。 ArcLink可以实时查询请求状态， 当请求的数据准备好后就可以下载。 用户请求的数据会一直保存在服务器端， 直到客户端请求删除。

2.2数据处理系统

SeisComP3系统可以对实时或离线波形数据进行分析与处理， 主要通过scmaster、 scautopick、 scamptool、 scqc、 scautoloc、 scmagtool和sceventtool模块来实现。

scmaster为消息传递系统， 是基于分布式的分组消息系统(spread)， 应用TCP/IP通讯协议实现各应用模块之间、 模块与数据库之间的消息传递， 传递的消息包括震相、 振幅、 震中位置、 震级等地震定位元数据信息。

scautopick为震相和振幅拾取模块。 模块默认采用3阶0.7～2 Hz巴特沃斯带通滤波器， 对实时波形进行滤波处理； 应用STA/LTA算法[10-11]检测地震事件， 用户也可以设定其它的自动拾取模块(如Baer和Kradolfer的震相拾取算法[12]， AIC算法[13])。 同时， 为了提高系统执行效率， scautopick模块在拾取震相的同时也拾取振幅值， 为计算震级(mb、mB、MLV)提供对应波形幅度值。

scamptool模块读取拾取振幅值， 这些不同的振幅值可以用来计算不同类型的震级值。

scqc为地震数据流质量控制模块， 输出的参数为波形质量信息的时间平均质量控制参数。

scautoloc为事件自动定位模块。 模块实时读取震相拾取结果， 进行事件震相关联， 对满足同一事件的震相进行定位。 scautoloc模块使用LOCSAT定位方法[14]， 采用一维地球速度模型IASP91走时表对地方震、 近震和远震进行定位。 在初始定位结果给定后， SeisComP3还可以通过用户设置采用一维或三维速度模型走时表， 应用NonLinLoc非线性定位方法[15]进行地震重定位。 值得注意的是， 系统在自动定位过程中， 默认震相为初至P波震相。

magtool震级计算模块。 模块默认计算4种类型震级： 垂向地方性震级MLV、 短周期体波震级mb、 宽频带体波震级mB[16]和体波矩震级MWP[17]。 此外， 还包括不同震级间关系表示的转换震级MW(mB)、MW(MWP)。 同时， 用户还可以根据需求， 选择计算相关震级标度的震级值。

eventtool事件关联匹配模块。 对于同一地震来说， 随着时间的推移， 越来越多的台站触发， SeisComP3系统在处理过程中会生成多个事件， 系统需要判断这些事件为同一事件还是新生成事件。 eventtool模块按照一定的地震事件匹配关联原则， 对事件性质进行判断。

2.3数据分析系统

2.3.1地图可视化界面

用户运行seiscomp exec scmv命令， 即可运行表1中所列scmv模块， 从而调用如图2所示的地图可视化界面。 该界面主要显示地震、 台站触发状态、 地面运动和台站质量等信息。 地图界面包括地面运动和地震台网运行状态两个选项卡(tabs)。 ①地面运动选项卡显示台站记录的实际地震动速度(nm/s)， 台站触发状态通过闪烁的三角形表示， 鼠标右键点击台站符号， 显示台站的详细信息。 ②台网状态选项卡显示地震台网的时间质量信息， 三角形的颜色表示台站数据的传输延时， 通过鼠标右键可以显示详细信息。 视图中的圆圈为当前地震的震中位置， 不同的灰度和大小代表不同震源深度和震级大小。

图2　地图可视化界面

2.3.2实时波形显示界面

与scmv模块的运行方式相似， 用户运行seiscomp exec scrttv命令， 可调用实时波形显示界面(见图3)， 包括启用和禁用两个选项卡。 ①启用选项卡显示用户选定可用台站波形信息， 包括地震数据空区(gap)、 自动识别P震相和初动到时等信息。 当地震触发时， 波形将按震中距由小到大自动排列， 实时显示地震事件波形。 用户也可根据自身需求设置波形的显示， 例如， 波形按台站、 台网排列， 振幅放大或缩小等。 ②禁用选项卡显示用户选定的禁用台站波形， 这些台站不参与系统分析与处理。

图3　实时波形显示界面

2.3.3交互分析界面

任何一款地震监测处理系统都十分重视人机交互界面的设计， SeisComP系统也不例外。 用户可以通过seiscomp exec scolv命令调用人机交互界面(如图4所示)， 主要功能是校验定位和震级等相关信息， 如震相拾取、 位置、 深度、 时间、 震级和事件关联等。 scolv分为4个选项卡： ①位置(Location)选项卡显示关联相位和初动残差的详细信息， 包括震中、 时间、 台站分布等。 用户可以通过picker选项浏览事件波形， 重新拾取震相信息， 进行地震重定位， 校验地震自动定位结果。 ②震级(Magnitude)选项卡显示所有初始有效震级信息。 对每种不同的震级类型， 台站震级显示在震级残差图标中。 用户可以通过Magnitude选项浏览事件波形， 重新拾取震级标度对应振幅信息， 进行震级重计算。 ③事件(Event)选项卡显示关联初动和震级的所有信息。 scevent和scolv之间关于初动和震级的消息可以在窗口中浏览。 ④事件(Events)列表选项卡显示选定时间范围内的事件列表信息， 发震时刻、 优选震级值和震级类型、 定位台站数、 震中经纬度和深度、 定位状态、 地理位置名称等事件相关信息， 类似于scesv中的事件列表。

图4　用户交互分析界面

2.3.4地震事件概览界面

图5　地震事件概览界面

2.4数据管理系统

地震数据管理与查询是地震监测软件系统必须具有的基本功能。 SeisComP3利用数据库技术对台网日常处理的地震波形、 定位结果、 震相数据进行统一管理与查询； 利用命令行工具实现地震数据的查询下载、 备份恢复， 同时还能够监控系统运行状态， 查看各模块实时运行状况。 除此之外， SeisComP3系统还拥有其他诸多功能。 SeisComP3系统的实时数据分析、 处理与数据归档相结合， 实现了目录、 震相、 波形数据的全面管理， 使得该系统能够满足地震台网的地震速报、 地震编目和数据服务等日常工作需求。

3　安装与配置

3.1系统安装

SeisComP3是一款免费开源软件， 用户可以登陆其网站(www.seiscomp.org)直接下载软件安装包。 这主要包括数据获取与处理安装包、 用户图形界面安装包、 帮助文档安装包、 地图文件安装包。 用户可以根据自身需求选择下载。 目前， SeisComP3仅适用于Linux和Solaris操作系统， MacOSX版本正在测试中， 暂不支持Windows操作系统。

SeisComP3软件系统安装方便快捷， 在安装之前， 用户需要检查软件的依赖库文件， 并设置MySQL数据库配置等信息。 软件具体安装步骤如下： ①解压缩包至安装目录下， 设置安装系统环境变量； ②运行seiscomp setup命令， 进行系统初始配置； ③导入台站参数； ④应用参数配置界面或shell交互命令进行系统参数配置； ⑤更新台站配置参数； ⑥运行seiscomp start命令， 启动系统。

3.2系统参数配置

SeisComP3系统安装完成之后， 需要对其进行参数配置。 参数配置可以通过命令交互方式或图形用户界面方式来设定。

首先将台站元数据文件导入SeisComP3系统中， 存储为XML格式文件。 所有台站元数据都存储在软件安装的etc/inventory目录下， 通过seiscomp update-config命令， 合并台站元数据并同步至数据库中。

对一组MCNC基准电路，分别使用算法1和算法2计算其MPRM电路的功耗，表1给出了结果，其中“I/O”表示电路的PI数和PO数；Ed和Es则是对每一个基准电路，其100个MPRM电路的动态功耗以及静态功耗计算结果的平均值，Es的单位是μA；时间为100个MPRM电路功耗计算时间的平均值，单位为秒.

台站元数据导入后， 需要与系统模块绑定才能实现台站元数据的调用。 用户可以通过运行seiscomp exec scconfig命令调用图形界面进行手动配置， 但是对于成百上千个台站来说， 手动配置比较繁琐复杂， 是不宜采取的方式。 而如果通过Shell命令行方式， 就可以实现台站参数设置的批量化处理。

4　结束语

SeisComP3是一款功能强大的实时地震数据处理软件系统， 具有以下一些特点：

(1) 开源、 免费——SeisComP3源代码随软件免费发布， 除震源机制反演模块之外， 大部分模块均为免费开放， 所支持的数据库也都使用了开源数据库系统。

(2) 可移植， 易扩展——SeisComP3系统适用于Linux和Solaris操作系统， 用户可以调用系统命令， 开发满足自身工作需求的模块， 也可通过SeisComP3的相关接口和组件进行扩展性开发。

(3) 全自动和人机交互相结合——系统可以在没有人工干预的情况下， 全自动地完成地震事件的检测、 定位、 报警、 发布等任务， 同时也可通过用户界面实现地震的人机交互处理， 确保地震发布结果的准确性。

(4) 遵循通用的地震数据标准——SeisComP3在设计开发过程中， 采用国际通用的标准地震数据传输协议和数据存储格式， 并按照SDS目录结构进行归档， 便于地震数据的应用与管理。

(5) 目录、 震相、 波形数据的全面处理——SeisComP3可对地震波形、 定位结果、 震相数据进行统一管理， 从而完成地震台网所承担的地震速报、 地震编目和数据服务等各项日常任务。

目前， SeisComP3系统已初步应用于国家测震台网中心地震速报监测工作， 并已全面应用于国家海洋局海啸预警中心地震海啸监测等业务当中。 SeisComP3软件系统性能稳定、 界面直观友好、 易于操作、 功能完备， 特别是以其强大、 快速、 可靠的地震自动处理系统， 在地震自动速报、 大地震海啸预警等业务工作中发挥了重要作用。

[1] GFZ German Research Centre for Geosciences， 2015. SeisComP3 home page. [2016-06-15]. http:∥www.seiscomp3.org/

[2] Pesaresi D. The EGU2010 SM1.3 Seismic Centers Data Acquisition session: An introduction to Antelope， EarthWorm and SeisComP， and their use around the World. Annals of Geophysics=Annali di Geofisica， 2011， 54(1): 1-7

[3] Hanka W， Saul J， Weber B, et al. Real-time earthquake monitoring for tsunami warning in the indian ocean and beyond. Natural Hazards & Earth System Sciences， 2010， 10(12): 2611-2622

[4] Nikolaos Triantafyllis. Scisola: Automatic moment tensor solution for SeisComP3. Master thesis, 2014

[5] Clinton M J. An almost fair comparison between Earthworm and Seiscomp3. Seismol. Res. Lett.， 2012, 83 (4): 720-727

[6] Melis N S， Konstantinou K I. Real-time seismic monitoring in the Greek region: An example from the 17 October 2005 East Aegean Sea earthquake sequence. Seismol. Res. Lett.， 2006, 77(3): 364-370

[7] GFZ German Research Centre for Geosciences. SeedLink wiki documentation. 2015. [2016-06-15]. https:∥www.seiscomp3.org/wiki/doc/applications/seedlink

[8] GFZ German Research Centre for Geosciences. slarchive wiki documentation. 2015. [2016-06-15]. https:∥www.seiscomp3.org/wiki/doc/applications/slarchive

[9] GFZ German Research Centre for Geosciences. arclink wiki documentation. 2015. [2016-06-15]. https:∥www.seiscomp3.org/wiki/doc/applications/arclink

[10] Allen R V. Automatic earthquake recognition and timing from single traces. Bull. Seismol. Soc. Am.， 1978, 68(5): 1521-1532

[11] Allen R V. Automatic phase pickers: their present use and future prospects. Bull. Seismol. Soc. Am.， 1982, 72(6): S225-S242

[12] Baer M， Kradolfer U. An automatic phase picker for local and teleseismic events. Bull. Seismol. Soc. Am.， 1987, 77(4): 1437-1445

[13] Leonard M， Kennett B L N. Multi-component autoregressive techniques for the analysis of seismograms. Phys. Earth Planet. Inter.， 1999, 113(113): 247-263

[14] Bratt S， Bache T C. Locating events with a sparse network of regional arrays. Bull. Seismol. Soc. Am.， 1988, 78(2): 780-798

[15] Lomax A， Michelini A， Curtis A. Earthquake location， direct， global-search methods∥Meyers， R A (ed.)， Encyclopedia of Complexity and System Science， Part 5， Springer， New York， 2009： 2449-2473

[16] Bormann P, Saul J. The new IASPEI standard broadband magnitudemB， Seismol. Res. Lett.， 2008, 79(5)： 698-706

[17] Tsuboi S， Abe K， Takano K， et al. Rapid determination ofMWfrom broadband P waveforms. Bull. Seismol. Soc. Am., 1995, 85(2): 606-613

SeisComP3: A real-time monitoring and automatic processing system for earthquakes

Xu Zhiguo1)， Zou Liye2)， Liang Shanshan2)， Liu Jingguang2)

1) National Marine Environmental Forecasting Center， Beijing 100081， China 2) China Earthquake Networks Center， Beijing 100045， China

This paper gives a brief introduction to the development process， the basic modules of SeisComP3， a real-time earthquake monitoring and automatic processing system， and gives a detailed description of its main components and graphical interfaces. And finally the features of the SeisComP3 are summarized so as to provide help and support for the operators and users of SeisComP3 system.

real-time earthquake monitoring; automatic processing; data acquisition

2016-07-11； 采用日期： 2016-07-31。

邹立晔， e-mail: zouly_xm@qq.com。

P315.6；

A； doi: 10.3969/j.issn.0235-4975.2016.09.004