NET-VISA软件研发进展与性能测试＊

王 娟 刘俊民 李 健 邱宏茂 王晓明 商 杰 盖 磊

（禁核试北京国家数据中心和北京放射性核素实验室，北京 100085）

引言

地震监测是全面禁止核试验条约规定的4种核查手段中远区监测最有效的方法。条约生效后，CTBTO国际监测系统（IMS）通过与全球通讯基础设施（GCI）的安全卫星链接传送位于全球170个地震台站的数据至国际数据中心（IDC），其中50个基本地震台站1周7天1天24小时不间断地传送数据，120个辅助地震台站在需要时，由程序自动按照既定的规则申请传送相应时间段的数据[1]。地震监测数据进入IDC的数据处理系统后，首先进行台站处理：即检测信号、识别震相、计算震相特性（到时、振幅、方位角、慢度等）。单台台站处理完成后，根据计算出的震相特征，利用台网关联算法将来自不同台站的信号进行关联，推测这些信号可能来自同一事件，最终形成自动处理公报。分析员以自动处理公报为基础，经过详细分析，添加自动关联漏掉的事件，删除虚假关联的事件，最终形成审定事件公报（REB）。目前，IDC的REB公报也已经成为全球地震领域比较认可的公报之一[2]。想要提高自动处理事件关联的有效率，降低事件漏检率，提高自动处理公报质量，减小分析员的工作量，是IDC一直以来致力研究的方向之一。

目前在IDC数据处理系统中，台网关联算法采用全局关联算法（GA），其采用了基于全球格点的搜索算法来关联震相形成事件[3]。GA首先将全球按纬度、经度分为覆盖整个地球表面相互重叠的若干个圆形格点，格点文件包括了格点位置信息以及与台站间的关系，然后对地球上给定位置（格点中心点）的所有可能检测组合进行全局搜索，组合形成许多假设的事件，随后合并相同事件，剔除冗余和虚假事件，最终形成公报产品。GA在IDC运行20多年来，在波形数据的实时处理中表现出了良好的处理性能，但是GA还是漏掉了感兴趣的震级范围内将近三分之一的地震事件，且自动处理公报中大约一半的事件为虚假事件[4-5]。

随着计算机性能的提高、大数据分析、数据挖掘及机器学习等先进数据处理技术的广泛应用，如何利用海量的历史地震事件的特征来提高事件关联性能成为学者们研究的热点和IDC关注的重点之一。2009年开始，美国加州大学伯克利分校（University of California，Berkeley）的科学家与IDC开始合作研究基于震相特征模型的网络处理-垂直综合地震分析（Network processing-Vertically Integrated Seismic Analysis，NET-VISA）软件[4-5]，旨在替代GA成为IDC下一代全球震相自动关联和事件检测定位软件。本文介绍了基于贝叶斯推理方法的NET-VISA算法的基本原理及在IDC历年测试中的进展，并对禁核试北京国家数据中心（NDC）参加IDC组织的阿尔法测试（Alpha Tester Group，ATG）中朝鲜 6 次核试验的 NET-VISA关联结果作了分析对比。

1 NET-VISA 基本原理

NET-VISA核心是基于贝叶斯框架的关联算法，由基于物理的生成概率模型（GM）和启发式推理算法（IA）组成。该方法首先建立一个综合考虑了信号到时、方位角、慢度、事件震级、正确震相、误检信号和尾波震相等事件特征的全球尺度的概率模型，然后由基于贝叶斯方法设计的推理算法（IA）搜索具有最大后验概率（MAP）的事件集，并在关联到达的事件之间进行迭代，最终确定事件的时间、位置和大小[5-6]。

假设X为覆盖所有可能地震事件集合的一个随机变量，每个事件由时间、位置、深度和震级来定义，Y为台网内全部地震台站的所有可能的信号观测值，Pθ(X)描述了参数化的事件先验概率，Pϕ(Y|X)描述了信号的传播和测量概率（包括走时、吸收与散射、噪声等）。对于给定的观测值Y=y，事件的后验分布P(X|Y=y)即为事件参数。则NET-VISA的事件模型可以由最基本的贝叶斯公式来描述：

在NET-VISA中，一个到达信号最终分为关联事件的震相 Λ ，误检信号 ξ和尾波信号 κ，在给定观测信号A的情况下，NET-VISA结合了事件假设e，震相Λ，误检信号ξ 和尾波信号 κ得到的联合概率模型[3]：

推理算法的最终目的是得到使后验概率达到最大的事件参数的解：

NET-VISA生成概率模型由先验模型和似然函数模型构成，主要包括事件先验模型、震相似然函数模型、误检信号模型和尾波信号模型等部分。NETVISA中只考虑了14种震相：即P、Pn、PKP、S、PKPbc、PcP、pP、Lg、PKPab、PKKPbc、Pg、Rg、Sn和 ScP的震相模型。事件先验模型反映了事件频度、地理分布、深度分布和震级分布等；震相似然函数模型根据统计的事件发生时的震相检测概率和震相属性特征而建立；误检信号模型描述了由噪声产生的误检信号的特征在各台站的分布；尾波信号模型描述了由于信号传播的散射而带来的尾波信号，减少其对事件关联的影响，通过尾波信号与其触发震相的延迟、尾波信号的方位角、慢度和振幅特征来构建模型[3-5]。

NET-VISA的输入从信号检测开始，并基于所有标为P震相的检测建立种子事件。通过构建事件、改善到达、改善事件、删除事件等步骤查找最佳事件集以解释观察到的检测结果，NET-VISA在改善到达和改善事件之间进行迭代以优化事件。图1为NETVISA生成事件的示意图。

图1 NET-VISA 事件生成窗口Fig.1 NET-VISA windows

由图1可知，NET-VISA将连续的到达数据流划分为不同的窗口。在构建事件窗口中利用每个独立震相的相关特征参数构建种子事件，图1中构建事件窗口的窗长为W，窗长从t0=0开始到t1=t0+W（实际应用中W取 30 min）。到达窗口从t0−MT到t2=t0+W+MT，其中MT是震相的最大走时（33.3 min 或2 000 s），在此窗口中的每个到达都要进行与事件窗口中的事件相关联。对于每个检测在检测窗口内通过“检测改善算法”后，与事件窗口中的事件相关联，进行迭代以优化事件。NET-VISA采用定义的事件度量标准和检测评分标准来计算检测和事件的评分，事件得分小于1的事件将被删除。构建事件窗口向前移动步长S后，在输出窗口中的最终确定的事件将写入到事件公报中。

2 NET-VISA 测试进展[7-11]

2009年3月，美国加州大学伯克利分校的斯图亚特·罗素（Stuart Russell）教授在其主持的 ISS09（International Scientific Studies Project 2009，国际科学研究项目2009）项目中首次提出了NET-VISA算法。后来Arora博士在2009年6月的ISS09大会上报告了有限数据集的测试结果。2009年11月，在ISS09技术会议上讨论了基于3个月的地震数据研究结果，当时相对于SEL3虽有改善，但还没有量的体现。2010年2月，Russell教授在筹委会第34次核查工作组会议上报告了NET-VISA原型系统在以3个月数据集为基础的测试结果，相对于SEL3，系统性能提高了5.5%。表1为当时的统计数据，表中SEL3代表用全局关联算法（GA）产生的自动处理公报事件，LEB是分析员审定后的事件。

表1 NET-VISA 原型系统 3 个月测试结果Table 1 The three months test results of NET-VISA prototype

随后Arora博士于2012—2013年针对地震数据处理研究开发了软件，2014年集成了水声处理流程，2015年开始了对次声数据的处理。在PTS的组织下，Arora博士与IDC的科学家在2015年以离线方式进行了1年的地震数据处理测试，2016—2017年以离线运行方式针对包含次声数据处理的NETVISA进行了测试，2018年1月—2019年2月在IDC测试平台上对NET-VISA进行了在线测试。测试结果表明，在一般情况下，NET-VISA产生的公报要比IDC自动处理产生的公报SEL3更加完整和精准，对于REB的覆盖率可以提高约15%（80%—90%与65%—75%），不一致率降低约5%（45%—55%与50%—60%）。

2019年PTS针对NET-VISA软件的测试成立了ATG，NDC参加了阿尔法测试全过程，顺利完成了全部4项测试，其中第2项测试是对2017年9月3日朝鲜核试验事件进行数据处理，我们进行了扩展测试，对朝鲜6次核试验逐个进行了类似处理，对NET-VISA关联结果进行了分析对比。

3 朝鲜核试验 NET-VISA 测试结果分析

利用阿尔法测试中IDC提供的NET-VISA程序对朝鲜6次核试验数据逐个进行了重关联。为了方便在同等条件下与IDC/GA关联算法比较，在台站列表方面，选择IDC/SEL3朝鲜核试验事件关联台站表中全部地震台站；在数据段方面，以REB事件前约10分钟整分为起始时间，持续时长2小时，以保证全部可能震相可被关联。经NET-VISA关联后的朝鲜地区地震事件基本参数列于表2。其中第4、5、6次核试验事件均被NET-VISA分裂成两个事件；第6次核试验事件过后约8分半钟还有一次小震级事件。

表2 NET-VISA定位的历次朝鲜核试验相关事件基本参数列表Table 2 Basic parameters of events related to several North Korean nuclear tests located by NET-VISA

以IDC/REB为参考，考察SEL3和VSEL（NETVISA产生的公报）事件定时和定位精准程度和存在的问题。定位和定时误差按以下公式计算：

其中，E代表误差，MSE代表均方误差。

SEL3和VSEL定时误差分别列于表3，图2是对应表3的定时误差直方图。定位误差列于表4，图3是对应表4的定位误差直方图。表3和表4中VSEL2是VSEL的分裂事件，直方图中NetVISA1对应于VSEL，NetVISA2对应于VSEL2，用2017-09-03（1）和 2017-09-03（2）区别 2017 年 9月第 1 次事件与第2次事件。定时均方误差MSE（SEL3，time）=0.796 1 s、MSE（VSEL，time）=2.006 7 s，定位均方误差MSE（SEL3，dis.）=0.10051°、MSE（VSEL，dis.）=0.44713°。

图3 SEL3 和 VSEL 定位误差直方图Fig.3 Histogram of SEL3 and VSEL location errors

表4 以 REB 为参考的 SEL3 和 VSEL 定位误差（°）Table 4 SEL3 and VSEL location errors （°） with REB as reference

图2 SEL3 和 VSEL 事件定时误差直方图Fig.2 Histogram of timing error of SEL3 and VSEL events

表3 以 REB 为参考的 SEL3 和 VSEL 定时误差（s）Table 3 SEL3 and VSEL timing errors （s） with REB as reference

从测试结果来看，NET-VISA软件模块运行基本平稳、可靠。NetVISA检出了全部核试验事件，但是把第4、5、6次核试验事件均分裂成了两次事件；事件定时和定位方面，NetVISA比IDC的GA稍差一点。

4 结论

NET-VISA作为IDC下一代台网关联软件，从2009年概念提出、立项、研发、测试，前后已经过了10年，目前正在对NET-VISA软件进行发布前的用户体验测试，虽然IDC的在线和离线测试均表明NET-VISA产生的公报要比IDC目前使用的全球关联方法生成的自动处理公报SEL3更加完整和精准，但是ATG测试组的报告仍然反应出不少问题，这些问题反馈到PTS，有助于对NET-VISA软件进行改进及模型优化。下一步，IDC将结合波形整体特征及更丰富的历史信号特征完善NET-VISA软件，进一步提高事件关联的质量。