PRESTo地震预警系统及其在云南地震台网的本地化应用＊

吕 帅 杨周胜 姚 远

（云南省地震局，云南昆明 650224）

引言

地震预警指的是在地震发生后，基于仪器记录尽可能利用先期信息较精确估计地震发生地点和大小，在破坏性地震波到达前预测特定目标地区地震动场和破坏性地震波到达时间，并决定是否发布预警信息[1-2]。美国、日本、墨西哥和意大利等国早在20世纪60年代就开展了地震预警系统的研究。对于地震预警来说，从地震台站触发到预警信息发布分秒必争，因此，计算地震三要素，完成预警信息发布的地震预警软件显得尤为关键。PRESTo作为一款地震预警处理软件，拥有高效快捷、人机交互方便、拓展性强等优点。本文将从PRESTo系统的基本情况、系统功能、基于云南测震台网的本地化配置部署和基于云南地震数据的测试4个方面对其进行介绍，最后对软件特点进行总结归纳。

1 PRESTo基本情况

PRESTo是意大利RISSC-Lab研究人员设计和开发的一款轻量级开源免费的地震预警系统，集成了数据接入、P波检测、地震定位、震级估算及峰值加速度计算等模块，提供图形化的地震预警可视化展示及告警信息发布功能。软件使用C++编写，可以在Windows、Linux和Mac上运行，具有良好的移植性[3]。系统从2009年起在意大利ISNet（Irpinia Seismic Network）[4]、韩国地球科学和矿产资源研究所（KIGAM network）[5]、罗马尼亚国家地球物理研究与发展研究所（RoNet-Romanian Seismic Network）[6]和土耳其Kandilli天文台和地震研究所（KOERI network）进行了测试及应用，取得了良好效果[7]。

PRESTo软件可通过访问http://www.prestoews.org/register.php进行下载，按操作系统类型选择Windows、Linux或Mac版本可执行程序，也可下载C++源码自行编译。软件下载完成后，解压至本机根目录（例如D:PRESTo）下。软件自带ISNet台网所记录的2010年7月13日 03:36:18（UTC）San GiorgioML3.7地震实例（图1），通过下述命令可进行演示。

系统主界面头部显示当前时间及当前台网名。系统中部左侧展示接入台站的垂直分量地震波形数据，在检测到地震发生时标注系统所拾取到的P波和S波到时。系统中部右侧从上至下依次展示本区域地震台站分布，地震震中及震级大小，地震发生时动画模拟地震波传播。系统底部显示地震发生后的震中经纬度、深度、发震时刻和震级大小。

2 PRESTo系统处理流程及方法

PRESTo按处理的时间顺序可分为数据获取、事件检测、地震定位、震级估算、地面运动峰值估算以及数据产出和告警6个部分。系统主线程负责事件检测和数据处理，子线程负责波形数据采集[8]。图2展示了系统的整个处理流程。

图 1 PRESTo系统主界面Fig. 1 The main interface of PRESTo

图 2 PRESTo系统流程图Fig. 2 System data flow of PRESTo

2.1 数据接入

PRESTo数据接入分非实时和实时两种模式。非实时模式用于历史地震的模拟和本地台网参数配置，使用的地震数据格式为SAC格式，将数据按台网命名存放在PRESTo安装目录data文件夹下即可。实时模式用于地震的实时监测预警，接入的数据为SeedLink协议实时数据流。当执行实时模式命令时，系统会向目标SeedLink服务器发起请求并接收台网台站实时数据。SeedLink协议是德国SeisComP3系统开发的一套基于Socket实现的TCP/IP通信协议，用来处理地震数据的实时传输和发布，传输的数据内容为 Mini-SEED格式数据，默认端口号为 18000。Seed-Link协议现已成为美国地震学联合研究会（Incorporated Research Institutions for Seismology，IRIS）地震数据中心、欧洲地震观测站和研究设施中心（Observatories and Research Facilities for European Seismology，ORFEUS）以及德国波茨坦地学研究中心[9]等虚拟台网提供数据的通用协议。大部分地震监测处理软件如SeisComP系统、Earthworm系统等均支持SeedLink协议[10]。

2.2 数据处理

数据处理分4步： ① 震相拾取。PRESTo系统采用Lomax的FilterPicker算法[11]实现P波震相拾取，该算法可在实时连续的宽频道信号上稳定运行，避免在大型地震事件上过度拾取。检测到P波震相后，事件检测模块会计算所拾取的P波震相是否为地震事件，如果判断不是天然地震事件，则系统继续进行震相拾取；如果确认为新的地震事件，则进入第2步。② 地震定位。定位模块将通过已触发台站和未触发台站实时数据，利用RTLoc方法[12]，基于等微分时间公式（EDT）的概率密度方法对地震事件进行定位。整个计算过程系统会重复校正，当越来越多的台站触发后，震源位置将收敛到一个准确的位置。 ③ 震级计算。通过峰值地面位移（PGD）、dpeak和震中距R来估算震级[13]。 ④ 传播时间、峰值速度和峰值加速度计算。系统根据衰减规律计算地震波到达目标位置的传播时间，并且计算目标位置的峰值速度和峰值加速度。最终将计算结果交给告警模块进行发布。

2.3 告警发布

地震发生后，PRESTo系统会在主界面右侧静态地图上标出震中位置、发震时刻和震级大小，并将P波和S波的传播按照不同颜色等圆扩散的方式进行展示并告警。同时，地图上的目标城市将显示预估的破坏性地震波到达时间。根据用户配置，系统会自动向目标服务器或目标邮件系统发出告警信息。

以上流程可以实现完整的地震预警功能。根据系统日志显示，ISNet从地震发生后首台触发到第一报报出时间间隔约为2 s。随着从不同台站获取的震相的增加，震中位置及震级也逐渐修正。

3 云南测震台网本地化配置

PRESTo软件在本地台网正常运行需要经过配置系统参数、生成走时文件和配置台网参数3个步骤。配置系统参数用于对整个软件运行的窗口大小、声音、界面、告警方式和计算公式进行配置；生成走时文件是实现计算本地区地震三要素和地震波传播的关键；配置台网参数是对本地台网、台站、数据流以及预警目标城市的配置。下面以云南测震台网本地化配置为例，详细介绍参数配置过程。

3.1 配置系统参数

PRESTo系统配置文件以二进制和文本文件的方式存放于config和data/ “台网” 目录下，其中config目录用于存放系统运行的窗口大小、音效、Picker、Binder、Locate、Magnitude等各模块的运行参数，data目录则用于存放台网台站等相关参数数据。表1为本地化测试配置文件。

表 1 PRESTo系统主要配置文件Table 1 The main configuration file of PRESTo

3.2 生成走时文件

无论是非实时模式还是实时模式，均需录入台站和目标位置的3D走时文件。走时文件存储于data/“台网” /time目录下，每个台站或目标位置均需生成一个相应的hdr和buf格式二进制文件，该文件可通过NonLinLoc软件（http://alomax.free.fr/nlloc）生成。NonLinLoc软件是一款由Anthony Lomax编写，用于三维介质中基于概率的非线性全局地震定位软件，使用系统的网格搜索或者Metropolis-Gibbs随机采样方法生成一个关于震源空间位置（x，y，z）的 “欠拟合” 方程、 “优化” 震源位置和后验概率密度方程（PDF）[14]。软件Vel2Grid模块将输入的一维速度模型生成一个3D网格速度文件，Grid2Time模块再通过该3D网格速度文件，生成三维网格走时文件。软件运行在Linux上，云南地区走时文件生成通过以下步骤完成：

（1）复制data/ISNet/run目录下ISNet.run、Vel2Grid_P.in、Vel2Grid_S.in、Grid2Time_P.in和Grid2Time_S.in 5个文件至装有NonLinLoc的Linux系统上；

（2）在ISNet.run、Vel2Grid_P.in和Vel2Grid_S.in文件中写入云南地区经纬度，并与背景地图map.png的位置对应；

（3）将云南地区不同深度对应的P波和S波速度模型写入Vel2Grid_P.in和Vel2Grid_S.in文件中VGGRID位置；

（4）在Grid2Time_P.in、Grid2Time_S.in文件中写入云南台网台站和预警城市的名称、经纬度和高程数据；

（5）运行NonLinLoc软件的Vel2Grid和Grid2Time模块，生成云南地区走时文件。

3.3 配置台网参数

将生成的走时文件拷贝至PRESTo的data/YNNet/time目录下。将rtloc.txt、seedlink.txt、targets.txt等文件中台站及台网名替换为云南台网和台站，将stations.txt文件中台站对应的仪器响应参数添加至文件中，如需接入实时模式，在stations.txt文件中配置Seed-Link服务器的IP地址和端口。值得注意的是，config目录下params.txt文件中配置了用于计算地震三要素的Picker、Binder、Locate、Magnitude等模块的详细参数，需根据台网的规模、台站间距、仪器类型等修改相应的模块参数（如picker_filterWindow，binder_stations_for_coincidence等）。

基于以上步骤，完成了PRESTo系统在云南地区的本地化安装和配置。通过PRESTo YNNet命令启动实时模式，PRESTo YNNet example命令启动非实时模式。如系统正常运行，将显示图1或图3界面。

图 3 2016年5月18日0时48分云南云龙M5.0地震事件波形在PRESTo上的模拟Fig. 3 The simulations of Yunnan Yunlong M5.0 earthquake on PRESTo

4 历史地震数据模拟测试

以2016年5月18日00:48:48（UTC+8）云南省大理州云龙县5.0级地震为例，将云南48个固定测震台站（宽频带地震仪）记录的SEED数据转化为SAC格式数据并存放在PRESTo系统data/example目录下，将相应配置文件参数进行修改，启动系统非实时模式，PRESTo能正常识别出该地震。

5 结语

作为一款地震预警软件，PRESTo按照地震数据处理流程，将FilterPicker、RTLoc、RTMag和PDZ等一系列算法集成在一起，通过提前计算好各地区走时数据，能快速计算出地震三要素，实现了简洁快速而高效的地震预警功能，及时发布告警信息和破坏性地震波传播预警。系统具有以下特点：

（1）开源免费。PRESTo系统遵循GPLv2（GNU General Public License，version2）协议，系统及源代码开源免费。

（2）轻量级。整个编译后的PRESTo系统（不含模拟数据）约20 MB左右，支持Windows、Linux和Mac跨平台运行，无需安装其他中间件。

（3）全自动。系统正确配置、正常启动后，地震震相拾取、事件绑定、震中位置、震级计算和告警等均自动进行，无需人工干预，降低了人工参与的时效性损失。

（4）快速高效。系统采用的震相拾取和地震定位方法高效可靠，地震台站间距越小，结果产出时间越短，即使使用较少的地震震相，定位结果依然可靠。

PRESTo系统由于安装配置简单，数据处理过程高效且自动，无需人工干预即可快速实现地震事件的检测、定位、震级估算和告警。用户交互体验良好，能直观展示地震波的传播过程，适合在局部地区多节点部署。各地区通过接入本地台站实时数据，可快速较方便地实现本地区初步预警能力在小型区域台网内的应用。对于国内省级预警中心来说，可以采用集中计算发布和州市地区分布计算相结合的方式进行预警系统部署，一方面能为震区提供快速地震预警，另一方面可精确计算出地震三要素。

虽然PRESTo有诸多优点，但我国幅员辽阔，各省份地质构造和监测能力差别较大，为满足国内的推广和使用，PRESTo依然存在许多可以改进的地方。如： ① 国内省级速报预警台网数据传输多基于JOPENS系统的NetseisIP协议和Http协议，而PRESTo实时模式仅支持SeedLink协议，为满足实时预警需求，需编写程序实现NetseisIP协议或Http协议向SeedLink协议的转换； ② PRESTo系统能载入内存的数据量有限，随着台站规模和精度的增加，现有系统将难以承载，为适应大面积密集观测台站数据处理需对PRESTo系统进行优化； ③ 由于PRESTo在预警结果发布方面较为单一，可对PRESTo系统在预警发布环节进行改进。值得注意的是，PRESTo的开发团队近期将对PRESTo进行改进，推出一款命名为QuakeUP的地震预警软件，新软件依据震中地区地面峰值运动数据实现实时烈度图，为用户提供更强大更实用的预警功能。

除PRESTo外，其他开源国际知名速报预警软件还有德国SeisComP3和美国Earthworm等。作者及团队将继续完成SeisComP3和Earthworm软件的研究，在云南地区实现软件的本地化部署，并对几种软件优缺点进行对比。同时，继续完成数据传输协议转换等相关工作。