徐志國　鄒立曄　梁姍姍　劉敬光

1) 國家海洋環(huán)境預報中心， 北京100081 2) 中國地震臺網中心， 北京100045

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SeisComP3地震實時監(jiān)測與自動處理系統*

徐志國1)鄒立曄2)※梁姍姍2)劉敬光2)

1) 國家海洋環(huán)境預報中心， 北京100081 2) 中國地震臺網中心， 北京100045

本文簡要介紹了地震實時監(jiān)測與自動處理系統SeisComP3的發(fā)展歷程、 主要功能和基本架構， 并對其主要模塊做了詳細說明， 最后對該軟件的特點加以總結， 從而為SeisComP3系統操作與使用人員提供幫助和支持。

地震實時監(jiān)測； 自動處理； 數據獲取

引言

SeisComP(Seismological Communication Processor)是近些年發(fā)展起來的一款免費的、 部分開源的地震實時監(jiān)測與自動處理系統。 SeisComP最初是在GEOFON/GFZ(德國地學科學研究中心)和ORFEUS(歐洲地震學研究實驗室)的支持下， 由德國GEOFON臺網開發(fā)的全自動數據獲取和(準)實時數據處理工具， 實現了數據質量控制、 地震事件檢測、 定位和報警等功能， 并在MEREDIAN項目中得到擴展。 2006年至2008年期間， 在德國印度洋海嘯預警系統GITEWS(German Indian Ocean Tsunami Early Warning System)項目背景下， SeisComP增加了新功能， 用以滿足海嘯預警需求。 隨著功能的進一步完善及主體框架的改變， 2007年， GITEWS/GEOFON開發(fā)小組發(fā)布了第三代SeisComP軟件系統——SeisComP3[1]。

SeisComP3系統主要采用C++和Python語言進行開發(fā)， 支持MySQL、PostgreSQL、 SQLite等數據庫接口， 具有很好的可移植性。 SeisComP3具有強大的地震數據處理與分析能力， 可對臺網日常處理的地震波形、 定位結果、 震相數據進行統一管理， 能夠完成地震臺網所承擔的地震速報、 地震編目和數據服務等日常工作任務。 目前， SeisComP3已廣泛應用于歐洲、 東南亞、 南美等國家和地區(qū)， 應用于地方、 區(qū)域、 全球的地震活動監(jiān)測以及大地震海嘯預警預報等工作[2-6]。

本文將對SeisComP3系統的功能和結構進行概述， 進而詳細介紹其主要模塊， 簡要說明其安裝配置方法， 最終對該軟件的特點加以總結， 從而為SeisComP3系統操作與使用人員提供幫助和支持。

1　功能和架構

1.1主要功能

SeisComP3作為一款優(yōu)秀的地震實時監(jiān)測與自動處理軟件系統， 主要具有以下功能：

(1) 地震數據獲取；

(2) 數據質量控制；

(3) 數據記錄；

(4) 實時地震數據交換；

(5) 臺網運行狀態(tài)監(jiān)視；

(6) 實時地震數據處理；

(7) 事件報警；

(8) 波形數據歸檔；

(9) 波形數據分發(fā)；

(10) 地震事件自動檢測和定位；

(11) 地震事件交互分析；

(12) 地震事件參數歸檔；

(13) 訪問臺站元數據、 波形、 事件等相關信息。

1.2系統構架

SeisComP3是一套基于數據庫體系的地震實時監(jiān)測與自動處理軟件系統。 圖1給出了SeisComP3軟件系統的組成構架， 系統集成了多個獨立的模塊， 模塊間采用分布式的TCP/IP協議進行數據通訊， 實現地震數據的實時接收、 處理等功能。 根據功能的不同， 各模塊可以分為數據獲取、 數據處理、 數據分析和數據管理四種類型。 表1列出了SeisComP3主要模塊， 并對各模塊功能進行簡單的描述。

圖1　SeisComP3軟件系統組成

2　主要系統介紹

2.1數據獲取系統

SeisComP3系統主要通過SeedLink[7]、 slarchive[8]和ArcLink[9]模塊實現不同節(jié)點間的數據匯集、 交換與共享， 為地震常規(guī)業(yè)務工作提供數據服務和技術支持。

SeedLink模塊是SeisComP軟件系統獲取數據的核心部分， 它基于SOCKET實現TCP/IP協議通訊， 具有客戶端-服務器端通訊模式， 端口號為18000。 目前， 世界上大多數臺網或系統都支持SeedLink通訊協議， 例如美國地震學聯合研究會(IRIS)地震數據中心、 歐洲GEOFON臺網、 Earthworm系統、 Antelope系統等。 SeisComP3系統利用SeedLink模塊接收多種來源的地震監(jiān)測數據， 采用SeedLink協議數據包進行傳輸。 這種包是以512 B大小的mini-SEED格式的數據包形式發(fā)送，其中包括8 B大小的SeedLink頭段數據。 此外， SeisComP3系統還支持不同類型的數據接口， 例如北京港震公司EDAS系列、 美國Geotech公司的SMART-24、 英國Guralp公司的CMC-DM24、 瑞士SYSCOM公司的MR2002等類型的數據采集器， 使得SeisComP3直接與多臺地震儀器相連接， 實現單臺地震數據的匯集與共享，極大地發(fā)揮了地震臺站數據的應用效能。

表1　SeisComP3軟件系統主要模塊列表

slarchive模塊為波形數據歸檔模塊， 其與SeedLink模塊相連接請求數據流， 按照SDS(SeisComP Data Structure， SeisComP數據結構)目錄結構存儲波形數據文件， 并存儲在本地磁盤， 存儲的數據格式為mini-SEED格式。 SDS的目錄結構為： /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”表示河北紅山地震臺2016年1月1日垂直分向波形數據存儲的SDS目錄結構。 SDS目錄結構為地震數據處理、 分析及管理提供了數據存儲標準， 便于地震數據的應用與管理。

SeisComP中使用了ArcLink軟件包實現地震數據的下載與分發(fā)功能。 ArcLink是基于TCP/IP協議開發(fā)的， 可以用來請求歸檔非實時波形數據及相關的地震元數據， 是一種適合分布歸檔數據的存儲協議。 端口號為18001。 ArcLink可以實時查詢請求狀態(tài)， 當請求的數據準備好后就可以下載。 用戶請求的數據會一直保存在服務器端， 直到客戶端請求刪除。

2.2數據處理系統

SeisComP3系統可以對實時或離線波形數據進行分析與處理， 主要通過scmaster、 scautopick、 scamptool、 scqc、 scautoloc、 scmagtool和sceventtool模塊來實現。

scmaster為消息傳遞系統， 是基于分布式的分組消息系統(spread)， 應用TCP/IP通訊協議實現各應用模塊之間、 模塊與數據庫之間的消息傳遞， 傳遞的消息包括震相、 振幅、 震中位置、 震級等地震定位元數據信息。

scautopick為震相和振幅拾取模塊。 模塊默認采用3階0.7～2 Hz巴特沃斯帶通濾波器， 對實時波形進行濾波處理； 應用STA/LTA算法[10-11]檢測地震事件， 用戶也可以設定其它的自動拾取模塊(如Baer和Kradolfer的震相拾取算法[12]， AIC算法[13])。 同時， 為了提高系統執(zhí)行效率， scautopick模塊在拾取震相的同時也拾取振幅值， 為計算震級(mb、mB、MLV)提供對應波形幅度值。

scamptool模塊讀取拾取振幅值， 這些不同的振幅值可以用來計算不同類型的震級值。

scqc為地震數據流質量控制模塊， 輸出的參數為波形質量信息的時間平均質量控制參數。

scautoloc為事件自動定位模塊。 模塊實時讀取震相拾取結果， 進行事件震相關聯， 對滿足同一事件的震相進行定位。 scautoloc模塊使用LOCSAT定位方法[14]， 采用一維地球速度模型IASP91走時表對地方震、 近震和遠震進行定位。 在初始定位結果給定后， SeisComP3還可以通過用戶設置采用一維或三維速度模型走時表， 應用NonLinLoc非線性定位方法[15]進行地震重定位。 值得注意的是， 系統在自動定位過程中， 默認震相為初至P波震相。

magtool震級計算模塊。 模塊默認計算4種類型震級： 垂向地方性震級MLV、 短周期體波震級mb、 寬頻帶體波震級mB[16]和體波矩震級MWP[17]。 此外， 還包括不同震級間關系表示的轉換震級MW(mB)、MW(MWP)。 同時， 用戶還可以根據需求， 選擇計算相關震級標度的震級值。

eventtool事件關聯匹配模塊。 對于同一地震來說， 隨著時間的推移， 越來越多的臺站觸發(fā)， SeisComP3系統在處理過程中會生成多個事件， 系統需要判斷這些事件為同一事件還是新生成事件。 eventtool模塊按照一定的地震事件匹配關聯原則， 對事件性質進行判斷。

2.3數據分析系統

2.3.1地圖可視化界面

用戶運行seiscomp exec scmv命令， 即可運行表1中所列scmv模塊， 從而調用如圖2所示的地圖可視化界面。 該界面主要顯示地震、 臺站觸發(fā)狀態(tài)、 地面運動和臺站質量等信息。 地圖界面包括地面運動和地震臺網運行狀態(tài)兩個選項卡(tabs)。 ①地面運動選項卡顯示臺站記錄的實際地震動速度(nm/s)， 臺站觸發(fā)狀態(tài)通過閃爍的三角形表示， 鼠標右鍵點擊臺站符號， 顯示臺站的詳細信息。 ②臺網狀態(tài)選項卡顯示地震臺網的時間質量信息， 三角形的顏色表示臺站數據的傳輸延時， 通過鼠標右鍵可以顯示詳細信息。 視圖中的圓圈為當前地震的震中位置， 不同的灰度和大小代表不同震源深度和震級大小。

圖2　地圖可視化界面

2.3.2實時波形顯示界面

與scmv模塊的運行方式相似， 用戶運行seiscomp exec scrttv命令， 可調用實時波形顯示界面(見圖3)， 包括啟用和禁用兩個選項卡。 ①啟用選項卡顯示用戶選定可用臺站波形信息， 包括地震數據空區(qū)(gap)、 自動識別P震相和初動到時等信息。 當地震觸發(fā)時， 波形將按震中距由小到大自動排列， 實時顯示地震事件波形。 用戶也可根據自身需求設置波形的顯示， 例如， 波形按臺站、 臺網排列， 振幅放大或縮小等。 ②禁用選項卡顯示用戶選定的禁用臺站波形， 這些臺站不參與系統分析與處理。

圖3　實時波形顯示界面

2.3.3交互分析界面

任何一款地震監(jiān)測處理系統都十分重視人機交互界面的設計， SeisComP系統也不例外。 用戶可以通過seiscomp exec scolv命令調用人機交互界面(如圖4所示)， 主要功能是校驗定位和震級等相關信息， 如震相拾取、 位置、 深度、 時間、 震級和事件關聯等。 scolv分為4個選項卡： ①位置(Location)選項卡顯示關聯相位和初動殘差的詳細信息， 包括震中、 時間、 臺站分布等。 用戶可以通過picker選項瀏覽事件波形， 重新拾取震相信息， 進行地震重定位， 校驗地震自動定位結果。 ②震級(Magnitude)選項卡顯示所有初始有效震級信息。 對每種不同的震級類型， 臺站震級顯示在震級殘差圖標中。 用戶可以通過Magnitude選項瀏覽事件波形， 重新拾取震級標度對應振幅信息， 進行震級重計算。 ③事件(Event)選項卡顯示關聯初動和震級的所有信息。 scevent和scolv之間關于初動和震級的消息可以在窗口中瀏覽。 ④事件(Events)列表選項卡顯示選定時間范圍內的事件列表信息， 發(fā)震時刻、 優(yōu)選震級值和震級類型、 定位臺站數、 震中經緯度和深度、 定位狀態(tài)、 地理位置名稱等事件相關信息， 類似于scesv中的事件列表。

圖4　用戶交互分析界面

2.3.4地震事件概覽界面

圖5　地震事件概覽界面

2.4數據管理系統

地震數據管理與查詢是地震監(jiān)測軟件系統必須具有的基本功能。 SeisComP3利用數據庫技術對臺網日常處理的地震波形、 定位結果、 震相數據進行統一管理與查詢； 利用命令行工具實現地震數據的查詢下載、 備份恢復， 同時還能夠監(jiān)控系統運行狀態(tài)， 查看各模塊實時運行狀況。 除此之外， SeisComP3系統還擁有其他諸多功能。 SeisComP3系統的實時數據分析、 處理與數據歸檔相結合， 實現了目錄、 震相、 波形數據的全面管理， 使得該系統能夠滿足地震臺網的地震速報、 地震編目和數據服務等日常工作需求。

3　安裝與配置

3.1系統安裝

SeisComP3是一款免費開源軟件， 用戶可以登陸其網站(www.seiscomp.org)直接下載軟件安裝包。 這主要包括數據獲取與處理安裝包、 用戶圖形界面安裝包、 幫助文檔安裝包、 地圖文件安裝包。 用戶可以根據自身需求選擇下載。 目前， SeisComP3僅適用于Linux和Solaris操作系統， MacOSX版本正在測試中， 暫不支持Windows操作系統。

SeisComP3軟件系統安裝方便快捷， 在安裝之前， 用戶需要檢查軟件的依賴庫文件， 并設置MySQL數據庫配置等信息。 軟件具體安裝步驟如下： ①解壓縮包至安裝目錄下， 設置安裝系統環(huán)境變量； ②運行seiscomp setup命令， 進行系統初始配置； ③導入臺站參數； ④應用參數配置界面或shell交互命令進行系統參數配置； ⑤更新臺站配置參數； ⑥運行seiscomp start命令， 啟動系統。

3.2系統參數配置

SeisComP3系統安裝完成之后， 需要對其進行參數配置。 參數配置可以通過命令交互方式或圖形用戶界面方式來設定。

首先將臺站元數據文件導入SeisComP3系統中， 存儲為XML格式文件。 所有臺站元數據都存儲在軟件安裝的etc/inventory目錄下， 通過seiscomp update-config命令， 合并臺站元數據并同步至數據庫中。

對一組MCNC基準電路，分別使用算法1和算法2計算其MPRM電路的功耗，表1給出了結果，其中“I/O”表示電路的PI數和PO數；Ed和Es則是對每一個基準電路，其100個MPRM電路的動態(tài)功耗以及靜態(tài)功耗計算結果的平均值，Es的單位是μA；時間為100個MPRM電路功耗計算時間的平均值，單位為秒.

臺站元數據導入后， 需要與系統模塊綁定才能實現臺站元數據的調用。 用戶可以通過運行seiscomp exec scconfig命令調用圖形界面進行手動配置， 但是對于成百上千個臺站來說， 手動配置比較繁瑣復雜， 是不宜采取的方式。 而如果通過Shell命令行方式， 就可以實現臺站參數設置的批量化處理。

4　結束語

SeisComP3是一款功能強大的實時地震數據處理軟件系統， 具有以下一些特點：

(1) 開源、 免費——SeisComP3源代碼隨軟件免費發(fā)布， 除震源機制反演模塊之外， 大部分模塊均為免費開放， 所支持的數據庫也都使用了開源數據庫系統。

(2) 可移植， 易擴展——SeisComP3系統適用于Linux和Solaris操作系統， 用戶可以調用系統命令， 開發(fā)滿足自身工作需求的模塊， 也可通過SeisComP3的相關接口和組件進行擴展性開發(fā)。

(3) 全自動和人機交互相結合——系統可以在沒有人工干預的情況下， 全自動地完成地震事件的檢測、 定位、 報警、 發(fā)布等任務， 同時也可通過用戶界面實現地震的人機交互處理， 確保地震發(fā)布結果的準確性。

(4) 遵循通用的地震數據標準——SeisComP3在設計開發(fā)過程中， 采用國際通用的標準地震數據傳輸協議和數據存儲格式， 并按照SDS目錄結構進行歸檔， 便于地震數據的應用與管理。

(5) 目錄、 震相、 波形數據的全面處理——SeisComP3可對地震波形、 定位結果、 震相數據進行統一管理， 從而完成地震臺網所承擔的地震速報、 地震編目和數據服務等各項日常任務。

目前， SeisComP3系統已初步應用于國家測震臺網中心地震速報監(jiān)測工作， 并已全面應用于國家海洋局海嘯預警中心地震海嘯監(jiān)測等業(yè)務當中。 SeisComP3軟件系統性能穩(wěn)定、 界面直觀友好、 易于操作、 功能完備， 特別是以其強大、 快速、 可靠的地震自動處理系統， 在地震自動速報、 大地震海嘯預警等業(yè)務工作中發(fā)揮了重要作用。

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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。

鄒立曄， e-mail: zouly_xm@qq.com。

P315.6；

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