EDAS格式地震數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)仿真方法研究

林存東 和躍時(shí)

（1.黑龍江省黑河市地震局,黑龍江黑河 164300；2.黑龍江省地震局,哈爾濱 150090）

目前,數(shù)字地震儀已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地震臺(tái)站中.在實(shí)時(shí)監(jiān)視地震事件過程中,多采用無仿真技術(shù)的原始數(shù)據(jù)繪圖,主要是為了回避復(fù)雜的實(shí)時(shí)仿真技術(shù),達(dá)到監(jiān)視儀器系統(tǒng)工作狀態(tài)的目的.數(shù)字儀器以寬頻帶、大動(dòng)態(tài)著稱,記錄地震事件的數(shù)量和質(zhì)量明顯高于模擬儀器,但目前軟件實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)中沒有仿真功能,以原始數(shù)據(jù)（數(shù)字?jǐn)?shù)）記錄的弱小地震事件波形被淹沒在噪聲之中,監(jiān)測(cè)分析人員無法發(fā)現(xiàn)這些地震事件.若能在軟件實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)中增加實(shí)時(shí)仿真功能,就可解決此問題,使數(shù)字儀器的先進(jìn)功能得以充分發(fā)揮.因此實(shí)時(shí)仿真是地震監(jiān)測(cè)領(lǐng)域內(nèi)的重要功能之一,對(duì)于它的研究已經(jīng)受到了廣泛的關(guān)注[1-2].

CDSN中美合作項(xiàng)目的軟件供應(yīng)單位——美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局阿爾布開克地震實(shí)驗(yàn)室（ASL）針對(duì)我國(guó)第一批數(shù)字化觀測(cè)臺(tái)CDSN臺(tái)站提供了對(duì)SEED格式的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真的方法.

本文參考ASL方法,剖析我國(guó)自己研發(fā)建設(shè)的國(guó)家數(shù)字臺(tái)——EDAS臺(tái)站數(shù)據(jù)特點(diǎn)后,再編程應(yīng)用于EDAS格式數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)仿真,可廣泛應(yīng)用于國(guó)家數(shù)字EDAS臺(tái)站,解決目前EDAS臺(tái)站不能進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真的問題,有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.

1 方 法

在一般的地震仿真算法中涉及到復(fù)數(shù)運(yùn)算和快速傅氏計(jì)算,由于計(jì)算量大、程序復(fù)雜、計(jì)算時(shí)間長(zhǎng),而將其放在了地震分析處理的軟件中,這主要是因?yàn)楹笃诜治鎏幚淼卣鸩ㄐ螘r(shí)仿真準(zhǔn)確,對(duì)于數(shù)據(jù)深加工有著實(shí)際意義.如果將其應(yīng)用到實(shí)時(shí)仿真中來,則可能因?yàn)橛?jì)算量大而導(dǎo)致不能準(zhǔn)實(shí)時(shí)繪出圖形.前者處理的是歷史數(shù)據(jù)記錄,后者處理的是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄,不能采用同一種方法進(jìn)行仿真計(jì)算.

美國(guó)阿爾伯開克地震實(shí)驗(yàn)室（ASL）開發(fā)出一種利用簡(jiǎn)單算術(shù)運(yùn)算進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真的方法,可以仿真的地震計(jì)有伍德·安得森（Wood Anderson 20）、世界標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)網(wǎng)的短周期（Spwwss 20）、世界標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)網(wǎng)長(zhǎng)周期（Lpww ss20）、中周期（Lpwwss01）以及高通濾波器（High pass）等5種.每種儀器都有10個(gè)參數(shù),選擇不同的仿真儀器,使用不同的參數(shù)（見表1）.計(jì)算5種仿真的方法使用的是同一個(gè)公式,易于軟件實(shí)現(xiàn).本文主要通過計(jì)算機(jī)語(yǔ)言來說明具體的計(jì)算方法,在程序中沒有使用復(fù)變量計(jì)算和快速傅氏變換,只是使用了簡(jiǎn)單的加減和乘法,極大地提高了運(yùn)算速度,非常適合實(shí)時(shí)仿真計(jì)算.使用該方法仿真,只是在每一次開始運(yùn)行時(shí)都對(duì)波形造成一次污染,因?yàn)閄[0]、X[1]、Y[0]、Y[1]變量開始沒有被賦值,所以它們的數(shù)值可能很大,對(duì)于波形的第一個(gè)點(diǎn)必然要引入干擾,造成突跳；但緊接著正常的數(shù)據(jù)就會(huì)被賦到這些變量中來,突跳馬上就會(huì)被壓制下來,波形受干擾的程度也越來越小.Udata[i]中的數(shù)據(jù)是原始波形數(shù)據(jù),將其經(jīng)過選中的仿真類型的參數(shù)運(yùn)算后,得到的Z[2]就是需要的仿真數(shù)據(jù),再將其對(duì)應(yīng)的時(shí)間做一處理,就得到了x時(shí)間軸的數(shù)據(jù),最后利用繪圖語(yǔ)句將波形準(zhǔn)確地繪出；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的依次讀入,依次將其處理成仿真數(shù)據(jù),就達(dá)到了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)仿真的目的.

表1 5種地震儀的仿真參數(shù)

2 實(shí)用化

2.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方法

在使用國(guó)產(chǎn)數(shù)字地震儀的臺(tái)站,一般采用EDAS-24數(shù)據(jù)采集器,數(shù)據(jù)記錄格式為EDAS格式,每小時(shí)生成一個(gè)文件,通過對(duì)該文件解讀分析發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包含頭段信息和3600s的三分向數(shù)據(jù).頭段信息的結(jié)構(gòu)如下:

三分向數(shù)據(jù)編排為:每個(gè)采樣點(diǎn)記錄字長(zhǎng)為4字節(jié),每秒鐘采樣率100點(diǎn),那么每個(gè)分向在1s內(nèi)為記錄數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度為400字節(jié).數(shù)據(jù)文件的記錄格式為第1s的 UD 、EW、NS,共3個(gè)分向；然后是第2 s的3個(gè)分向,……,最后是第3600 s的三分向數(shù)據(jù),見表2.

表2 地震數(shù)據(jù)文件結(jié)構(gòu)表

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)

軟件編程可實(shí)現(xiàn)的功能有:實(shí)時(shí)仿真、任意瀏覽過去的波形、大震幅度報(bào)警等,如圖1所示.

圖1 流程圖

若要靈活使用數(shù)據(jù)文件中的數(shù)據(jù),可以按文件的頭段信息定義一個(gè)文件頭結(jié)構(gòu),包括 1個(gè)事件頭EVT_HEAD結(jié)構(gòu)、1個(gè)臺(tái)站參數(shù)STN_PAR結(jié)構(gòu)和3個(gè)分向的CHA_PAR結(jié)構(gòu),共計(jì) 37332個(gè)字節(jié).在每秒數(shù)據(jù)開始前有4個(gè)字節(jié)全部為0的數(shù)據(jù),需要跳過.由于數(shù)據(jù)部分非常整齊,每個(gè)樣本為4個(gè)字節(jié),不涉及位運(yùn)算,容易軟件編程實(shí)現(xiàn).

在數(shù)據(jù)文件中,每秒鐘存儲(chǔ)300個(gè)樣本點(diǎn)共計(jì)1200個(gè)字節(jié),為了減少I/O操作,加快速度,每次讀入1 s三分向300個(gè)采樣點(diǎn)的1200字節(jié),如:

更多的操作在內(nèi)存中進(jìn)行,可避免頻繁的磁盤輸入輸出操作,提高計(jì)算速度.如遇到地震事件需要回覽波形,可修改回覽（Review）時(shí)間欄內(nèi)的數(shù)值,默認(rèn)為當(dāng)前時(shí)間的前5 min；如果回覽的時(shí)間超出了當(dāng)前文件的開始時(shí)間,可自動(dòng)修改文件名,找到前一個(gè)文件,并將文件指針指到恰當(dāng)?shù)奈恢?從而極大地方便監(jiān)測(cè)分析工作；在回覽任意時(shí)間段的波形時(shí),也可以根據(jù)需要實(shí)時(shí)仿真成需要的儀器波形,實(shí)現(xiàn)一邊回覽一邊實(shí)時(shí)仿真的功能.如:

如果要回覽的數(shù)據(jù)仍在當(dāng)前的文件內(nèi),則可以直接把文件中的數(shù)據(jù)指針定位于適當(dāng)?shù)牡胤?當(dāng)前的文件仿真、繪圖處理完畢后,可以自動(dòng)尋找到下一個(gè)文件.

軟件中可采用大震幅度報(bào)警,警報(bào)器設(shè)置在3個(gè)分向內(nèi),只要其中任意一個(gè)分向振幅超標(biāo),軟件自動(dòng)報(bào)警.設(shè)置的方法為:因?qū)崟r(shí)仿真計(jì)算要把每個(gè)分向的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸零計(jì)算,這樣的數(shù)據(jù)在一個(gè)屏幕繪出時(shí)將導(dǎo)致波形疊加,需把3個(gè)分向的數(shù)據(jù)各加一個(gè)常數(shù),使其在波形繪制時(shí)自動(dòng)分開,不至于疊加在一起,UD分向在上方+100處、EW分向保持在中間+0處、NS分向在下部-100處,設(shè)定報(bào)警范圍為:每個(gè)分向的中間數(shù)值±高度值（Height=20,見圖2右下角）,高度值可以調(diào)整；波形幅度可以通過衰減因子Mag（圖2中右下角）來調(diào)整,各臺(tái)站根據(jù)具體情況自行決定Mag參數(shù)的數(shù)值,使其保持在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆?不至于漏報(bào)并且也不要虛報(bào),波形幅度太小,則漏報(bào),反之,虛報(bào)；具體的報(bào)警范圍為:80＞UD幅度＞120、-20＞EW 幅度＞20、-80＜NS幅度＜-120.該軟件報(bào)警可以調(diào)整兩個(gè)參數(shù),或者調(diào)整報(bào)警高度范圍（Height）,或者調(diào)整衰減因子（Mag）,簡(jiǎn)單、直觀、易操作、反應(yīng)快.

在軟件內(nèi)主要采用Steema Software的TeeChat控件,可較好地解決多線程問題,實(shí)現(xiàn)在實(shí)時(shí)監(jiān)視和大震報(bào)警工作的同時(shí)能夠響應(yīng)用戶其它操作而不必重新啟機(jī),如在線修改報(bào)警參數(shù)（Height）、在線選擇實(shí)時(shí)仿真類型、在線修改衰減因子（Mag）等,圖2為實(shí)時(shí)仿真軟件界面,圖3為之前的歷史記錄回覽界面（Review）.

圖2 軟件界面

圖3 回覽界面（注意Review的勾選）

3 結(jié) 語(yǔ)

依據(jù)本文所述EDAS格式地震數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)仿真方法所設(shè)計(jì)的軟件已在黑河臺(tái)試運(yùn)行,反映較好.在不增加硬件投資的條件下,可準(zhǔn)實(shí)時(shí)地監(jiān)視三分向波形,直觀地看到地震波形流入的情況,既可以監(jiān)視數(shù)字地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作狀態(tài),又可提供大震速報(bào)準(zhǔn)實(shí)時(shí)仿真波形,還避免了反復(fù)調(diào)用數(shù)據(jù)的操作；如果同時(shí)打開兩個(gè)軟件,一個(gè)設(shè)置為短周期地震儀,負(fù)責(zé)近震地方震報(bào)警,另一個(gè)設(shè)置為長(zhǎng)周期地震儀,負(fù)責(zé)遠(yuǎn)震報(bào)警,只要合理地選擇實(shí)時(shí)仿真濾波器,科學(xué)地設(shè)置參數(shù),就可以提高速報(bào)效率.

[1]和躍時(shí),孟憲森,孫文斌.CDSN臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)視數(shù)字波形[J].地震,2002,22（3）:58-64.

[2]金 星,馬 強(qiáng),李山有.利用數(shù)字化速度記錄實(shí)時(shí)仿真位移與加速度時(shí)程[J].地震工程與工程振動(dòng),2004,24（6）:9-15.