中國(guó)數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)（CDSN）技術(shù)系統(tǒng)

田 鑫 鄭 重 田繼楓 周公威

（中國(guó)北京 100081 中國(guó)地震局地球物理研究所）

0 引言

中國(guó)數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)（CDSN）是全球地震臺(tái)網(wǎng)（IRIS/GSN）的重要組成部分，也是中國(guó)第一個(gè)大動(dòng)態(tài)、寬頻帶的國(guó)家級(jí)數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)。CDSN 始建于1983年5月，于1986年建成，包括：北京、佘山、瓊中、恩施、蘭州、昆明、牡丹江、海拉爾、烏魯木齊等9個(gè)數(shù)字化地震臺(tái)站，以及 CDSN 維修中心（NMC）和數(shù)據(jù)管理中心（DMC）。1992—2001年，中美雙方對(duì) CDSN 進(jìn)行2期技術(shù)改造，為提高地震監(jiān)測(cè)能力增加拉薩和西安兩個(gè)臺(tái)站，并對(duì)原有設(shè)備進(jìn)行升級(jí)，使其數(shù)據(jù)產(chǎn)出更適合數(shù)據(jù)處理與國(guó)際交換（劉瑞豐等，2009）。此次改造不僅對(duì)原有設(shè)備和地震計(jì)進(jìn)行升級(jí)改造，并且在 CDSN 臺(tái)站加裝STS-2地震計(jì)或GS-13短周期地震計(jì)以及 FBA-23 加速度地震計(jì)。CDSN臺(tái)站維持近30年的高質(zhì)量運(yùn)行，數(shù)據(jù)可用率超過(guò)96%（郝春月等，2006）。為我國(guó)地震學(xué)與地球內(nèi)部物理學(xué)研究以及核爆炸地震學(xué)研究提供了大量高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。在地震臺(tái)網(wǎng)建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫鏋橹袊?guó)數(shù)字化地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)提供了大量參考和借鑒（周公威等，2005；周公威等，2007；周公威等，2007）。

2011年，為進(jìn)一步提升 CDSN 的可維護(hù)性和數(shù)據(jù)質(zhì)量，中國(guó)地震局與美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）開始對(duì) CDSN 臺(tái)站進(jìn)行第3期改造，其內(nèi)容主要有：數(shù)采部分由原來(lái)的 Q680升級(jí)到 Q330HR+BALLER44+SLATE 系統(tǒng)；原有 STS-2 和GS-13 升級(jí)為 STS-2.5；FBA-23 升級(jí)為 ES-T；替換原有STS-1地震計(jì)的底座，為 STS-2.5配備底座和防潮罩；替換原有的臺(tái)站分析系統(tǒng)；提供更為先進(jìn)的分析與監(jiān)控系統(tǒng)；使用更穩(wěn)定的傳輸協(xié)議。

1 CDSN技術(shù)系統(tǒng)

CDSN 第3期改造后，整個(gè)技術(shù)系統(tǒng)較原系統(tǒng)更復(fù)雜、更智能。新系統(tǒng)包括：傳輸系統(tǒng)、地震計(jì)、數(shù)據(jù)采集器和軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)中控制單元的加入，保證了數(shù)據(jù)質(zhì)量的有效提升，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)視與維護(hù)。

圖 1 CDSN 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)Fig.1 The CDSN data transmission system

1.1 CDSN傳輸系統(tǒng)

新的系統(tǒng)升級(jí)完畢后傳輸系統(tǒng)見圖1，臺(tái)站端所有設(shè)備都通過(guò)端口映射的方式連入行業(yè)網(wǎng)，將數(shù)據(jù)傳回設(shè)在北京的 CDSN 數(shù)據(jù)管理中心（CDSN/DMC）。CDSN 臺(tái)站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò) RELAY SEVER接收后，經(jīng)過(guò)具有數(shù)據(jù)蓄水池功能的服務(wù)器處理（王紅，2009），將準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)傳輸給美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局國(guó)家地震信息中心（USGS/NEIC）。在升級(jí)后，系統(tǒng)使用更穩(wěn)定的傳輸協(xié)議（RRP），此協(xié)議支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)傳，能夠有效地避免網(wǎng)絡(luò)傳輸故障對(duì)數(shù)據(jù)連續(xù)性的影響。為了保障行業(yè)網(wǎng)內(nèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的安全，采取內(nèi)外網(wǎng)分割方式，通過(guò)防火墻限制未授權(quán)用戶的訪問(wèn)。

1.2 臺(tái)站信息

CDSN 臺(tái)站既有深入大陸的烏魯木齊臺(tái)，又有位于海南的瓊中臺(tái)；既有地處高原的西藏拉薩臺(tái)，也有高程接近海平面的上海佘山臺(tái)。這使得 CDSN 以較少的臺(tái)站分布就能夠獲得各種地貌環(huán)境下具有代表性背景噪聲的數(shù)據(jù)。

CDSN 臺(tái)站升級(jí)改造后配備了STS-1（8.5 Hz—360 s）甚寬頻帶地震計(jì)；STS-2.5（50 Hz—120 s）的寬頻帶地震計(jì)；ES-T（滿量程為±4 g）的加速度地震計(jì)。每個(gè)臺(tái)站配備了兩臺(tái) 6 通道的 Q330HR 數(shù)據(jù)采集器。每臺(tái) Q330HR 提供3個(gè)26位HR通道和3個(gè)24位通道；其中26位HR通道的動(dòng)態(tài)范圍大于144 dB。如表1所示，Q330HR 除了提供地震信號(hào)的采集外，還提供 STS-1 的真空狀態(tài)監(jiān)控；時(shí)鐘授時(shí)質(zhì)量監(jiān)控；GPS 電流；質(zhì)心位置等監(jiān)控信息的采集。這將對(duì)后期運(yùn)行維護(hù)中的故障診斷提供良好的數(shù)據(jù)支持。

表 1 Q330HR 配置信息Table 1 The Q330HR confi guration

1.3 地震計(jì)特性

STS-1和STS-2.5是速度平坦型地震計(jì)（圖2）。STS-1的360 s超長(zhǎng)周期記錄，穩(wěn)定性。STS-2.5安裝簡(jiǎn)易、可維護(hù)性高，具有優(yōu)良的穩(wěn)定性和較低的自噪聲水平，在固定臺(tái)站和流動(dòng)臺(tái)站觀測(cè)中應(yīng)用廣泛。

圖 2 地震計(jì)幅頻及相頻特性

1.4 臺(tái)站軟件系統(tǒng)

臺(tái)站升級(jí)完成后，分析處理系統(tǒng)從原有的單一的分析軟件升級(jí)到擁有分析、監(jiān)控、調(diào)試等綜合功能的工作站（Seismic Analysis Workstation，簡(jiǎn)稱SAW）。SAW 基于Linux系統(tǒng)，集成了地震數(shù)據(jù)分析軟（DMIAS，Xmax）、數(shù)據(jù)存檔處理與監(jiān)控軟件、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示軟件、Miniseed重新包裝程序、遠(yuǎn)程登錄與控制軟件、Q330 HR監(jiān)控調(diào)試軟件。

（1）DIMAS和Xmax除了能夠?qū)Φ卣饠?shù)據(jù)進(jìn)行常規(guī)的標(biāo)記震相、計(jì)算震級(jí)和單臺(tái)定位外，還能夠?qū)Φ卣饠?shù)據(jù)進(jìn)行深入分析。如：進(jìn)行PSD計(jì)算、FFT計(jì)算、降噪處理、數(shù)據(jù)仿真、輸出時(shí)頻譜圖、質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)分析、分量旋轉(zhuǎn)等操作。

（2）數(shù)據(jù)存檔與監(jiān)控軟件把從SLATE（臺(tái)站控制單元）傳來(lái)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)并監(jiān)控連接狀況。

（3）數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示軟件（MSPLOT）實(shí)時(shí)顯示所有通道的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括真空度、零點(diǎn)等監(jiān)視通道。

（4）Miniseed重新包裝軟件用于組合多個(gè)目錄或文件中的Miniseed數(shù)據(jù)，并將其輸出到一個(gè)文件，或根據(jù)臺(tái)站信息和通道信息，將文件分離輸出到相應(yīng)文件。

（5） 通過(guò)遠(yuǎn)程登錄軟件登錄基于Linux系統(tǒng)的SLATE（臺(tái)站控制單元），即可使用命令行方式控制數(shù)采系統(tǒng)?？梢赃M(jìn)行地震計(jì)自動(dòng)標(biāo)定（掃頻自動(dòng)標(biāo)定）、STS-1及STS-2.5的零點(diǎn)調(diào)整、系統(tǒng)狀態(tài)檢查、重新啟動(dòng)單一設(shè)備或整套系統(tǒng)等操作。

（6）SAW能通過(guò)Q330監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)地顯示地震計(jì)的零點(diǎn)、真空度、系統(tǒng)的電源狀況，以及GPS授時(shí)質(zhì)量等信息，為CDSN設(shè)備的遠(yuǎn)程維護(hù)，提供的支持。

2 CDSN系統(tǒng)升級(jí)

為了讓CDSN新軟硬件系統(tǒng)順利取代原有系統(tǒng)，需使硬件充分發(fā)揮作用，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效的運(yùn)行維護(hù)。升級(jí)過(guò)程中，完備的技術(shù)規(guī)范和注重細(xì)節(jié)的實(shí)施是不可或缺的。如圖3所示，此次CDSN系統(tǒng)升級(jí)工作分4個(gè)步驟進(jìn)行：勘察與設(shè)備安裝手冊(cè)制作；設(shè)備測(cè)試；設(shè)備安裝與調(diào)試；設(shè)備初步的運(yùn)行維護(hù)。

2.1 臺(tái)站勘察

臺(tái)站勘察通常是在臺(tái)站建設(shè)、改建、擴(kuò)建時(shí)，對(duì)臺(tái)站周圍的相關(guān)地形地貌、天氣狀況、噪聲水平以及基礎(chǔ)設(shè)施等方面進(jìn)行深入的調(diào)研，并進(jìn)行可行性分析。而在臺(tái)站設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造過(guò)程中通常不進(jìn)行臺(tái)站勘察，而此次CDSN升級(jí)改造工作，根據(jù)中美雙方協(xié)商，決定把臺(tái)站勘察作為設(shè)備升級(jí)前的必要步驟，并對(duì)勘察內(nèi)容（圖4）和時(shí)間做了明確規(guī)定。

2011年10月，中美雙方工程師開始按照擬定的勘察內(nèi)容，進(jìn)行實(shí)地臺(tái)站勘察。在實(shí)際工作中我們意識(shí)到：臺(tái)站勘察不但對(duì)臺(tái)站建設(shè)、改建和擴(kuò)建有著重要作用，而且對(duì)臺(tái)站設(shè)備的升級(jí)改造同樣具有不可替代的作用。

圖 3 CDSN升級(jí)流程Fig.3 The CDSN upgrade process

圖 4 臺(tái)站勘查內(nèi)容Fig.4 The stations exploration content

臺(tái)站勘察的必要性有①觀測(cè)室和擺房結(jié)構(gòu)的改變。從臺(tái)站初建到現(xiàn)在，多數(shù)地震臺(tái)進(jìn)行改建和擴(kuò)建。大規(guī)模的改建和擴(kuò)建工程基本做了臺(tái)站勘察，而較小規(guī)模的改建、修繕和裝修并沒有進(jìn)行記錄。這些小規(guī)模工程不同程度地改變了臺(tái)站觀測(cè)室和擺房布局甚至結(jié)構(gòu)。所以，原有勘察報(bào)告內(nèi)容反而會(huì)干擾設(shè)備升級(jí)工作的進(jìn)行；②臺(tái)站的設(shè)備升級(jí)改造與臺(tái)站的建造、改建、擴(kuò)建時(shí)間不一致，兩者甚至相差十幾年。這樣的時(shí)間尺度對(duì)臺(tái)站的基礎(chǔ)設(shè)施可能不會(huì)造成過(guò)多影響，但是臺(tái)站所在區(qū)域的氣候狀況可能已經(jīng)發(fā)生較大變化，特別是儀器設(shè)備較為敏感的溫度、濕度；③勘察報(bào)告由于用處不同，會(huì)產(chǎn)生差別。設(shè)備升級(jí)改造的勘察報(bào)告，是由負(fù)責(zé)設(shè)備安裝調(diào)試的場(chǎng)地工程師通過(guò)實(shí)地調(diào)研產(chǎn)生的。該報(bào)告是場(chǎng)地工程師從專業(yè)角度為臺(tái)站量身定制的，會(huì)對(duì)某些在安裝調(diào)試過(guò)程中影響較大的因素做更為細(xì)致的調(diào)研；④重新用尋北儀標(biāo)記地理北。

2.2 勘察報(bào)告與設(shè)備升級(jí)手冊(cè)制作

臺(tái)站實(shí)地勘察的最終目的不僅是提供存檔資料，更為重要的是根據(jù)勘察結(jié)果設(shè)計(jì)臺(tái)站設(shè)備升級(jí)的可行方案，產(chǎn)生具有可操作意義的升級(jí)操作手冊(cè)，如擺放位置（圖5）。以北京地震臺(tái)數(shù)據(jù)鏈路為例（圖6）：北京地震臺(tái)觀測(cè)室與擺房所在山洞相距2 km，擺房位于山洞內(nèi)180 m處。如果使用常規(guī)CAT5網(wǎng)線和GPS電纜連接，由于距離長(zhǎng)，信號(hào)有較為明顯的衰減。 光纜傳輸就成為一個(gè)理想選擇。用光纜代替普通GPS電纜傳輸，GPS信號(hào)應(yīng)用于數(shù)采設(shè)備是 CDSN 改造的一個(gè)創(chuàng)新。光纜傳輸不僅能有效改善信號(hào)衰減問(wèn)題，提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)鏈路，而且能夠有效防雷。

圖 5 北京地震臺(tái)設(shè)備安裝位置Fig.5 The quipment installation location at Beijing Seismis Station

圖 6 GPS光纖連接（右）設(shè)計(jì)Fig.6 GPS fi ber connection at Beijin Seismic Station

2.3 安裝前測(cè)試

從勘察結(jié)束到正式的設(shè)備安裝歷時(shí)一年。其間除制作臺(tái)站升級(jí)操作手冊(cè)外，大部分時(shí)間用于設(shè)備的測(cè)試，包含各種電纜的制作與測(cè)試。所有設(shè)備均經(jīng)過(guò)單獨(dú)的運(yùn)行測(cè)試，部分設(shè)備連接測(cè)試以及臺(tái)站系統(tǒng)整體連接測(cè)試。

單獨(dú)運(yùn)行測(cè)試階段，主要檢測(cè)儀器是否能夠運(yùn)行和在不同環(huán)境狀況對(duì)儀器運(yùn)行的影響，最后挑選運(yùn)行狀態(tài)良好的儀器設(shè)備。部分設(shè)備連接測(cè)試是將系統(tǒng)分解成幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分分別測(cè)試。如果出現(xiàn)問(wèn)題，在相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行連接測(cè)試能夠更好地確定出現(xiàn)問(wèn)題的位置，以便快速解決。這部分測(cè)試主要針對(duì)連接各個(gè)儀器的電纜以及軟件。臺(tái)站整體系統(tǒng)連接測(cè)試要在運(yùn)往臺(tái)站前將整套設(shè)備連接，并進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)記錄。通過(guò)對(duì)記錄數(shù)據(jù)的檢測(cè)，查找前兩步測(cè)試中未發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。

將眾多質(zhì)量合格設(shè)備進(jìn)行連接，并形成觀測(cè)系統(tǒng)時(shí)，由于每個(gè)臺(tái)站情況不同，設(shè)備的軟硬件設(shè)置、傳輸電纜等都是不同，就需要將各個(gè)臺(tái)站設(shè)備進(jìn)行逐級(jí)連接、運(yùn)行測(cè)試，以確保在臺(tái)站實(shí)際安裝時(shí)有最小的不確定性。

2.4 設(shè)備安裝與調(diào)試

2.4.1 硬件設(shè)備安裝。硬件設(shè)備安裝階段在整個(gè)過(guò)程中占用時(shí)間比例小，原因在于設(shè)備安裝前準(zhǔn)備工作充分，使之變得簡(jiǎn)單且高效。升級(jí)手冊(cè)有完備的標(biāo)識(shí)（幾十條電纜按照功能不同，賦予不同編號(hào)），使安裝過(guò)程中錯(cuò)誤率幾乎為零。

2.4.2 標(biāo)定與調(diào)試。系統(tǒng)硬件連接完畢后，進(jìn)行定與調(diào)試。通過(guò)SLATE發(fā)出各個(gè)頻段的標(biāo)定信號(hào)同，對(duì)STS-1和STS-2.5進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)19個(gè)小時(shí)的全頻段標(biāo)定。次日通過(guò)標(biāo)定數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)設(shè)備的安裝狀況，對(duì)不符合技術(shù)指標(biāo)的地震計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整。標(biāo)定是對(duì)臺(tái)站系統(tǒng)的又一次整體測(cè)試，包含在安裝前測(cè)試中未涉及的對(duì)從臺(tái)站端到北京和從DMC到USGS/ASL的數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試。在完成測(cè)試、調(diào)試后，系統(tǒng)進(jìn)入初步運(yùn)行維護(hù)階段。

2.4.3 初步運(yùn)行與維擴(kuò)。進(jìn)入初步運(yùn)行維護(hù)階段，工作重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)分析。隨著儀器設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，工作狀況趨于穩(wěn)定。新一輪的設(shè)備微調(diào)試開始，主要對(duì)沒有運(yùn)行在最佳狀態(tài)的儀器進(jìn)行調(diào)整，或是更換為穩(wěn)定的備用設(shè)備。設(shè)備微調(diào)完成，CDSN系統(tǒng)的升級(jí)改造工作結(jié)束。

3 結(jié)束語(yǔ)

中國(guó)數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)（CDSN）3期技術(shù)改造的完成，標(biāo)志著CDSN繼續(xù)保持國(guó)際先進(jìn)技術(shù)水平。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，CDSN的改造和發(fā)展將繼續(xù)與時(shí)俱進(jìn)。

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