地震地球物理臺(tái)網(wǎng)典型觀測(cè)環(huán)境 干擾源管理模塊

樊俊屹劉高川楊正綱鄒鐘毅王建國李杰飛

1）中國北京100045 中國地震臺(tái)網(wǎng)中心

2）中國昆明650041 云南省地震局

3）中國山東264000 煙臺(tái)地震監(jiān)測(cè)中心臺(tái)

4）中國天津300201 天津市地震局

0 引言

按照《中國地震局關(guān)于加強(qiáng)地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作的意見》（中震測(cè)發(fā)〔2010〕94 號(hào)）中“地震臺(tái)站在完成保證觀測(cè)質(zhì)量、良好運(yùn)行維護(hù)等主體任務(wù)的同時(shí)，應(yīng)發(fā)揮在異常核實(shí)、分析預(yù)報(bào)等方面的積極作用”的要求，在全國展開地震地球物理臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)跟蹤分析工作，目前已成為一項(xiàng)重要常規(guī)工作任務(wù)，為地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供了豐富的事件產(chǎn)品，推進(jìn)了地球物理臺(tái)網(wǎng)日常工作從觀測(cè)為主向觀測(cè)、應(yīng)用并重的轉(zhuǎn)變。

2014 年，地球物理臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)跟蹤分析平臺(tái)的建成，實(shí)現(xiàn)了事件分析提取與錄入、產(chǎn)品自動(dòng)產(chǎn)出等功能（劉高川等，2015）。隨著各類觀測(cè)事件的不斷積累，發(fā)現(xiàn)觀測(cè)環(huán)境干擾成為影響地球物理臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要因素之一，給后期數(shù)據(jù)處理和分析工作帶來困擾（王莉森等，2017）。因此，有必要對(duì)臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境干擾信息進(jìn)行調(diào)查，設(shè)計(jì)干擾源數(shù)據(jù)管理模塊，用于管理影響臺(tái)站觀測(cè)的各類干擾源信息（臺(tái)站及周邊觀測(cè)環(huán)境發(fā)生變化，顯著改變觀測(cè)量變化規(guī)律和特征，如日、月、年變化形態(tài)等，且對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生長期的、周期性的、頻繁干擾）。該模塊集成在地球物理臺(tái)網(wǎng)跟蹤分析平臺(tái)中，具備干擾源信息錄入、審核、修改和產(chǎn)品自動(dòng)產(chǎn)出等功能，使得監(jiān)測(cè)人員可以有效管理干擾源信息，有助于提高地球物理臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。隨著干擾源記錄的不斷補(bǔ)充，可為今后對(duì)干擾事件進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析提供研究基礎(chǔ)（王秀英等，2015；李正媛等，2016）。文中對(duì)干擾源管理模塊的設(shè)計(jì)思路、干擾源數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述，以便監(jiān)測(cè)人員更好地理解并掌握該工作平臺(tái)。

1 典型觀測(cè)環(huán)境干擾源

我國地震地球物理臺(tái)網(wǎng)由地下流體、地殼形變和電磁3 大學(xué)科臺(tái)網(wǎng)組成，設(shè)置50 多種觀測(cè)項(xiàng)目，主要測(cè)項(xiàng)包括GNSS、水位、水溫、氡、汞、地傾斜、地應(yīng)變、重力、地磁、地電阻率、地電場(chǎng)等（劉春國等，2015）。不同測(cè)項(xiàng)的環(huán)境干擾源不同，如形變觀測(cè)主要受工程干擾，流體、傾斜、應(yīng)變觀測(cè)受地下水開采影響較嚴(yán)重（劉春國等，2014）。

根據(jù)《地球物理臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)環(huán)境干擾源填報(bào)要求》的規(guī)定，典型觀測(cè)環(huán)境干擾源是，受觀測(cè)環(huán)境影響，某一物理或化學(xué)量觀測(cè)值出現(xiàn)振幅、相位、頻率和趨勢(shì)等方面的顯著變化。若干擾源調(diào)查清楚，則應(yīng)通過干擾源管理模塊及時(shí)填報(bào)干擾源信息。

1.1 干擾源分類

典型觀測(cè)環(huán)境干擾源包括觀測(cè)點(diǎn)周圍場(chǎng)地表面發(fā)生變化，如載荷、振動(dòng)、基建、抽蓄水、灌溉、城市軌道交通、高壓直流輸電、金屬管網(wǎng)、工廠運(yùn)行等改變測(cè)區(qū)環(huán)境的典型因素。目前，主要干擾源有城市軌道、高壓直流輸電線、工程施工、地表水體變化、地下水變化、爆破、礦震等。在干擾源管理模塊需要填報(bào)的干擾源信息見表1。

表1 各學(xué)科需要填報(bào)的典型觀測(cè)環(huán)境干擾源類型Table 1 Types of typical interference sources in observation environment reported by each discipline

1.2 干擾源判定指標(biāo)

干擾對(duì)觀測(cè)手段的影響機(jī)理不同，需結(jié)合觀測(cè)日志、儀器性能、環(huán)境調(diào)查、氣象資料等，判定數(shù)據(jù)變化是否由環(huán)境干擾造成。若二者在空間、時(shí)間和強(qiáng)度上具有相關(guān)性，則可判定數(shù)據(jù)變化由干擾源造成，干擾特征主要體現(xiàn)在振幅、相位、頻率及趨勢(shì)的顯著變化，相關(guān)學(xué)科干擾程度的判定指標(biāo)見表2。

表2 干擾程度判定指標(biāo)Table 2 The index to determine the interference degree

2 干擾源管理模塊設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

地球物理臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)跟蹤分析處理平臺(tái)由事件分析與產(chǎn)品產(chǎn)出2 個(gè)子平臺(tái)（李正媛等，2016；劉高川等，2016）組成（圖1），干擾源管理模塊在該平臺(tái)框架下進(jìn)行集成設(shè)計(jì)。

圖1 地球物理臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)跟蹤分析平臺(tái)Fig.1 The data tracking and analysis platform of the geophysics network

干擾源管理模塊由分析填報(bào)與產(chǎn)品產(chǎn)出2 個(gè)子模塊和干擾數(shù)據(jù)庫3 部分構(gòu)成。其中，分析填報(bào)主要實(shí)現(xiàn)干擾源記錄添加與修改、質(zhì)量審核、測(cè)項(xiàng)受干擾數(shù)據(jù)變化形態(tài)曲線繪制，調(diào)查報(bào)告上傳等功能；產(chǎn)品產(chǎn)出主要針對(duì)數(shù)據(jù)庫中的干擾源分析記錄，可自定義產(chǎn)出干擾信息報(bào)表、報(bào)告及圖件等；干擾源數(shù)據(jù)庫用于存儲(chǔ)干擾源分析記錄。

2.2 工作流程

為進(jìn)一步提高工作效率，豐富數(shù)據(jù)跟蹤分析產(chǎn)出，在現(xiàn)有數(shù)據(jù)跟蹤分析基礎(chǔ)上，開展干擾源分析工作，工作流程見圖2。以地球物理中心站（簡(jiǎn)稱中心站）工作為基礎(chǔ)，利用干擾源管理模塊，在充分調(diào)研干擾源信息的情況下，填寫干擾源記錄并存入干擾源庫；依托地球物理臺(tái)網(wǎng)現(xiàn)有數(shù)據(jù)流程，分別同步到省級(jí)地球物理臺(tái)網(wǎng)中心（簡(jiǎn)稱為省級(jí)中心）、國家地球物理臺(tái)網(wǎng)中心（簡(jiǎn)稱為國家中心）及學(xué)科臺(tái)網(wǎng)中心（簡(jiǎn)稱為學(xué)科中心）；省級(jí)中心、國家中心分別進(jìn)行質(zhì)量審核，同時(shí)產(chǎn)出本臺(tái)網(wǎng)干擾源分析報(bào)告；審核結(jié)果匯集至國家中心數(shù)據(jù)庫，且相關(guān)信息及時(shí)向相應(yīng)中心站反饋。

圖2 干擾源分析工作流程Fig.2 Workflow for interference source analysis

3 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

干擾源分析記錄是干擾源管理模塊的主要成果，是數(shù)據(jù)跟蹤分析工作的重要產(chǎn)出，利用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行保存，有利于信息查詢和共享。為兼容數(shù)據(jù)跟蹤分析事件數(shù)據(jù)庫和地球物理臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，參照《地震前兆數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)臺(tái)站觀測(cè)》（DB/T 51—2012）的擴(kuò)展要求，基于Oracle 數(shù)據(jù)庫，設(shè)計(jì)干擾源數(shù)據(jù)庫，部署到全國地球物理臺(tái)網(wǎng)各級(jí)信息節(jié)點(diǎn)。

考慮到數(shù)據(jù)跟蹤分析數(shù)據(jù)庫已有存儲(chǔ)信息，在設(shè)計(jì)干擾源數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)時(shí)盡量避免數(shù)據(jù)冗余，存儲(chǔ)內(nèi)容主要有干擾源分析記錄、受干擾測(cè)點(diǎn)信息、受干擾測(cè)項(xiàng)信息、典型曲線、調(diào)查報(bào)告和高壓直流輸電線路信息。同時(shí)，考慮數(shù)據(jù)交換接口的安全性和效率，確保與現(xiàn)有業(yè)務(wù)運(yùn)行系統(tǒng)的兼容性。根據(jù)干擾源分析記錄，綜合考慮信息完整性、數(shù)據(jù)冗余率、數(shù)據(jù)插入和查詢速度、維護(hù)方便性及開發(fā)效率，設(shè)計(jì)4 張干擾源分析記錄表，分別是干擾源信息表、受干擾測(cè)點(diǎn)信息表、受干擾測(cè)項(xiàng)分量信息表和高壓直流線路表（表3）（谷長勇等，2008；周克昌等，2010；周克昌等，2013；賈鴻飛等，2013）。

表3 干擾源信息表結(jié)構(gòu)Table 3 The table structure of interference source analysis record database

續(xù)表

4 功能設(shè)計(jì)

按照干擾源分析工作的整體需求及總體設(shè)計(jì)，干擾源管理模塊設(shè)計(jì)分析填報(bào)和產(chǎn)品產(chǎn)出2 個(gè)功能模塊，見圖3。

圖3 干擾源管理模塊功能示意Fig.3 The function of the interference source management module

4.1 添加/修改、審核

利用時(shí)序圖和算法模型，結(jié)合現(xiàn)有場(chǎng)地環(huán)境干擾事件以及輔助日志信息（包括觀測(cè)日志、儀器運(yùn)行日志、工作日志等），完成觀測(cè)環(huán)境干擾源落實(shí)、分析判定等工作，同時(shí)形成干擾源信息記錄并保存入庫。干擾源管理模塊實(shí)現(xiàn)了干擾源分析記錄查詢、修改以及省級(jí)中心和國家中心對(duì)上報(bào)干擾源分析記錄審核的功能。干擾源分析記錄的修改必須由錄入賬戶在錄入節(jié)點(diǎn)進(jìn)行，以確保各級(jí)節(jié)點(diǎn)信息的一致性。干擾源分析記錄主要包括干擾源信息、受干擾測(cè)點(diǎn)信息、受干擾測(cè)項(xiàng)信息。字段類型包括自動(dòng)填寫字段、可選擇填寫字段、文字描述字段3 種。

字段可以通過軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)填寫，主要包括臺(tái)站名稱、臺(tái)站代碼、測(cè)點(diǎn)名稱、測(cè)點(diǎn)編碼、測(cè)項(xiàng)名稱、測(cè)項(xiàng)代碼；可選擇字段需要從軟件平臺(tái)已有的選項(xiàng)中選擇，主要包括干擾類型、影響頻次、干擾程度；文字描述類字段需要手動(dòng)進(jìn)行文字編輯，主要包括干擾開始時(shí)間、干擾結(jié)束時(shí)間、干擾源經(jīng)緯度、高程、距離、方位角、干擾源概述、高壓直流輸電、數(shù)據(jù)變化幅度、能體現(xiàn)受干擾特征的典型曲線圖件、調(diào)查報(bào)告。手動(dòng)填寫的字段缺乏定量化分析或智能化判斷，需要站網(wǎng)工作人員參與分析、實(shí)地調(diào)查，最后填報(bào)對(duì)干擾源詳細(xì)分析的結(jié)果。

以高壓直流輸電干擾為例，以圖、表的形式，給出高郵地震臺(tái)受錫泰線干擾的記錄實(shí)例，結(jié)果見圖4、表4。

圖4 2019 年12 月31 日高郵臺(tái)典型干擾曲線實(shí)例(a)第一裝置；(b)第二裝置 Fig.4 Typical curve example at Gaoyou Seismic Station on Dec.31,2019

表4 高壓直流輸電干擾實(shí)例Table 4 An example of HVDC transmission interference

4.2 產(chǎn)品產(chǎn)出

干擾源管理模塊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)產(chǎn)出，具有查詢、統(tǒng)計(jì)和干擾信息報(bào)表、干擾信息報(bào)告、干擾信息圖集產(chǎn)出等功能，且可導(dǎo)出相關(guān)查詢信息，形成Excel 報(bào)表和Word 報(bào)告。

根據(jù)中心站錄入的干擾源分析記錄，按照用戶設(shè)定參數(shù)，自動(dòng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，形成干擾信息報(bào)告、干擾信息報(bào)表和干擾信息圖集。用戶從中可查看有關(guān)干擾源類型的統(tǒng)計(jì)信息和各種干擾源分析記錄圖集。根據(jù)需要，設(shè)計(jì)多種報(bào)表模板和報(bào)告模板，實(shí)現(xiàn)報(bào)表、報(bào)告的自動(dòng)產(chǎn)出（表5）。

表5 干擾源模塊產(chǎn)出信息Table 5 The product information provided by the interference source module of the geophysics network

4.3 參數(shù)設(shè)置和自動(dòng)更新

參數(shù)設(shè)置包括參數(shù)配置、用戶信息設(shè)置。為確保對(duì)用戶進(jìn)行有序管理，根據(jù)工作需要，將用戶劃分為中心站、省級(jí)中心、國家中心、審核等角色。

自動(dòng)更新包括程序維護(hù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)自動(dòng)維護(hù)2 個(gè)功能。

5 結(jié)束語

干擾源管理模塊設(shè)計(jì)已經(jīng)通過國家中心各學(xué)科專家評(píng)審，相應(yīng)軟件已集成在數(shù)據(jù)跟蹤分析平臺(tái)。

本模塊設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于：①模塊設(shè)計(jì)的分析調(diào)研流程與實(shí)際的人工調(diào)查流程吻合?？蓪⒅行恼疽痪€人員對(duì)干擾數(shù)據(jù)的分析成果結(jié)構(gòu)化地保存下來，確保了干擾源分析的正確性和合理性；②設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)產(chǎn)出功能。用戶只需簡(jiǎn)單設(shè)置基本查詢參數(shù)，即可快速自動(dòng)產(chǎn)出各種Word 報(bào)告和Excel 報(bào)表，簡(jiǎn)化了報(bào)告編寫工作，同時(shí)確保了各類統(tǒng)計(jì)信息的準(zhǔn)確性；③為梳理站網(wǎng)周邊場(chǎng)地環(huán)境干擾源信息提供了工作平臺(tái)，提高了跟蹤分析產(chǎn)出質(zhì)量和效率，減小了臺(tái)站人員工作量，進(jìn)一步提高了地球物理臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)質(zhì)量，提升了產(chǎn)品應(yīng)用價(jià)值。

隨著此項(xiàng)工作的開展，干擾源分析記錄不斷匯集，如何對(duì)這些干擾記錄進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別與排除，將是下一步工作重點(diǎn)。