PRESTo地震預警系統(tǒng)及其在云南地震臺網(wǎng)的本地化應用＊

呂 帥 楊周勝 姚 遠

（云南省地震局，云南昆明 650224）

引言

地震預警指的是在地震發(fā)生后，基于儀器記錄盡可能利用先期信息較精確估計地震發(fā)生地點和大小，在破壞性地震波到達前預測特定目標地區(qū)地震動場和破壞性地震波到達時間，并決定是否發(fā)布預警信息[1-2]。美國、日本、墨西哥和意大利等國早在20世紀60年代就開展了地震預警系統(tǒng)的研究。對于地震預警來說，從地震臺站觸發(fā)到預警信息發(fā)布分秒必爭，因此，計算地震三要素，完成預警信息發(fā)布的地震預警軟件顯得尤為關鍵。PRESTo作為一款地震預警處理軟件，擁有高效快捷、人機交互方便、拓展性強等優(yōu)點。本文將從PRESTo系統(tǒng)的基本情況、系統(tǒng)功能、基于云南測震臺網(wǎng)的本地化配置部署和基于云南地震數(shù)據(jù)的測試4個方面對其進行介紹，最后對軟件特點進行總結歸納。

1 PRESTo基本情況

PRESTo是意大利RISSC-Lab研究人員設計和開發(fā)的一款輕量級開源免費的地震預警系統(tǒng)，集成了數(shù)據(jù)接入、P波檢測、地震定位、震級估算及峰值加速度計算等模塊，提供圖形化的地震預警可視化展示及告警信息發(fā)布功能。軟件使用C++編寫，可以在Windows、Linux和Mac上運行，具有良好的移植性[3]。系統(tǒng)從2009年起在意大利ISNet（Irpinia Seismic Network）[4]、韓國地球科學和礦產(chǎn)資源研究所（KIGAM network）[5]、羅馬尼亞國家地球物理研究與發(fā)展研究所（RoNet-Romanian Seismic Network）[6]和土耳其Kandilli天文臺和地震研究所（KOERI network）進行了測試及應用，取得了良好效果[7]。

PRESTo軟件可通過訪問http://www.prestoews.org/register.php進行下載，按操作系統(tǒng)類型選擇Windows、Linux或Mac版本可執(zhí)行程序，也可下載C++源碼自行編譯。軟件下載完成后，解壓至本機根目錄（例如D:PRESTo）下。軟件自帶ISNet臺網(wǎng)所記錄的2010年7月13日 03:36:18（UTC）San GiorgioML3.7地震實例（圖1），通過下述命令可進行演示。

系統(tǒng)主界面頭部顯示當前時間及當前臺網(wǎng)名。系統(tǒng)中部左側展示接入臺站的垂直分量地震波形數(shù)據(jù)，在檢測到地震發(fā)生時標注系統(tǒng)所拾取到的P波和S波到時。系統(tǒng)中部右側從上至下依次展示本區(qū)域地震臺站分布，地震震中及震級大小，地震發(fā)生時動畫模擬地震波傳播。系統(tǒng)底部顯示地震發(fā)生后的震中經(jīng)緯度、深度、發(fā)震時刻和震級大小。

2 PRESTo系統(tǒng)處理流程及方法

PRESTo按處理的時間順序可分為數(shù)據(jù)獲取、事件檢測、地震定位、震級估算、地面運動峰值估算以及數(shù)據(jù)產(chǎn)出和告警6個部分。系統(tǒng)主線程負責事件檢測和數(shù)據(jù)處理，子線程負責波形數(shù)據(jù)采集[8]。圖2展示了系統(tǒng)的整個處理流程。

圖 1 PRESTo系統(tǒng)主界面Fig. 1 The main interface of PRESTo

圖 2 PRESTo系統(tǒng)流程圖Fig. 2 System data flow of PRESTo

2.1 數(shù)據(jù)接入

PRESTo數(shù)據(jù)接入分非實時和實時兩種模式。非實時模式用于歷史地震的模擬和本地臺網(wǎng)參數(shù)配置，使用的地震數(shù)據(jù)格式為SAC格式，將數(shù)據(jù)按臺網(wǎng)命名存放在PRESTo安裝目錄data文件夾下即可。實時模式用于地震的實時監(jiān)測預警，接入的數(shù)據(jù)為SeedLink協(xié)議實時數(shù)據(jù)流。當執(zhí)行實時模式命令時，系統(tǒng)會向目標SeedLink服務器發(fā)起請求并接收臺網(wǎng)臺站實時數(shù)據(jù)。SeedLink協(xié)議是德國SeisComP3系統(tǒng)開發(fā)的一套基于Socket實現(xiàn)的TCP/IP通信協(xié)議，用來處理地震數(shù)據(jù)的實時傳輸和發(fā)布，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內容為 Mini-SEED格式數(shù)據(jù)，默認端口號為 18000。Seed-Link協(xié)議現(xiàn)已成為美國地震學聯(lián)合研究會（Incorporated Research Institutions for Seismology，IRIS）地震數(shù)據(jù)中心、歐洲地震觀測站和研究設施中心（Observatories and Research Facilities for European Seismology，ORFEUS）以及德國波茨坦地學研究中心[9]等虛擬臺網(wǎng)提供數(shù)據(jù)的通用協(xié)議。大部分地震監(jiān)測處理軟件如SeisComP系統(tǒng)、Earthworm系統(tǒng)等均支持SeedLink協(xié)議[10]。

2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理分4步： ① 震相拾取。PRESTo系統(tǒng)采用Lomax的FilterPicker算法[11]實現(xiàn)P波震相拾取，該算法可在實時連續(xù)的寬頻道信號上穩(wěn)定運行，避免在大型地震事件上過度拾取。檢測到P波震相后，事件檢測模塊會計算所拾取的P波震相是否為地震事件，如果判斷不是天然地震事件，則系統(tǒng)繼續(xù)進行震相拾取；如果確認為新的地震事件，則進入第2步。② 地震定位。定位模塊將通過已觸發(fā)臺站和未觸發(fā)臺站實時數(shù)據(jù)，利用RTLoc方法[12]，基于等微分時間公式（EDT）的概率密度方法對地震事件進行定位。整個計算過程系統(tǒng)會重復校正，當越來越多的臺站觸發(fā)后，震源位置將收斂到一個準確的位置。 ③ 震級計算。通過峰值地面位移（PGD）、dpeak和震中距R來估算震級[13]。 ④ 傳播時間、峰值速度和峰值加速度計算。系統(tǒng)根據(jù)衰減規(guī)律計算地震波到達目標位置的傳播時間，并且計算目標位置的峰值速度和峰值加速度。最終將計算結果交給告警模塊進行發(fā)布。

2.3 告警發(fā)布

地震發(fā)生后，PRESTo系統(tǒng)會在主界面右側靜態(tài)地圖上標出震中位置、發(fā)震時刻和震級大小，并將P波和S波的傳播按照不同顏色等圓擴散的方式進行展示并告警。同時，地圖上的目標城市將顯示預估的破壞性地震波到達時間。根據(jù)用戶配置，系統(tǒng)會自動向目標服務器或目標郵件系統(tǒng)發(fā)出告警信息。

以上流程可以實現(xiàn)完整的地震預警功能。根據(jù)系統(tǒng)日志顯示，ISNet從地震發(fā)生后首臺觸發(fā)到第一報報出時間間隔約為2 s。隨著從不同臺站獲取的震相的增加，震中位置及震級也逐漸修正。

3 云南測震臺網(wǎng)本地化配置

PRESTo軟件在本地臺網(wǎng)正常運行需要經(jīng)過配置系統(tǒng)參數(shù)、生成走時文件和配置臺網(wǎng)參數(shù)3個步驟。配置系統(tǒng)參數(shù)用于對整個軟件運行的窗口大小、聲音、界面、告警方式和計算公式進行配置；生成走時文件是實現(xiàn)計算本地區(qū)地震三要素和地震波傳播的關鍵；配置臺網(wǎng)參數(shù)是對本地臺網(wǎng)、臺站、數(shù)據(jù)流以及預警目標城市的配置。下面以云南測震臺網(wǎng)本地化配置為例，詳細介紹參數(shù)配置過程。

3.1 配置系統(tǒng)參數(shù)

PRESTo系統(tǒng)配置文件以二進制和文本文件的方式存放于config和data/ “臺網(wǎng)” 目錄下，其中config目錄用于存放系統(tǒng)運行的窗口大小、音效、Picker、Binder、Locate、Magnitude等各模塊的運行參數(shù)，data目錄則用于存放臺網(wǎng)臺站等相關參數(shù)數(shù)據(jù)。表1為本地化測試配置文件。

表 1 PRESTo系統(tǒng)主要配置文件Table 1 The main configuration file of PRESTo

3.2 生成走時文件

無論是非實時模式還是實時模式，均需錄入臺站和目標位置的3D走時文件。走時文件存儲于data/“臺網(wǎng)” /time目錄下，每個臺站或目標位置均需生成一個相應的hdr和buf格式二進制文件，該文件可通過NonLinLoc軟件（http://alomax.free.fr/nlloc）生成。NonLinLoc軟件是一款由Anthony Lomax編寫，用于三維介質中基于概率的非線性全局地震定位軟件，使用系統(tǒng)的網(wǎng)格搜索或者Metropolis-Gibbs隨機采樣方法生成一個關于震源空間位置（x，y，z）的 “欠擬合” 方程、 “優(yōu)化” 震源位置和后驗概率密度方程（PDF）[14]。軟件Vel2Grid模塊將輸入的一維速度模型生成一個3D網(wǎng)格速度文件，Grid2Time模塊再通過該3D網(wǎng)格速度文件，生成三維網(wǎng)格走時文件。軟件運行在Linux上，云南地區(qū)走時文件生成通過以下步驟完成：

（1）復制data/ISNet/run目錄下ISNet.run、Vel2Grid_P.in、Vel2Grid_S.in、Grid2Time_P.in和Grid2Time_S.in 5個文件至裝有NonLinLoc的Linux系統(tǒng)上；

（2）在ISNet.run、Vel2Grid_P.in和Vel2Grid_S.in文件中寫入云南地區(qū)經(jīng)緯度，并與背景地圖map.png的位置對應；

（3）將云南地區(qū)不同深度對應的P波和S波速度模型寫入Vel2Grid_P.in和Vel2Grid_S.in文件中VGGRID位置；

（4）在Grid2Time_P.in、Grid2Time_S.in文件中寫入云南臺網(wǎng)臺站和預警城市的名稱、經(jīng)緯度和高程數(shù)據(jù)；

（5）運行NonLinLoc軟件的Vel2Grid和Grid2Time模塊，生成云南地區(qū)走時文件。

3.3 配置臺網(wǎng)參數(shù)

將生成的走時文件拷貝至PRESTo的data/YNNet/time目錄下。將rtloc.txt、seedlink.txt、targets.txt等文件中臺站及臺網(wǎng)名替換為云南臺網(wǎng)和臺站，將stations.txt文件中臺站對應的儀器響應參數(shù)添加至文件中，如需接入實時模式，在stations.txt文件中配置Seed-Link服務器的IP地址和端口。值得注意的是，config目錄下params.txt文件中配置了用于計算地震三要素的Picker、Binder、Locate、Magnitude等模塊的詳細參數(shù)，需根據(jù)臺網(wǎng)的規(guī)模、臺站間距、儀器類型等修改相應的模塊參數(shù)（如picker_filterWindow，binder_stations_for_coincidence等）。

基于以上步驟，完成了PRESTo系統(tǒng)在云南地區(qū)的本地化安裝和配置。通過PRESTo YNNet命令啟動實時模式，PRESTo YNNet example命令啟動非實時模式。如系統(tǒng)正常運行，將顯示圖1或圖3界面。

圖 3 2016年5月18日0時48分云南云龍M5.0地震事件波形在PRESTo上的模擬Fig. 3 The simulations of Yunnan Yunlong M5.0 earthquake on PRESTo

4 歷史地震數(shù)據(jù)模擬測試

以2016年5月18日00:48:48（UTC+8）云南省大理州云龍縣5.0級地震為例，將云南48個固定測震臺站（寬頻帶地震儀）記錄的SEED數(shù)據(jù)轉化為SAC格式數(shù)據(jù)并存放在PRESTo系統(tǒng)data/example目錄下，將相應配置文件參數(shù)進行修改，啟動系統(tǒng)非實時模式，PRESTo能正常識別出該地震。

5 結語

作為一款地震預警軟件，PRESTo按照地震數(shù)據(jù)處理流程，將FilterPicker、RTLoc、RTMag和PDZ等一系列算法集成在一起，通過提前計算好各地區(qū)走時數(shù)據(jù)，能快速計算出地震三要素，實現(xiàn)了簡潔快速而高效的地震預警功能，及時發(fā)布告警信息和破壞性地震波傳播預警。系統(tǒng)具有以下特點：

（1）開源免費。PRESTo系統(tǒng)遵循GPLv2（GNU General Public License，version2）協(xié)議，系統(tǒng)及源代碼開源免費。

（2）輕量級。整個編譯后的PRESTo系統(tǒng)（不含模擬數(shù)據(jù)）約20 MB左右，支持Windows、Linux和Mac跨平臺運行，無需安裝其他中間件。

（3）全自動。系統(tǒng)正確配置、正常啟動后，地震震相拾取、事件綁定、震中位置、震級計算和告警等均自動進行，無需人工干預，降低了人工參與的時效性損失。

（4）快速高效。系統(tǒng)采用的震相拾取和地震定位方法高效可靠，地震臺站間距越小，結果產(chǎn)出時間越短，即使使用較少的地震震相，定位結果依然可靠。

PRESTo系統(tǒng)由于安裝配置簡單，數(shù)據(jù)處理過程高效且自動，無需人工干預即可快速實現(xiàn)地震事件的檢測、定位、震級估算和告警。用戶交互體驗良好，能直觀展示地震波的傳播過程，適合在局部地區(qū)多節(jié)點部署。各地區(qū)通過接入本地臺站實時數(shù)據(jù)，可快速較方便地實現(xiàn)本地區(qū)初步預警能力在小型區(qū)域臺網(wǎng)內的應用。對于國內省級預警中心來說，可以采用集中計算發(fā)布和州市地區(qū)分布計算相結合的方式進行預警系統(tǒng)部署，一方面能為震區(qū)提供快速地震預警，另一方面可精確計算出地震三要素。

雖然PRESTo有諸多優(yōu)點，但我國幅員遼闊，各省份地質構造和監(jiān)測能力差別較大，為滿足國內的推廣和使用，PRESTo依然存在許多可以改進的地方。如： ① 國內省級速報預警臺網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸多基于JOPENS系統(tǒng)的NetseisIP協(xié)議和Http協(xié)議，而PRESTo實時模式僅支持SeedLink協(xié)議，為滿足實時預警需求，需編寫程序實現(xiàn)NetseisIP協(xié)議或Http協(xié)議向SeedLink協(xié)議的轉換； ② PRESTo系統(tǒng)能載入內存的數(shù)據(jù)量有限，隨著臺站規(guī)模和精度的增加，現(xiàn)有系統(tǒng)將難以承載，為適應大面積密集觀測臺站數(shù)據(jù)處理需對PRESTo系統(tǒng)進行優(yōu)化； ③ 由于PRESTo在預警結果發(fā)布方面較為單一，可對PRESTo系統(tǒng)在預警發(fā)布環(huán)節(jié)進行改進。值得注意的是，PRESTo的開發(fā)團隊近期將對PRESTo進行改進，推出一款命名為QuakeUP的地震預警軟件，新軟件依據(jù)震中地區(qū)地面峰值運動數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時烈度圖，為用戶提供更強大更實用的預警功能。

除PRESTo外，其他開源國際知名速報預警軟件還有德國SeisComP3和美國Earthworm等。作者及團隊將繼續(xù)完成SeisComP3和Earthworm軟件的研究，在云南地區(qū)實現(xiàn)軟件的本地化部署，并對幾種軟件優(yōu)缺點進行對比。同時，繼續(xù)完成數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議轉換等相關工作。