JOPENS系统下断记记录数据补救

2015-06-26刘克骧

地震地磁观测与研究 2015年4期

刘克骧

（中国云南 679100 腾冲地震台）

0 引言

一个专业测震台站（网），提供连续、可靠的地震数据是其基本职责。然而，地震记录中做到真正意义上的数据连续比较困难，因为地震观测系统的正常运行由多方面因素决定，包括人为因素、仪器因素，甚至自然因素（刘克骧等，2006）。因此，只能在系统中断后尽量减少数据丢失量，进行数据补救工作。简言之，在地震系统出现故障后，观测数据断记，地震台站（网）管理人员通过其他渠道获取断记的部分数据，添加到观测数据记录系统。虽然这些数据多数为一段背景噪声，但在某些重要时段，往往三五秒钟的数据也弥足珍贵。

地震数字化观测前的模拟时代，观测信号被放大后直接记录到介质上，在此过程中，任何原因造成的数据中断均无法从其他渠道获得数据，不存在数据补救的可能；数据采集器运用于地震观测系统后，如果故障出现在观测系统数据采集器之后，理论上，可以从数据采集器获得原始数据，并保存到记录系统。然而，“九五”时代的数据采集器一般无法进行操作。观测系统出现故障后，同样无法从其他渠道获得数据，也不存在数据补救的可能。“十五”项目完成后，地震观测仪器进入IP时代，为数据补救工作创造了可实现的条件。另外，JOPENS系统的出现，使地震记录由文件存储方式改变为数据库存储方式（吴永权等，2010）。然而，由于数据采集器与记录系统之间存在网络传输环节，使系统复杂度增加，故障机率随之增加，且故障原因多样化，数据补救工作比以往更加重要。

本文通过分析数据中断类型及JOPENS系统存储地震记录的方式，结合地震台站（网）实际管理过程出现的故障类型，给出相应数据补救方法。

1 数据中断

运行率可以直接评价地震台站仪器运行情况，是台站综合评价的一个重要考量指标（中国地震局监测预报司，2003）。任何方式的数据中断均直接影响运行率指标，可通过计算断记时间得出运行率指标。

“十五”项目后，测震观测系统结构发生变化。运用JOPENS系统后，地震计拾取地震信号后，最终被保存到JOPENS数据库，任何一个中间环节出现问题均会造成数据中断，从而导致数据无法写入数据库。而用户主要通过直接读取数据库获得原始数据，数据库中是否存在数据是用户判定某一时段数据是否中断的依据。测震观测系统流程见图1。

目前使用的地震数据采集器可以保存一部分数据，故障发生时，可以按照数据采集器是否可以采集数据，把数据中断分为两种情况：①数据采集器无法采集数据，因数据采集器故障，无法获取有效数据，也就无法存储数据，数据中断将无法弥补；②数据无法写入数据库，但地震台站（网）管理人员可以从数据采集器获得有效数据，观测数据存在补救的可能，论文将讨论此类故障造成的数据中断。

数据中断，可以从数据采集器获取有效数据的故障原因有：①通信链路故障，主要由网络运营商设备故障造成；②JOPENS系统故障；③GPS授时故障，数据采集器可以获取数据，但时间编码存在问题（主要原因是GPS卫星接收装置损坏，而数据采集器重启后，未获得GPS授时前的工作状态也可归为授时故障）。

图1 测震观测系统流程Fig.1 Seismic observation system flow

2 地震信号存储

JOPENS系统通过SSS服务，从数据采集器获取数据，打包为MiniSeed格式数据，存储于功能强大的数据库，存储表为Waveform_con（中国数字测震台网数据规范设计工作组，2007），其表结构见表1。

表1 Waveform_con表结构Table1 Waveform_con list structure

Waveform字段是整个数据的关键，是一个二进制MiniSeed数据压缩块，字节数为Rec_lenth，SEED标准定义为2n（IRIS，2006），JOPENS系统主要采用512或者4 096，包括48位SEED头段数据，8位Blockette1 000子块， 8位未使用字节以及剩余字节的压缩数据。压缩数据的编码格式为Encode_format，根据SEED标准，有34种编码格式可供选择，其中Encode_format＝10表示STEIM1压缩，Encode_format＝11表示STEIM2压缩，JOPENS系统主要使用上述两种编码格式。

从Waveform_con表结构可见，按时间排序后的两条记录，比较上一条记录的结束时间与下一条记录的开始时间，可知两条记录间是否存在断记。而增加或修改某一时段的记录，将改变此时段内的数据情况。

结合前述第2种情况下造成的数据中断，分析Waveform_con表的记录，可以发现，GPS授时故障造成的断记可以在Waveform_con表中找到，但时间编码存在问题。因为，在没有获得GPS授时前，数据采集器时钟从默认时间（1970-01-01T08∶00∶00）开始进行采集工作。

3 数据补救

数据补救的核心是如何找到可供系统利用的有效数据。需要说明的是，数据补救的是有效数据而非虚假数据。有效数据由数据采集器提供，只要从数据采集器读取中断数据，写入JOPENS数据库即可完成数据补救。在实际操作过程中，主要存在数据格式转换问题，国内通用的EDAS-IP数据采集器保存的数据是*.dat格式，需要转换为JOPENS系统认可的MiniSeed格式。另外，如果JOPENS数据库存在时间编码错误的数据，修改这些记录相对容易，但也需要了解MiniSeed格式，因为Waveform_con表中Waveform字段保存着时间编码。

数据补救方法如下：①确定数据中断时段，可通过读取Waveform_con表获得；②分析故障原因，如果存在数据补救可能，进一步分析可供补救的数据源是数据采集器还是JOPENS数据库；③从数据源提取中断时段的数据写入数据库。

以腾冲地震台数据故障为例，验证该方法的有效性。2012年6月29日14时42分，腾冲地震台因停电造成数据采集器死机，17时市电恢复，由于GPS天线故障，无法授时，导致数据采集器时钟从默认时间（1970-01-01T08∶00∶00）开始计时，打开JOPENS数据库无法找到数据，6月30日更换GPS天线后，系统记录正常。在中断时段，于2012年6月30日05∶07∶21发生新疆6.3级地震，如果放弃数据补救，则该地震数据将丢失。分析认为，市电恢复至更换GPS天线前，数据库丢失数据存在补救可能。数据补救过程如下：①确认JOPENS数据库保存此时段时间编码错误数据；②获取断记时间连接点，即更换GPS天线后，数据采集器的开始时间即为更换GPS天线前数据采集器的结束时间（从默认时间开始的时段），计算二者差值即可获取更换GPS天线前数据记录的真实时间；③修改Waveform_con记录中以默认时间开始的数据记录；④用JOPENS系统自带分析软件打开该时段数据，结果正常。数据补救前后地震记录对比见图2。

据中国地震台网中心测定，新疆6.3级地震发震时刻为2012年6月30日05∶07∶31.6，震中（43.4°N，84.8°E），震源深度7 km，据此计算该地震到腾冲台的P波理论到时为2012年6月30日05∶12∶22.3，采取补救措施前地震数据丢失，P波无法识别，而采取补救措施后P波清晰可见，实际量取到时为2012年6月30日05∶12∶22.46，与理论到时相差0.16 s，故认为采用的补救措施有效。