中国数字地震台网（CDSN）技术系统

2015-12-19田继枫周公威

地震地磁观测与研究 2015年1期

田鑫郑重田继枫周公威

（中国北京 100081 中国地震局地球物理研究所）

0 引言

中国数字地震台网（CDSN）是全球地震台网（IRIS/GSN）的重要组成部分，也是中国第一个大动态、宽频带的国家级数字地震台网。CDSN 始建于1983年5月，于1986年建成，包括：北京、佘山、琼中、恩施、兰州、昆明、牡丹江、海拉尔、乌鲁木齐等9个数字化地震台站，以及 CDSN 维修中心（NMC）和数据管理中心（DMC）。1992—2001年，中美双方对 CDSN 进行2期技术改造，为提高地震监测能力增加拉萨和西安两个台站，并对原有设备进行升级，使其数据产出更适合数据处理与国际交换（刘瑞丰等，2009）。此次改造不仅对原有设备和地震计进行升级改造，并且在 CDSN 台站加装STS-2地震计或GS-13短周期地震计以及 FBA-23 加速度地震计。CDSN台站维持近30年的高质量运行，数据可用率超过96%（郝春月等，2006）。为我国地震学与地球内部物理学研究以及核爆炸地震学研究提供了大量高质量的数据。在地震台网建设、运行维护、数据传输等方面为中国数字化地震观测网络的建设提供了大量参考和借鉴（周公威等，2005；周公威等，2007；周公威等，2007）。

2011年，为进一步提升 CDSN 的可维护性和数据质量，中国地震局与美国地质调查局（USGS）开始对 CDSN 台站进行第3期改造，其内容主要有：数采部分由原来的 Q680升级到 Q330HR+BALLER44+SLATE 系统；原有 STS-2 和GS-13 升级为 STS-2.5；FBA-23 升级为 ES-T；替换原有STS-1地震计的底座，为 STS-2.5配备底座和防潮罩；替换原有的台站分析系统；提供更为先进的分析与监控系统；使用更稳定的传输协议。

1 CDSN技术系统

CDSN 第3期改造后，整个技术系统较原系统更复杂、更智能。新系统包括：传输系统、地震计、数据采集器和软件系统。软件系统中控制单元的加入，保证了数据质量的有效提升，实现了整个系统的远程监视与维护。

图 1 CDSN 数据传输系统Fig.1 The CDSN data transmission system

1.1 CDSN传输系统

新的系统升级完毕后传输系统见图1，台站端所有设备都通过端口映射的方式连入行业网，将数据传回设在北京的 CDSN 数据管理中心（CDSN/DMC）。CDSN 台站实时数据通过 RELAY SEVER接收后，经过具有数据蓄水池功能的服务器处理（王红，2009），将准实时数据经互联网传输给美国地质调查局国家地震信息中心（USGS/NEIC）。在升级后，系统使用更稳定的传输协议（RRP），此协议支持断点续传，能够有效地避免网络传输故障对数据连续性的影响。为了保障行业网内实时数据的安全，采取内外网分割方式，通过防火墙限制未授权用户的访问。

1.2 台站信息

CDSN 台站既有深入大陆的乌鲁木齐台，又有位于海南的琼中台；既有地处高原的西藏拉萨台，也有高程接近海平面的上海佘山台。这使得 CDSN 以较少的台站分布就能够获得各种地貌环境下具有代表性背景噪声的数据。

CDSN 台站升级改造后配备了STS-1（8.5 Hz—360 s）甚宽频带地震计；STS-2.5（50 Hz—120 s）的宽频带地震计；ES-T（满量程为±4 g）的加速度地震计。每个台站配备了两台 6 通道的 Q330HR 数据采集器。每台 Q330HR 提供3个26位HR通道和3个24位通道；其中26位HR通道的动态范围大于144 dB。如表1所示，Q330HR 除了提供地震信号的采集外，还提供 STS-1 的真空状态监控；时钟授时质量监控；GPS 电流；质心位置等监控信息的采集。这将对后期运行维护中的故障诊断提供良好的数据支持。

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

1.3 地震计特性

STS-1和STS-2.5是速度平坦型地震计（图2）。STS-1的360 s超长周期记录，稳定性。STS-2.5安装简易、可维护性高，具有优良的稳定性和较低的自噪声水平，在固定台站和流动台站观测中应用广泛。

图 2 地震计幅频及相频特性

1.4 台站软件系统

台站升级完成后，分析处理系统从原有的单一的分析软件升级到拥有分析、监控、调试等综合功能的工作站（Seismic Analysis Workstation，简称SAW）。SAW 基于Linux系统，集成了地震数据分析软（DMIAS，Xmax）、数据存档处理与监控软件、实时数据显示软件、Miniseed重新包装程序、远程登录与控制软件、Q330 HR监控调试软件。

（1）DIMAS和Xmax除了能够对地震数据进行常规的标记震相、计算震级和单台定位外，还能够对地震数据进行深入分析。如：进行PSD计算、FFT计算、降噪处理、数据仿真、输出时频谱图、质点运动分析、分量旋转等操作。

（2）数据存档与监控软件把从SLATE（台站控制单元）传来的数据实时存储并监控连接状况。

（3）数据实时显示软件（MSPLOT）实时显示所有通道的监测数据，包括真空度、零点等监视通道。

（4）Miniseed重新包装软件用于组合多个目录或文件中的Miniseed数据，并将其输出到一个文件，或根据台站信息和通道信息，将文件分离输出到相应文件。

（5）通过远程登录软件登录基于Linux系统的SLATE（台站控制单元），即可使用命令行方式控制数采系统。可以进行地震计自动标定（扫频自动标定）、STS-1及STS-2.5的零点调整、系统状态检查、重新启动单一设备或整套系统等操作。

（6）SAW能通过Q330监控软件实时地显示地震计的零点、真空度、系统的电源状况，以及GPS授时质量等信息，为CDSN设备的远程维护，提供的支持。

2 CDSN系统升级

为了让CDSN新软硬件系统顺利取代原有系统，需使硬件充分发挥作用，并对系统进行有效的运行维护。升级过程中，完备的技术规范和注重细节的实施是不可或缺的。如图3所示，此次CDSN系统升级工作分4个步骤进行：勘察与设备安装手册制作；设备测试；设备安装与调试；设备初步的运行维护。

2.1 台站勘察

台站勘察通常是在台站建设、改建、扩建时，对台站周围的相关地形地貌、天气状况、噪声水平以及基础设施等方面进行深入的调研，并进行可行性分析。而在台站设备进行升级改造过程中通常不进行台站勘察，而此次CDSN升级改造工作，根据中美双方协商，决定把台站勘察作为设备升级前的必要步骤，并对勘察内容（图4）和时间做了明确规定。

2011年10月，中美双方工程师开始按照拟定的勘察内容，进行实地台站勘察。在实际工作中我们意识到：台站勘察不但对台站建设、改建和扩建有着重要作用，而且对台站设备的升级改造同样具有不可替代的作用。

图 3 CDSN升级流程Fig.3 The CDSN upgrade process

图 4 台站勘查内容Fig.4 The stations exploration content

台站勘察的必要性有①观测室和摆房结构的改变。从台站初建到现在，多数地震台进行改建和扩建。大规模的改建和扩建工程基本做了台站勘察，而较小规模的改建、修缮和装修并没有进行记录。这些小规模工程不同程度地改变了台站观测室和摆房布局甚至结构。所以，原有勘察报告内容反而会干扰设备升级工作的进行；②台站的设备升级改造与台站的建造、改建、扩建时间不一致，两者甚至相差十几年。这样的时间尺度对台站的基础设施可能不会造成过多影响，但是台站所在区域的气候状况可能已经发生较大变化，特别是仪器设备较为敏感的温度、湿度；③勘察报告由于用处不同，会产生差别。设备升级改造的勘察报告，是由负责设备安装调试的场地工程师通过实地调研产生的。该报告是场地工程师从专业角度为台站量身定制的，会对某些在安装调试过程中影响较大的因素做更为细致的调研；④重新用寻北仪标记地理北。

2.2 勘察报告与设备升级手册制作

台站实地勘察的最终目的不仅是提供存档资料，更为重要的是根据勘察结果设计台站设备升级的可行方案，产生具有可操作意义的升级操作手册，如摆放位置（图5）。以北京地震台数据链路为例（图6）：北京地震台观测室与摆房所在山洞相距2 km，摆房位于山洞内180 m处。如果使用常规CAT5网线和GPS电缆连接，由于距离长，信号有较为明显的衰减。光缆传输就成为一个理想选择。用光缆代替普通GPS电缆传输，GPS信号应用于数采设备是 CDSN 改造的一个创新。光缆传输不仅能有效改善信号衰减问题，提供稳定的数据链路，而且能够有效防雷。

图 5 北京地震台设备安装位置Fig.5 The quipment installation location at Beijing Seismis Station

图 6 GPS光纤连接（右）设计Fig.6 GPS fi ber connection at Beijin Seismic Station

2.3 安装前测试

从勘察结束到正式的设备安装历时一年。其间除制作台站升级操作手册外，大部分时间用于设备的测试，包含各种电缆的制作与测试。所有设备均经过单独的运行测试，部分设备连接测试以及台站系统整体连接测试。

单独运行测试阶段，主要检测仪器是否能够运行和在不同环境状况对仪器运行的影响，最后挑选运行状态良好的仪器设备。部分设备连接测试是将系统分解成几个相对独立的部分分别测试。如果出现问题，在相对简单的结构上进行连接测试能够更好地确定出现问题的位置，以便快速解决。这部分测试主要针对连接各个仪器的电缆以及软件。台站整体系统连接测试要在运往台站前将整套设备连接，并进行连续的数据记录。通过对记录数据的检测，查找前两步测试中未发现的问题。

将众多质量合格设备进行连接，并形成观测系统时，由于每个台站情况不同，设备的软硬件设置、传输电缆等都是不同，就需要将各个台站设备进行逐级连接、运行测试，以确保在台站实际安装时有最小的不确定性。

2.4 设备安装与调试

2.4.1 硬件设备安装。硬件设备安装阶段在整个过程中占用时间比例小，原因在于设备安装前准备工作充分，使之变得简单且高效。升级手册有完备的标识（几十条电缆按照功能不同，赋予不同编号），使安装过程中错误率几乎为零。

2.4.2 标定与调试。系统硬件连接完毕后，进行定与调试。通过SLATE发出各个频段的标定信号同，对STS-1和STS-2.5进行长达19个小时的全频段标定。次日通过标定数据评价设备的安装状况，对不符合技术指标的地震计进行进一步调整。标定是对台站系统的又一次整体测试，包含在安装前测试中未涉及的对从台站端到北京和从DMC到USGS/ASL的数据传输测试。在完成测试、调试后，系统进入初步运行维护阶段。

2.4.3 初步运行与维扩。进入初步运行维护阶段，工作重点转移到数据分析。随着仪器设备长时间运行，工作状况趋于稳定。新一轮的设备微调试开始，主要对没有运行在最佳状态的仪器进行调整，或是更换为稳定的备用设备。设备微调完成，CDSN系统的升级改造工作结束。