地震地球物理台网典型观测环境 干扰源管理模块

樊俊屹刘高川杨正纲邹钟毅王建国李杰飞

1）中国北京100045 中国地震台网中心

2）中国昆明650041 云南省地震局

3）中国山东264000 烟台地震监测中心台

4）中国天津300201 天津市地震局

0 引言

按照《中国地震局关于加强地震监测预报工作的意见》（中震测发〔2010〕94 号）中“地震台站在完成保证观测质量、良好运行维护等主体任务的同时，应发挥在异常核实、分析预报等方面的积极作用”的要求，在全国展开地震地球物理台网数据跟踪分析工作，目前已成为一项重要常规工作任务，为地震预测预报提供了丰富的事件产品，推进了地球物理台网日常工作从观测为主向观测、应用并重的转变。

2014 年，地球物理台网数据跟踪分析平台的建成，实现了事件分析提取与录入、产品自动产出等功能（刘高川等，2015）。随着各类观测事件的不断积累，发现观测环境干扰成为影响地球物理台网数据质量的重要因素之一，给后期数据处理和分析工作带来困扰（王莉森等，2017）。因此，有必要对台站观测环境干扰信息进行调查，设计干扰源数据管理模块，用于管理影响台站观测的各类干扰源信息（台站及周边观测环境发生变化，显著改变观测量变化规律和特征，如日、月、年变化形态等，且对观测数据产生长期的、周期性的、频繁干扰）。该模块集成在地球物理台网跟踪分析平台中，具备干扰源信息录入、审核、修改和产品自动产出等功能，使得监测人员可以有效管理干扰源信息，有助于提高地球物理台网观测数据质量。随着干扰源记录的不断补充，可为今后对干扰事件进行大数据分析提供研究基础（王秀英等，2015；李正媛等，2016）。文中对干扰源管理模块的设计思路、干扰源数据库的结构和关键技术进行了阐述，以便监测人员更好地理解并掌握该工作平台。

1 典型观测环境干扰源

我国地震地球物理台网由地下流体、地壳形变和电磁3 大学科台网组成，设置50 多种观测项目，主要测项包括GNSS、水位、水温、氡、汞、地倾斜、地应变、重力、地磁、地电阻率、地电场等（刘春国等，2015）。不同测项的环境干扰源不同，如形变观测主要受工程干扰，流体、倾斜、应变观测受地下水开采影响较严重（刘春国等，2014）。

根据《地球物理台网观测环境干扰源填报要求》的规定，典型观测环境干扰源是，受观测环境影响，某一物理或化学量观测值出现振幅、相位、频率和趋势等方面的显著变化。若干扰源调查清楚，则应通过干扰源管理模块及时填报干扰源信息。

1.1 干扰源分类

典型观测环境干扰源包括观测点周围场地表面发生变化，如载荷、振动、基建、抽蓄水、灌溉、城市轨道交通、高压直流输电、金属管网、工厂运行等改变测区环境的典型因素。目前，主要干扰源有城市轨道、高压直流输电线、工程施工、地表水体变化、地下水变化、爆破、矿震等。在干扰源管理模块需要填报的干扰源信息见表1。

表1 各学科需要填报的典型观测环境干扰源类型Table 1 Types of typical interference sources in observation environment reported by each discipline

1.2 干扰源判定指标

干扰对观测手段的影响机理不同，需结合观测日志、仪器性能、环境调查、气象资料等，判定数据变化是否由环境干扰造成。若二者在空间、时间和强度上具有相关性，则可判定数据变化由干扰源造成，干扰特征主要体现在振幅、相位、频率及趋势的显著变化，相关学科干扰程度的判定指标见表2。

表2 干扰程度判定指标Table 2 The index to determine the interference degree

2 干扰源管理模块设计

2.1 总体设计

地球物理台网数据跟踪分析处理平台由事件分析与产品产出2 个子平台（李正媛等，2016；刘高川等，2016）组成（图1），干扰源管理模块在该平台框架下进行集成设计。

图1 地球物理台网数据跟踪分析平台Fig.1 The data tracking and analysis platform of the geophysics network

干扰源管理模块由分析填报与产品产出2 个子模块和干扰数据库3 部分构成。其中，分析填报主要实现干扰源记录添加与修改、质量审核、测项受干扰数据变化形态曲线绘制，调查报告上传等功能；产品产出主要针对数据库中的干扰源分析记录，可自定义产出干扰信息报表、报告及图件等；干扰源数据库用于存储干扰源分析记录。

2.2 工作流程

为进一步提高工作效率，丰富数据跟踪分析产出，在现有数据跟踪分析基础上，开展干扰源分析工作，工作流程见图2。以地球物理中心站（简称中心站）工作为基础，利用干扰源管理模块，在充分调研干扰源信息的情况下，填写干扰源记录并存入干扰源库；依托地球物理台网现有数据流程，分别同步到省级地球物理台网中心（简称为省级中心）、国家地球物理台网中心（简称为国家中心）及学科台网中心（简称为学科中心）；省级中心、国家中心分别进行质量审核，同时产出本台网干扰源分析报告；审核结果汇集至国家中心数据库，且相关信息及时向相应中心站反馈。

图2 干扰源分析工作流程Fig.2 Workflow for interference source analysis

3 数据库结构设计

干扰源分析记录是干扰源管理模块的主要成果，是数据跟踪分析工作的重要产出，利用数据库进行保存，有利于信息查询和共享。为兼容数据跟踪分析事件数据库和地球物理台网数据库，参照《地震前兆数据库结构台站观测》（DB/T 51—2012）的扩展要求，基于Oracle 数据库，设计干扰源数据库，部署到全国地球物理台网各级信息节点。

考虑到数据跟踪分析数据库已有存储信息，在设计干扰源数据库结构时尽量避免数据冗余，存储内容主要有干扰源分析记录、受干扰测点信息、受干扰测项信息、典型曲线、调查报告和高压直流输电线路信息。同时，考虑数据交换接口的安全性和效率，确保与现有业务运行系统的兼容性。根据干扰源分析记录，综合考虑信息完整性、数据冗余率、数据插入和查询速度、维护方便性及开发效率，设计4 张干扰源分析记录表，分别是干扰源信息表、受干扰测点信息表、受干扰测项分量信息表和高压直流线路表（表3）（谷长勇等，2008；周克昌等，2010；周克昌等，2013；贾鸿飞等，2013）。

表3 干扰源信息表结构Table 3 The table structure of interference source analysis record database

续表

4 功能设计

按照干扰源分析工作的整体需求及总体设计，干扰源管理模块设计分析填报和产品产出2 个功能模块，见图3。

图3 干扰源管理模块功能示意Fig.3 The function of the interference source management module

4.1 添加/修改、审核

利用时序图和算法模型，结合现有场地环境干扰事件以及辅助日志信息（包括观测日志、仪器运行日志、工作日志等），完成观测环境干扰源落实、分析判定等工作，同时形成干扰源信息记录并保存入库。干扰源管理模块实现了干扰源分析记录查询、修改以及省级中心和国家中心对上报干扰源分析记录审核的功能。干扰源分析记录的修改必须由录入账户在录入节点进行，以确保各级节点信息的一致性。干扰源分析记录主要包括干扰源信息、受干扰测点信息、受干扰测项信息。字段类型包括自动填写字段、可选择填写字段、文字描述字段3 种。

字段可以通过软件实现自动填写，主要包括台站名称、台站代码、测点名称、测点编码、测项名称、测项代码；可选择字段需要从软件平台已有的选项中选择，主要包括干扰类型、影响频次、干扰程度；文字描述类字段需要手动进行文字编辑，主要包括干扰开始时间、干扰结束时间、干扰源经纬度、高程、距离、方位角、干扰源概述、高压直流输电、数据变化幅度、能体现受干扰特征的典型曲线图件、调查报告。手动填写的字段缺乏定量化分析或智能化判断，需要站网工作人员参与分析、实地调查，最后填报对干扰源详细分析的结果。

以高压直流输电干扰为例，以图、表的形式，给出高邮地震台受锡泰线干扰的记录实例，结果见图4、表4。

图4 2019 年12 月31 日高邮台典型干扰曲线实例(a)第一装置；(b)第二装置 Fig.4 Typical curve example at Gaoyou Seismic Station on Dec.31,2019

表4 高压直流输电干扰实例Table 4 An example of HVDC transmission interference

4.2 产品产出

干扰源管理模块实现自动产出，具有查询、统计和干扰信息报表、干扰信息报告、干扰信息图集产出等功能，且可导出相关查询信息，形成Excel 报表和Word 报告。

根据中心站录入的干扰源分析记录，按照用户设定参数，自动进行统计分析，形成干扰信息报告、干扰信息报表和干扰信息图集。用户从中可查看有关干扰源类型的统计信息和各种干扰源分析记录图集。根据需要，设计多种报表模板和报告模板，实现报表、报告的自动产出（表5）。

表5 干扰源模块产出信息Table 5 The product information provided by the interference source module of the geophysics network

4.3 参数设置和自动更新

参数设置包括参数配置、用户信息设置。为确保对用户进行有序管理，根据工作需要，将用户划分为中心站、省级中心、国家中心、审核等角色。

自动更新包括程序维护和基础数据自动维护2 个功能。

5 结束语

干扰源管理模块设计已经通过国家中心各学科专家评审，相应软件已集成在数据跟踪分析平台。

本模块设计的创新点在于：①模块设计的分析调研流程与实际的人工调查流程吻合。可将中心站一线人员对干扰数据的分析成果结构化地保存下来，确保了干扰源分析的正确性和合理性；②设计实现了自动产出功能。用户只需简单设置基本查询参数，即可快速自动产出各种Word 报告和Excel 报表，简化了报告编写工作，同时确保了各类统计信息的准确性；③为梳理站网周边场地环境干扰源信息提供了工作平台，提高了跟踪分析产出质量和效率，减小了台站人员工作量，进一步提高了地球物理台网数据质量，提升了产品应用价值。

随着此项工作的开展，干扰源分析记录不断汇集，如何对这些干扰记录进行自动识别与排除，将是下一步工作重点。