国家地震烈度速报与预警工程项目台站连续波形数据包实例解析1

陈力刚 张晓宇 邢 康 贾漯昭

（河南省地震局, 郑州 450018）

引言

国家地震烈度速报与预警工程项目（简称“预警项目”）是一项具有防震减灾实效的民生工程和社会工程，建成后将有效提高减灾和社会服务能力。河南省预警项目中一般站烈度计设备于2021 年上半年安装完毕，相关记录数据可通过网络远程访问下载，为初步计算一般站的背景噪声创造了条件。预警项目针对台站数据包格式做出了新定义，各厂家生产的硬件采集设备已按照新的格式规程生产数据，而现有计算软件2北京港震机电有限责任公司，童汪练，2017. 数字地震仪参数测定软件使用手册，北京港震机电有限责任公司资料.附带的数据分道软件无法直接打开预警数据采集器产出的数据，因此，本文通过对预警项目台站数据包格式规程的解读，采用C 语言开发了预警项目台站波形数据解压软件，产出相应的分道文本数据文件，并通过具体实例对预警项目连续波形数据包格式和相应的程序实现给出详细说明。

1 预警项目台站波形数据包组成

1.1 波形数据包格式

预警项目台站数据包格式规程中定义了多种数据包格式，其标识有“cc”、“si”、“ti”、“wc”、“wt”和“ws”，本文着重研究“wc”数据包，即连续波形数据包。“wc”数据包以miniSEED 数据卷为基础，做了必要的修订，主要变化为：① miniSEED 数据卷固定头段区的第0 至第1 个字节定义为“wc”数据包标识位置；② miniSEED 数据卷固定头段区的第2 个字节内高5 位bit 到第5 个字节定义为数据包顺序编号位置，用于数据传输时断点续传，而第2 个字节内低3 位bit 定义为数据包长度索引；③ miniSEED 数据卷中“纯数据子块[ 1000]”后增加了8 个字节的数据标识区，用于标识通道信息顺序、数据量纲和灵敏度信息；④其他少许的新定义，如第36 个字节第7 bit 定义为入网标记等。由此发现，预警项目对mini-SEED 数据卷仅做了少量修订。为提取“wc”类连续波形数据具体内容，需对该数据卷格式信息做出解读，在此仅对提取波形使用到的信息做出说明。miniSEED 被定义为SEED 格式标准中的数据记录格式，一个完整的预警项目miniSEED 数据卷包括固定头段区、可变头段区和数据区（中国地震局，2003）。

固定头段区包含使用数据所需的最低限度信息，主要信息按字节从前向后依次为波形类别标识、数据包序号、质量指示符、台站标识、位置标识、通道标识、台网标识、记录起始时间、样本数目、采样率、子块等。前20 个字节除第2～5 个字节外，均采用ASCII 码表示，后28 个字节采用二进制表示（张旸等，2007），固定头段区共48 个字节。

可变头段区由多个可选的子块构成，在预警项目中选择的子块类型仅为“纯数据子块 [ 1000]”。该子块包含了对数据区解码的必要信息，主要信息有编码格式代码，一般为0 B，代表Steim2 压缩格式；字序代码一般为1，代表大端字节序，高位字节在前，低位字节在后；标识数据记录长度的指数代码如果为8，则数据记录长度为28字节。纯数据子块 [ 1000] 为8 个字节，均采用二进制表示。

纯数据子块 [ 1000] 区域后的8 个字节是最具有预警项目特色定义的区域，位于可变头段区内，因此在此区域增加自定义信息最适合。本块信息主要涉及有关数据标识的内容，包括数据区数据的通道顺序，如“ENZ”表示数据按照“**E”通道数据、“**N”通道数据、“**Z”通道数据的顺序排列；数据量纲取值范围为0～3，0 表示无量纲，1 表示位移，2 表示速度，3 表示加速度；灵敏度因子记录仪器记录的灵敏度因子取值范围为0～0x3FFFFFFF。预警项目定义的数据标识内容多数为二进制，实际上这8 个字节内容可视为1 个变相的子块放在可变头段区内，以增加对数据区的说明。

固定头段区和可变头段区数据包含了台网、台站、通道、采样率、样本数目、时间起点、编码格式、字节序、数据记录长度等数据描述信息（王晓磊等，2016），占据了每条miniSEED 数据卷的前64 个字节区域，这些信息是波形数据区的辅助信息（杨周胜等，2019），也是编程提取和使用的主要参数。

数据区包含实际的时间序列数据（中国地震局，2003），数据区位置从固定头段区第44 至第45 个字节中内容指定的字节序数处开始，这部分数据块一般采用Steim2 算法压缩（何加勇等，2009），由若干数据帧组成，每个数据帧为64 个字节。波形数据区具体大小及数据通道、采样率、样本数目、量纲、字节序等信息均已在上述固定头段区和可变头段区中定义。

1.2 Steim2 压缩算法

预警项目中的波形数据区数据为Steim2 格式，获取观测数据后，首先需获取打开Steim2 格式数据压缩的钥匙才能使用。Steim2 压缩算法是借用语音压缩中最简单的差分压缩算法发展而成的（王翠芳等，2011），其特点是无损压缩，目前国内外地震数据传输和本地存储普遍采用了压缩算法。地震数据采用无损压缩算法的基本原理为：在正常地震背景情况下，地震计输出的时间序列数据通常具有较强的关联性，即前一个采样点相比后一个采样点变化小，差值小，该差值占用计算机内存小，可能远远小于32 bit，而保存1 个原始值却需32 bit，因此若多个差值按规则填充满32 bit，可极大地节省存储空间，这种方式可理解为数据压缩。后期为恢复原始值，须在特定位置保存一个前向积分常数。笔者认为Steim2 数据格式在压缩时具有高保真、高效的特征，符合地震动波形记录“长期平静”和“长期无震”的特点（王翠芳等，2011），但此算法在地震事件发生时，压缩效率显著降低，这是无损压缩算法的特点。

根据Steim2 格式数据压缩基本思想，合成压缩数据时，首先利用直接观测数据计算差值序列，然后按照规则利用差值序列整合重建32 bit 数据序列。获取数据后，用户更关心数据解压过程，其步骤与压缩相反，具体如下：

（1）按规则将32 bit 数据序列拆分为差值序列

数据拆分的规则钥匙随着压缩数据进行传输，压缩数据帧的结构如图1 所示。

改革开放尤其是十八大以来,党中央提出了关于生态文明建设的一系列新理念新要求。在生态文明理念方面,明确提出了“尊重自然、顺应自然、保护自然”“绿水青山就是金山银山”“山水林田湖草是一个生命共同体”等理念。在生态文明与经济社会发展的关系方面,提出了“守住生态与发展两条底线”“良好生态环境是最公平的公共产品,是最普惠的民生福祉”等理念。在生态文明实现路径方面,强调要树立“划定红线,守住底线与资源上限”“像保护眼睛一样保护生态环境,像对待生命一样对待生态环境”等理念。

图1 中每个字母长度均为32 位，解压的钥匙保存在每行行首W0和其后W1～W15中最高的两位中，拆分对象是W1～W15中后30 位二进制数据。钥匙（Ck）须与锁（Wk）一一对应，才能顺利解锁，如图2 所示。

图1 数据帧结构Fig. 1 Data frame structure

图2 Ck 与Wk 的关系及dnib 位置Fig. 2 Relationship between Ck and Wk and dnib location

Ck为2 bit，取值为00、01、10、11，若压缩数据为Steim1 格式，这4 类钥匙可拆分Wk数据，但预警项目中规定使用Steim2 格式压缩数据，需另外4 类钥匙才可打开第2 道门，从而拆分Wk数据，而打开第2道门的钥匙隐藏在Wk的最高2 位中。将Ck称为“广义字节编码”，Wk的高端2 位（dnib）称为“细解码”，其组合使用如下：

根据上述规则，按照Ck和dnib 组合定义的拆分方法，可将Wk从最低位开始按照4、5、6、8、10、15、30 位的方式进行切割，分离出的数据即为差值。

（2）将差值序列还原为原始数据

获取差值后，通过前向积分常数还原数据，前向积分常数保存在数据帧0 中的X0内。依次算出原始数据，计算步骤如下：

在数据帧0 中的Xn内还保存有这组数据的反向积分常数，利用该反向积分常数与最后计算出的样本原值进行比较。如果二者不同，说明数据出现了错误。

2 数据包解析实例

以预警项目一般站MI3000-C 烈度计数据采集器产出数据为例，对连续波形包数据进行解析，给出的实际二进制（用十六进制表示）数据如图3 所示。

图3 MI3000-C 头段和数据帧0 说明Fig. 3 MI3000-C Header and Data frame 0 description

从固定头段区和可变头段区可提取诸多参数信息，如可变头段区的“C0”字节低2 bit 中包含数字0，说明数据单位为无量纲，此处解压后的数据单位为count。如果“C0”字节低2 bit 中包含数字为1 或2，则必须给出确定的灵敏度因子，可直接输出物理量值，但目前获取的数据为count 值，所以需要在后端服务器软件进行实际物理量转换。在本实例中，可获取前向积分常数X0（FFFFFFA9）为十进制−87，反向积分常数Xn（FFFFFF7A）为十进制−134。随机抽取W6为样例，W0和W6数据解析及新合成的W6数据如图4 所示。

图4 W0 和W6 数据解析及新合成的W6 数据表Fig. 4 W0 and W6 data analysis and newly synthesized W6 data

利用上述分析结果编写代码后才能实用化，对数据进行逐个解析，首先确定各数据的定位，需设置一个参考起点，根据第44 至第45 个字节的内容获取数据区的开始偏移量并进行定位。笔者通过第15 至第17个字节的通道标识符进行定位，其目的是按通道解压数据，并形成相应通道的文本文件，以配套CAL79_噪声功率谱计算软件使用。

程序流程如图5 所示，分为数据读取、字节序转换、解压、校验、文本文件形成等部分，此处着重对数据拆分的实现过程进行说明。

图5 程序流程Fig. 5 Program flow chart

由程序代码可知较关键的步骤为数据定位、以数据帧为单位执行循环、采用“按位与”的方法提取信息、对出现负值的情况给予处理。笔者通过大量二进制的位操作提高执行效率。

经实际测试，该软件可对河南省一般站MI3000-C、REMOS-SIT4 烈度计产出的小时波形文件进行分道解码，且可对基准站和基本站使用的EDAS-24 GN（EEW）、TDE-324 FI/CI 数据采集器产出的小时波形文件进行分道解码，并在程序解码过程中设置了数据验证功能，即前向积分常数X0加各项差值等于反向积分常数Xn，程序判断为真才能输出结果，增加了数据解码的准确性。在获取解压后的分道文本数据后，可顺利使用噪声功率谱计算软件进行台站背景噪声环境评估。

3 结论

本文对预警项目台站波形数据包格式进行了研究，得出以下结论：

（1）预警项目对数据采集器的产出波形数据格式做出了统一规定，对数据的部分字节内容进行了重新定义，准确把握各字节位的定义和关系是数据解析与使用的前提。

（2）连续波形数据包结构中固定头段区、可变头段区和数据区是有机整体，解压算法需相关区域的参数参与计算，解压的关键在于二进制数据按位拆分。

（3）列出了实用的程序代码，利用C 语言的位操作方法提取有效信息，并拆分数据。笔者查阅了部分文献，发现针对地震数据包结构和压缩的原理描述较多，且较抽象，可操作性不强，具体实现过程多用一个函数包一笔带过，对实现细节的解读较少，本文给出了具体实现方法，稍加修改即可运行。