吳永權 ， 黃文輝 ， 蘇柱金

(1.廣東省地震局，廣東 廣州 510070；2.中國地震局地震監(jiān)測與減災技術重點實驗室，廣東 廣州510070；3.廣東省地震預警與重大工程安全診斷重點實驗室 （籌），廣東 廣州 510070）

0 引言

中國的地震觀測在中國地震局“十五”項目完成后成功進入網(wǎng)絡化時代，網(wǎng)絡化為中國的地震事業(yè)發(fā)展提供了廣闊的空間，加強了“地震監(jiān)測預報”、“地震應急救援”、“震害防御”三大體系之間的聯(lián)系，實現(xiàn)三大體系之間的信息共享與互相支持，并使得中國的地震監(jiān)測事業(yè)融入到全球的地震監(jiān)測體系當中。中國地震臺網(wǎng)的實時數(shù)據(jù)服務正是在地震監(jiān)測網(wǎng)絡化的基礎上發(fā)展起來的，它可以通過網(wǎng)絡與全球的地震臺網(wǎng)實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)共享，為地震預警與地震自動速報奠定基礎，為“地震應急救援”與“震害防御”提供數(shù)據(jù)支持，除此之外還可以面向社會，為科學研究、核爆偵查、重大生命線工程地震應急、地震科普教育等領域提供實時數(shù)據(jù)服務。

中國地震臺網(wǎng)的實時數(shù)據(jù)服務是使用JOPENS系統(tǒng)的SSS流服務模塊實現(xiàn)的，JOPENS系統(tǒng)是廣東省地震臺網(wǎng)中心開發(fā)的地震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)，目前已經(jīng)在全國大多數(shù)省級區(qū)域地震臺網(wǎng)運行，還運用在印度尼西亞、阿爾及利亞等多個我國援外建設的地震臺網(wǎng)中，取得了良好的運行效果。實時數(shù)據(jù)流服務（簡稱SSS）是JOPENS的一個軟件模塊，它能從地震臺站的數(shù)據(jù)采集器獲取實時數(shù)據(jù)流，實現(xiàn)臺站實時數(shù)據(jù)流傳輸、匯集、轉(zhuǎn)發(fā)、入庫等功能。目前中國大部分的測震臺站、省級地震臺網(wǎng)以及中國地震臺網(wǎng)中心正是基于SSS模塊實現(xiàn)了全國測震臺站實時數(shù)據(jù)匯集、傳輸與共享服務。本文將介紹SSS流服務的基本原理與主要功能，并重點介紹當前中國地震臺網(wǎng)實時數(shù)據(jù)服務在地震領域的運用情況，并為其將來在各方面的運用提出設想和建議。

1 實時數(shù)據(jù)流服務簡介

實時數(shù)據(jù)流服務（SSS）遵循由中國地震局自主開發(fā)的NetSeis/IP協(xié)議，能通過TCP/IP協(xié)議網(wǎng)絡為中國的地震臺網(wǎng)提供實時地震數(shù)據(jù)的上傳與下載服務，SSS流服務缺省在5000端口監(jiān)聽，使用用戶名與密碼認證的方式訪問，并將用戶分為超級用戶，上傳用戶、下載用戶三種不同的權限管理，因此，任何希望登錄到流服務上用戶都必須經(jīng)過用戶信息認證，保證數(shù)據(jù)的安全傳輸。

1.1 流服務的機制

流服務遵循NetSeis/IP協(xié)議，共分為服務端和專用客戶端兩大部份。服務端用于監(jiān)聽用戶連接、用戶認證、接收和轉(zhuǎn)發(fā)波形數(shù)據(jù)、臺站數(shù)據(jù)狀態(tài)監(jiān)控等。專用客戶端分為四種：ComServ2Server、Serial2Server、Server2Server、Seedlink2Server，這四種專用客戶端都使用相同的數(shù)據(jù)服務機制。在圖1描述的NetSeis/IP模型中，User-PI初始化控制連接，控制連接遵循Telnet協(xié)議，用戶端User-PI產(chǎn)生的NetSeis/IP命令通過控制連接傳送到Server-PI，Server-PI則把相應的響應從Server-PI傳到User-PI。User-DTP在指定的端口上監(jiān)聽數(shù)據(jù)連接申請，Server-DTP使用命令連接User-DTP的監(jiān)聽端口，建立兩者之間的數(shù)據(jù)連接，數(shù)據(jù)連接可以同時被用于接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，以指定參數(shù)傳輸實時波形數(shù)據(jù)。Server-NetSeis/IP管理兩類數(shù)據(jù)：動態(tài)數(shù)據(jù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)，動態(tài)數(shù)據(jù)主要是波形數(shù)據(jù)、運行日志、丟幀記錄和數(shù)據(jù)處理結(jié)果，由環(huán)形緩沖存儲和管理；靜態(tài)數(shù)據(jù)包括臺站信息和儀器響應，保存在嵌入式數(shù)據(jù)庫JDataBase中。環(huán)形緩沖負責存儲較新的波形數(shù)據(jù)包，當新數(shù)據(jù)包被傳輸?shù)疥犃袝r通知下傳波形數(shù)據(jù)的Server-DTP發(fā)送數(shù)據(jù)，并對下傳用戶提供緩沖區(qū)信息的快速檢索和查詢。環(huán)形緩沖同時還負責處理同步問題，保證Server-DTP對環(huán)形緩沖的操作是線程安全的，其他動態(tài)數(shù)據(jù)則保存在嵌入式數(shù)據(jù)庫JDataBase中，數(shù)據(jù)庫同時還是波形數(shù)據(jù)的二級存儲區(qū)域，從環(huán)形緩沖中移除的數(shù)據(jù)就存儲在二級存儲數(shù)據(jù)庫中，為波形數(shù)據(jù)的斷點續(xù)傳提供數(shù)據(jù)服務。

User-PI和Server-PI之間傳輸波形數(shù)據(jù)的基本字節(jié)為8bit字節(jié)。波形數(shù)據(jù)格式為Seed2.3的Data Only SEED Blockette[1000]，數(shù)據(jù)包長度固定為512字節(jié)，波形數(shù)據(jù)長度視采樣率而定，一般在5～15 s之間，數(shù)據(jù)編碼采用STEIM2編碼方式。臺站參數(shù)和儀器響應采用Seed2.3中“Station Control Headers”定義的Blockette[50～60]，其他的數(shù)據(jù)均用ASCII碼。每一個數(shù)據(jù)包的頭信息段包含：臺站代碼、位置標識、通道標識、臺網(wǎng)代碼、記錄開始時間、采樣點個數(shù)等信息。

1.2 流服務的數(shù)據(jù)交換機制

Server2Server主要負責兩個服務器的波形數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理結(jié)果的交換。波形數(shù)據(jù)交換分為實時數(shù)據(jù)交換和非實時數(shù)據(jù)交換，Server2Server共建立三個線程，分別對應實時數(shù)據(jù)交換、非實時數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理結(jié)果交換。實時數(shù)據(jù)交換線程管理著非實時數(shù)據(jù)交換線程，源服務器和目的服務器分別采用命令PORT和PASV命令初始化連接，然后又分別采用RETR和STOR命令進行實時數(shù)據(jù)交換，此時實時數(shù)據(jù)將在源服務器和目的服務器之間直接交換，與啟動Server2Server的機器無關。當實時數(shù)據(jù)交換中斷并重新連接后，非實時數(shù)據(jù)交換線程將會比較源服務器和目的服務器的環(huán)形緩沖信息，然后把目的服務器丟失的數(shù)據(jù)包以最低的線程優(yōu)先級方式從源服務器重新傳到目的服務器，這個機制實現(xiàn)了數(shù)據(jù)斷點續(xù)傳，斷點續(xù)傳的能力取決與源服務器環(huán)形緩沖的空間大小。當實時數(shù)據(jù)交換線程重連時，非實時數(shù)據(jù)交換線程也將重新初始化，當源服務器收到上傳的數(shù)據(jù)處理結(jié)果時，源服務器會將立即轉(zhuǎn)發(fā)給目的服務器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果數(shù)據(jù)交換。

圖1 NetSeis/IP協(xié)議的服務模型Fig.1 Schematic diagram of service model of NetSeisIP protocol

1.3 流服務的儀器適配接口

因中國的地震臺站使用了國內(nèi)外多種型號的數(shù)采，為了使得SSS能從多種型號的數(shù)采獲取實時數(shù)據(jù)流，必須為SSS開發(fā)這些型號數(shù)采的實時數(shù)據(jù)接口程序。SSS的實時數(shù)據(jù)接口程序是SSS的重要組成部分，接口程序設計的性能直接決定了JOPENS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收能力，影響到地震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)連續(xù)率、數(shù)據(jù)完整性等地震臺網(wǎng)重要評價指標。

目前較新型號的數(shù)采都提供兩種接口的實時數(shù)據(jù)流輸出，一種是遵循TCP/IP或UDP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)接口，另外一種是遵循RS232串行異步傳輸標準接口的實時數(shù)據(jù)流，由于兩種接口的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議是不同的，因此需要分別開發(fā)這兩種接口的適配程序[1]。TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議實時數(shù)據(jù)流的適配程序集合在ComServ2Server用戶端進程中，RS232串口實時數(shù)據(jù)流適配程序集合在Serial2Server用戶端進程中。

TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)接口由于具有協(xié)議握手功能，程序可以采用數(shù)據(jù)解碼校驗、斷點續(xù)傳、超時重連等多種技術措施處理數(shù)據(jù)包誤碼、數(shù)據(jù)包丟失、數(shù)據(jù)流中斷等數(shù)據(jù)傳輸故障，從而大大提高數(shù)據(jù)的連續(xù)率，提升接口程序的性能。相對而言，RS232接口程序沒有協(xié)議握手功能，不能做到斷點續(xù)傳。因此一般情況下，RS232接口只做數(shù)采調(diào)試用，實時數(shù)據(jù)流的傳輸一般采用TCP/IP協(xié)議網(wǎng)絡接口。

目前SSS支持的數(shù)據(jù)采集器類型為北京港震公司EDAS系列、美國Geotech公司的SMART-24、英國Guralp公司的CMG-DM24、珠海泰德公司的TDE-324CI系列、美國REFTEK公司的REFTEK-130B、瑞士SYSCOM公司的MR2002等類型的數(shù)據(jù)采集器[2]，在新版本的SSS中還將繼續(xù)擴充所支持的儀器型號。

1.4 流服務的數(shù)據(jù)傳輸

SSS的ComServ2Server用戶端進程可以通過TCP/IP協(xié)議網(wǎng)絡連接數(shù)采的網(wǎng)絡接口，獲取數(shù)采產(chǎn)出的實時數(shù)據(jù)流，并把數(shù)據(jù)上傳給SSS的Server端。用戶可以通過SDH光纖、幀中繼、CDMA、衛(wèi)星等通信多種方式建立地震臺網(wǎng)中心與地震臺站數(shù)采之間的TCP/IP網(wǎng)絡，實現(xiàn)臺站數(shù)采產(chǎn)出數(shù)據(jù)傳輸?shù)脚_網(wǎng)中心。用戶也可以通過超短波無線電臺、DDN通信方式建立臺網(wǎng)中心與地震臺站之間的透明鏈路，通過Serial2Server用戶端實現(xiàn)臺站數(shù)采產(chǎn)出串口數(shù)據(jù)傳輸?shù)脚_網(wǎng)中心。SSS的Seedlink2Server用戶端進程可以通過Internet網(wǎng)絡登錄全球地震臺網(wǎng)（GSN）的LISS服務器下載全球臺網(wǎng)所屬臺站的實時數(shù)據(jù)流，實現(xiàn)國際地震臺站的實時數(shù)據(jù)共享。

臺網(wǎng)中心的SSS流服務接收到ComServ2Server、Serial2Server和Seedlink2Server上傳的地震臺站數(shù)據(jù)以后，可以把這些臺站的實時數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫存儲，同時還可以使用Server2Server客戶端把實時數(shù)據(jù)傳輸給其它臺網(wǎng)中心的SSS流服務，這樣就實現(xiàn)了地震臺網(wǎng)中心之間通過網(wǎng)絡共享實時數(shù)據(jù)。

2 實時數(shù)據(jù)服務的應用情況

SSS具有公開的實時數(shù)據(jù)服務接口，用戶可以自行開發(fā)接口程序，在得到流服務管理員的授權下，通過用戶名和認證口令獲得實時數(shù)據(jù)的上傳或下載權限，這樣SSS就能為許多第三方軟件提供實時數(shù)據(jù)服務。SSS是我國地震監(jiān)測領域?qū)崟r數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A軟件，在我國地震行業(yè)有著廣泛的運用，下面介紹幾種典型的實時數(shù)據(jù)服務應用案例。

2.1 SSS實現(xiàn)全國臺站實時數(shù)據(jù)匯集與共享

在中國地震局“十五”項目建設完成以后，已經(jīng)在全國各省區(qū)和中國地震臺網(wǎng)中心之間建立了地震行業(yè)專用網(wǎng)絡用于傳輸數(shù)據(jù)。流服務軟件SSS已經(jīng)隨著JOPENS系統(tǒng)部署到中國地震臺網(wǎng)中心（CENC）、全國31個省級地震臺網(wǎng)中心、部份省市的市級地震臺網(wǎng)中心、部份水庫臺網(wǎng)中心。

如圖2所示，各省級地震臺網(wǎng)中心的SSS服務接收匯集全部所屬臺站的實時波形數(shù)據(jù)，存儲入省級臺網(wǎng)中心的波形數(shù)據(jù)庫，由省級地震臺網(wǎng)進行分析處理。除此之外，各省級臺網(wǎng)中心的SSS服務還把實時數(shù)據(jù)上傳到北京的中國地震臺網(wǎng)中心SSS服務器上，并下載所需的其他省份所屬臺站的實時數(shù)據(jù)，這樣通過中國地震臺網(wǎng)中心的SSS服務器就實現(xiàn)了全國所有地震臺站的實時數(shù)據(jù)共享，徹底打破了省級地震臺網(wǎng)之間的邊界，擴充了各省級地震臺網(wǎng)的監(jiān)控范圍。在此基礎上，中國地震臺網(wǎng)中心的SSS流服務匯集了全國所有地震臺站的實時數(shù)據(jù)，并提供所有臺站的實時數(shù)據(jù)下載服務，可以實現(xiàn)與國外地震觀測機構的實時數(shù)據(jù)交換。

圖2 中國地震臺網(wǎng)實時數(shù)據(jù)傳輸與共享示意圖Fi.2 Schematic diagram of real-time data transmitting and sharing of China seismic network

2.2 SSS為全國地震自動速報系統(tǒng)服務

在SSS實現(xiàn)全國地震臺站實時數(shù)據(jù)共享，并提供公開接口的基礎上，地震自動速報系統(tǒng)就可以從SSS服務器上下載所需地震臺站的實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)各種級別范圍的地震自動速報。目前SSS服務為中國地震臺網(wǎng)中心的地震自動速報系統(tǒng)、全國各片區(qū)地震自動速報系統(tǒng)、廣東臺網(wǎng)的國家地震速報備份系統(tǒng)提供實時數(shù)據(jù)服務。下面以在廣東省地震臺網(wǎng)運行的“國家地震速報備份系統(tǒng)”為例，介紹SSS為地震自動速報系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務的情況。

國家地震速報備份系統(tǒng)要測定全球各地發(fā)生的地震事件參數(shù)，因此需要分布于全球的地震臺站實時數(shù)據(jù)服務，該系統(tǒng)的SSS通過Server2Server服務，從中國地震臺網(wǎng)中心的SSS服務器上獲取全國地震臺站的實時數(shù)據(jù)。由于美國地震學聯(lián)合研究會（IRIS）的LISS波形數(shù)據(jù)服務器上已經(jīng)匯集了幾百個國際數(shù)據(jù)共享臺站的實時數(shù)據(jù)，這些臺站分布于全球各地，對測定發(fā)生在境外的地震參數(shù)非常有用，因此SSS通過Seedlink2Server服務，通過Internet網(wǎng)從IRIS的LISS服務器上獲取實時國際數(shù)據(jù)共享臺站的實時數(shù)據(jù)。由于中國援助印度尼西亞建設了地震臺網(wǎng)，因此可以使用Server2Server服務通過Internet網(wǎng)從印尼地震臺網(wǎng)的SSS服務器上獲取印尼臺站的實時數(shù)據(jù)，這些國際地震臺站與國內(nèi)地震臺站的實時數(shù)據(jù)匯集以后，一起提供給地震自動定位系統(tǒng)使用[3]。

2.3 SSS為地震應急提供實時數(shù)據(jù)服務

在重大地震事件發(fā)生后，地震部門需要立即展開地震應急工作，一般需要到震中附近布設流動地震觀測臺站，加密震中附近的地震臺站密度，進行地震參數(shù)精細測定和余震序列觀測。SSS可以在地震應急觀測中發(fā)揮重要作用，為地震應急提供實時數(shù)據(jù)服務。

圖3 地震自動速報系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)服務Fi.3 Schematic diagram of real-time data service of earthquake automatic location system

如圖4所示，在地震應急觀測時，流動地震臺的實時數(shù)據(jù)可以使用SSS通過TCP/IP網(wǎng)絡傳回到地震臺網(wǎng)中心，和固定臺站的實時數(shù)據(jù)匯集在一起進入地震數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。地震臺網(wǎng)中心還可以通過SSS從中國地震臺網(wǎng)中心，或者國際數(shù)據(jù)共享的LISS服務器上下載震中附近臺站的實時數(shù)據(jù)，通過SSS提供的這些服務臨時加密震中附近的臺站密度，為地震臺網(wǎng)中心的地震應急觀測服務，實現(xiàn)網(wǎng)絡動態(tài)組網(wǎng)應急觀測。由于固定的地震臺網(wǎng)中心距離地震應急現(xiàn)場一般都較遠，不便于地震應急指揮現(xiàn)場及時、直觀地獲取地震參數(shù)，這時可以在地震應急現(xiàn)場部署一套地震分析軟件系統(tǒng)，通過SSS的Server2Server客戶端服務，從固定臺網(wǎng)中心下載固定臺與流動臺的實時數(shù)據(jù)到地震應急現(xiàn)場處理，這樣地震應急指揮部現(xiàn)場就有了一個臨時地震臺網(wǎng)中心來分析處理數(shù)據(jù)，地震應急指揮部可以在現(xiàn)場及時、直觀地獲取地震參數(shù)，提高地震應急的能力與效率，提升地震應急的直觀性與顯示度。這種使用SSS進行網(wǎng)絡動態(tài)組網(wǎng)應急觀測的技術，首先在2003年2月24日新疆巴楚伽師地區(qū)M 6.8級地震應急觀測中使用，取得了明顯的效果[4]，在之后的多次重大地震事件應急中都采用SSS進行應急流動觀測，特別是2008年汶川M 8.0級地震，2009年青海玉樹M 7.2級地震的應急觀測中，SSS通過TCP/IP網(wǎng)絡提供實時數(shù)據(jù)服務，在地震應急觀測中發(fā)揮了重要作用。

圖4 SSS在地震應急觀測中的運用示意圖Fig.4 Schematic diagram of SSS application in earthquake emergency observation

3 流服務將來的應用拓展

隨著中國地震事業(yè)的持續(xù)發(fā)展，中國地震臺網(wǎng)的實時數(shù)據(jù)服務還有許多應用空間可以拓展，例如在地震預警與地震烈度速報領域，SSS可以為中國地震局“十二五”規(guī)劃建設的地震預警系統(tǒng)、烈度速報系統(tǒng)提供實時數(shù)據(jù)服務。地震預警系統(tǒng)強調(diào)數(shù)據(jù)服務的實時性，需要盡可能小地減少數(shù)據(jù)傳輸延時，爭取最多的預警時間，因此地震臺站數(shù)據(jù)的實時傳輸直接關系到地震預警系統(tǒng)的性能。在地震數(shù)據(jù)采集器的支持下，SSS流服務的數(shù)據(jù)打包延時可以縮小到0.5 s，有效縮短數(shù)據(jù)打包延時，在通信鏈路支持下，可以使得臺站產(chǎn)出的數(shù)據(jù)在1秒鐘之內(nèi)傳輸?shù)降卣痤A警系統(tǒng)中處理，為地震預警提供有力保障。在地震緊急處置應用領域，SSS可以為諸如大型水庫、大型橋梁、核電站、高速鐵路、煤氣管道等重大生命線工程提供實時數(shù)據(jù)服務，為這些工程的地震緊急處置提供數(shù)據(jù)支持。除此之外，地震臺網(wǎng)的實時數(shù)據(jù)服務還能應用于核爆偵查、地震科研、地震科普教育等領域。

4 結(jié)束語

JOPENS系統(tǒng)的SSS流服務應用于中國的地震觀測臺網(wǎng)，實現(xiàn)了全國各級地震臺網(wǎng)地震觀測數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡化實時傳輸與共享，在此基礎上實現(xiàn)了中國地震臺網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)與國際地震觀測機構的實時數(shù)據(jù)共享，使得中國地震觀測臺網(wǎng)通過網(wǎng)絡融入到全球地震觀測體系當中，從理論上講，世界范圍內(nèi)任一用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)任意臺站的準實時數(shù)據(jù)服務[5]。SSS流服務還能為地震預警、地震自動速報、地震應急救援、重大工程地震緊急處置、震害防御、國防安全、科學研究、科普教育等領域提供實時數(shù)據(jù)服務，是我國當前地震觀測領域的基礎性支撐軟件，在中國的地震事業(yè)中發(fā)揮著重大作用。

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[4]郭德順，黃文輝，吳叔坤，等.IP傳輸技術巴楚伽師地震應急組網(wǎng)中的應用[J].地震地磁與研究，2004， 25(Suppl)： 17～20.