国家测震台网的实时数据传输与服务

吴永权 ， 黄文辉 ， 苏柱金

(1.广东省地震局，广东 广州 510070；2.中国地震局地震监测与减灾技术重点实验室，广东 广州510070；3.广东省地震预警与重大工程安全诊断重点实验室 （筹），广东 广州 510070）

0 引言

中国的地震观测在中国地震局“十五”项目完成后成功进入网络化时代，网络化为中国的地震事业发展提供了广阔的空间，加强了“地震监测预报”、“地震应急救援”、“震害防御”三大体系之间的联系，实现三大体系之间的信息共享与互相支持，并使得中国的地震监测事业融入到全球的地震监测体系当中。中国地震台网的实时数据服务正是在地震监测网络化的基础上发展起来的，它可以通过网络与全球的地震台网实现实时数据共享，为地震预警与地震自动速报奠定基础，为“地震应急救援”与“震害防御”提供数据支持，除此之外还可以面向社会，为科学研究、核爆侦查、重大生命线工程地震应急、地震科普教育等领域提供实时数据服务。

中国地震台网的实时数据服务是使用JOPENS系统的SSS流服务模块实现的，JOPENS系统是广东省地震台网中心开发的地震台网数据处理软件系统，目前已经在全国大多数省级区域地震台网运行，还运用在印度尼西亚、阿尔及利亚等多个我国援外建设的地震台网中，取得了良好的运行效果。实时数据流服务（简称SSS）是JOPENS的一个软件模块，它能从地震台站的数据采集器获取实时数据流，实现台站实时数据流传输、汇集、转发、入库等功能。目前中国大部分的测震台站、省级地震台网以及中国地震台网中心正是基于SSS模块实现了全国测震台站实时数据汇集、传输与共享服务。本文将介绍SSS流服务的基本原理与主要功能，并重点介绍当前中国地震台网实时数据服务在地震领域的运用情况，并为其将来在各方面的运用提出设想和建议。

1 实时数据流服务简介

实时数据流服务（SSS）遵循由中国地震局自主开发的NetSeis/IP协议，能通过TCP/IP协议网络为中国的地震台网提供实时地震数据的上传与下载服务，SSS流服务缺省在5000端口监听，使用用户名与密码认证的方式访问，并将用户分为超级用户，上传用户、下载用户三种不同的权限管理，因此，任何希望登录到流服务上用户都必须经过用户信息认证，保证数据的安全传输。

1.1 流服务的机制

流服务遵循NetSeis/IP协议，共分为服务端和专用客户端两大部份。服务端用于监听用户连接、用户认证、接收和转发波形数据、台站数据状态监控等。专用客户端分为四种：ComServ2Server、Serial2Server、Server2Server、Seedlink2Server，这四种专用客户端都使用相同的数据服务机制。在图1描述的NetSeis/IP模型中，User-PI初始化控制连接，控制连接遵循Telnet协议，用户端User-PI产生的NetSeis/IP命令通过控制连接传送到Server-PI，Server-PI则把相应的响应从Server-PI传到User-PI。User-DTP在指定的端口上监听数据连接申请，Server-DTP使用命令连接User-DTP的监听端口，建立两者之间的数据连接，数据连接可以同时被用于接收和发送数据，以指定参数传输实时波形数据。Server-NetSeis/IP管理两类数据：动态数据和静态数据，动态数据主要是波形数据、运行日志、丢帧记录和数据处理结果，由环形缓冲存储和管理；静态数据包括台站信息和仪器响应，保存在嵌入式数据库JDataBase中。环形缓冲负责存储较新的波形数据包，当新数据包被传输到队列时通知下传波形数据的Server-DTP发送数据，并对下传用户提供缓冲区信息的快速检索和查询。环形缓冲同时还负责处理同步问题，保证Server-DTP对环形缓冲的操作是线程安全的，其他动态数据则保存在嵌入式数据库JDataBase中，数据库同时还是波形数据的二级存储区域，从环形缓冲中移除的数据就存储在二级存储数据库中，为波形数据的断点续传提供数据服务。

User-PI和Server-PI之间传输波形数据的基本字节为8bit字节。波形数据格式为Seed2.3的Data Only SEED Blockette[1000]，数据包长度固定为512字节，波形数据长度视采样率而定，一般在5～15 s之间，数据编码采用STEIM2编码方式。台站参数和仪器响应采用Seed2.3中“Station Control Headers”定义的Blockette[50～60]，其他的数据均用ASCII码。每一个数据包的头信息段包含：台站代码、位置标识、通道标识、台网代码、记录开始时间、采样点个数等信息。

1.2 流服务的数据交换机制

Server2Server主要负责两个服务器的波形数据交换和数据处理结果的交换。波形数据交换分为实时数据交换和非实时数据交换，Server2Server共建立三个线程，分别对应实时数据交换、非实时数据交换和数据处理结果交换。实时数据交换线程管理着非实时数据交换线程，源服务器和目的服务器分别采用命令PORT和PASV命令初始化连接，然后又分别采用RETR和STOR命令进行实时数据交换，此时实时数据将在源服务器和目的服务器之间直接交换，与启动Server2Server的机器无关。当实时数据交换中断并重新连接后，非实时数据交换线程将会比较源服务器和目的服务器的环形缓冲信息，然后把目的服务器丢失的数据包以最低的线程优先级方式从源服务器重新传到目的服务器，这个机制实现了数据断点续传，断点续传的能力取决与源服务器环形缓冲的空间大小。当实时数据交换线程重连时，非实时数据交换线程也将重新初始化，当源服务器收到上传的数据处理结果时，源服务器会将立即转发给目的服务器，实现数据处理结果数据交换。

图1 NetSeis/IP协议的服务模型Fig.1 Schematic diagram of service model of NetSeisIP protocol

1.3 流服务的仪器适配接口

因中国的地震台站使用了国内外多种型号的数采，为了使得SSS能从多种型号的数采获取实时数据流，必须为SSS开发这些型号数采的实时数据接口程序。SSS的实时数据接口程序是SSS的重要组成部分，接口程序设计的性能直接决定了JOPENS系统的数据接收能力，影响到地震台网数据连续率、数据完整性等地震台网重要评价指标。

目前较新型号的数采都提供两种接口的实时数据流输出，一种是遵循TCP/IP或UDP/IP协议的网络数据接口，另外一种是遵循RS232串行异步传输标准接口的实时数据流，由于两种接口的数据传输协议是不同的，因此需要分别开发这两种接口的适配程序[1]。TCP/IP网络协议实时数据流的适配程序集合在ComServ2Server用户端进程中，RS232串口实时数据流适配程序集合在Serial2Server用户端进程中。

TCP/IP协议的网络数据接口由于具有协议握手功能，程序可以采用数据解码校验、断点续传、超时重连等多种技术措施处理数据包误码、数据包丢失、数据流中断等数据传输故障，从而大大提高数据的连续率，提升接口程序的性能。相对而言，RS232接口程序没有协议握手功能，不能做到断点续传。因此一般情况下，RS232接口只做数采调试用，实时数据流的传输一般采用TCP/IP协议网络接口。

目前SSS支持的数据采集器类型为北京港震公司EDAS系列、美国Geotech公司的SMART-24、英国Guralp公司的CMG-DM24、珠海泰德公司的TDE-324CI系列、美国REFTEK公司的REFTEK-130B、瑞士SYSCOM公司的MR2002等类型的数据采集器[2]，在新版本的SSS中还将继续扩充所支持的仪器型号。

1.4 流服务的数据传输

SSS的ComServ2Server用户端进程可以通过TCP/IP协议网络连接数采的网络接口，获取数采产出的实时数据流，并把数据上传给SSS的Server端。用户可以通过SDH光纤、帧中继、CDMA、卫星等通信多种方式建立地震台网中心与地震台站数采之间的TCP/IP网络，实现台站数采产出数据传输到台网中心。用户也可以通过超短波无线电台、DDN通信方式建立台网中心与地震台站之间的透明链路，通过Serial2Server用户端实现台站数采产出串口数据传输到台网中心。SSS的Seedlink2Server用户端进程可以通过Internet网络登录全球地震台网（GSN）的LISS服务器下载全球台网所属台站的实时数据流，实现国际地震台站的实时数据共享。

台网中心的SSS流服务接收到ComServ2Server、Serial2Server和Seedlink2Server上传的地震台站数据以后，可以把这些台站的实时数据写入数据库存储，同时还可以使用Server2Server客户端把实时数据传输给其它台网中心的SSS流服务，这样就实现了地震台网中心之间通过网络共享实时数据。

2 实时数据服务的应用情况

SSS具有公开的实时数据服务接口，用户可以自行开发接口程序，在得到流服务管理员的授权下，通过用户名和认证口令获得实时数据的上传或下载权限，这样SSS就能为许多第三方软件提供实时数据服务。SSS是我国地震监测领域实时数据传输的基础软件，在我国地震行业有着广泛的运用，下面介绍几种典型的实时数据服务应用案例。

2.1 SSS实现全国台站实时数据汇集与共享

在中国地震局“十五”项目建设完成以后，已经在全国各省区和中国地震台网中心之间建立了地震行业专用网络用于传输数据。流服务软件SSS已经随着JOPENS系统部署到中国地震台网中心（CENC）、全国31个省级地震台网中心、部份省市的市级地震台网中心、部份水库台网中心。

如图2所示，各省级地震台网中心的SSS服务接收汇集全部所属台站的实时波形数据，存储入省级台网中心的波形数据库，由省级地震台网进行分析处理。除此之外，各省级台网中心的SSS服务还把实时数据上传到北京的中国地震台网中心SSS服务器上，并下载所需的其他省份所属台站的实时数据，这样通过中国地震台网中心的SSS服务器就实现了全国所有地震台站的实时数据共享，彻底打破了省级地震台网之间的边界，扩充了各省级地震台网的监控范围。在此基础上，中国地震台网中心的SSS流服务汇集了全国所有地震台站的实时数据，并提供所有台站的实时数据下载服务，可以实现与国外地震观测机构的实时数据交换。

图2 中国地震台网实时数据传输与共享示意图Fi.2 Schematic diagram of real-time data transmitting and sharing of China seismic network

2.2 SSS为全国地震自动速报系统服务

在SSS实现全国地震台站实时数据共享，并提供公开接口的基础上，地震自动速报系统就可以从SSS服务器上下载所需地震台站的实时数据，实现各种级别范围的地震自动速报。目前SSS服务为中国地震台网中心的地震自动速报系统、全国各片区地震自动速报系统、广东台网的国家地震速报备份系统提供实时数据服务。下面以在广东省地震台网运行的“国家地震速报备份系统”为例，介绍SSS为地震自动速报系统提供数据服务的情况。

国家地震速报备份系统要测定全球各地发生的地震事件参数，因此需要分布于全球的地震台站实时数据服务，该系统的SSS通过Server2Server服务，从中国地震台网中心的SSS服务器上获取全国地震台站的实时数据。由于美国地震学联合研究会（IRIS）的LISS波形数据服务器上已经汇集了几百个国际数据共享台站的实时数据，这些台站分布于全球各地，对测定发生在境外的地震参数非常有用，因此SSS通过Seedlink2Server服务，通过Internet网从IRIS的LISS服务器上获取实时国际数据共享台站的实时数据。由于中国援助印度尼西亚建设了地震台网，因此可以使用Server2Server服务通过Internet网从印尼地震台网的SSS服务器上获取印尼台站的实时数据，这些国际地震台站与国内地震台站的实时数据汇集以后，一起提供给地震自动定位系统使用[3]。

2.3 SSS为地震应急提供实时数据服务

在重大地震事件发生后，地震部门需要立即展开地震应急工作，一般需要到震中附近布设流动地震观测台站，加密震中附近的地震台站密度，进行地震参数精细测定和余震序列观测。SSS可以在地震应急观测中发挥重要作用，为地震应急提供实时数据服务。

图3 地震自动速报系统的实时数据服务Fi.3 Schematic diagram of real-time data service of earthquake automatic location system

如图4所示，在地震应急观测时，流动地震台的实时数据可以使用SSS通过TCP/IP网络传回到地震台网中心，和固定台站的实时数据汇集在一起进入地震数据分析系统。地震台网中心还可以通过SSS从中国地震台网中心，或者国际数据共享的LISS服务器上下载震中附近台站的实时数据，通过SSS提供的这些服务临时加密震中附近的台站密度，为地震台网中心的地震应急观测服务，实现网络动态组网应急观测。由于固定的地震台网中心距离地震应急现场一般都较远，不便于地震应急指挥现场及时、直观地获取地震参数，这时可以在地震应急现场部署一套地震分析软件系统，通过SSS的Server2Server客户端服务，从固定台网中心下载固定台与流动台的实时数据到地震应急现场处理，这样地震应急指挥部现场就有了一个临时地震台网中心来分析处理数据，地震应急指挥部可以在现场及时、直观地获取地震参数，提高地震应急的能力与效率，提升地震应急的直观性与显示度。这种使用SSS进行网络动态组网应急观测的技术，首先在2003年2月24日新疆巴楚伽师地区M 6.8级地震应急观测中使用，取得了明显的效果[4]，在之后的多次重大地震事件应急中都采用SSS进行应急流动观测，特别是2008年汶川M 8.0级地震，2009年青海玉树M 7.2级地震的应急观测中，SSS通过TCP/IP网络提供实时数据服务，在地震应急观测中发挥了重要作用。

图4 SSS在地震应急观测中的运用示意图Fig.4 Schematic diagram of SSS application in earthquake emergency observation

3 流服务将来的应用拓展

随着中国地震事业的持续发展，中国地震台网的实时数据服务还有许多应用空间可以拓展，例如在地震预警与地震烈度速报领域，SSS可以为中国地震局“十二五”规划建设的地震预警系统、烈度速报系统提供实时数据服务。地震预警系统强调数据服务的实时性，需要尽可能小地减少数据传输延时，争取最多的预警时间，因此地震台站数据的实时传输直接关系到地震预警系统的性能。在地震数据采集器的支持下，SSS流服务的数据打包延时可以缩小到0.5 s，有效缩短数据打包延时，在通信链路支持下，可以使得台站产出的数据在1秒钟之内传输到地震预警系统中处理，为地震预警提供有力保障。在地震紧急处置应用领域，SSS可以为诸如大型水库、大型桥梁、核电站、高速铁路、煤气管道等重大生命线工程提供实时数据服务，为这些工程的地震紧急处置提供数据支持。除此之外，地震台网的实时数据服务还能应用于核爆侦查、地震科研、地震科普教育等领域。

4 结束语

JOPENS系统的SSS流服务应用于中国的地震观测台网，实现了全国各级地震台网地震观测数据的网络化实时传输与共享，在此基础上实现了中国地震台网观测数据与国际地震观测机构的实时数据共享，使得中国地震观测台网通过网络融入到全球地震观测体系当中，从理论上讲，世界范围内任一用户可以通过互联网任意台站的准实时数据服务[5]。SSS流服务还能为地震预警、地震自动速报、地震应急救援、重大工程地震紧急处置、震害防御、国防安全、科学研究、科普教育等领域提供实时数据服务，是我国当前地震观测领域的基础性支撑软件，在中国的地震事业中发挥着重大作用。

[1]吴永权 ，黄文辉 ，康英 ，等.国家地震速报备份系统的部署与运行[J].国际地震动态，2011，12：21～27.

[2]吴永权，黄文辉，数据处理系统软件JOPENS的架构设计与实现[J].地震地磁观测与研究，2010，31(6)：59～63.

[3]吴永权 ，黄文辉.JOPENS流服务与TDE-324系列地震数据采集器实时数据流接口程序的设计与实现[J].华南地震，2011，31(3)：50～59.

[5]李大辉，韩磊，黄文辉，等LISS系统在中国数字地震台网的应用设想[J].地震地磁观测与研究，2001， 22(1)： 63～67.

[4]郭德顺，黄文辉，吴叔坤，等.IP传输技术巴楚伽师地震应急组网中的应用[J].地震地磁与研究，2004， 25(Suppl)： 17～20.