地震數據處理系統Earthworm在福建地震預警系統項目中的應用1

方偉華 周藍捷 閆 培 李文惠 汪 豪

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地震數據處理系統Earthworm在福建地震預警系統項目中的應用1

方偉華 周藍捷 閆 培 李文惠 汪 豪

（廈門地震勘測研究中心，廈門 361021）

本文介紹了USGS（美國地質勘探局）開發的Earthworm系統在福建地震預警系統項目中的應用。該系統為開源軟件，由C語言編寫，由不同模塊組建而成，每個模塊實現不同的功能，主要包括數據接收模塊、P波拾取模塊、地震定位報告產出模塊、地震事件圖件繪制模塊、地震波存儲容器等。同時，用戶可以根據自己的需求編寫相應的功能模塊。文章對該系統的應用進行了介紹，內容包括Earthworm系統的組織架構、業務流程、軟件模塊的主要功能搭建與配置及軟件模塊之間的邏輯關系等，目的在于介紹該系統的架構方法與使用心得，促進該系統在地震行業內得到應用與推廣。

Earthworm USGS 簡易烈度計 數據處理系統

引言

福建省地震預警項目簡易烈度計臺網系統用于評估地震對鄉鎮的影響，每個鄉鎮布置一個測站，按平均臺間距10km左右設置，單臺定位精度平均小于5km，最大不超過8km，運行維護率≥90%。目前福建省地震預警系統的總體規劃分兩期實施：一期在地震活動性較強或者地震影響較大的地區，選擇人口較多和經濟發達區域進行設備安裝；二期在建設地區，如閩西與閩北農村山區等地稀疏布點。地震臺網數據處理系統主要采用Earthworm進行搭建，擬在全省布設900臺簡易烈度計。該數據處理系統由C語言編寫，由不同模塊組建而成，每個模塊實現不同的功能。該系統自從2015年6月正式運行以來，能夠正常接收各地震臺站的實時波形數據，從而實現地震臺網中心地震速報、數據產出、數據管理等各項功能（王喆，2006）。

本文介紹了由美國地質勘探局開發的Earthworm系統的設計目標、思想和原則，重點介紹了Earthworm框架結構與各模塊功能的搭建與配置、Earthworm系統的架構特點、主要工作原理和數據處理流程，以及其應用于福建省地震預警項目的相關情況（吳永權等，2010）。

1 Earthworm簡介

Earthworm項目始于1993年，主要目的是為了解決美國地震區域臺網出現的問題。當時，區域內的地震臺網存在的主要問題有：觀測設備陳舊，自動處理系統老化，維修費用逐年增長；儀器性能落后，地震研究的發展需要從精密傳感器中獲取研究數據；社會公眾需要新的、顯而易見的實時產品了解詳情；最后，經費不足導致大多數臺網不再支持區域系統的發展工作。

為了更好解決服務器老舊與新地震觀測儀器相結合的問題，Earthworm項目應運而生。

1.1 Earthworm的特點

Earthworm系統是以避免早期地震處理系統的設計缺陷，保證地震預警的順利實施為目標而建設的。系統具有以下5個方面的優點：

（1）模塊化：在硬件以及軟件方面，系統把所執行的每一個函數封裝成一個模塊，該模塊能獨立于其他模塊運行。模塊化使得系統內的任何一個關鍵性模塊能與系統內的其他模塊保持獨立。因此，新的試驗性需求模塊可以在不破壞現有系統的基礎上添加并保證良好的性能。

（2）系統獨立性：由于不同的模塊可獨立運行在不同的計算機硬件和操作系統中，并作為一個系統運轉，因此該系統可以無中斷、在任意操作系統的計算機之間移植。在實際運用中，只使用各種計算機系統標準化的部分，而不使用任何無法規避的系統特殊功能。

（3）可擴展性：該系統提供較好的性價比以適應各種類型層次的網絡需求。同時，用戶可定制個性的需求，編寫新的模塊運行。

（4）連通性：該系統能夠實現與其它自動實時系統、互動分析系統以及各種發布方式之間快速可靠地通信。其目標是在各層次提供自動和交互式的接口，使系統的配置范圍可以從完全單機獨立操作到分布式系統單個節點的運行。

（5）魯棒性：在地震危機時刻，由于輸入數據和電源可能中斷、系統負荷急劇增加，只有高魯棒性的地震報警系統才能向媒體和應急機構提供實時準確信息。該系統針對地震處理數據的錯誤檢測及恢復、恢復時間、故障弱化和負荷控制等問題具有極好的可靠性（馬強，2008）。

1.2 Earthworm框架的特點

Earthworm系統中每個模塊都執行特定的任務，如數據采集，震相拾取等。模塊之間通過廣播和監聽（如波形數據包和相位撿拾等）各種消息來通信。消息傳遞類似于無線電通訊：它由用于傳遞消息的“傳輸媒介”和一套標準模塊程序組成。這些模塊程序類似于運行在傳輸媒介中的多頻率雙向無線電設備。在傳輸媒介上模塊可以使用這些標準程序廣播并監聽。

2 Earthworm地震數據處理系統的架構與功能模塊

福建省簡易烈度臺網設備一期規模為300臺左右，通過中國電信的MPLS VPN組網方式將數據傳輸至廈門地震勘測研究中心與福建省地震局。每個觀測臺站提供2M SDH鏈路帶寬供烈度計上報數據使用，省局與廈門地震勘測研究中心分別采用一條10M光纖匯聚專線接入中國電信VPN平臺，用于收集各觀測臺站數據。對于部分未鋪設SDH鏈路的區域，采用3G信號進行輔助接入Earthworm的地震預警軟件框架系統。

基于Earthworm地震數據處理系統的架構采用積木式組合的方式進行搭建（圖1），主要包括：

第1部分，數據接收，通過MPLS VPN組網方式將各臺網觀測的烈度計產生的數據在數據中心進行匯聚，主要采用Paler2ew模塊進行功能搭建；

第2部分，地震波形展示，主要采用wave_server模塊進行功能搭建；

第3部分，地震數據處理，主要采用pick_eew、tcpd、ShakeMap的模塊進行功能搭建，pick_eew模塊負責自動震相拾取功能，tcpd模塊負責地震定位與震級計算功能，ShakeMap模塊負責烈度圖繪制功能；

第4部分，地震數據存儲，主要采用Tbuf2mseed、Ewmseed Archiver的模塊進行功能搭建，Tbuf2mseed模塊負責進行數據格式轉換功能，Ewmseed Archiver模塊負責進行數據文件存檔的功能。

3 Earthworm的安裝步驟與配置

3.1 Earthworm源碼包的獲取

可以通過網址http://folkworm.ceri.memphis.edu/ew-doc/#overview下載最新的Earthworm安裝源碼包進行安裝。目前福建省烈度計系統采用的最新版已更新為v7.9版，版本之間的主要區別在于系統模塊功能的差異（Earthworm官方網址，2015）。

3.2 Earthworm源碼包目錄結構說明

Earthworm源碼包目錄結構主要有bin，environment，ewdoc，include，include_app，params，src，lib等，下面分別對該源碼目錄功能進行解釋：

（1）bin目錄為系統可執行程序存放位置；

（2）environment目錄為系統環境變量存放位置；

（3）include目錄為系統文件存放位置；

（4）include_app目錄為系統程序應用存放位置；

（5）params目錄為各程序參數配置文件存放位置；

（6）src目錄為軟件源碼存放位置，可單獨重新編譯；

（7）lib目錄為程序執行所依賴庫文件存放位置。

3.3 Earthworm的安裝與調試

（1）安裝Earthworm前的環境準備

在安裝Earthworm前，系統需要先安裝make、gcc、java這3個軟件，用于對Earthworm的程序包進行編譯，3個軟件的安裝均可以通過yum源進行安裝，命令如下：

yum install –y make&& yum install –y gcc&& yum install–y java

（2）創建安裝目錄結構

當前系統采用的是CentOS 7，64位操作系統進行搭建，我們在根目錄下創建一級目錄xmzk，然后再創建二級目錄earthworm，earthworm目錄下分別創建run目錄與earthworm_7.9源碼包，然后在run目錄下分別創建params目錄與logs目錄，目錄結構如下所示：

/xmzk

/earthworm

/run

/params(各程序參數配置位置)

/logs(各程序日志文件存放位置)

/data(各臺站接收數據存放位置)

/earthworm_v7.9(源碼包)

（3）拷貝全局參數與環境變量至安裝目錄

將/xmzk/earthworm/earthworm_v7.9/environment目錄中的earthworm_global.d、earthworm. d、ew_linux.bash這3個文件拷貝至/xmzk/earthwom/run/params中。

（4）修改安裝環境配置文件

安裝Earthworm需要變更第二步拷貝至/xmzk/earthwom/run/params中的ew_linux.bash這個環境配置文件中幾處環境變量的值，以適應我們自己的安裝環境與配置需求，主要有以下6處需要變更：

①export EW_HOME=/home/xmzk/earthworm #定義Earthworm安裝位置的環境變量

②export EW_VERSION=earthworm_7.9 #定義Earthworm版本的環境變量

③export EW_RUN_DIR=/home/xmzk/earthworm/run #定義Earthworm運行位置的環境變量

④export EW_PARAMS=/home/xmzk/earthworm/run/params #定義Earthworm各模塊參數檔位置的環境變量

⑤export EW_LOG=/home/xmzk/earthworm/run/logs #定義Earthworm日志文件存放位置的環境變量

⑥export EW_DATA_DIR=/home/xmzk/earthworm/run/data #定義Earthworm波形數據文件存放位置的環境變量

（5）拷貝啟動文件

拷貝Earthworm源碼包里params文件夾中的“startstop_unix.d”啟動程序至/home/xmzk/ earthworm/run/params中，并根據自己的環境在文件中增加與刪除功能模塊。

（6）Earthworm運行與開機自啟動

打開終端命令行，鍵入“startstop”命令開啟Earthworm，如果命令行中提示各模塊為alive說明earthworm運行正常，如有些模塊出現zoombi的字樣說明該模塊未正常工作，需單獨檢查該模塊，逐一排錯，對其重新加載或編譯。

4 模塊功能搭建與配置檔案設置

4.1 單一模塊功能在系統中的添加安裝步驟

可以通過以下幾個步驟添加任一模塊功能：

第一步：編譯該模塊的源碼，編譯模塊功能命令：make–f makefile name（模塊名稱），執行完可生成該模塊的可執行程序；

第二步：將編譯完成后的可執行程序拷貝至/xmzk/earthworm/earthworm_v7.9/bin目錄下；

第三步：修改earthworm.d文件，在earthworm.d文檔中新增寫入該模塊名稱id與該模塊數據類型，使得Earthworm系統可識別出該模塊；

第四步：復制該模塊的參數配置文件拷入/home/xmzk/earthworm/run/params中；

第五步：修改startstop.d文件，增加新的模塊，在startstop.d文檔中寫入該模塊的執行文件名稱與配置文件名稱。startstop.d參數檔的作用主要是定義ring的個數與定義需要開啟多少模塊，需要開啟的模塊功能均需寫入該文件中；

第六步：執行recon命令，重載startstop_unix.d文件，即可將該模塊加載到現在運行的Earthworm環境中。

4.2 數據接收模塊的關鍵參數配置與說明

該模塊主要通過修改/home/xmzk/earthworm/run/params/palert2ew.d的參數文件進行配置，其主要參數設置說明如下：

# 參數設置 參數說明

01 MyModuleId MOD_PALERT2EW #該模板實例的模塊ID號

02 RingName WAVE_RING #用于輸入/輸出的共享內存

03 ServerIP 127.0.0.1 #接收套接字的服務器IP地址

04 ServerPort 23000 #接收套接字的服務器端口

4.3 數據流服務模塊的關鍵參數配置與說明

該模塊主要通過修改/home/xmzk/earthworm/run/params/Wave_serverV.d的參數文件進行配置，其主要參數設置說明如下：

# 參數設置 參數說明

01 MyModuleId MOD_WAVESERVERV # wave_server的模塊ID號

02 RingName WAVE_RING #定義從中獲取數據的傳輸內存池的名稱

03 ServerIPAdr 0.0.0.0 #定義運行wave_server的機器的IP地址

0.0.0.0綁定到所有本地可用的IP

04 ServerPort 16022 #配置用于接收請求和發送波的端口號

05 TankStructFile /home/xmzk/earthworm/run/data/p1000-1z.str

#定義tank格式數據結構

# SCNL Record Logo File Size Index Size File Name New

# names size(TYPE_TRACEBUF2 only) (megabytes) (max breaks) (full path) Tank

#EIZ SECTION

06 TankStructFile2 /home/xmzk/earthworm/run/data/p1000-2z.str

#定義tanks格式數據結構

07 Tank D2301 EIZ FJ 00 464 INST_WILDCARD MOD_WILDCARD 40 80 /home/xmzk/earthworm/run/data/D2301_EIZ_FJ_00.tnk

#定義各臺站數據接收檔位置與結構

08 Tank D2302 EIZ FJ 00 464 INST_WILDCARD MOD_WILDCARD 40 80 /home/xmzk/ earthworm/run/data/D2302_EIZ_FJ_00.tnk

09 InputQueueLen 400 #要緩沖的波形數值,一般設為通道數據的兩倍以上

4.4 數據處理——P波拾取模塊的關鍵參數配置與說明

該模塊主要通過修改/home/xmzk/earthworm/run/params/pick_eew.d的參數文件進行配置，其主要參數設置說明如下：

# 參數設置 參數說明

01 MyModId MOD_PICK_EEW #定義模塊名稱

02 StaFile "pick_palert_Z" #定義站名信息的文件名稱,該文件主要是用于定義測

站是否P波識取、STA短周期加速度平均值/LTA長周

期加速度平均值的設置、Pa/Pv門檻值的設置等

03 InRing WAVE_RING #定義從哪個內存池中接收數據

04 OutRing PICK_RING #定義接數據存放至哪個內存池

05 HeartbeatInt 30 #心跳間隔，以秒為單位

06 EEWFile sta_palert_Z #P波形識取參數檔名,該文件主要是定義哪些臺站參

與P波識取計算,每個測站換算成gal的換算關系值,

每個測站是計算加速度還是速度等

4.5 數據處理——地震報告生成的關鍵配置與說明

該模塊主要通過修改/home/xmzk/earthworm/run/params/tcpd.d的參數文件進行配置，其主要參數設置說明如下：

# 參數設置 參數說明

01 MyModuleId MOD_TCPD #該模板實例的模塊ID

02 RingName PICK_RING #定義讀取哪個共享池數據

03 RingName_out EEW_RING #定義接處理數據存放至哪個共享池

04 MagMin 0.5 #地震規模大于0.5規模,產生報告

05 MagMax 10 #地震規模小于10規模,產生報告

#------------ For Small Event #地震報告觸發條件

06 Trig_tm_win 30.0 #定義每個觸發站之間的P波到達時間

07 Trig_dis_win 120.0 #定義每個觸發的站之間的距離

08 Active_parr_win 60.0 #定義每個站的存活時間（秒）,P波到達時間和

當前時間之間

09 GetEventsFrom INST_WILDCARD MOD_WILDCARD TYPE_EEW

#該模塊新創建的數據類型,必須將該類型寫入

earthworm.d文件中

4.6 數據處理——烈度圖生成模塊的關鍵配置與說明

該模塊主要通過修改/home/xmzk/earthworm/run/params/shakemap.d的參數文件進行配置，其主要參數設置說明如下：

# 參數設置 參數說明

01 MyModuleId MOD_SHAKEMAP #該模板實例的模塊ID

02 RingName WAVE_RING #用于輸入/輸出共享內存池

03 LogFile 0 #0關閉磁盤日志文件;1將其打開以記錄到模塊

日志,但不是stderr / stdout

04 HeartBeatInterval 15 #心跳之間的秒數

# Installation Module Message Types

05 GetEventsFrom INST_WILDCARD MOD_WILDCARD TYPE_TRACEBUF2 #該模塊新創建的數據類型，必須將該類型寫入earthworm.d文件中

06 Report_path /home/xmzk/shakemap/ #圖件生成存儲位置

# 將要計算的臺站信息寫入該配置文件中

07 SaveSCNL D2301 FJ 00 24.4646 117.9793 0.060427 0.060427 0.060427

08 SaveSCNL D2302 FJ 00 24.0000 117.0000 0.060427 0.060427 0.060427

09 SaveSCNL D2303 FJ 00 24.0000 117.0000 0.060427 0.060427 0.060427

10 SaveSCNL D2101 FJ 00 24.5384 118.1652 0.060427 0.060427 0.060427

11 SaveSCNL D2201 FJ 00 24.5706 117.9876 0.060427 0.060427 0.060427

12 SaveSCNL D2202 FJ 00 24.6308 118.0840 0.060427 0.060427 0.060427

13 SaveSCNL D2203 FJ 00 24.0000 117.0000 0.060427 0.060427 0.060427

14 SaveSCNL D2204 FJ 00 24.0000 117.0000 0.060427 0.060427 0.060427

4.7 數據存儲模塊的關鍵配置與說明

該模塊的主要通過修改/home/xmzk/earthworm/run/params/ewmseed Archiver.d的參數文件進行配置，其主要參數設置說明如下：

# 參數設置 參數說明

01 MyModuleId MOD_EWMSEEDARCHIVER #該程序的模塊ID

02 RingName MSEED_RING #用于輸入共享池

03 MaxLatency 1 #假設此網絡的最大延遲為1分鐘

04 HeartBeatInt 30 #EW內部心跳間隔（秒）

05 LogFile 2 #如果為0,不要寫logfile;如果1,寫入

logfile,if 2,寫入模塊日志但不寫到

stderr/stdout文件中

# Installation Module Message Type

06 GetMsgLogo INST_WILDCARD MOD_WILDCARD TYPE_MSEED

#該模塊新創建的數據類型,必須將該類型

寫入earthworm.d文件中

07 MaxMsgSize 4096 #輸入/輸出文件最大大小（字節）

08 QueueSize 2048 #消息在輸出循環緩沖區

09 Send_scnl * * * * #存儲所有通道資料

10 Archive /home/xmzk/data/mseed/%Y/%n/%s/%c.D/%n.%s.%l.%c.D.%Y.%j.mseed #存儲位置與格式設置

5 Earthworm系統常用命令總結

在Earthworm應用的過程中，對一些常用命令進行了總結，如表1（Earthworm官方網址，2010）。

表1 Earthworm常用命令

序號命令作 用示例 10ms2tb將miniseed文檔轉成tank文檔ms2tb [-n max-samples] infile >> outfile 11remux_tbu將地震觀測數據資料按時間進行排序remux_tbuf 12tankcut將地震觀測數據進行剪切tankcut -s StartTime [-e EndTime|-d Duration] intank outtank all times for -s and -e options must be in YYYYMMDDHHMMSS format 13dumpwave將tank二進制文檔轉成ASCII文檔dumpwave 14Findwave查看數據池中是否已接收到地震波形數據Findwave WAVE_RING 80 1 out.txt w 15Sniffwave顯示服務器每秒收到封包值Sniffwave WAVE_RING L001 HLZ TW–y 16getmenu檢查waveserverV是否存活，有哪些資料Getmenu 127.0.0.1:16001

6 系統運行情況

6.1 波形數據接收展示

Earthworm地震數據處理系統可以通過swarm實時波形查看工具實時查看接收到的地震波（圖2），下載地址：https://volcanoes.usgs.gov/software/swarm/download.php。

圖2 地震波形實時查看

6.2 Earthworm系統的硬件資源使用

福建省地震局Earthworm系統硬件配置采用一臺HP DL580 Gen9服務器，4顆Inter至強E7-4820v3型號CPU，內存128GB，從系統截圖（圖3）觀察Earthworm各模塊的資源利用率相對較低。

6.3 地震共享池數據結構

Earthworm數據錄入規則是一秒鐘一個封包，采樣數據分別錄入到各自的RING中，均可通過命令sniffwave查看獲取的數據結構，通過sniffwave命令查得RING中每秒鐘的數據結構如圖4所示，主要包括臺站名稱、數據封包時間、封包序列號、包長度、波長電頻信號等信息。

圖3 Earthworm硬件資源使用情況

圖4 PICK_RING數據結構信息

6.4 地震報告產出流程

Earthworm系統在地震到來時獲取4個臺站數據后就可以觸發計算，但還需驗算，通過pick_eew進行P波拾取，再通過tcpd模塊產出地震報告，主要工作流程如下：

第一步：進行autopicking工作，若autopicking的pa及pv大于執行模塊參數文件設定值，則將數據放進PICK_RING里。執行模塊的參數文件中提到的其中一個檔案就是設定picking條件的檔案；

第二步：tcpd模塊會先以PICK_RING的數據進行grouping。采用Geiger method，如果RMS太大，則剔除RMS最大的測站，若小于4個測站則停止計算，若是grouping的觸發測站達到6站則繼續執行計算；

第三步：計算震源坐標（，，）以及發震時間。利用（，，）計算到各個測站的理論走時；

第四步：發震時間加上理論走時，就是理論到時。如理論到時與autopicking的殘差residual太大，則回到第三步，重新計算新的震源（'，'，'），執行后續的步驟。如果residual一直無法收斂，則會將residual最大的測站剔除，再重新計算，若測站數小于4站，則停止計算。

通過該系統接收數據并進行分析，得到地震報告的產出如圖5。

圖5 地震事件報告

6.5 地震圖件生成樣式

通過系統中產生的數據得到的PGA地震加速度峰值分布圖如圖6所示。

圖6 PGA加速度峰值分布圖

7 結束語

Earthworm系統引進了搭積木式模塊化架構理念，將地震數據處理功能需求整合為6個軟件模塊，即數據接收模塊、實時波形查看、自動震相拾取、定位與震級計算、數據格式轉換、數據文件存檔，各模塊各司其職又相互關聯。各模塊之間分工明確，結構簡單，具有優秀系統架構的穩定性、跨平臺性、安全性、可擴展性、可定制化等特點。Earthworm系統運行穩定，功能強大，深受用戶好評。其模塊化設計，將龐大的系統功能分布運行于多臺服務器，降低軟件系統對服務器的性能要求，且架構配置簡單，適合在各種不同規模的地震臺網進行部署，用戶可以根據自己的需求采用不同方法組建系統。

馬強，2008．地震預警技術研究及應用．哈爾濱：中國地震局工程力學研究所．

王喆，2006．高速鐵路地震預警及快速反應系統研究．世界軌道交通，（6）：44—46．

吳永權，黃文輝，2010．數據處理系統軟件JOPENS的架構設計與實現．地震地磁觀測與研究，31（6）：59—63．

Earthworm官方網址，2015. Earthworm Documentation V7.9. (2015-04-24). http://folkworm.ceri.memphis.edu/ew-doc/.

Application of Earthworm on Earthquake Data Processing System in the Fujian Earthquake Early Warning System Project

Fang Weihua, Zhou Lanjie, Yan Pei, Li Wenhui and Wang Hao

(Xiamen Research Center of Seismic Exploration, Xiamen 361021, China)

This paper introduces the Earthworm system developed by USGS, which is an open source software and is written in C language. It consists of various modules and each module has different functions, including data receiving module, P-wave picking module, seismic positioning report output module, seismic event drawing module, and seismic wave storage module. The users can prepare the corresponding functional modules according to their own needs. In this paper we introduce the application of the system in the project of the earthquake early warning system in Fujian Province, including the organization of the Earthworm system, the business process, the main function of the software module and the logical relationship between different modules. The purpose of this paper is to provide the architecture and the application experience of the system, so that it can be applied and promoted in the earthquake study in future.

Earthworm; USGS; Facile seismic intensity meter; Data processing system

方偉華，周藍捷，閆培，李文惠，汪豪，2018．地震數據處理系統Earthworm在福建地震預警系統項目中的應用．震災防御技術，13（1）：226—236．

10.11899/zzfy20180121

福建省簡易烈度計項目（項目編號：2015DZLDY004）

2017-07-05

方偉華，男，生于1982年。工程師。主要從事地震業務系統運維工作。E-mail：258279496@qq.com