0 引言

在中国测震站网建设之初，地震编目便作为地震监测的核心业务备受重视。传统的编目产品包括地震目录和观测报告。地震目录是地震台网在一段时间内观测到的所有地震事件的参数列表，而观测报告是地震台网在一段时间内能够测量到的所有地震事件的震相数据和地震参数的汇总。1979年开始正式出版的《中国地震台网观测报告》中包括用于国际资料交换的国家Ⅰ类地震基本台记录到的全球、特别是发生在中国和邻近地区的地震观测数据，其作为国际合作载体成为国际地震中心(ISC)不可或缺的重要组成部分，提升了中国地震局的国际影响力(孙其政等，2007)。

几十年来，地震编目产品完全依赖于人工对于连续波形的精细分析，随着业务的发展，相应的分析软件系统逐步经历了更新换代。通过中国地震局“十五”重大工程项目“中国数字地震观测网络”的建设，中国建成了由1个国家地震台网和32个区域地震台网组成的覆盖全国的数字化地震监测台网。地震编目业务模式由此发生了重大变化，需要由109个有人值守国家测震台站、32个省级测震台网中心和1个国家测震台网中心协同工作，要求省级地震台的编目人员分析中国及周边地区所有能够识别出的地震，国家测震台的编目人员分析全球范围内5级以上记录清晰的地震，最终汇集至中国地震台网中心，经过统一汇编形成全国统一地震编目产品(Dai et al，2020)于2009年1月1日正式开始，实现了中国测震站网地震目录和观测报告的统一产出。

JOPENS系统(吴永权等，2010)和全国统一编目系统(代光辉等，2019)共同支撑着国、省、台三级地震编目业务，具有接收各地震台站实时波形数据、地震自动触发检测和自动定位、地震编目、数据产出、数据管理和服务等功能。借助上述系统，每年由人工产出约7万条统一快报目录、11万条统一正式报目录以及330万条震相报告，震级范围为-2.0~10.0级，这使得地震编目成为中国测震站网产出体量最大的业务。全国地震统一编目产品一直被认为是中国测震站网最完备和最权威的观测产品，作为地震学不断积累的宝贵资源，在地震活动性分析、发震构造研究、地下结构成像、断裂带精细刻画、诱发地震研究、地震危险性评价、地震预测研究等方面发挥了至关重要的作用。在地震业务方面，编目产品为地震监测、应急、预报、抗震设防等提供了强大的数据支撑。

近年来，随着国家地震烈度速报和预警工程(以下简称国家预警工程)的建设，站网的监测能力获得大幅提升，已从建设前的4000余个站点发展到近18000个站点。地震业务随之对于编目产品的定位精度、产出速度、产出种类有了更高的要求，这就需要设计一种新的系统用于支撑国家预警工程建成后的新编目业务。综合地震波形分析系统便是为了这个目的而设计和实现的，作为国家预警工程软件系统的重要组成部分，系统的总体目标为：具有远程综合协同分析、统一编目的能力。地震台网在自动编目的基础上，对连续波形数据、事件波形数据进行进一步人机交互的分析处理，实现地震基本参数、震源参数、震源机制解、地震动参数等分析工作的日常化，在传统目录的基础上，将震源参数、震源机制解、地震动参数目录等数据产品加入扩展地震目录，综合产出全国统一地震目录与观测报告，服务于地震预报、地震应急、震害预测与地震研究。本文从系统概况、功能实现、关键技术和核心方法、业务应用等四个视角详细介绍综合地震波形分析系统，以期行业内外的专家学者认识和了解该系统，从而为该系统及其支撑下的新地震编目业务产品提供更加广阔的应用空间。

1 系统概况

按照业务层级划分，国家预警工程自下而上分为感知层、数据层、支撑层、处理层、服务层和用户层共六层，技术支持与保障体系和通信网络体系贯穿所有层级，为各层级提供基础支撑(图 1)。综合地震波形分析系统位于国家预警工程的处理层，在波形交换管理系统、消息交换与参数管理系统、技术支撑系统等的支撑下，与地震预警系统、地震参数速报系统、地震烈度速报系统并列为四大处理系统。

综合地震波形分析系统通过HTTP协议在指定网络端口与波形交换管理系统、地震预警系统、地震参数速报系统、地震烈度速报系统、消息交换与参数管理系统、监控与运维系统及技术支撑系统进行数据交换，能够从波形交换管理系统获取连续波形数据或事件波形数据进行人机交互分析处理。通过消息交换与参数管理系统获取自动产出的地震目录、震相报告、震源机制、震源破裂过程、强震动参数等结果，开展人机交互综合分析，经过人工精细分析，产出中国测震站网地震编目产品，包括基本参数、震源机制、震源参数、地震目录和观测报告等，最终通过地震台网服务平台进行产品服务。

综合地震波形分析系统基于Java语言开发，服务器端适配FreeBSD操作系统，可在Tomcat、Wildfly平台上应用；客户端适配FreeBSD、Windows等操作系统，支持chrome、firefox等网页浏览功能。系统共包括3个子系统和14个模块，3个子系统分别为震源参数精细分析子系统、数据产品综合分析子系统、强震动数据处理子系统(图 2)。综合地震波形分析系统能够对海量的原始观测数据进行深度加工和精细分析，最大限度地开发利用基准站、基本站和一般站三类台站资源，实现三网融合下的编目业务产品产出，包括统一地震目录、观测报告、震源参数、强震动参数等种类丰富、品质优良的多元化精细地震科学数据产品，为研究地球内部结构、大地构造活动过程、震源区发震构造特征、未来地震活动趋势等提供数据服务。

2 功能实现 2.1 模块设计

综合地震波形分析系统主要用于地震编目业务，涉及各类自动结果的人工校核、日常地震分析与地震编目，最终产出地震编目产品。包括对连续波形数据、事件波形数据进行精细化处理，并与自动处理系统相结合，在传统地震台网地震基本参数产出的基础上增加震源机制和震源参数。下设的3个子系统功能独立，采用模块化的设计实现子系统的功能，子系统之间通过数据库连通，形成完整的数据流程(图 3)。

震源参数精细分析子系统主要在传统地震台网地震基本参数产出的基础上增加震源机制和震源参数，包含地震波形人机交互精细分析、地震基本参数精细测定、震源参数测定、震源机制解测定4个模块。其中，地震波形人机交互精细分析模块用于打开波形进行人机交互操作，展示自动定位标注的震相，提供震相辅助分析功能，方便地震震相的人机交互标识；地震基本参数精细测定模块用于提供人机交互定位功能，产出可靠的地震基本参数；如果震级达到产出地震震源参数和震源机制解的要求，那么将通过后两个模块进行计算，从而获得地震应力降、震源破裂尺度、震源机制解等震源信息。震源参数精细分析子系统产出的参数通过事件ID汇交到编目数据库，为综合分析处理做准备。

强震动数据处理子系统是在传统测震分析的基础上新增实现强震动数据处理功能，提供地震波形人机交互数据预处理功能，在自动产出的基础上，对事件波形数据进行进一步分析，计算得到地震动参数，可以导出强震地震元数据、强震动地震记录波形，产出地震台网的强震动观测报告，包含加速度预处理、速度位移时程转换、幅值及烈度计算、谱值计算4个模块。首先，利用加速度记录预处理模块对加载数据进行去均值和去线性等预处理；随后，利用速度位移时程转换模块对预处理后的加速度事件波形记录进行积分与校正处理，生成速度时程和位移时程；利用幅值及烈度计算模块计算PGA、PGV、PGD、仪器烈度、持时等参数；再利用谱值计算模块计算傅氏谱、反应谱、三联谱等谱参数。强震动数据处理子系统产出的参数通过事件ID汇交到编目数据库，为综合分析处理做准备。

数据产品综合分析子系统包含地震基本参数汇集与综合分析、震源参数汇集与综合分析、震源机制解汇集与综合分析、地震动参数汇集与综合分析、地震目录与地震观测报告产出和数据归档共6个模块。地震基本参数汇集与综合分析模块实现全国地震台网的编目结果的增加、删除、匹配等功能，使用统一编目功能对各台网的震相进行联合定位，产出地震基本参数、定位质量参数、震级参数和震相数据；震源参数汇集与综合分析模块综合处理各台网的震源参数结果，包含中小地震的震源参数和大震的震源破裂过程参数；震源机制汇集与综合分析模块综合处理各台网的震源机制结果，包含多种方法的处理结果；地震动参数汇集与综合分析模块综合处理各台网的强震地震动参数结果；地震目录与地震观测报告产出模块产出全国统一地震目录与地震观测报告、非天然事件目录与观测报告、强震地震动观测报告，也可单独产出震源参数目录、震源机制目录和余震目录。最终，通过数据归档模块对地震事件和编目产出产品进行归档，并提供数据库查询与管理功能。

2.2 数据库设计

关系型数据库应用技术作为大数据时代信息领域支撑基础和软件学科的重要分支，仍然是计算机领域中最为广泛的应用技术(颜清等，2020)。综合地震波形分析分系统须满足编目业务中多角色、多用户的需求，特别需要保证数据操作的完整性和一致性，同时在数据传输安全性方面要求极高。鉴于此，综合地震波形分析系统选择了关系型数据库Mysql数据库做结构化数据库服务，其具有稳定可靠、可弹性伸缩等优点，能够支持多租户模式，支持单节点和高可用的部署架构，满足共用服务的需求。

综合地震波形分析系统的数据库实体关系主要有2个：台站仪器参数实体关系和业务数据实体关系。其中，台站仪器参数实体关系包括台网信息(Network＿info)、台站信息(Station、Station＿info)、通道信息(Channel、Channel＿info)、仪器信息(Instr＿dic、Instru＿manage)等数据表之间的关联。台网信息与台站信息，台站信息与通道信息，台站信息与仪器信息均为一对多关系。

业务数据实体关系是综合地震波形分析系统数据库关系的核心，体现地震基本参数(Catalog)、震相数据(Phase)、震级数据(Mag，Magtype＿dic)、地震事件(Event＿info)、地震事件波形数据(Waveform＿event)、震源机制参数(Momenttensor)、震源破裂参数(Sourceprocess)、中小地震震源参数(Sourceparamater)、地震动参数(GroundMotion)等业务数据之间的关系(图 4)。地震事件与地震基本参数为一对多关系，地震事件与地震波形数据为一对一关系，地震基本参数与震相数据和震级数据为一对多关系，地震基本参数与震源机制参数、震源破裂参数、中小地震震源参数、地震动参数等其他所有业务数据为一对多关系。综合地震波形分析系统强大的数据库设计形成了连接各子系统和模块之间的高速路，承载着新地震编目业务的核心参数和产品。

3 关键技术和核心方法 3.1 关键技术

综合地震波形分析系统采用服务化架构设计、全面解耦原则、业务逻辑和数据解耦、系统各部件解耦；构建分层分级、开放的技术架构，各层职责分离，独立演进。基于对业务模型的把握，按照功能流程分段或功能域对系统进行合理拆解。

各子系统基于Wildfly+Mysql+ActiveMQ+JavaEE+SWING构建应用，前后端分离、轻量级的应用能够重点发挥其业务处理主干作用，保持业务的连续性、稳定性、易操作性。

系统前后端整体采用JavaEE开发，部分程序(如外挂的定位程序、震源参数计算程序等)采用fortran或C语言开发。前端的界面采用JAVA swing开发，后端采用Wildfly作容器，业务系统的消息传输采用消息中间件ActiveMQ，结构化数据采用Mysql数据库进行存储。

3.2 核心方法

综合地震波形分析系统的传统产出采用稳定可靠的经典方法，同时为了提高编目工作的效率，节约人力，综合地震波形分析系统也吸取了近年来提出的新方法，如模板匹配方法扫描定位余震序列。对于震源参数、震源机制、破裂过程等扩展产出的观测产品，综合地震波形分析系统也提供了相应的算法支持。如将时间域矩张量反演方法(TDMT)用JAVA语言改写，集成到综合地震波形分析系统中。采用调取外挂程序的方式实现了震源参数、震源机制(SEIS-CAP和WPhase)和破裂过程的计算。

3.2.1 地震定位

为解决不同情况下的地震定位问题，综合地震波形分析系统对于不同震中距范围、不同震源深度、不同台网布局以及不同速度模型采用了不同的地震定位方法，包括单纯型法、自适应演化算法、HypoSAT、LocSAT、HYP2000、ISCloc、ISCloc2、Hyposat 3D、Loc3dSB、深度震相定位、单台定位法和模板匹配方法。

单纯型法(Nelder et al，1965)和自适应演化算法能够用于地方震、近震、远震的定位，通过单纯形和遗传算法对地震的发震时刻和位置进行优化搜索，使得参与定位的震相的实际到时和理论到时的残差最小；Hyposat(Schweitzer，2001)能够用于地方震、近震、远震定位，根据一维分层速度结构模型计算理论震相到时，通过线性迭代最小二乘反演得到震源位置和发震时刻；Hyposat3D用于地方震、近震定位，走时是通过基于三维网格点速度模型的正演计算获得，反演算法与Hyposat相同；LocSAT(Bratt et al，1991)能够用于地方震、近震、远震、深震的定位，通过线性迭代最小二乘反演来获得震源位置和发震时刻；由于南北地震带南段和北段有很大的速度差异，综合地震波形分析系统中采用Lo3dSB用于南北地震带北段地震的定位，其走时基于三维网格点速度模型计算，定位的反演算法为单纯形；HYP2000(Klein，2002)用于地方震、近震定位，通过配置和选择区域一维速度模型来计算理论到时，通过线性迭代最小二乘反演得到震源位置和发震时刻；深度震相定位用于确定震源深度，在确定了震中位置后，根据Pn与Pg或sPn与Pn的到时差来确定震源的深度；单台定位法用于单台定位地方震、近震、远震，利用单个测震台站的三分向初至波半周期波形，通过极化分析方法得到地震的方位角，再根据S-P到时差，估计出震中距，从而获得震中位置；ISCloc(Bondár et al，2011)用于多台网联合定位，采用线性迭代最小二乘反演算法，需要初始地震目录，定位中震相的权重能根据走时残差、震中距和方位角密度自动进行调整，有利于大范围震相到时的联合定位；ISCloc2是ISCloc的升级版，当一个地震事件有多个不同来源的地震目录时，利用领域算法从中搜索更好的震源初始位置，同时增加三维莫霍面下的Pn、Sn到时计算；模板匹配方法(Zhang et al，2015)通常应用于余震序列检测，利用模板地震采用波形互相关检测和定位地震。

3.2.2 震级计算

综合地震波形分析系统中的震级计算按中华人民共和国国家标准GB 17740-2017《地震震级的规定》(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2017)给出各种震级的测定值，在提供震级自动量取功能的基础上，提供辅助界面来判断计算结果可靠性。为便于新旧业务衔接，系统也提供旧震级标准GB 17740-1999《地震震级的规定》下震级的计算。

3.2.3 震源参数计算

中小地震的震源参数计算是利用外挂的SOURCE软件(华卫，2007)。在震源满足Brune圆盘模型的假设条件下，从观测谱中消除仪器、噪声、几何扩散、传播路径的介质衰减、台站场地效应等影响，采用Brune圆盘模型拟合震源谱后，通过对震源位移谱的分析，利用拟合观测谱与震源谱，使得其残值最小，求得理论震源谱和拐角频率，进而得到标量地震矩、应力降、拐角频率、震源半径及矩震级等参数。

3.2.4 震源机制计算

对于区域内矩震级在3.5≤M_W＜7.0的地震，可采用SEIS-CAP软件进行震源机制计算，该软件核心算法是CAP方法(Zhu et al，1996)，该方法将区域台网记录到的宽频带地震波的体波和面波部分先分别截取出来，再通过给这两类数据赋予不同权重的方式来联合反演地震的震源机制解。

对于区域内M_L≥4.0的地震，可采用综合地震波形分析系统中的J-TDMT程序求解地震的解矩张量。J-TDMT程序的核心算法为TDMT时域矩张量反演算法(Dreger，2003)，利用区域台网的宽频带三分向测震台站记录到的PnL波，通过观测波形与格林函数的线性拟合，得到地震的矩张量解，最后计算出震源双力耦分量的震源机制解。

对于矩震级M_W≥6.5的大震，采用Wphase方法(Duputel et al，2012)，由于W震相为P、PP、SP和S等多个震相的叠加，理论波形基于简振正型叠加法计算获得，该方法通过拟合远台记录的W震相来反演地震的震源机制解。

3.2.5 破裂过程计算

大震震源破裂过程主要采用近场强震动资料IDS方法(Zhang et al，2014)和远场宽频带测震波形的方法(张勇，2010)确定地震的震源破裂过程，使用全球速度模型计算格林函数。该方法需要首先确定地震基本参数和断层面参数，用于反演时使用。根据主震的地震事件波形反演计算矩震级、断层长度、断层宽度、滑动率、最大滑动量、应力降、破裂速度、断层面静态位错数据等，最终给出震源时间函数和时空破裂过程图件。

3.2.6 强震动数据处理

强震动数据处理(马强，2002；李亮等，2014；金星等，2013)利用加速度记录预处理模块对加载数据进行去均值和去线性等预处理；再利用速度位移时程转换模块对预处理后的加速度事件波形记录进行积分与校正处理，生成速度时程和位移时程；使用地震动参数计算模块计算峰值地面加速度PGA、峰值地面速度PGV、峰值地面位移PGD、仪器烈度、持时等参数；利用谱值计算模块计算傅氏谱、反应谱和三联谱，得到谱参数。

4 业务应用

国家预警工程建成后，新的地震编目业务仍然沿用国、省、台三级业务架构，包括166个国家台(中心站)、31个省级中心(省地震台)和1个国家中心(中国地震台网中心)三级业务产出，业务流程如图 5所示。其中国家台承担全球大震的震相分析任务，并提交结果到国家中心数据库；省级中心负责行政区及周边范围内所有地震事件的分析，产出地震目录及震相数据，对于达到震级下限的事件，要产出震源参数、震源机制、破裂过程、强震地震动等参数，将结果提交本地数据库的同时提交国家中心数据库。国家中心负责汇集国家台和省级中心的结果，开展地震分析和联合定位，将统一编目数据库中提交的地震事件进行震相的删选和重新定位，对于多个台网产出的震源参数、震源机制、破裂过程、强震地震动等参数进行综合处理，最终产出参数更合理、内容更丰富的中国地震台网统一地震目录和地震观测报告，最终完成全国统一编目的产出、管理和服务。

为满足上述新业务的需求，综合地震波形分析系统针对不同角色和所承担的业务设计了三个版本：国家台版本、省级中心版本、国家中心版本(图 6)。在综合地震波形分析系统的支撑下，相对于旧业务，新的编目业务发生了重要改变，主要体现在四个方面：一是改变了国家台原有基于FTP的数据传输方式，实现了与国家中心数据库的直连，提升了全球大震参数的传输和处理效率；二是使得省级中心具备了“三网融合”的地震分析能力，明显提升了地震事件的定位精度；三是在国家中心实现了联合定位功能，能够更加合理地利用近远台进行地震定位和震级计算，实现了国内外地震编目产品的同步产出；四是扩展了地震编目业务产品的产出种类，在传统的地震目录和震相参数产出的基础上，扩展出十多种参数，涉及震源参数、震源机制、破裂过程、强震地震动等产品的参数，为地震编目业务更好地支撑业务发展和科学研究奠定了基础。

按照国家预警工程的统一建设要求，综合地震波形分析系统于2023年6月1日开始在全国范围内测试运行，通过在国、省、台三级的集成化部署，实现了全国统一地震目录、观测报告、震源参数、震源机制解、大震破裂过程和强震动参数的日常产出工作。截至2023年12月26日，全国共产出1万余次地震的基本参数(图 7)和数十次震源机制解(图 8)以及零频谱值、拐角频率、标量地震矩、应力降、震源半径和矩震级等震源参数。

5 结语

国家预警工程的建成使得中国测震站网成为全球规模最大的地震监测台网，随着国家预警工程软件的交付和测试运行，新的地震监测业务正在有力地推动着中国防震减灾事业的发展。本文详细介绍了综合地震波形分析系统的系统概况、功能实现、关键技术和核心方法以及业务应用，阐述了其如何在国家预警工程建成后支撑新的地震编目业务。虽然综合地震波形分析系统已经经过了测试运行，但是为了保障业务的顺利过渡和切换，还将在新旧两套业务系统并行的基础上，进行严谨科学的对比分析，这将是综合地震波形分析系统面临的真正考验。

同时，随着大数据和人工智能技术的飞速发展，地震编目数据已成为地震学中能够提供的最重要的大数据源。2023年，中国地震台网中心利用2009—2022年间积累的4500多万条人工编目标注数据制作了全球最大规模的地震学标准数据集：中国测震站网完备数据集(CSNCD)(安艳茹等，2023；An，2024)，为机器学习等算法提供海量的优质学习样本，促进人工智能在地震监测等领域的应用。这些成果是对原有地震编目业务产品价值的集中体现，而在新的地震编目业务体系下，由综合地震波形分析系统支撑的地震编目业务产品无论从体量还是种类上都蕴含着难以估计的能量，势必为地震学研究和地震事业发展提供更为强大的数据驱动。可以预见，在未来数年内地震编目业务还将迎来重要变革，以大数据和人工智能技术为动力，以云计算和云存储为支撑的全国协同地震编目业务将实现综合地震波形分析系统的更新换代，稳步将地震编目业务推向新的高度。