0 引言

我国位于环太平洋地震带与欧亚地震带之间，受太平洋板块、印度板块和菲律宾海板块的挤压，地震断裂带十分活跃，是地震灾害频发的国家。我国一贯重视地震监测和震害防御工作，积极尝试采取有效措施切实抵御地震风险，减轻地震灾害。基于实时观测台网的地震预警(Earthquake Early Warning System，EEWS)和烈度速报系统成为全球日益普及的主要防震减灾手段，美国、日本、墨西哥、土耳其和中国台湾地区在20世纪末和21世纪初相继建立了实用的地震预警系统，一些系统已经受了地震考验，并积累了许多成功经验(Allen et al，2009；Erdik et al，2003；Espinosa-Aranda et al，1995；Hsiao et al，2009；Kamigaichi et al，2009；Wurman et al，2007；Zollo et al，2009；蒋长胜等，2016；陈美蓉等，2023)。2008年汶川地震之后，我国的地震预警系统建设也逐渐提上日程，在国家科技支撑计划项目“地震预警与烈度速报系统的研究与示范应用”、“中国地震局背景场探测项目”和“国家地震社会服务工程”等项目的支持下，中国地震局启动了地震烈度速报与预警关键技术研究、原型软件开发、重点地区示范应用和标准规范预研究。此外，一些民间企业也在开展地震预警系统的相关研究和建设。

2010年1月，中国地震局启动国家地震烈度速报与预警工程(以下简称“预警工程”)项目立项建议书的编制工作。2015年6月，该项目建议书经中华人民共和国国务院常务会议同意后获批，历经可行性研究、初步设计等，于2018年7月启动建设(杨陈等，2018；赵国峰等，2022)。该项目的建设实施，将弥补我国在防灾减灾救灾体系中的短板，提升地震灾害应急处置能力。预警工程由台站观测系统、通信网络系统、数据处理系统、信息服务系统及技术支持与保障系统5部分组成。定制软件是预警工程的核心系统，业务功能涉及预警业务全链条处理过程，在预警业务中起到承上启下和监控管理的作用(金星等，2023；马强等，2023；肖武军，2023)。

1 总体架构 1.1 系统功能

根据定制软件业务逻辑，定制软件包含数据处理核心处理、消息交换与参数管理、紧急地震信息服务、监控与运维及技术支撑5个软件系统。结合业务功能分工，数据处理核心系统又细分为波形交换管理分系统、地震烈度速报分系统、地震预警分系统、地震参数速报分系统、综合地震波形分析分系统。其中波形交换管理分系统用于观测数据汇集和存储；其他4个分系统用于分析、判断、加工实时观测数据，及时产出烈度速报、地震预警、地震参数速报和地震编目信息。

定制软件总体规划设计为9个分系统，分别为：波形交换管理分系统、地震烈度速报分系统、地震预警分系统、地震参数速报分系统、综合地震波形分析分系统、消息交换与参数管理分系统、紧急地震信息服务分系统、监控与运维分系统及技术支撑分系统。定制软件系统功能见图 1。

1.2 数据流转关系

定制软件作为一个整体，数据流转关系是总体架构的关键环节，可分为台站到数据中心、数据中心的数据处理系统内部流转、紧急地震信息服务到各接收端软件等阶段，并包含跨越各个阶段的监控数据流向(图 2)。

台站观测系统：实时监测地震地面运动的速度和加速度。

数据处理系统：分析、判断、加工实时观测数据，实时产出地震预警、地震速报、烈度速报信息并通过消息交换与参数管理系统推送到信息服务系统。

紧急地震信息服务系统：接收数据处理系统推送的地震信息，通过各种媒介和服务终端推送至社会公众和行业用户。

监控与运维系统：监控台站观测系统、数据处理系统、信息服务系统、通信网络系统的运行状态，评估系统运行质量，进行设备巡检和维修，并将监控结果实时反馈给数据处理系统，确保技术系统良好运行。

技术支撑系统：支撑定制软件系统运行，统一管理基础地理信息数据和基础地震信息数据并提供给数据处理系统使用，同时对业务数据进行展示。

1.3 软硬件平台

预警工程建设了高性能计算存储平台，通过虚拟化管理平台对计算和存储资源统筹统管，实现弹性按需分配，具备高效的资源使用和管理能力。

定制软件基于Windows和Unix系统实现，在硬件平台上部署数据库、数据流、信息转发中间件及虚拟存储计算资源，形成十万台级数据的实时汇集能力和超过每日3TB原始数据的实时处理能力。主要分为泛信息管理类应用、数据处理应用和接收应用三个方面。

泛信息管理类基于JavaEE开发Web应用，后端采用Spring Boot开发框架，前端采用VUE.JS框架，通过轻量级的REST接口与后端交互。

数据处理基于C/S框架构建。服务端软件基于Java、Phython开发。客户端采用Java Swing技术构建，并在运行时整合C语言、Fortran语言的计算能力，实现灵活、快速响应业务需求。

接收预警信息的移动应用基于iOS/Android客户端，通过HTML5构建交互界面，实现消息接收和发布。

1.4 海量数据存储

预警工程数据主要包含波形数据(MiniSEED)、事件波形数据、监控数据和业务数据(仪器参数、地震信息、日志等)。

波形数据基于内存/分布式缓存Redis，采用MySQL/GaussDB数据库进行存储。事件波形数据基于MySQL进行存储，支持通过内存/分布式缓存提供数据服务。监控数据通过Kafka传输，存储在openTSDB数据库。业务数据的交换通过ArteMis(ActiveMQ)实现，根据数据类型不同分别存储在MySQL数据库、NFS共享存储或ELK日志管理平台。

其中，波形数据存储又根据波形数据查询调用的情况设置三层存储服务机制：在内存文件系统中保存2h内热点波形数据，应对地震发生后短期内高频查询；通过分布式文件存储中期波形数据(可指定时长，例如一年以内)；通过中国地震台网中心数据资源池完成波形数据的永久存储。

2 分系统功能和性能指标 2.1 分系统功能

为提升全国范围的地震速报时效和精度，实现地震预警和精细化的烈度速报，从获取数据、数据处理的主要方式方法和最终的服务或者产出三个方面介绍各分系统功能(表 1)。

2.2 性能指标

为实现预警和烈度速报服务能力，定制软件要具备低延时、高可靠度、高处理性能。从软件的处理计算性能和产出时效两个方面介绍软件各分系统的性能指标(表 2)，其中计算性能指标的数据读取和处理以100个100Hz站点1h的数据为基础，分析处理能力均在指定硬件条件下。技术支撑分系统的功能没有时效性的要求，因此未提出计算性能指标和产出时效指标。

3 软件部署

定制软件各分系统按照业务需求分别部署到3个国家级中心、31个省级中心和173个市级中心。各分系统部署情况见表 3。

4 典型震例应用

使用定制软件产出的地震信息能反映定制软件的功能性能和运行状况。下面以2022年四川泸定6.8级地震为例，展示定制软件的地震信息产出情况。

2022年9月5日12时52分18秒，四川甘孜州泸定县(29.59°N，102.08°E)发生6.8级地震，震源深度16km。应用定制软件产出该地震的地震信息如下。

(1) 地震预警信息

震后6.3s发布第一报(5.9级)，震后12.2s发布第二报(6.5级)，震后19.2s发布第三报(6.8级)，详见表 4。

(2) 烈度速报信息

震后6分8秒产出地震仪器烈度图和地震推测烈度图，见图 3。

仪器烈度图是距离震中附近烈度仪的烈度记录分布。本次地震距离震中4km的仪器记录烈度为9.1度，距离震中49km的仪器记录烈度为6.4度。

地震推测烈度图是根据仪器烈度插值绘制的震中附近乡镇烈度图。此次地震的最大烈度为9度，6度区及以上总面积约为18352km²，涉及63个乡镇。

(3) 参数速报信息

参数速报系统在震后182s发出(按现行规则要求，4.5级以上地震等待180s)自动速报结果(AU)，四川省级中心在震后5分26秒完成地震初报，震级偏差0.1级。中国地震台网中心正式速报结果在震后11分16秒发出。具体情况见表 5。

(4) 震源参数产出

震后11min左右产出第1报地震矩张量解，矩震级为M_W6.8；震后15min更新为矩震级M_W6.6，产出时间均优于产出时限要求(1h)，具体情况见表 6。

震后约1h产出震源破裂过程。结果显示：裂面呈NNW-SSE走向，破裂由震中向SE方向延伸，由深部向浅部朝断层上倾方向(震中西侧)扩展。最大破裂点位于震中SE方向10km附近、地下5km处，最大滑动量约0.8m，破裂持续时间约15s，此次地震破裂过程相对简单，只包含一次破裂事件，集中发生在6~12s。具体破裂过程见图 4。

(5) 紧急地震信息服务

四川紧急地震信息服务平台于12时52分26秒开始向全省地震预警终端、手机APP、第三方平台等推送地震预警信息，其中震后6.2s发布第一报(震级5.9级)，震后12.2s发布第二报(震级6.5级)，震后19.2s发布第三报(震级6.8级)。预警终端响应界面见图 5。

5 国内外主要地震烈度速报与预警系统对比

国内外主要地震烈度速报与预警系统技术路线相近，但本文定制软件采用了更多的技术手段提高预警速报准确度和防止误触发。从波形数据延时、预警用时、算法和烈度速报等方面，与美国和日本等主要地震烈度速报与预警系统进行对比可看出(表 7)，国家预警工程定制软件具有传输延时小、首报快等优势。

6 关键技术与创新

定制软件的总体设计在满足实用性、稳定性、可扩展性等基础上，采用多种技术手段提升速报预警服务质量和提高专业基础设施运维服务管理水平，从而实现“少漏报、不误报、结果合理”。关键技术与创新主要有以下几个方面。

(1)“多网融合、一网多用”的实时处理平台

预警工程建成了全球最大规模“三网合一”实时传输的地震观测台网，其中包括基准站1928个、基本站3114个、一般站10349个。定制软件完善了实时观测数据传输、通讯协议，首创采用“快流”数据传输协议，实现了0.5s数据的快流传输，实现了低延时数据的稳定高效传输。建成了测震、强震动、烈度和GNSS等测震观测网的“多网融合、一网多用”的处理平台。

(2)“全国一张网”的信息决策

定制软件采用省级、国家级系统级联模式，将全国预警、参数速报、烈度速报信息综合判断，合成为一个结果对外发布。满足了“一张监测网、一套处理系统、一套产出结果”的需求，实现了“全国一张网”的信息决策，统一对外发布，确保地震信息产出的唯一性，降低误报和漏报的可能。

(3)“监控处理一体化”的监控运维体系

监控与运维分系统承担全国地震烈度速报与预警工程的运行维护功能，完善了地震监测站网运维流程，提高效能，保障预警工程观测仪器设备的良好运行，实现站网信息与处理系统联动。国家中心、省级中心和中心站之间实现信息同步，实现对观测系统、处理系统和信息发布系统自动监控，展示和监控各个系统的运行状态，评估系统运行质量，对基准站、基本站和一般站观测设备进行检测和维修，支持台站观测设备的在线检测，保障台站观测设备的正常运行，为国家地震烈度速报与预警工程的运行维护提供有效的技术支撑。

(4)“国省协同更新”的设备全生命周期管理系统

预警工程实施前，中国地震台网中心主要通过省局定期上报报表实现站点信息、仪器参数的更新和汇总，需要人工校核管理且信息相对滞后。设备全生命周期管理系统实现了台站参数、仪器参数和系统运行参数的全国联网管理，建立全国台站参数的更新、交换同步机制，提升仪器参数准确度，提高管理效率和观测数据可用性。

(5)“秒、分钟、小时级”持续产出的地震信息

预警工程建成后，可以持续产出更多更丰富的地震信息，包括震后4~6s内产出地震预警信息、震后2min内产出地震三要素、震后10min内产出并随信息量增多而更新的烈度速报信息、震后1h内产出地震参数信息和矩张量解、震后24h内产出震源破裂过程分析结果。实现“秒、分钟、小时级”的地震信息持续产出。

7 结语

预警工程定制软件通过生成地震预警、地震烈度速报、地震参数速报、地震动参数速报等信息，为政府应急决策、公众逃生避险、重大工程紧急处置、灾情快速评估等提供紧急信息服务，充分发挥社会效益、行业效益、减灾效益、科技效益，为政府、公众、各行业提供更快更准形式多样、产品丰富的优质服务，有效减少地震造成的人民生命和财产损失。

定制软件的总体设计契合预警业务功能需求，设计的实现将使得预警工程具备高稳定性、低延时、高可靠度、高处理性能的数据处理、紧急地震信息服务、数据综合服务和技术支持与保障能力，使地震预警和烈度速报两大功能得到落实，使工程项目的防震减灾效能得到切实体现。