0 引言

我国强震动台网的发展经历了不同阶段。“十五”期间，国家在21个地震重点监视防御区建设了1154个自由场触发式固定强震动观测台、310个烈度速报子台和12个强震动观测专用台阵(周雍年，2006)，形成了国家数字强震动观测台网。“十一五”背景场项目建设了236个台站，其中包括160个实时台站。之后，各省、市、自治区和地方政府又投资建设了一大批强震动观测台站，多为触发式强震动台站，台网规模不断扩大(吴华灯等，2011)，全国布设的强震动台站达到2300多个。近年来，随着国家烈度速报与预警工程的推进，中国强震动观测站点数量迅增。预警项目中基准站、基本站和一般站三类站点的观测数据均具备强震动观测分量，其中近1000个基本站是由国家数字强震动观测台网中的站点升级改造而成。现阶段我国强震动观测站点包括国家地震预警台网的5130个强震仪和10769个烈度仪，及国家数字强震动观测台网中1000多个强震仪，所有新建、已建、改造的强震动观测站点共计16000余个。

强震动观测数据不仅数据量日益庞大，种类多样，时效性要求也越来越高，数据应用目的不一，如何设计高效通用的数据处理平台成为业务工作的重点。我国建成的强震动观测台网，长期缺乏一套集数据汇集、自动处理功能于一体的全国统一技术平台，信息化程度和产品产出效率较低，产品种类不完备(吴华灯等，2020)。目前，仅有部分省局主自研发或使用第三方开发的简易版台网管理软件，半自动地实现了数据的收集和处理(刘琼仙等，2008)。总体上，强震动台网数据汇集和处理存在速度慢、效率低、工作负荷重等问题，远远满足不了现阶段海量强震动观测数据在处理时效性、格式标准化、产品丰富度等方面的需求。因此，开发了适用于兼容多类加速度观测站点且具备数据快速汇集、数据自动处理、数据归档等功能的强震动数据处理系统。

本文介绍了国家测震台网中心强震动数据处理系统，首先分析系统的建设背景和业务需求，并从系统的业务功能、运行流程及数据支撑等方面阐述了该系统的技术构成，详细论述了组成系统的各功能模块的关键技术和算法及其应用情况，最后总结该系统的特点，并结合系统现有建设情况和实际需求，提出下一步完善计划。

1 系统架构设计 1.1 系统架构

强震动数据处理系统采用全面解耦原则，对业务逻辑和数据进行解耦，对平台和应用进行解耦，构建服务端与交互前端分层的技术架构(图 1)。根据业务场景，构建以Java技术体系为主，C语言和Fortran语言为辅的开放技术生态。

1.2 功能组成

强震动数据处理系统提供地震波形人机交互数据预处理界面，对加速度记录进行预处理，进一步分析预处理后的加速度事件波形数据，计算得到包括峰值加速度(PGA)、峰值速度(PGV)、峰值位移(PGD)、仪器烈度、持时等地震动参数，傅氏谱、反应谱和三联谱等谱值数据，可以导出元数据以及强震动地震记录波形，并对各类数据进行归档存储。

强震动数据处理系统包含加速度预处理模块、速度位移时程转换模块、地震动参数计算模块、谱值计算模块、数据归档模块。系统模块功能见表 1。

1.3 数据处理流程

强震动数据处理系统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；其次利用速度位移时程转换模块，对经过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PGA、PGV和PGD值以及仪器烈度、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，导出谱参数；最终使用数据归档模块导出强震动记录和元数据，用于归档和服务。强震动数据处理流程见图 2。

1.4 强震动观测数据情况

国家中心强震动数据库包括触发式强震动台站的观测数据和预警工程中基准站、基本站、一般站三类实时传输式加速度观测数据。触发式强震动观测数据主要是2007年以来触发式台站获取的4级以上地震或峰值加速度PGA≥10gal的记录，记录起止时间为地震发生前30s和地震结束后30s，采样率为200sps，原始数据格式为EVT、XMR、GBR、GSR、MRF等。预警工程中三类台站均为实时数据，采样率为100sps，基准站和基本站可回收200sps采样率的事件波形数据，原始数据格式为miniSEED。

强震动数据处理系统涉及的支撑数据主要有波形数据、目录及震相数据、台站仪器参数，均为本系统进行后续计算分析的输入数据。波形数据是本系统的基础数据，可细分为在线波形数据、AWS连续波形数据、归档波形数据、在线地震事件数据，数据采样率为100sps和200sps。目录数据可分为地震基本参数、在线震相数据、离线震相数据。台站仪器参数包括台站参数和仪器参数。

本系统的产出包括强震动记录、地震动参数和强震动元数据。强震动记录包括原始加速度时程、校正后加速度时程、积分后的速度时程、积分后的位移时程、反应谱、傅氏谱、三联谱等。这些记录均由按规定格式生成的头段数据和记录波形数据两部分组成，并以ASCII码给出。地震动参数包括PGA、PGV、PGD、持时参数、仪器烈度等。强震动元数据包括地震元数据、台站元数据、记录元数据和仪器元数据。

2 关键技术与算法

强震动数据处理系统通过加速度预处理模块、速度位移时程转换模块、地震动参数计算模块、谱值计算模块、数据归档模块实现其功能需求。

2.1 加速度预处理模块

加速度预处理模块分为导入采样率200sps的原始数据、打开采样率100sps的原始数据和数据预处理三个子模块。该模块提供人机交互分析界面，可对波形进行显示和浏览，对加速度事件波形数据进行去均值和去线性等预处理(谢礼立等，1982)，可以从历史数据中根据时间段、事件、台站等条件选择波形数据和震相数据，并进行导入和加载(吴峥等，2020)。

2.2 速度、位移时程转换模块

速度、位移时程转换模块分为波形展示、速度时程和位移时程三个子模块。该模块可展示强震动数据经过预处理后的加速度事件波形数据，对其进行积分与校正处理，生成速度时程和位移时程。

速度、位移时程转换模块具体的处理流程为：①台站数据预处理后，对每个台站每个分项的加速度记录进行带通滤波，得到滤波后的加速度时程；②对滤波后的数据在时域内进行一次和二次积分，从而得到每个台站每个分向的速度、位移时程。

2.3 地震动参数计算模块

地震动参数计算模块分为幅值计算、持时计算和仪器烈度计算三个子模块。该模块利用速度、位移时程转换模块处理后的加速度时程、速度时程和位移时程，计算每个台站三分向合成的地面运动加速度峰值(PGA)、地面运动速度峰值(PGV)及地面位移峰值(PGD)，进一步由PGA、PGV计算仪器烈度，同时给出持时参数，计算流程如图 3所示。按DB/T64-2016《强震动观测技术规程》(中国地震局，2016)的规定，导出地震元数据、台站元数据、记录元数据、仪器元数据，并提交数据库。

地震动参数计算模块是强震动数据处理系统的核心部分，下面具体介绍组成该模块的幅值计算、持时计算、仪器烈度计算三个子模块的计算原理。

(1) 幅值计算

首先，幅值计算是指PGA、PGV、PGD值的计算，根据前面计算得到的每个台站每个通道对应的加速度、速度和位移，计算三通道合成后的加速度、速度、位移，即

$a\left(t_i\right)=\sqrt{a^2\left(t_i\right)_{\mathrm{E}-\mathrm{W}}+a^2\left(t_i\right)_{\mathrm{N}-\mathrm{S}}+a^2\left(t_i\right)_{\mathrm{U}-\mathrm{D}}}$

(1)

式中，a(t_i)为t_i时刻点合成加速度值，a(t_i)_E-W、a(t_i)_N-S和a(t_i)_U-D分别为t_i时刻点滤波后东西、北南和垂直分向加速度值，单位均为cm/s²。

同理，获得三分向合成速度时程及三分向合成位移时程。

其次，根据每个通道三分向合成后的加速度、速度、位移时程，计算出每个通道的PGA、PGV、PGD和台站三分向合成的PGA、PGV、PGD。采用下式计算PGA合成地震动加速度时程的最大值，即

$\mathrm{PGA}=\max \left[a\left(t_i\right)\right]$

(2)

式中，a(t_i)为t_i时刻点合成加速度值，单位为cm/s²。

同理，获得PGV合成地震动速度时程的最大值，单位为cm/s；PGD合成地震动位移时程的最大值，单位为cm。

(2) 持时计算

数据预处理后，从发震时刻开始，合成波形的绝对值第一次大于等于阈值时，为持时的开始时间；之后当合成波形的绝对值第一次小于阈值时，为持时的结束时间；这两个时间之差为该阈值对应的绝对持时。

(3) 仪器烈度计算

由计算得到的PGA、PGV值计算仪器烈度，分别计算加速度仪器烈度I_A和速度仪器烈度I_V(金星等，2013；金星，2021)，具体算法参见国家标准GB/T17742-2020《中国地震烈度表》(国家市场监督管理总局等，2020)。

2.4 谱值参数计算模块

谱值参数计算模块分为傅氏谱、反应谱和三联谱三个子模块。该模块是对经过预处理后的加速度事件波形记录，分别利用快速傅里叶算法(FFT)和Duhamel积分的精确解析解计算傅氏谱、反应谱和三联谱。首先利用FFT算法得出傅氏谱，利用Duhamel积分的精确解析解计算加速度反应谱，进一步将加速度反应谱转换为三联谱，并生成头段数据和各类谱数据文件，并以ASCII码导出。计算流程如图 4所示。

谱值参数计算模块是强震动数据处理系统的另一核心部分，下面介绍组成该模块的反应谱、傅氏谱、三联谱三个子模块的计算原理(大崎顺彦，2008)。

(1) 反应谱的计算

利用预处理后的加速度记录，对给定固有周期(T)和阻尼比(h)的单质点阻尼系的运动方程进行积分，计算系统的绝对加速度反应、相对速度反应和相对位移反应的时间历程。

对特定的阻尼比(h)和一系列的固有周期(T_i)，对计算得到对应系统的绝对加速度反应、相对速度反应和相对位移反应的时间历程取绝对值的最大值，得到在特定阻尼比和固有周期(h、T_i)下的绝对加速度反应谱、相对速度反应谱和相对位移反应谱。

(2) 傅氏谱的计算

傅氏谱的计算是针对预处理后的加速度记录，进行傅立叶变换，得到幅频值。

(3) 三联谱的计算

根据上述反应谱计算方法，计算出相对速度反应谱以及相对加速度、速度、位移反应谱之间的关系。

2.5 数据归档模块

数据归档模块分为导出强震动记录和导出元数据两个子模块。导出强震动记录子模块导出未校正加速度记录、校正加速度记录，积分后的速度和位移；导出元数据子模块导出地震元数据、台站元数据、记录元数据和仪器元数据。地震元数据包括地震基本参数如名称、发生时刻、经纬度、震级、震源深度等信息，台站元数据包括台站名称、代码、经纬度、台址的场地资料，记录元数据包括加速度、速度和位移记录的最大值、记录时长、采样率等信息。仪器元数据包括仪器型号、序列号、主要性能指标和参数值等信息。该模块导出的各类强震动记录数据和元数据均按DB/T 64-2016《强震动观测技术规程》(中国地震局，2016)中规定的相应格式，存储到指定数据库。

3 系统应用 3.1 平台建设部署 3.1.1 系统部署

根据国家地震烈度速报与预警工程的总体架构设计，强震动数据处理系统作为预警工程软件的一个子系统分别部署在国家中心、国家备份中心、省级中心。各类中心在预警中心硬件平台上分别部署数据库、数据流、信息转发中间件以及虚拟存储计算资源。国家中心目前共配置1台物理机和2台虚拟机，物理机用于服务端，接入数据流，2台虚拟机分别用于主、备客户端，进行数据计算和存储。

3.1.2 技术指标实现

通过对平台的部署，提供了地震波形人机交互数据预处理界面(图 5)，实现数据导入和导出(图 6)、波形截取、格式转换、滤波、产出计算参数、数据归档等功能，具备了部分可视化界面，实现了全国高密度地震台网观测数据的汇聚，以及强震动数据信息化和动态综合处理，形成较为完备的数据和产品，推进了面向预警工程的地震动参数产出的业务化运行。结合实际震例，对系统功能进行了详细测试与分析，结果表明该系统具有一定的准确性和可操作性，能在日常数据的处理和管理、地震应急、震害评估和科学研究中发挥实效。

从性能上看，强震动数据处理系统从服务器调取100个采样率为100sps的台站1h的数据，时间不超过3min。在200sps采样率数据已经自动回收到服务器的条件下，客户端调取100个采样率为200sps的台站1h的回收数据，不超过5min。在用户交互界面，普通点击响应不超过2s，如果是数据分析类的耗时操作，点击后显示等待提示，直至计算完毕。在最低硬件要求机器上，导出100个采样率为100sps的台站的强震动记录、强震动元数据、观测报告，各自时间均不超过30s。在最低硬件要求机器上，计算100个台站速度位移时程、PGA、PGV、PGD及仪器烈度计算、持时计算，各自时间均不超过30s。

3.2 业务应用案例

选用2021年以来不同区域、不同震级的历史地震事件的加速度记录，应用强震动数据处理子系统进行了测试验算(张振斌等，2021)。同时，针对近期发生的2023年8月6日山东平原M5.5、10月23日甘肃肃北M5.5、12月18日甘肃积石山M6.2等地震，产出了校正加速度记录、积分后的速度和位移记录、反应谱、傅氏谱、三联谱等数据记录以及峰值加速度(PGA)、峰值速度(PGV)、峰值位移(PGD)、仪器烈度、持时等地震动参数，导出地震元数据、地震记录波形，并对各类数据进行归档存储。图 7展示了山东平原5.5级地震的强震动观测数据处理和产出结果。本系统快速产出的地震动参数结果为应急管理部门应急指挥决策和救灾力量派遣提供了科学依据，规范处理的各类标准格式数据为近场强震地震学和地震工程学的研究提供了数据支撑。

4 强震动数据处理系统的特色

国家测震台网中心强震动数据处理系统是用于多种类型加速度观测站数据处理的全国统一技术平台，兼容了多种设备类型的数据接口，将数据汇集、浏览、处理、归档等功能集于一体。该系统提升了基本站、基准站、一般站三网融合海量数据精细分析和处理能力，对连续波形数据、事件波形数据进行进一步人机交互分析处理，在实现地震基本参数分析的基础上，首次实现地震动参数分析工作的日常化。系统以更丰富和科学的数据，服务于震害评估、应急决策与工程地震的科学研究。

(1) 平台的统一性。强震动数据处理系统建立了兼容预警工程中基准站、基本站和一般站三类台站所有设备类型的全国统一技术平台，实现数据采集汇聚、加工处理和应用等各环节的标准全覆盖，规范数据接口，统一元数据管理，从而保障各环节有效衔接和数据一致。

(2) 业务的集成性。强震动数据处理系统以用户需求为导向，在功能和操作上满足国家中心和省级中心实际业务需求，实现数据导入和导出、波形截取、格式转换、滤波、产出计算参数、生成分析报告等功能，将全国预警工程中加速度观测数据的汇集、浏览、处理及归档等日常业务流程集成处理，提高了工作人员的效率。

(3) 数据的完备性。强震动数据处理系统提供了包括地震、台站、记录和仪器的相关元数据，包括未校正加速度记录、校正加速度记录，积分后的速度和位移记录的强震动记录数据，包括PGA、PGV、PGD、持时参数、仪器烈度的幅值参数数据以及反应谱、傅氏谱、三联谱的谱值数据。这些数据(集)和产品(集)均以专业性和实用性为原则，是震后地震工作者在实际工作中最为关心的内容，旨在震害评估、应急决策、科学研究中发挥实效。

5 结语

国家测震台网中心强震动数据处理系统在功能设计上的需求已基本实现，但细节上仍存在需要完善和增加的部分。立足服务于社会经济建设、行业部门、科学研究、应急决策、地震预报预警和速报等业务，满足实际业务和数据应用需求，下一步系统完善的方面包括：

(1) 强化数据全流程监控，加强数据内在质量控制。实现实时波形的实时展示、历史波形的回放展示，对有断点的数据进行处理等功能。

(2) 加强多源数据管理，汇聚全局全量数据。兼容“十五”、“十一五”期间的固定强震台、流动强震台数据导入的多种格式，实现与预警工程中的台站数据、产出、展示的融合。

(3) 针对不同需求，以图件、模型、原始数据等多种形式，提供数据共享服务。进一步优化数据产出结果的图件预览，细化和完善导出计算结果的参数表、生成分析报告等功能。

致谢: 本文及相关研究得到了中国地震台网中心、云南省地震局、四川省地震局、新疆维吾尔自治区地震局、福建省地震局、广东省地震局和中国地震局工程力学研究所等单位同仁们的帮助和支持，得到了中国地震局强震动观测学科各位专家的指导，在此一并表示感谢。