自動編目軟件在山西預(yù)警臺網(wǎng)中的應(yīng)用

梁向軍，劉林飛*，劉雪嬌，閆曉美

（1.山西省地震局，山西 太原；2.太原大陸裂谷動力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西 太原）

前言

中國地震觀測系統(tǒng)經(jīng)過“九五”、“十五”和“十一五”的建設(shè)和發(fā)展，還有近年來實施的“中國地震科學(xué)臺陣探測”項目、“國家地震烈度速報與預(yù)警工程”項目和“一帶一路”等重大項目，使得地震觀測資料日積月累迅猛增長，為地震學(xué)研究提供了堅實的研究基礎(chǔ)。然而，目前人工震相識別速度慢、微震識別難等方面面臨挑戰(zhàn)，尤其是國家地震烈度速報與預(yù)警工程-山西子項目建設(shè)1096 個臺站（圖1），預(yù)警中心于2021 年9 月底已投入運行，1096 個臺站的震相識別僅依靠人工處理工作量太大，難以在規(guī)定的時間內(nèi)完成任務(wù)。為此，如何實現(xiàn)預(yù)警震相資料自動化快速、精確拾取，最終形成完整的目錄已成為目前急需研究的重要課題。

近年來，隨著深度學(xué)習(xí)方法不斷發(fā)展，許多深度學(xué)習(xí)方法被應(yīng)用到地震監(jiān)測領(lǐng)域——震相自動拾取方面，如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CNN[1]、遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)RNN[2]、全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)FCN[3-4]和U 形網(wǎng)絡(luò)U-net[4-5]。經(jīng)過研究者使用大量的震相資料進行訓(xùn)練，拾取效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)方法，使得震相自動化拾取工作成為可能。

自動震相識別在一些重點地區(qū)已取得很好的效果，山西地區(qū)在震相自動識別這一領(lǐng)域剛剛涉及，目前山西臺網(wǎng)雖然安裝了自動編目系統(tǒng), 但是只接入了測震臺網(wǎng)74 個臺站（57 個省內(nèi)臺站和共享周邊省份的17 個臺站），尚未接入預(yù)警臺網(wǎng)的數(shù)據(jù)。預(yù)警臺網(wǎng)接入省內(nèi)的臺站有1096 個，平均臺間距為10 km，對于同一個地震，用測震臺站分析和預(yù)警臺站分析工作量是無法比擬的，分析一個2 級左右的地震，用測震臺網(wǎng)得分析30 個臺左右，而預(yù)警臺網(wǎng)得分析50 個臺以上，面對如此大的工作量，僅依靠人工處理效率太低，因此很有必要對預(yù)警臺網(wǎng)產(chǎn)出的地震事件進行自動識別與分析處理，產(chǎn)出比較完整的目錄和報告，這項工作可提高值班人員的工作效率，為科研人員提供更多的基礎(chǔ)性研究數(shù)據(jù)。

1 震相自動檢測（自動編目）方法原理

震相自動檢測主要有以下4 個步驟：（1） 采用PhaseNet 算法[4]進行地震檢測與震相拾??；（2） 根據(jù)組觸發(fā)策略[6]確定關(guān)鍵震相，即震相關(guān)聯(lián)；（3） 絕對地震定位，獲得地震的絕對位置；（4） 震級測定；（5）形成最終的目錄和報告。

2 研究資料選取

應(yīng)用震相自動檢測（自動編目）方法，對山西預(yù)警中心產(chǎn)出的連續(xù)波形數(shù)據(jù)進行震相的自動識別并定位，產(chǎn)出地震目錄，將地震目錄結(jié)果與臺網(wǎng)中心的統(tǒng)一編目結(jié)果匹配，并對震中位置和震級偏差進行比較。

3 自動編目結(jié)果

以2022 年6 月為例，自動編目方法方法共拾取出山西預(yù)警臺網(wǎng)2022 年6 月地震目錄1522 條，全國統(tǒng)一編目結(jié)果共產(chǎn)出367 條（測震臺網(wǎng)人工編目要求處理省內(nèi)及省界30 km 之內(nèi)的天然地震、ML≥2.5 的非天然地震），相匹配的地震數(shù)目為216 條，其中152條是單臺地震。目前，自動編目軟件只檢測可交地震事件，所以單臺地震未檢測到。自動檢測軟件多檢測出的1155 條編目結(jié)果，是由于自動檢測出的編目結(jié)果包含震級不夠ML2.5 的非天然地震和省界超過30 km 之外的地震，這1155 條地震事件中，其中107 條是2.5＞ML≥2.0 的非天然地震，剩余的1048 條事件則為震級小于2.0 的非天然地震和省外不參與編目的地震。從預(yù)警臺網(wǎng)和測震臺網(wǎng)的監(jiān)測能力圖（圖2、圖3）可以看出：預(yù)警臺網(wǎng)的監(jiān)測能力比測震臺站的監(jiān)測能力要強，預(yù)警臺網(wǎng)監(jiān)測能力達(dá)到0.5 級以下的地震監(jiān)測區(qū)域與測震臺網(wǎng)監(jiān)測能力達(dá)到1.0 級以下的地震所占區(qū)域的比例相當(dāng)，預(yù)警臺網(wǎng)能監(jiān)測到全省1.0 級以下的地震，這就是自動檢測軟件檢測出預(yù)警臺網(wǎng)比測震臺網(wǎng)事件多的原因。

圖2 預(yù)警臺網(wǎng)監(jiān)測能力

圖3 測震臺網(wǎng)監(jiān)測能力

對比分析自動產(chǎn)出的預(yù)警臺網(wǎng)的地震目錄和全國統(tǒng)一編目結(jié)果顯示：發(fā)震時刻偏差平均值為-0.1 s，震中位置偏差平均值為3.98 km，震級偏差平均值為0.2級，偏差結(jié)果都比較小，所以我們認(rèn)為自動編目結(jié)果可為臺網(wǎng)使用。

我們選取1 個典型地震來看，以2023 年6 月18日發(fā)生的山西洪洞3.3 級地震為例：全國統(tǒng)一編目結(jié)果、預(yù)警人工編目和自動編目結(jié)果相比較（見表1）。

表1 洪洞3.3 級地震全國統(tǒng)一編目、預(yù)警人工編目和預(yù)警自動編目結(jié)果對比

表1 中數(shù)據(jù)顯示，預(yù)警臺網(wǎng)自動編目結(jié)果與測震臺網(wǎng)全國統(tǒng)一編目結(jié)果相比較：發(fā)震時刻相差0.5 s，震中位置偏差2.1 km，震級相同；預(yù)警臺網(wǎng)自動編目與人工編目結(jié)果相比：發(fā)震時刻相同，震中位置偏差1.1 km，震級相同。對比結(jié)果顯示，測震臺網(wǎng)用的臺站和預(yù)警臺網(wǎng)用的臺站不一樣（圖4、圖5），但定位結(jié)果卻有很好的一致性，說明預(yù)警臺網(wǎng)的自動定位結(jié)果可靠。

圖4 測震臺網(wǎng)統(tǒng)一編目部分觀測報告

4 結(jié)論與討論

（1） 本文用自檢測編目軟件對山西預(yù)警臺網(wǎng)產(chǎn)出的波形數(shù)據(jù)進行自動識別，產(chǎn)出了預(yù)警臺網(wǎng)的自動編目結(jié)果，并將自動定位結(jié)果與臺網(wǎng)中心的全國統(tǒng)一編目結(jié)果進行匹配。匹配結(jié)果顯示：自動檢測軟件多檢測出1155 條非天然事件目錄，一方面是由于預(yù)警臺網(wǎng)比測震臺網(wǎng)監(jiān)測能力較高所致，另一方面是由于測震臺網(wǎng)人工編目要求處理所有記錄到的山西省內(nèi)地震、省界30 km 之內(nèi)的天然地震、省內(nèi)及省緣ML≥2.5 級的非天然地震。

（2） 以2023 年6 月18 日發(fā)生的山西洪洞3.3級地震為典型震例，將自動檢測結(jié)果與速報結(jié)果和全國統(tǒng)一編目結(jié)果對比，結(jié)果有很好的一致性。

綜上所述，預(yù)警臺網(wǎng)震相自動檢測軟件產(chǎn)出的編目結(jié)果穩(wěn)定可靠，有很好的實用性，可以大大減少臺網(wǎng)值班人員的工作量，提高值班人員的工作效率。

致謝：感謝福建省地震局廖詩榮究員為本文研究提供程序及在操作過程中給予指導(dǎo)!