自动编目软件在山西预警台网中的应用

梁向军，刘林飞*，刘雪娇，闫晓美

（1.山西省地震局，山西 太原；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原）

前言

中国地震观测系统经过“九五”、“十五”和“十一五”的建设和发展，还有近年来实施的“中国地震科学台阵探测”项目、“国家地震烈度速报与预警工程”项目和“一带一路”等重大项目，使得地震观测资料日积月累迅猛增长，为地震学研究提供了坚实的研究基础。然而，目前人工震相识别速度慢、微震识别难等方面面临挑战，尤其是国家地震烈度速报与预警工程-山西子项目建设1096 个台站（图1），预警中心于2021 年9 月底已投入运行，1096 个台站的震相识别仅依靠人工处理工作量太大，难以在规定的时间内完成任务。为此，如何实现预警震相资料自动化快速、精确拾取，最终形成完整的目录已成为目前急需研究的重要课题。

近年来，随着深度学习方法不断发展，许多深度学习方法被应用到地震监测领域——震相自动拾取方面，如卷积神经网络CNN[1]、递归神经网络RNN[2]、全连接神经网络FCN[3-4]和U 形网络U-net[4-5]。经过研究者使用大量的震相资料进行训练，拾取效果远远超过传统方法，使得震相自动化拾取工作成为可能。

自动震相识别在一些重点地区已取得很好的效果，山西地区在震相自动识别这一领域刚刚涉及，目前山西台网虽然安装了自动编目系统, 但是只接入了测震台网74 个台站（57 个省内台站和共享周边省份的17 个台站），尚未接入预警台网的数据。预警台网接入省内的台站有1096 个，平均台间距为10 km，对于同一个地震，用测震台站分析和预警台站分析工作量是无法比拟的，分析一个2 级左右的地震，用测震台网得分析30 个台左右，而预警台网得分析50 个台以上，面对如此大的工作量，仅依靠人工处理效率太低，因此很有必要对预警台网产出的地震事件进行自动识别与分析处理，产出比较完整的目录和报告，这项工作可提高值班人员的工作效率，为科研人员提供更多的基础性研究数据。

1 震相自动检测（自动编目）方法原理

震相自动检测主要有以下4 个步骤：（1） 采用PhaseNet 算法[4]进行地震检测与震相拾取；（2） 根据组触发策略[6]确定关键震相，即震相关联；（3） 绝对地震定位，获得地震的绝对位置；（4） 震级测定；（5）形成最终的目录和报告。

2 研究资料选取

应用震相自动检测（自动编目）方法，对山西预警中心产出的连续波形数据进行震相的自动识别并定位，产出地震目录，将地震目录结果与台网中心的统一编目结果匹配，并对震中位置和震级偏差进行比较。

3 自动编目结果

以2022 年6 月为例，自动编目方法方法共拾取出山西预警台网2022 年6 月地震目录1522 条，全国统一编目结果共产出367 条（测震台网人工编目要求处理省内及省界30 km 之内的天然地震、ML≥2.5 的非天然地震），相匹配的地震数目为216 条，其中152条是单台地震。目前，自动编目软件只检测可交地震事件，所以单台地震未检测到。自动检测软件多检测出的1155 条编目结果，是由于自动检测出的编目结果包含震级不够ML2.5 的非天然地震和省界超过30 km 之外的地震，这1155 条地震事件中，其中107 条是2.5＞ML≥2.0 的非天然地震，剩余的1048 条事件则为震级小于2.0 的非天然地震和省外不参与编目的地震。从预警台网和测震台网的监测能力图（图2、图3）可以看出：预警台网的监测能力比测震台站的监测能力要强，预警台网监测能力达到0.5 级以下的地震监测区域与测震台网监测能力达到1.0 级以下的地震所占区域的比例相当，预警台网能监测到全省1.0 级以下的地震，这就是自动检测软件检测出预警台网比测震台网事件多的原因。

图2 预警台网监测能力

图3 测震台网监测能力

对比分析自动产出的预警台网的地震目录和全国统一编目结果显示：发震时刻偏差平均值为-0.1 s，震中位置偏差平均值为3.98 km，震级偏差平均值为0.2级，偏差结果都比较小，所以我们认为自动编目结果可为台网使用。

我们选取1 个典型地震来看，以2023 年6 月18日发生的山西洪洞3.3 级地震为例：全国统一编目结果、预警人工编目和自动编目结果相比较（见表1）。

表1 洪洞3.3 级地震全国统一编目、预警人工编目和预警自动编目结果对比

表1 中数据显示，预警台网自动编目结果与测震台网全国统一编目结果相比较：发震时刻相差0.5 s，震中位置偏差2.1 km，震级相同；预警台网自动编目与人工编目结果相比：发震时刻相同，震中位置偏差1.1 km，震级相同。对比结果显示，测震台网用的台站和预警台网用的台站不一样（图4、图5），但定位结果却有很好的一致性，说明预警台网的自动定位结果可靠。

图4 测震台网统一编目部分观测报告

4 结论与讨论

（1） 本文用自检测编目软件对山西预警台网产出的波形数据进行自动识别，产出了预警台网的自动编目结果，并将自动定位结果与台网中心的全国统一编目结果进行匹配。匹配结果显示：自动检测软件多检测出1155 条非天然事件目录，一方面是由于预警台网比测震台网监测能力较高所致，另一方面是由于测震台网人工编目要求处理所有记录到的山西省内地震、省界30 km 之内的天然地震、省内及省缘ML≥2.5 级的非天然地震。

（2） 以2023 年6 月18 日发生的山西洪洞3.3级地震为典型震例，将自动检测结果与速报结果和全国统一编目结果对比，结果有很好的一致性。

综上所述，预警台网震相自动检测软件产出的编目结果稳定可靠，有很好的实用性，可以大大减少台网值班人员的工作量，提高值班人员的工作效率。

致谢：感谢福建省地震局廖诗荣究员为本文研究提供程序及在操作过程中给予指导!