NET-VISA軟件研發(fā)進(jìn)展與性能測試＊

王 娟 劉俊民 李 健 邱宏茂 王曉明 商 杰 蓋 磊

（禁核試北京國家數(shù)據(jù)中心和北京放射性核素實驗室，北京 100085）

引言

地震監(jiān)測是全面禁止核試驗條約規(guī)定的4種核查手段中遠(yuǎn)區(qū)監(jiān)測最有效的方法。條約生效后，CTBTO國際監(jiān)測系統(tǒng)（IMS）通過與全球通訊基礎(chǔ)設(shè)施（GCI）的安全衛(wèi)星鏈接傳送位于全球170個地震臺站的數(shù)據(jù)至國際數(shù)據(jù)中心（IDC），其中50個基本地震臺站1周7天1天24小時不間斷地傳送數(shù)據(jù)，120個輔助地震臺站在需要時，由程序自動按照既定的規(guī)則申請傳送相應(yīng)時間段的數(shù)據(jù)[1]。地震監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)入IDC的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)后，首先進(jìn)行臺站處理：即檢測信號、識別震相、計算震相特性（到時、振幅、方位角、慢度等）。單臺臺站處理完成后，根據(jù)計算出的震相特征，利用臺網(wǎng)關(guān)聯(lián)算法將來自不同臺站的信號進(jìn)行關(guān)聯(lián)，推測這些信號可能來自同一事件，最終形成自動處理公報。分析員以自動處理公報為基礎(chǔ)，經(jīng)過詳細(xì)分析，添加自動關(guān)聯(lián)漏掉的事件，刪除虛假關(guān)聯(lián)的事件，最終形成審定事件公報（REB）。目前，IDC的REB公報也已經(jīng)成為全球地震領(lǐng)域比較認(rèn)可的公報之一[2]。想要提高自動處理事件關(guān)聯(lián)的有效率，降低事件漏檢率，提高自動處理公報質(zhì)量，減小分析員的工作量，是IDC一直以來致力研究的方向之一。

目前在IDC數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，臺網(wǎng)關(guān)聯(lián)算法采用全局關(guān)聯(lián)算法（GA），其采用了基于全球格點(diǎn)的搜索算法來關(guān)聯(lián)震相形成事件[3]。GA首先將全球按緯度、經(jīng)度分為覆蓋整個地球表面相互重疊的若干個圓形格點(diǎn)，格點(diǎn)文件包括了格點(diǎn)位置信息以及與臺站間的關(guān)系，然后對地球上給定位置（格點(diǎn)中心點(diǎn)）的所有可能檢測組合進(jìn)行全局搜索，組合形成許多假設(shè)的事件，隨后合并相同事件，剔除冗余和虛假事件，最終形成公報產(chǎn)品。GA在IDC運(yùn)行20多年來，在波形數(shù)據(jù)的實時處理中表現(xiàn)出了良好的處理性能，但是GA還是漏掉了感興趣的震級范圍內(nèi)將近三分之一的地震事件，且自動處理公報中大約一半的事件為虛假事件[4-5]。

隨著計算機(jī)性能的提高、大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘及機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)數(shù)據(jù)處理技術(shù)的廣泛應(yīng)用，如何利用海量的歷史地震事件的特征來提高事件關(guān)聯(lián)性能成為學(xué)者們研究的熱點(diǎn)和IDC關(guān)注的重點(diǎn)之一。2009年開始，美國加州大學(xué)伯克利分校（University of California，Berkeley）的科學(xué)家與IDC開始合作研究基于震相特征模型的網(wǎng)絡(luò)處理-垂直綜合地震分析（Network processing-Vertically Integrated Seismic Analysis，NET-VISA）軟件[4-5]，旨在替代GA成為IDC下一代全球震相自動關(guān)聯(lián)和事件檢測定位軟件。本文介紹了基于貝葉斯推理方法的NET-VISA算法的基本原理及在IDC歷年測試中的進(jìn)展，并對禁核試北京國家數(shù)據(jù)中心（NDC）參加IDC組織的阿爾法測試（Alpha Tester Group，ATG）中朝鮮 6 次核試驗的 NET-VISA關(guān)聯(lián)結(jié)果作了分析對比。

1 NET-VISA 基本原理

NET-VISA核心是基于貝葉斯框架的關(guān)聯(lián)算法，由基于物理的生成概率模型（GM）和啟發(fā)式推理算法（IA）組成。該方法首先建立一個綜合考慮了信號到時、方位角、慢度、事件震級、正確震相、誤檢信號和尾波震相等事件特征的全球尺度的概率模型，然后由基于貝葉斯方法設(shè)計的推理算法（IA）搜索具有最大后驗概率（MAP）的事件集，并在關(guān)聯(lián)到達(dá)的事件之間進(jìn)行迭代，最終確定事件的時間、位置和大小[5-6]。

假設(shè)X為覆蓋所有可能地震事件集合的一個隨機(jī)變量，每個事件由時間、位置、深度和震級來定義，Y為臺網(wǎng)內(nèi)全部地震臺站的所有可能的信號觀測值，Pθ(X)描述了參數(shù)化的事件先驗概率，P?(Y|X)描述了信號的傳播和測量概率（包括走時、吸收與散射、噪聲等）。對于給定的觀測值Y=y，事件的后驗分布P(X|Y=y)即為事件參數(shù)。則NET-VISA的事件模型可以由最基本的貝葉斯公式來描述：

在NET-VISA中，一個到達(dá)信號最終分為關(guān)聯(lián)事件的震相 Λ ，誤檢信號 ξ和尾波信號 κ，在給定觀測信號A的情況下，NET-VISA結(jié)合了事件假設(shè)e，震相Λ，誤檢信號ξ 和尾波信號 κ得到的聯(lián)合概率模型[3]：

推理算法的最終目的是得到使后驗概率達(dá)到最大的事件參數(shù)的解：

NET-VISA生成概率模型由先驗?zāi)Ｐ秃退迫缓瘮?shù)模型構(gòu)成，主要包括事件先驗?zāi)Ｐ?、震相似然函?shù)模型、誤檢信號模型和尾波信號模型等部分。NETVISA中只考慮了14種震相：即P、Pn、PKP、S、PKPbc、PcP、pP、Lg、PKPab、PKKPbc、Pg、Rg、Sn和 ScP的震相模型。事件先驗?zāi)Ｐ头从沉耸录l度、地理分布、深度分布和震級分布等；震相似然函數(shù)模型根據(jù)統(tǒng)計的事件發(fā)生時的震相檢測概率和震相屬性特征而建立；誤檢信號模型描述了由噪聲產(chǎn)生的誤檢信號的特征在各臺站的分布；尾波信號模型描述了由于信號傳播的散射而帶來的尾波信號，減少其對事件關(guān)聯(lián)的影響，通過尾波信號與其觸發(fā)震相的延遲、尾波信號的方位角、慢度和振幅特征來構(gòu)建模型[3-5]。

NET-VISA的輸入從信號檢測開始，并基于所有標(biāo)為P震相的檢測建立種子事件。通過構(gòu)建事件、改善到達(dá)、改善事件、刪除事件等步驟查找最佳事件集以解釋觀察到的檢測結(jié)果，NET-VISA在改善到達(dá)和改善事件之間進(jìn)行迭代以優(yōu)化事件。圖1為NETVISA生成事件的示意圖。

圖1 NET-VISA 事件生成窗口Fig.1 NET-VISA windows

由圖1可知，NET-VISA將連續(xù)的到達(dá)數(shù)據(jù)流劃分為不同的窗口。在構(gòu)建事件窗口中利用每個獨(dú)立震相的相關(guān)特征參數(shù)構(gòu)建種子事件，圖1中構(gòu)建事件窗口的窗長為W，窗長從t0=0開始到t1=t0+W（實際應(yīng)用中W取 30 min）。到達(dá)窗口從t0?MT到t2=t0+W+MT，其中MT是震相的最大走時（33.3 min 或2 000 s），在此窗口中的每個到達(dá)都要進(jìn)行與事件窗口中的事件相關(guān)聯(lián)。對于每個檢測在檢測窗口內(nèi)通過“檢測改善算法”后，與事件窗口中的事件相關(guān)聯(lián)，進(jìn)行迭代以優(yōu)化事件。NET-VISA采用定義的事件度量標(biāo)準(zhǔn)和檢測評分標(biāo)準(zhǔn)來計算檢測和事件的評分，事件得分小于1的事件將被刪除。構(gòu)建事件窗口向前移動步長S后，在輸出窗口中的最終確定的事件將寫入到事件公報中。

2 NET-VISA 測試進(jìn)展[7-11]

2009年3月，美國加州大學(xué)伯克利分校的斯圖亞特·羅素（Stuart Russell）教授在其主持的 ISS09（International Scientific Studies Project 2009，國際科學(xué)研究項目2009）項目中首次提出了NET-VISA算法。后來Arora博士在2009年6月的ISS09大會上報告了有限數(shù)據(jù)集的測試結(jié)果。2009年11月，在ISS09技術(shù)會議上討論了基于3個月的地震數(shù)據(jù)研究結(jié)果，當(dāng)時相對于SEL3雖有改善，但還沒有量的體現(xiàn)。2010年2月，Russell教授在籌委會第34次核查工作組會議上報告了NET-VISA原型系統(tǒng)在以3個月數(shù)據(jù)集為基礎(chǔ)的測試結(jié)果，相對于SEL3，系統(tǒng)性能提高了5.5%。表1為當(dāng)時的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，表中SEL3代表用全局關(guān)聯(lián)算法（GA）產(chǎn)生的自動處理公報事件，LEB是分析員審定后的事件。

表1 NET-VISA 原型系統(tǒng) 3 個月測試結(jié)果Table 1 The three months test results of NET-VISA prototype

隨后Arora博士于2012—2013年針對地震數(shù)據(jù)處理研究開發(fā)了軟件，2014年集成了水聲處理流程，2015年開始了對次聲數(shù)據(jù)的處理。在PTS的組織下，Arora博士與IDC的科學(xué)家在2015年以離線方式進(jìn)行了1年的地震數(shù)據(jù)處理測試，2016—2017年以離線運(yùn)行方式針對包含次聲數(shù)據(jù)處理的NETVISA進(jìn)行了測試，2018年1月—2019年2月在IDC測試平臺上對NET-VISA進(jìn)行了在線測試。測試結(jié)果表明，在一般情況下，NET-VISA產(chǎn)生的公報要比IDC自動處理產(chǎn)生的公報SEL3更加完整和精準(zhǔn)，對于REB的覆蓋率可以提高約15%（80%—90%與65%—75%），不一致率降低約5%（45%—55%與50%—60%）。

2019年P(guān)TS針對NET-VISA軟件的測試成立了ATG，NDC參加了阿爾法測試全過程，順利完成了全部4項測試，其中第2項測試是對2017年9月3日朝鮮核試驗事件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，我們進(jìn)行了擴(kuò)展測試，對朝鮮6次核試驗逐個進(jìn)行了類似處理，對NET-VISA關(guān)聯(lián)結(jié)果進(jìn)行了分析對比。

3 朝鮮核試驗 NET-VISA 測試結(jié)果分析

利用阿爾法測試中IDC提供的NET-VISA程序?qū)Τr6次核試驗數(shù)據(jù)逐個進(jìn)行了重關(guān)聯(lián)。為了方便在同等條件下與IDC/GA關(guān)聯(lián)算法比較，在臺站列表方面，選擇IDC/SEL3朝鮮核試驗事件關(guān)聯(lián)臺站表中全部地震臺站；在數(shù)據(jù)段方面，以REB事件前約10分鐘整分為起始時間，持續(xù)時長2小時，以保證全部可能震相可被關(guān)聯(lián)。經(jīng)NET-VISA關(guān)聯(lián)后的朝鮮地區(qū)地震事件基本參數(shù)列于表2。其中第4、5、6次核試驗事件均被NET-VISA分裂成兩個事件；第6次核試驗事件過后約8分半鐘還有一次小震級事件。

表2 NET-VISA定位的歷次朝鮮核試驗相關(guān)事件基本參數(shù)列表Table 2 Basic parameters of events related to several North Korean nuclear tests located by NET-VISA

以IDC/REB為參考，考察SEL3和VSEL（NETVISA產(chǎn)生的公報）事件定時和定位精準(zhǔn)程度和存在的問題。定位和定時誤差按以下公式計算：

其中，E代表誤差，MSE代表均方誤差。

SEL3和VSEL定時誤差分別列于表3，圖2是對應(yīng)表3的定時誤差直方圖。定位誤差列于表4，圖3是對應(yīng)表4的定位誤差直方圖。表3和表4中VSEL2是VSEL的分裂事件，直方圖中NetVISA1對應(yīng)于VSEL，NetVISA2對應(yīng)于VSEL2，用2017-09-03（1）和 2017-09-03（2）區(qū)別 2017 年 9月第 1 次事件與第2次事件。定時均方誤差MSE（SEL3，time）=0.796 1 s、MSE（VSEL，time）=2.006 7 s，定位均方誤差MSE（SEL3，dis.）=0.10051°、MSE（VSEL，dis.）=0.44713°。

圖3 SEL3 和 VSEL 定位誤差直方圖Fig.3 Histogram of SEL3 and VSEL location errors

表4 以 REB 為參考的 SEL3 和 VSEL 定位誤差（°）Table 4 SEL3 and VSEL location errors （°） with REB as reference

圖2 SEL3 和 VSEL 事件定時誤差直方圖Fig.2 Histogram of timing error of SEL3 and VSEL events

表3 以 REB 為參考的 SEL3 和 VSEL 定時誤差（s）Table 3 SEL3 and VSEL timing errors （s） with REB as reference

從測試結(jié)果來看，NET-VISA軟件模塊運(yùn)行基本平穩(wěn)、可靠。NetVISA檢出了全部核試驗事件，但是把第4、5、6次核試驗事件均分裂成了兩次事件；事件定時和定位方面，NetVISA比IDC的GA稍差一點(diǎn)。

4 結(jié)論

NET-VISA作為IDC下一代臺網(wǎng)關(guān)聯(lián)軟件，從2009年概念提出、立項、研發(fā)、測試，前后已經(jīng)過了10年，目前正在對NET-VISA軟件進(jìn)行發(fā)布前的用戶體驗測試，雖然IDC的在線和離線測試均表明NET-VISA產(chǎn)生的公報要比IDC目前使用的全球關(guān)聯(lián)方法生成的自動處理公報SEL3更加完整和精準(zhǔn)，但是ATG測試組的報告仍然反應(yīng)出不少問題，這些問題反饋到PTS，有助于對NET-VISA軟件進(jìn)行改進(jìn)及模型優(yōu)化。下一步，IDC將結(jié)合波形整體特征及更豐富的歷史信號特征完善NET-VISA軟件，進(jìn)一步提高事件關(guān)聯(lián)的質(zhì)量。