0 引言

禁核试北京国家数据中心(NDC)是我国禁核试核查体系的核心，完成汇集、保存和处理我境内各IMS台站的监测数据，也应请求向国内科研机构分发境内IMS台站和NDC汇集的公开地震台站数据。中国地震局地球物理研究所作为境内IMS地震台站的管理单位，存在向行业内推广应用境内IMS地震台站数据的需求。

目前，国内地震行业以及相关科研机构实时数据传输主要采用SeedLink、NetSeisIP等协议，采用的数据格式为miniSEED，或以miniSEED为基础进行封装的数据格式。这在传输机制和数据格式上与IMS地震台站数据的传输并不相同。

因此，本文研究了CD与NetSeisIP协议及地震数据传输格式，设计了实时数据流的转换方法，研制软件实现了CD数据流向miniSEED流的实时转换，并通过JOPENS系统分发数据流，拓展了NDC的数据服务能力，为境内IMS台站监测数据在国内地震行业、相关研究机构的研究、应用奠定了数据交换技术基础。

1 数据传输协议 1.1 CD协议以及相关数据格式

目前IMS地震台站的数据传输和NDC的数据汇集均采用CD协议^①。CD协议是一种专为禁核试核查设计的波形(地震/次声/水声)数据实时传输、交换协议，主要有1.0、1.1两个版本。CD 1.1版本是当前使用的主流版本，具有应用层数据帧传输确认、回填、数据签名等功能，可靠性高、安全性强。NDC将汇集的数据存储在一个实时数据池中，数据池由两级索引文件簇按照一定顺序^②组织而成。文件簇包括IDX文件、CLF文件和BIN文件，见图 1，BIN文件存储收到的CD数据帧，逐帧存储，CLF文件存储数据帧信息、控制帧信息、帧校验信息、索引信息等，IDX文件是对CLF文件和BIN文件的索引。在数据实时汇集的同时，NDC采用CD2W软件近实时地将波形数据转换为CSS 3.0数据。该数据由索引数据和二进制数据组成，其中，索引数据存入数据库，二进制数据是未压缩的原始监测数据，直接写入文件系统保存。

①CTBTO. Formats and Protocols for Continuous Data CD-1.1. 2001.

②CTBTO. CD Tools Software User Guide. 2006.

1.2 JOPENS系统及NetSeisIP协议

JOPENS系统^③是根据“‘十五’中国数字地震观测网络项目”测震软件相关任务而开发的台网专业软件，具有地震速报、地震编目和数据服务等功能。在JOPNES系统承担数据获取、传输与交换功能的是实时数据流服务器(SSS)，该流服务器也是国内地震行业、相关科研机构采用的主要实时数据传输软件之一，数据交换格式采用miniSEED格式(FDSN et al，2012)。

③广东省地震监测中心. 数据处理软件系统JOPENS 5.2用户手册[S]. 2013.

流服务器采用分布式服务器部署，接收仪器适配器输出的连续波形数据，或其他级联流形服务器的实时波形数据。JOPENS流服务结构见图 2。

JOPENS流服务器遵循NetSeisIP协议。对该流服务器进行连接测试与研究，得到如表 1所示的JOPENS流服务上传与下载接口。进行数据交互时一般步骤如下：①连接指定JOPENS服务器的控制端口(一般为5000)；②成功后，发送预先在JOPENS流服务器上配置好并具有相应权限的用户名；③成功后，发送该用户名的密码进行身份验证；④通过验证后，设置传输类型；⑤成功后，设置传输模式；⑥成功后，获得可以进行数据交互的IP地址和端口(需要丛返回的信息中进行数据拼接)。连接数据端口；⑦在控制端口发送上传或下载命令(包含台站名称等)；⑧成功后，从已经连接的数据端口上读取或推送数据；⑨以实时流方式下载或上传数据时，在数据连接空闲时，需要周期性在控制连接上发送保持连接命令。

2 近实时转换方法设计

基于上述实时数据传输分析，可为JOPENS流服务器增加一个仪器适配器，该适配器能够实时访问NDC的波形监测数据并转换为miniSEED流，上传至JOPENS流服务器，通过本级或级联的流服务器面向客户端提供近实时数据。

访问NDC波形监测数据方式有2种：访问数据池或者数据库。直接访问数据池的优点是快捷，不经过其他中间环节，故障点比较少，缺点是装载比较复杂，数据不是按照时间戳正序排列的。访问NDC数据库相对简单，且数据已按照时间正序排列，但增加了太多中间环节，延迟增加，且故障点增多。综合考虑这些因素，采用第一种访问方式，研制一个转换软件CD2Server，总体结构示意见图 3。

在实时转换上，需要考虑并解决以下问题。

(1) CD数据池自动扫描的准确性。CD数据池是一种两级索引结构，并且CD数据池中的台站数量是动态变化的，为了保证自动扫描的长期稳定运行以及扫描效率，每一次扫描，必须按照完整的索引流程进行分析，即扫描需从分析IDX文件的记录开始，指向正确的CLF文件和BIN文件；通过分析CLF中的记录以及处理状态，准确、快速从BIN文件中提取未处理的数据帧。此过程需近实时地反复执行。

(2) CD帧传输中的时间乱序问题。由于CD协议的数据重传或回填特性，监测数据到达数据池不是按照数据本身的时间戳正序排列的，取决于台站在发送数据时采用的是先到先至(FIFO)或后至先发(LIFO)模式。因此，在转换软件自动扫描之前或之后，需要对数据池中的数据帧进行整理、排序。

(3) 压缩与解压缩问题。CD数据帧采用的加拿大压缩算法^①，是一种两级差值运算，差值结果按照取值范围进行存储，达到节省存储空间的目的。CD数据帧是固定时宽的，地震台站一般封装10 s的数据。而miniSEED包是固定大小的，一般采用512字节，压缩算法较多采用STEIM 2(王洪体等，2004)。在实际转换时，不考虑miniSEED拼包问题，即一帧CD数据解压后，在完成完整的miniSEED包后，如剩下数据不足以封装一个完整的miniSEED包，不足部分用零填充，因此会带来额外的字节浪费，但简化了转化步骤，提高了效率。

① CTBTO. Formats and Protocols for Continuous Data CD-1.1, 2001.

(4) 台站命名差异。IMS地震台站有台阵和三分向台站2种类型，均无位置码。台站下面包括各个子台，转换时需将各个子台视为单独台站，并将位置码置空。

(5) 转换后miniSEED包的上传。JOPENS流服务器的上传步骤，与下载步骤类似。在完成用户认证后，进行模式设置，获取数据端口，在控制连接发送上传数据的命令，在数据连接上推送数据。

3 近实时转换软件研制

由于NDC的数据池架设在Linux服务器上，所以CD2Server的开发与测试环境，也在Linux工作站上进行，采用C语言编写，单线程工作。

3.1 CD2Server输入、输出

CD2Server的输入、输出见图 4所示。CD2Server的输入包括CD数据池文件和参数配置文件。参数文件定义了数据池参数、JOPENS流服务器参数、miniSEED包属性等，以及需要转换台站的定义、待转换数据的起始时间等；输出包括转换后的数据、日志文件和状态文件。其中，状态文件记录了每个台站最新数据的读取、转换、上传状态。

3.2 CD2Server设计

CD2Server设计流程如下：①读取参数文件并对参数进行分析；②根据CDRecv端口数量初始化CDtools Buffer结构CDbuffer_t，并初始化JOPENS流服务器连接；③根据“开始处理时间参数”找到对应的IDX文件、CLF文件和BIN文件，记录数据文件的读取位置，周期性扫描数据池文件，一旦扫描到适合的数据帧，立即开始转换为miniSEED包，并上传至JOPENS系统。

若无差错，反复重复步骤③。软件流程示意见图 5。

CDbuffer_t是一种全局性数据结构，包括CDtools_t、staPro_t两种子结构，记录了数据池的配置信息、待转换台站信息、待转换起始时间信息等，以及每一个台站的处理信息和状态信息。该结构贯穿转换软件运行的每一个阶段。

4 测试过程

为测试CD2Server转换数据的准确性与及时性，搭建如图 6所示的测试系统，准实时地将XAN、HILR台站的数据转换为miniSEED数据流，上传至JOPENS系统。模拟从JOPENS获取XAN和HILR台站的数据，再次转换为CD数据保存在测试数据池中。为了便于比较，测试数据池中的XAN名称临时更改为TAN。图 7给出XAN台站转换前后的波形，可见波形类似。将转换前后一天的数据再转换为ASCII码逐字节进行比较，文件内容一致，表明格式转换完全正确。分析数据池中CLF文件的数据帧时间和接收时间，转换延迟控制在秒级以内。当待转换台站数量增多时，可以通过减少CD2Server扫描数据池的扫描间隔，降低转换延迟。

5 结束语

CD2Server软件作为JOPENS系统的新仪器适配器，可以访问NDC的CD数据池，准实时地将CD数据流转换为miniSEED数据流，并上传至JOPENS系统流服务器供用户使用。该软件扩展了NDC的数据服务技术能力，使NDC具备向国内核查用户提供经转换的IMS台站数据的能力。截至论文投稿，该软件已在中国地震局地球物理研究所运行近2年，实现了HILR、LZDM台阵监测数据上传至JOPENS流服务器的功能。利用该软件，台站管理员可以实时处理监测数据，并有效监控台站运行状态。