地震預警信息發布時延分析

何 凱 杜瑞林 魏貴春 戴 苗 董彥君 侯健民

1 湖北省地震局，武漢市洪山側路40號，430071 2 中國地震局地震研究所(地震預警湖北省重點實驗室)，武漢市洪山側路40號，430071 3 中國地震臺網中心，北京市南橫街5號，100045

?

地震預警信息發布時延分析

何 凱1, 2杜瑞林1, 2魏貴春1,2戴 苗1,2董彥君1,2侯健民3

1 湖北省地震局，武漢市洪山側路40號，430071 2 中國地震局地震研究所(地震預警湖北省重點實驗室)，武漢市洪山側路40號，430071 3 中國地震臺網中心，北京市南橫街5號，100045

對地震預警信息發布時延作調研后認為，預警接收終端的發布時延小于1 s；廣播、電視發布時延為幾s；互聯網發布(新媒體、手機APP、第三方平臺推送)時效性受并發量影響，在千萬級用戶時發布時延是30～40 s。因此，應采用分區域分級發布策略，以提高發布時效。以汶川地震為例，針對社會公眾發布預警信息的時效分析結果表明，在首臺觸發3～4 s內開始發布預警信息，震中20～50 km范圍內95%以上的網民有1～7 s的預警時間，而破裂最大區域(北川)95%以上的網民將獲得30 s以上的預警時間。

地震預警；信息發布時延；新媒體

1 基本概念

1.1 地震預警

地震預警是利用電磁波傳播速度遠大于地震動傳播速度以及破壞性地震波(S波或面波)的傳播速度小于破壞性較小的P波速度的原理，在地震發生后，在盡可能短的時間內確定地震基本參數或直接估計預警目標區的地震動和破壞程度，在破壞性地震波到來前，對可能破壞區發出地震警報。根據震中距不同，地震預警系統可以提供幾s、十幾s甚至幾十s的預警時間，使人們可以采取緊急避險措施，減少人員傷亡[1-3]。

1.2 地震預警信息發布時延

假設理論預警時間為地震預警信息產出時刻與破壞性地震波到達預警目標區時刻的時間差[4-5]:

(1)

式中，Teew理為理論預警時間，TS、TP分別為S、P波走時，Δtd為預警目標區首臺P波觸發后產出地震預警信息的用時。則：

(2)

理論預警時間沒有考慮地震預警信息產出時刻到用戶接收時刻的時間差Δtr，實際預警時間則需要考慮。定義Δtr為地震預警信息發布時延。

2 地震預警信息的發布方式

針對不同類型的用戶，地震預警信息發布的方式也有所不同：一是通過專用網絡(地震行業網、教育網、政務網等)，利用專用預警信息接收終端為政府部門、行業用戶、企業用戶發布預警信息；二是通過公共通訊網絡(互聯網、移動互聯網)，借助電視、廣播、新媒體等現有發布方式向社會公眾發布預警信息。

根據預警信息發布的過程，可將發布時延分為3個階段：緊急地震數據處理中心到緊急地震信息發布中心的時延T1，緊急地震信息發布中心到防火墻的時延T2，防火墻到用戶的時延T3(圖1)，即

(3)

3 發布時延分析

從表1可見，信息發布時延的不同主要體現在T3階段，現對不同發布方式的時延進行分析。

3.1 專用接收終端發布時延

采用ping指令測試網絡時延。考慮到預警設備實際接入地點和可選入網方式，在咸寧地區行業網、教育網、公網和3G、4G無線通訊4種接入方式下，分別進行從服務器到本地第二代預警信息接收終端的時延測試，每種網絡方式測試100臺次，平均時延結果見表2。可以看出，不同網絡的時延具有以下特征：1)行業網、教育網、政務網等專業通訊網的穩定性好，發布時延Δtr較小，一般在0.42～0.7 s；2)公網等公共通訊網絡波動較大，受實時通訊負載影響，發布時延Δtr在0.41～0.8 s；3)3G、4G無線通訊網路的穩定性較弱，時延較大，發布時延均在0.5～1.0 s。

圖1 地震預警信息發布階段時延Fig.1 The stage delay of releasing the earthquake early warning information

發布方式網絡情況推送率/%T1/sT2/sT3/s通訊負載低通訊負載高終端喚醒時延/s信息發布時延/s專用接收終端(武漢儀器院第二代預警信息接收終端)行業網教育網政務網950.20.20.02～0.060.04～0.10～0.20.42～0.7公網950.20.20.01～0.070.05～0.20～0.20.41～0.83G、4G950.20.20.1～0.30.2～0.40～0.20.5～1.0

表2 利用新媒體“今日頭條”發布地震信息時延統計

3.2 電視、廣播、新媒體發布時延

據國家統計局統計，截至2015年底，廣播聽眾達6.81億，有線電視用戶2.39億戶，而手機網民規模達6.20億，同比增加6 303萬人，其中有1.27億人只通過手機上網，占整體網民的18.5%。

在對社會公眾發布預警信息時，用戶數量對預警信息發布的影響較大。為高效發布預警信息，采用多種渠道(電視、廣播、互聯網等)進行發布，優先推送震中距較小的區域，由近及遠，利用手機的實時定位來保障有針對性地發布預警信息。

據調研，廣播實現解碼延時小于1 s；電視發布新聞時，模擬信號電視用戶延時約0.4 s，數字電視用戶約數s；新媒體發布延時與發布的用戶量有關，ios平臺每秒在10～20萬用戶，安卓平臺每秒在8～20萬用戶。以“今日頭條”為例，以它現有的技術實現能力，精準推送時效如下：數萬用戶在1 s內完成推送；幾十萬級用戶在幾s內完成推送；百萬級用戶在十幾s內完成推送；千萬級用戶在幾十s內完成推送(推送時間由今日頭條測試后提供)。隨著技術發展和針對性優化，推送時間還將進一步縮短。

基于中國地震臺網和“今日頭條”目前的技術對接方案，以推送地震自動速報結果為例，分析新媒體在信息發布中的時延。具體案例見表3。

表3 利用互聯網發布預警信息時延統計

3.3 案例分析

假設四川地區發生地震，根據震中位置的不同，預警的人口數量隨之變化。圖2是分別按照成都、川西、四川全省平均人口密度計算得到的四川地區預警人口隨震中距離的變化圖(預警盲區按17 km考慮)。可以看出，地震發生在川西地區時，預警信息服務人口數量較少；發生在省會成都附近時，在離震中75 km的范圍內需要預警的人口數量就超過1 500萬。

圖2 四川地區預警人口隨震中距離變化Fig.2 The warning population change with the epicentral distance in Sichuan area

1)互聯網(新媒體、手機APP、第三方推送)

以2008-05-12汶川地震為例。按照現在手機人口熱力圖顯示，在震中距200 km范圍內有3 000萬手機人口，其中人口高密度區域是成都地區，人口密度超過4萬人/km2。

圖3 汶川地震震中距200 km范圍內手機人口熱力圖Fig.3 Phone population thermodynamic diagram in 200 kilometers of epicentral Wenchuan earthquake

根據國家烈度速報與預警項目建設目標，重點預警區內平均臺間距12 km。在首臺觸發3～4 s內，數據處理得到緊急地震信息并開始向外發布。根據理論P、S波速度6 km/s、3.5 km/s計算，20～50 km范圍內的理論預警時間是1～9 s，50～200 km范圍內的理論預警時間是9～52 s。最大破裂點北川距離初始破裂點120 km，起始破裂S波到達北川的時間35 s，理論預警時間是30 s，北川實際開始破裂是初始破裂后50 s左右。以北川本地破裂時間為準，假設首臺觸發3～4 s開始發布預警信息，則北川的理論預警時間為45 s。

圖4 四川汶川8.0級地震破裂圖[6]Fig.4 The rupture diagram of Wenchuan earthquake [6]

以今日頭條、騰訊新聞為樣本。目前今日頭條用戶數量4.5億、騰訊新聞6億用戶，每個推送平臺的推送速率大概是20萬用戶/s(推送速率由今日頭條、騰訊新聞經過測試后提供)。地震發生后可以自動判斷影響用戶，根據震中距分區域分級推送信息。根據平臺現有推送能力，汶川地震200 km范圍內，手機網民用戶的推送時延如表3。

分析結果表明，20～50 km范圍內95%以上的手機網民有0～7 s的預警時間，震中距200 km范圍內的3 000萬網民有充足的預警時間，破裂最大區域(北川)95%以上的網民將獲得30 s以上的預警時間。

2)電視、廣播

電視、廣播作為對社會公眾發布預警信息的方式之一，是對地震影響全部區域進行預警信息推送，不同于新媒體、第三方推送、手機APP等的分區域分級推送。電視、廣播的推送時延通常小于1 s，但預警信息推送的時效性受發震時間的影響較大。在電視、廣播收視(聽)高峰期，地震預警信息推送的時效性高；而在電視、廣播收視(聽)低谷期，地震預警信息推送效率會很低。

4 結 語

地震預警信息發布時延分析是地震預警工程項目可研方案中不可或缺的一部分。本文首先給出地震預警信息發布時延的定義及其主要組成部分。根據“國家地震烈度速報與預警工程項目”，對地震預警信息用戶進行分類，如政府部門、社會公眾、行業用戶、企業用戶。針對不同用戶，對不同發布方式的時延進行分析，其中政府部門、行業用戶、企業用戶的發布方式較為簡單，可通過專用預警信息接收終端(政務網、教育網、專網)進行發布，預警信息發布時延均小于1 s，可以作為主要發布方式。對社會公眾，則主要通過電視、廣播、互聯網(新媒體、手機APP、第三方推送)等方式發布，其中電視、廣播的發布時延通常在數s內，互聯網發布的時延主要受發布用戶量的影響。因此，采取分區域分級推送，有利于預警信息的高效推送。文中對地震預警信息發布時延作了較全面的分析，得到了可靠、有效的地震預警信息發布時延分析結果。以汶川地震為例，在首臺觸發3～4 s內開始發布預警信息，震中20～50 km范圍內95%以上的網民有1～7 s的預警時間，而破裂最大區域(北川)95%以上的網民將獲得30 s以上的預警時間。

對社會公眾的發布方式應該盡量多渠道，實現高覆蓋、高時效的推送[7]。借鑒日本等較為成熟的信息發布系統，公眾通過購買專用的地震預警信號接收器，接收國家或省級預警信息發布中心發布的地震預警信息。接收器有液晶顯示和聲音報警功能，通過互聯網接收，只要網絡連接，就可以全天候任何時間段接收預警信號[8]。同時，這種終端能作為一個簡易烈度計，安裝后自動加入烈度速報臺網，可加強地震烈度速報能力。

[1] 馬強. 地震預警技術研究與應用[D]. 哈爾濱：中國地震局工程力學研究所，2008(Ma Qiang. Study an Application on Earthquake Early Warning[D]. Harbin：Institute of Engineering Mechanics, CEA,2008)

[2] 殷海濤，劉希強，李杰，等. 現今地震預警技術及其在國內發展狀況的探討[J]. 中國地震，2012，28(1):1-9(Yin Haitao, Liu Xiqiang, Li Jie, et al. Current Earthquake Early Warning Technology and It’s Development in China[J]. Earthquake Research in China, 2012，28(1):1-9)

[3] 張紅才，金星，李軍，等.地震預警系統研究及應用進展[J]. 地球物理學進展，2013，28(2):706-719(Zhang Hongcai, Jin Xing, Li Jun,et al. Progress of Research and Application of Earthquake Early Warning System (EEWS)[J]. Progress in Geophys,2013，28(2):706-719)

[4] 趙紀東，張志強. 地震預警系統的發展、應用及啟示[J]. 地質通報， 2009，28(4):456-462(Zhao Jidong, Zhang Zhiqiang. Development, Application and Suggestions on Earthquake Early Warning System[J]. Geological Bulletin of China, 2009, 28(4):456-462)

[5] 高峰，楊學山，馬樹林. 地震預警系統綜述[J]. 自然災害學報，2014，23(05):62-69(Gao Feng，Yang Xueshan，Ma Shulin, Summary of Earthquake Early Warning System[J], Journal of Natural Disasters, 2014，23(5):62-69)

[6] 王衛民，趙連鋒，李娟，等. 四川汶川8.0級地震震源過程[J].地球物理學報，2008,51(5)：1 403-1 410(Wang Weimin, Zhao Lianfeng, Li Juan,et al. Rupture Process of the M8.0 Wenchuan Earthquake of Sichuan, China[J]. Chinese J Geophys, 2008,51(5)：1 403-1 410)

[7] 張紅才，金星． 地震預警信息可靠度研究[J]．地震學報，2014, 36(4):615-630(Zhang Hongcai, Jin Xing. Reliability Research of Earthquake Early Warning Information[J]. Acta Seismologica Sinica, 2014,36(4):615-630)

[8] 陳會忠，侯燕燕，何加勇，等. 日本地震預警系統日趨完善[J]. 國際地震動態，2011，4(4):10-14(Chen Huizhong, Hou Yanyan, He Jiayong, et al. The Well Development of Earthquake Warning System of Japan[J]. Recent Development in World Seismology, 2011，4(4):10-14)

Time-Delay Analysis of the Releasing Earthquake Early Warning Information

HEKai1,2DURuilin1,2WEIGuichun1,2DAIMiao1,2DONGYanjun1,2HOUJianmin3

1 Earthquake Administration of Hubei Province, 40 Hongshance Road , Wuhan 430071, China 2 Key Laboratory of Earthquake Early Warning, Institute of Seismology, CEA，40 Hongshance Road, Wuhan 430071, China 3 China Earthquake Network Center,5 Nanheng Street,Beijing 100045,China

In this paper, according to the different ways of release, we perform a detailed analysis of earthquake early warning information release time-delay. The results show that the release time-delay by warning receiving terminal is less than 1 second. It is the same with radio or television release, but efficiency is greatly influenced by time period. Using the internet (new media, mobile phone APP, third-party platform to push) release time-delay is greatly influenced by user concurrency: ten million users of release time delay is 30 to 40 seconds, so we argue that we should use fractal area classification release strategy to effectively improve release time. Analysis of the Wenchuan earthquake for example, shows that within 20 to 50 km, more than 95% of Internet users have 1-7 seconds of warning time; more than 95% of the Internet users who are in the biggest rupture area (Beichuan) will gain more than 30 seconds of warning time.

earthquake early warning, information release delay, new media

Earthquake Early Warning Identity Information Identification and Authentication Code, No.16A18ZX062.

DU Ruilin, researcher, majors in space geodesy and geodynamics, E-mail: duruilin@vip.sohu.com.

2016-06-03

項目來源：地震預警身份信息識別與認證編碼(16A18ZX062)。

何凱，碩士，主要從事背景噪聲、地震預警研究，E-mail：hekaizw@126.com。

杜瑞林，研究員，主要從事空間大地測量與地球動力學研究，E-mail：duruilin@vip.sohu.com。

10.14075/j.jgg.2016.11.018

1671-5942(2016)011-1031-04

P315

A

About the first author:HE Kai , postgraduate,majors in background noise, seismic warning, E-mail: hekaizw@126.com.