高性能地震預警信息分發系統研究與開發

摘? 要：地震會造成巨大的人員傷亡和財產損失，對災區群眾而言，每提前一秒接收到地震預警信息，就可以減少群眾財產損失。為了以最小的延時和最高性能的方式向用戶提供地震預警信息，采用ZeroMQ的訂閱發布模式、事件驅動模式和Protocol Buffers數據格式等軟件開發技術，實現了地震預警信息發布系統總體架構設計和程序開發。預警信息分發系統解決了手機APP應用接收延時長的問題，在實時性、高性能等方面具有明顯的優勢。

關鍵詞：地震預警;高性能;ZeroMQ;事件驅動;Protobuf

Abstract：Earthquakes can cause huge casualties and property losses. For people in the disaster areas，the earthquake early warning information received every second in advance can reduce the loss of peoples property. In order to provide users with earthquake early warning information with the smallest delay and the highest performance，the ZeroMQ subscription publishing model，event-driven model and Protocol Buffers data format and other software development technologies are used to realize the overall architecture design and program development of the earthquake early warning information publishing system. The early warning information distribution system solves the problem of long reception delay in mobile APP applications，and has obvious advantages in real-time and high-performance.

Keywords：earthquake early warning;high-performance;ZeroMQ;event-driven;Protobuf

0? 引? 言

地震預報一直是地震行業研究人員研究攻關的重要課題，一直以來沒有取得重大突破。地震預警系統是世界上公認的能夠有效減輕地震災害的新技術手段之一[1，2]。

地震預警的實現思路是通過設立在地震多發區或者潛在震源區的地震臺網以及實時通信傳輸線路對地震進行實時監測，利用地震P波傳播速度大于破壞性S波（速度約快3倍）和面波，以及地震波波速遠小于電磁波傳播速度的原理，在盡可能短的時間內確定地震震源位置、發震時刻、地震震級等基本參數，在S波對震中造成破壞之前，啟動預警，提醒人們緊急避險[3-5]。地震預警時間計算公式為：

其中，Teew為理論預警時間，Ts和Tp分別為S波和P波走時，△Td為位于預警目標區臺站P波到達后，包含了儀器記錄、處理和傳輸延時等用時。從公式可知，為了提高預警時間，必須從Ts、Tp、△Td三個參數入手，其中，在特定的地點Ts和Tp是固定值。縮短△Td時間是一種可行的方案，能夠有效提高理論預警時間。

針對手機APP用戶，本人設計了一套高性能解決方案，采用ZeroMQ消息中間訂閱發布高性能特點，提出一種高可用低延時的地震預警信息推送架構，并且完成了地震預警信息發布系統的軟件開發。同時，給需要二次開發的用戶提供客戶端SDK，可滿足業務擴展需要，提供個性化的服務。

1? 系統總體架構

地震預警是一套復雜的系統，其中的地震預警信息分發系統由服務端與客戶端的SDK組成。服務端部分主要包括兩大系統，地震預警系統算法服務程序和地震預警系統信息分發系統，地震預警系統算法服務程序主要是利用算法模塊生成地震信息，地震預警系統信息分發完成預警信息實時推送;客戶端SDK負責提供用戶登錄服務端的接口，并提供通過訂閱方式獲取服務端推送的預警信息的接口。客戶端的SDK可以應用在微信公眾號后臺系統、Web瀏覽器后臺服務、郵件后臺服務程序，也可以根據需要集成到各服務程序中，實現定制化服務。該服務采用了分層的架構設計模式，架構層級清晰，可實現數據資源與業務邏輯的解耦。系統架構如圖1所示。

地震預警系統算法服務程序由多個應用程序組成，屬于多進程的應用程序。主要由P波拾取模塊、震級計算模塊、震源定位模塊、XML結果生成模塊和日志模塊。

地震預警信息分發系統是地震預警系統的主要組成部分，主要負責預警消息的分發和用戶的管理。地震預警信息分發系統作為TCP協議客戶端，地震預警系統算法服務程序作為TCP協議服務端，地震預警信息分發系統從地震預警系統算法服務程序獲取XML格式的計算結果消息，再通過一系列的邏輯處理，最終發送給訂閱的用戶。

從物理位置和用戶類別的角度，可以將功能劃分為三大部分，分別為服務端、客戶端和綜合管理。服務端由五個子模塊構成，綜合管理包含了五個子模塊，客戶端包含的功能模塊最多，有二十個功能模塊。系統功能模塊如圖2所示。

2? 處理流程

地震預警信息分發系統啟動后首先進行初始化應用程序，主要是讀取配置文件、連接數據庫和連接業務服務器，緊接著會啟動線程1（數據接收線程）和線程2（數據處理線程）。數據接收線程會不間斷的查詢是否有退出命令，如果有退出消息，會退出循環，如果沒有會一直處理接收到的地震預警信息，并會根據預警信息分類存入到對應的MySQL數據庫表中，然后將消息PUSH到消息隊列中，等待數據處理線程的操作。數據處理線程是以阻塞方式等待消息隊列中的地震預警消息，如果發現隊列中有數據，就會從隊列中將數據取出，根據消息類型調用ZeroMQ的訂閱發布模式，將消息推送到消息客戶端。具體的業務處理流程如圖3所示。

根據以往程序開發的經驗，因內存泄漏或系統架構缺陷，不少類似的系統經過長時間運行后，會出現系統性能下降，嚴重的會造成系統崩潰。預警系統對穩定性和性能有極高的要求，針對其特點設計了一套測試方案，并使用Python編寫了一套測試腳本。測試的方法在5臺測試電腦上運行測試腳本，模擬地震預警信息發布的客戶端，并根據測試需要模擬運行不同數量的客戶端，而服務端程序向各個客戶端發送地震預警消息，統計所有客戶端接收到數據時間與發送數據時間的時間差，同時進行持續3個月的穩定性測試。測試結果如圖9所示。

單臺服務器接收上萬臺客戶端的訂閱，隨著客戶端數量的增加，耗時有所增加，但仍能夠保證客戶端在1秒內接收到數據。單臺服務器支持的客戶端數量完全可以滿足設計的需要。在3個月的測試過程中，消耗的處理器和內存等系統資源占比平穩，程序運行穩定可靠。如果要向更多的用戶提供預警服務，需要擴充預警后臺服務器，形成服務器集群，提升服務能力。

4.4? 網絡環境測試

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[10]。隨著社會發展，智能手機的普及，手機具備GPS定位，移動基站定位，Wi-Fi輔助定位三種常見的定位方式。手機定位豐富，有利于預警軟件的精確定位。一般情況下，用戶會隨身攜帶手機，地震發生時用戶可以及時收到預警消息。只要網絡正常，就可以全天候任何時間段接收預警信息[11]。從這個角度上看，手機預警實用價值比Web端的大。Android端地震預警界面如圖10和圖11所示。

用戶的網絡環境包括Wi-Fi、4G無線網絡和5G無線網絡環境，在Wi-Fi網絡環境下，從日志系統獲知，系統的平均響應時間為210毫秒，客戶端可以100%接收到預警信息;在4G無線網絡環境下，因網絡波動較大，系統的平均響應時間為850毫秒，查閱日志記錄會發現不少預警信息需要通過二次推送才能完成，某種程度上增加了系統的響應時間。

5? 結? 論

本文基于ZeroMQ中間件、事件驅動和Protobuf數據格式化等編程方法或技巧，根據業務需要，設計并實現了核心邏輯處理流程。經過大量測試，與已有的地震預警信息系統相比，在數據處理速度方面可以提高1秒以上，并發用戶數提高了25%。在網絡傳輸方面也有較大的優勢。

該地震預警信息分發系統具有如下特點：（1）實時性，利用事件驅動和Protobuf數據格式化技術，提高了預警消息分發的速度，預警信息發布的時效性得以保證。（2）靈活性，信息發布系統發布的消息跟消息類型無關，比較容易將此消息擴展，并應用在實時性要求較高的應用場景中，如消防報警系統。（3）高性能，本系統在單臺服務器中可以接收上萬個用戶的訂閱，并能夠及時發布預警消息。經過綜合測試驗證，因本系統的設計方案與消息類型無關，僅需將數據采集模塊替換成其他業務場景，本系統就可以分發其他對時效性要求高的業務消息，因此本系統不僅僅局限在地震預警方面，對消防、氣象等應急領域具備一定的借鑒價值。

系統也存在一些不足，如測試場景單一、客戶端APP操作界面不夠友好、缺少統一的后臺管理界面，此類不足會在今后繼續完善和優化。

參考文獻：

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作者簡介：張盼盼（1988—），男，漢族，江蘇漣水人，工程師，碩士，主要研究方向：地震信息網絡、地震預警技術等。