基于IPTV的云南地震預警信息發布技術及在2021年云南漾濞MS6.4地震中的應用

吳艷梅 趙至柔 李敏 賈召亮 曹彥波

摘要：為有效解決云南地震預警系統信息發布覆蓋范圍有限、預警成效不足等實際問題，選取交互式網絡電視（IPTV）作為云南地震預警信息的拓展發布渠道，聯合云南移動和云南電信，通過設計云南地震預警信息發布安卓應用程序包（APK）、明確技術架構、設計發布規則和發布流程、開發“云南地震預警”電視應用，采用MQTT協議以廣播的形式實現了IPTV地震預警。目前“云南地震預警”應用已推廣覆蓋至全省約900萬IPTV用戶，已有20萬IPTV用戶安裝下載，地震發生后，該應用能在電視屏幕上以彈窗的形式顯示地震基本信息、預測計算信息、避震提示及語音播報。通過在漾濞MS6.4地震中的檢驗，其預警發布效果和宣傳效果較好。

關鍵詞：電視預警;地震預警;預警信息發布;IPTV

中圖分類號：P315-392?? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1000-0666（2021）03-0499-08

0 引言

地震預警主要是通過在一定區域范圍內部署多個傳感器，形成地震監測臺網。當地震發生時，通過監測、分析與計算、處理、發布與緊急處置，充分利用電磁波比地震波傳播快所形成的時間差，在地震波到達目標區域之前向各目標用戶發出地震預警信息，提醒其進行緊急處理與避險（李翔等，2020）。多震且經濟發達的國家或地區的地震預警相關理論研究和實踐都起步較早且發展成熟，如日本、墨西哥、美國西海岸、羅馬尼亞、土耳其及我國臺灣地區都擁有管理規范的地震預警系統（Allen，Melgar，2019;Cremen，Galasso，2020），可通過無線電廣播、電視頻道（Hoshiba et al，2008）、無線電接收器、付費電視和廣播電臺、市政喇叭系統、手機（Suárez et al，2021）等渠道向公眾提供地震預警服務。預警系統除發布地震提示、預警警報、避險指導外（楊程等，2018），也提供斷層滑移分布、峰值地震動觀測值等地震參數信息（Chung et al，2020），信息發布方式多樣且不斷開發新的發布渠道（劉赫奕等，2020）。

我國現階段還處于地震預警系統研究與應用的早期階段。國家地震烈度速報與預警工程項目于2018年7月正式啟動實施，通過建設臺站觀測、通信網絡、數據處理、信息服務等系統，從總體上提升我國防震減災能力（Peng et al，2011，2020;Zhang et al，2016）。云南地震預警項目作為其重要組成部分之一，2021年5月建成由1 540個觀測臺站、1個省級預警中心、16個州（市）發布平臺、746套預警終端以及與之配套的軟件系統組成的地震烈度速報與預警系統，初步實現了全省地震烈度速報和預警服務能力。但云南作為我國地震最多、震災最重的省份之一，僅通過746套預警終端進行信息發布，覆蓋范圍有限、預警成效不足，距預警信息發布和服務的全覆蓋目標尚存在較大差距，因此利用成熟技術和穩定平臺提高地震預警信息的覆蓋面就顯得尤為重要。

電視是重要的廣播和視頻通信工具，綜合人口覆蓋率在99%以上http：//www.nrta.gov.cn/art/2021/4/19/art_113_55837.html.。隨著信息化和智能化的高速發展，可通過光纖寬帶網絡向用戶提供視頻服務、信息服務、互動娛樂等多媒體數字電視業務的嶄新技術——交互式網絡電視（IPTV）也發展迅速。除去有線網絡未通達的農村地區的直播衛星用戶，2020年云南省IPTV用戶數（含互聯網電視用戶數）占全省電視總用戶的62%，且用戶規模仍在快速增長http：//ynsgbdsj.yn.gov.cn/xg_xxgk/xg_xxgk_tzgg/202106/t20210615_1054384.html.。云南IPTV主要集中在云南電信和云南移動，截至2021年5月，云南電信IPTV客戶規模超300萬戶，每天可為全省超85萬戶家庭提供收視服務;云南移動IPTV客戶規模約28萬戶，高清機頂盒（即OTT）客戶規模超580萬戶，每天可為全省超過159萬家庭客戶提供收視服務，收視基礎均較好。由于云南移動IPTV和OTT在技術實現上區別不大，將其統稱為IPTV。本文選取IPTV作為云南地震預警信息的拓展發布渠道，聯合云南移動和云南電信明確了技術架構，設計發布規則和發布流程，把IPTV及其機頂盒作為一個預警終端，通過解決機頂盒定位、本地預測烈度計算與本地預警時間倒計時計算的技術難點，探索實現云南IPTV地震預警信息發布。

1 研究方法與技術路線

1.1 研究方法

目前基于安卓平臺的IPTV機頂盒應用程序的設計讓客戶端的模塊交互更為便利，客戶端可將發布于應用商店的安卓應用程序包（Android Application Package，簡稱APK）提供給機頂盒廠家，機頂盒廠家將APK集成在系統固件中，由雙方通過聯調后進行發布（劉文靜，2017），也可通過設置應用商店的應用入口，采取電視用戶自行下載的方式進行APK發布。本文通過設計云南地震預警信息發布APK（以下簡稱地震預警APK），聯合云南移動和云南電信采取電視用戶自行下載的方式，采用實驗法，經過多輪技術測試探索實現了IPTV地震預警信息發布。

1.2 技術路線

通過部署專線網絡和位于運營商網絡的地震預警轉發平臺服務器，可將從云南地震預警信息發布平臺接收到的地震預警信息進行實時傳輸;使用IBM MessageSight數據平臺和消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，簡稱MQTT）即時通訊協議作為地震預警發布中間件，通過設置地震預警信息發布MQTT協議建立服務端與IPTV機頂盒終端間的長連接，地震預警轉發平臺通過運營商的網絡以及MQTT協議與IPTV機頂盒建立心跳連接，地震預警APK與地震預警轉發平臺服務器可以完成實時數據傳輸;機頂盒收到地震預警信息后，通過地震預警APK計算出本地震中距、本地預測地震烈度、本地地震預警時間，在電視屏幕上以彈窗的形式顯示滿足發布條件的地震預警信息并播報語音提示，具體技術路線如圖1所示。云南地震預警信息發布平臺、地震預警轉發平臺服務器和IPTV機頂盒的時間都同步到同一個授時服務器，以保證預警時間的有效性。

2 設計與實現

2.1 發布規則設計

針對云南省內發生的地震，設計如下：自預測地震M≥3.0時進行發布，自預測地震烈度1度起進行彈窗提示。根據預測地震烈度的不同，云南地震預警信息發布標準將地震預警分為災害性預警和告示性預警兩類，并將地震預警等級由強到弱分為4級，依次為1級、2級、3級和4級，并分別采用紅、橙、黃、藍4種顏色表示。云南IPTV地震預警信息采用云南地震預警信息發布標準進行發布，預警等級與預測地震烈度的對應關系見表1。

發布內容包括文字展示、圖標展示、彈窗展示和報警聲提示，所需電視權限有網絡權限、讀寫內存權限、懸浮窗權限、定位權限、獲取信息權限以及開機自啟動權限。具體如下：

（1）文字展示：包括地震基本信息（發震時刻、震中位置、震級）、預測計算信息（本地預測烈度、預警時間倒計時）、避震提示及信息來源。

（2）圖標展示：根據本地預測烈度，展示相應級別的地震預警圖標（表1）。

（3）彈窗展示：通過安卓彈窗（Android Dialog）的方式進行展示，彈框的關閉由本地預警時間決定。彈窗位置在屏幕上居中對齊，彈框界面的大小可自動適配屏幕分辨率，彈窗底色與預警等級顏色對應。彈窗信息簡明、易懂，主要顯示本地預警時間的倒計時，倒計時結束后，彈框顯示總倒計時長度并停留15 s后關閉。

（4）警報聲提示：警報聲作為“可能對本地造成嚴重破壞的地震警報”的告警，設計告示性地震預警（即藍色預警和黃色預警）沒有警報聲提示，災害性地震預警（即橙色預警和紅色預警）有警報聲提示。通過后臺部署的服務器可配置機頂盒預警終端的聲音狀態。設計當預測地震烈度≥5度時（即橙色預警和紅色預警）播放預警聲音，采用“聲音+語音播報”的方式單聲道循環播放。

2.2 發布流程與安全

發布流程采用最簡可行化分析模式，通過服務?；罘桨附壎∕QTT協議服務器，當MQTT協議連接成功后可進行心跳包的傳輸;在平臺沒有下發指令與預警信息時，電視機頂盒日常只維持心跳包的傳輸。MQTT協議服務器收到預警信息后通過預警算法計算，判斷是否預警，需要預警時則通過廣播的方式通知打開預警彈窗。整個發布流程設計，考慮了通訊安全、平臺安全、交互安全和數據安全，具體如圖2所示：

（1）通訊安全。搭建專線將云南地震預警信息發布平臺發出的地震預警信息傳輸到位于運營商網絡的地震預警轉發平臺，再通過運營商的網絡連接到電視機頂盒，確保通訊鏈路安全;通過對地震預警APK應用程序進行簽名，明確發布者身份，確保應用的完整性以及程序包中的文件不會被替換，確保位于運營商網絡的地震預警轉發平臺消息與地震預警APK之間的通訊安全。

（2）平臺安全。地震預警轉發平臺使用消息代理軟件Mosquitto進行信息發布，通過設置權限控制，只允許白名單IP的服務端發布，非白名單無法進行發布。同時，通過MQTT協議與地震預警APK進行預警發布訂閱信息交互，地震預警APK須訂閱特定預警主題才能保障機頂盒接收預警信息。

（3）交互安全。超文本傳輸協議（HTTP）消息交互：當信息文本從服務器端傳輸到本地瀏覽器時，為保障接入源安全，使用國密雜湊算法（SM3）進行簽名，當地震預警APK請求地震預警轉發平臺接口時將請求參數加鹽（salt）做簽名操作，地震預警轉發平臺需解析該簽名，如果簽名信息錯誤則不允許接入。

MQTT協議消息交互。只有使用賬戶密碼連接MQTT服務器才允許進行消息交互，地震預警APK賬戶密碼通過接口正常入網授權后獲取MQTT賬號密碼。

（4）數據安全。地震預警APK進行了代碼混淆，定義了專門的數據結構進行數據的發送和接收，只會接收到訂閱的主題發送的內容，若內容不兼容格式將不予進行下一步操作，可防止不明數據進行錯誤預警或其他操作。MQTT協議自帶異常機制，在格式解析錯誤報錯后，APK會將MQTT協議斷開并重新連接電視預警信息發布平臺。

2.3 技術實現

2.3.1 關鍵技術

地震預警的關鍵信息是用戶所在地的預測烈度和預警時間倒計時。本文采用MQTT協議以廣播的形式進行IPTV地震預警信息發布，需由電視根據自身位置信息自行計算本地預測烈度與預警時間倒計時，因此要在電視機頂盒內嵌的地震預警APK里明確相關算法，通過讀取機頂盒定位信息后進行相關計算，以完成技術實現。具體算法有：

（1）機頂盒定位與震中距計算

采用IP定位+后臺設置的方式獲取機頂盒本地經緯度位置，以IP定位為主，定位精度到縣（區）一級。云南移動通過提取各縣（區）IP段地址數據進行機頂盒定位，云南電信通過機頂盒分組序列號映射縣（區）地址數據進行機頂盒定位。

震中距的計算首先將以緯度θ-經度φ方式標識的震中P1（θ1，φ1）與本地位置P2（θ2，φ2）轉換為直角坐標標識震中P1（x1，y1，z1）與本地位置P2（x2，y2，z2）。轉換方法如下：

x=Rcos θcos φ

y=Rcos θsin φ

z=Rsin θ（1）

式中：R為地球平均半徑，取6 378 km。

然后計算震中距d如下：

d=（x1-x2）2+（y1-y2）2+（z1-z2）2（2）

（2）本地預測地震烈度計算

本地預測烈度算法采用點源模型的地震動衰減關系，計算公式為：

I=I0-4×lg（D10+1）（3）

式中：I0為震中烈度;D為震源距（單位：km），由震中距和震源深度確定，計算公式為：

D=d2+h2（4）

式中：d為震中距;h為震源深度。顯示的本地預測烈度采用四舍五入取整。

（3）本地地震預警時間計算

本地預警時間t為“S波從震源傳到本地的用時T”減去“當前已消耗的時間ΔT”，其中T用震源距除以本地S波的平均速度求得，所以本地預警時間的計算公式為：

t=Dv-（ΔT）（5）

式中：云南本地S波的平均速度取3.55 km/s;ΔT=tnow-teq，tnow為機頂盒當前時間，teq是地震的發震時間。

為確保tnow與teq的準確性，使用統一的授時服務器對云南地震預警信息發布平臺、地震預警轉發平臺和電視機頂盒進行授時。

2.3.2 具體實現

收到地震預警信息后，電視機頂盒以彈窗提醒的形式在已開機的電視上呈現。彈窗內容主要為地震基本信息（發震時刻、震中位置、震級）、預測計算信息（本地預測烈度、預警時間倒計時）、避震提示及信息來源。根據發布標準彈窗提醒分為4種類型，由弱到強分別為藍色、黃色、橙色、紅色預警，具體界面如圖3所示。

3 分析與討論

3.1 應用情況

云南移動和云南電信IPTV目前采用用戶自行下載安裝的方式進行“云南地震預警”應用的推廣。用戶進入電視首頁上的應用入口，點擊安裝后即可在電視上接收地震預警信息，應用界面如圖4所示。

“云南地震預警”應用實行邊運行、邊推廣，分4個批次完成了全省覆蓋。2021年2月3日移動高清電視盒子“云南地震預警”在云南多震的昭通市、迪慶州、大理州、德宏州等12個州（市）下轄的23個縣（區）上線，4月27日覆蓋全省;5月22日電信IPTV全省上線，5月24日移動IPTV全省上線。目前下載用戶總數已超20萬戶，已下載用戶在線率保持在20%～70%，18～22時的在線率最高，如圖5所示。

3.2 地震響應

2021年5月21日21時48分，在云南省大理州漾濞縣蒼山西鎮（25.67°N，99.87°E）發生MS6.4地震。地震發生前云南移動約有4.2萬戶電視用戶下載安裝“云南地震預警”應用，地震發生時在線用戶數約1.4萬戶，均收到了地震預警信息。但由于短時間大并發量和網絡帶寬不夠的問題，致使電視機頂盒反饋到服務端出現異常，系統管理后臺僅收到111個縣（區）共981臺電視機頂盒的反饋（圖6），反饋數據顯示，其中有5臺電視機頂盒達到最大響應烈度5度，發出橙色預警和警報聲，分布于漾濞縣;29臺電視機頂盒響應烈度為3度，發出黃色預警，分布于大理市、洱源縣、云龍縣、永平縣、巍山縣;48臺電視機頂盒響應烈度為2度，其余電視機頂盒響應烈度為1度，均發出藍色預警，分布于105個縣（區）（圖7）。

漾濞地震后不到24 h，“云南地震預警”應用的下載量翻了一倍（圖8），得到了廣大群眾的認可。震后48 h云南移動通過“云南地震預警”應用及時向群眾發出電視預警43次，機頂盒響應10萬余臺（次），為市民提前做好安全防護贏得了寶貴時間。

3.3 存在問題

云南IPTV地震預警尚處于“先行先試”階段，從信息處理、傳遞到發布環節，還存在4個問題：①需完善發布模式和發布策略。面對全省約900萬IPTV用戶，需研究一套科學合理的信息發布算法，能快速精確地向不同烈度環境下的發布對象進行預警;②需設計關鍵算法的功能拓展。本地預測地震烈度計算現采用點源模型和震中烈度的地震動衰減關系，引入線源估算結果時該關系將無法使用;③需進一步簡化電視彈窗界面，方便用戶在接收到預警信息后能第一時間定位到具體的關注點上，更貼合用戶的需求;④需提升預警信息發布安全保障能力，聯合電視運營商加強全鏈條預警服務系統的網絡安全、信息安全和數據監控，優化預警信息發布平臺，規范預警信息發布渠道，建立異常情況處置機制，提升電視預警大范圍、高并發信息播發保障能力。

4 結論

本文選取IPTV作為云南地震預警信息的拓展發布渠道，聯合云南移動和云南電信明確了技術架構，設計了發布規則和發布流程，開發了“云南地震預警”電視應用，地震發生后能在電視屏幕上以彈窗的形式顯示滿足地震預警發布條件的地震基本信息（發震時刻、震中位置、震級）、預測計算信息（本地預測烈度、預警時間倒計時）、避震提示及語音播報。

漾濞MS6.4地震是對云南IPTV發布地震預警信息的首次檢驗。震后電視預警正常發出，預警發布效果和宣傳效果較好，使公眾提前知悉地震來臨，在一定程度上避免了恐慌，安定了民心。目前“云南地震預警”應用已推廣覆蓋云南移動和云南電信約900萬IPTV用戶，已有20萬IPTV用戶安裝下載，是地震預警信息發布渠道拓展的一次成功探索，技術路線可應用于IPTV發布地震預警信息的具體實踐中。

IPTV地震預警信息發布還存在較多亟待完善的技術問題，需進一步優化方案、豐富手段、深入研究，提高電視預警信息發布的準確性、時效性和服務性，讓電視預警信息更貼合用戶的需求，更好地為人民群眾提供應對地震逃生避險的預警時間;積極探索業務應用成熟的第三方平臺預警信息發布渠道，充分利用各類傳播渠道建立重大地震災害預警信息全網發布機制，最大限度地保護人民生命財產安全、減少地震災害風險，發揮好云南地震預警工程“先行先試”示范作用，切實提升云南省防震減災公共服務能力。

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The Yunnan Earthquake Early Warning System Based on IPTV and ItsApplication in the 2021 Yangbi，Yunnan MS6.4 Earthquake Event

WU Yanmei，ZHAO Zhirou，LI Min，JIA Zhaoliang，CAO Yanbo

（Yunnan Earthquake Agency，Kunming 650224，Yunnan，China）

Abstract

The Yunnan Earthquake Early Warning System used to consist of 746 sets of early warning terminals.As a result，it has a limited coverage of early warning information，and low efficiency.In order to solve this problem，we selected the internet protocol television（IPTV）as the channel for issuing the earthquake early warning information，and supported by China Mobile Yunnan Company and China Telecom Yunnan Company，we designed the Yunnan Earthquake Early Warning APK，defined the technical framework，the release rules and process，and finally developed the TV application of the Yunnan Earthquake Early Warning.So far，the application of the Yunnan Earthquake Early Warning has been pushed to about 9 million IPTV users in Yunnan province，and has been downloaded and installed by 2 million users.When an earthquake occurs，the application will soon display the warning information such as magnitude，epicenter，original time，predicted intensity arrival time of the P-wave，emergency hedging in the form of pop-up window on the TV screen.In the Yangbi MS6.4 earthquake event，the application was tested and proved to be effective.

Keywords：TV early warning;earthquake early warning;release of early warning information;IPTV