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基于IPTV的云南地震预警信息发布技术及在2021年云南漾濞MS6.4地震中的应用 吴艳梅 赵至柔 李敏 贾召亮 曹彦波摘要：为有效解决云南地震预警系统信息发布覆盖范围有限、预警成效不足等实际问题，选取交互式网络电视（IPTV）作为云南地震预警信息的拓展发布渠道，联合云南移动和云南电信，通过设计云南地震预警信息发布安卓应用程序包（APK）、明确技术架构、设计发布规则和发布流程、开发“云南地震预警”电视应用，采用MQTT协议以广播的形式实现了IPTV地震预警目前“云南地震预警”应用已推广覆盖至全省约900万IPTV用户，已有20万IPTV用户安装下载，地震发生后，该应用能在电视屏幕上以弹窗的形式显示地震基本信息、预测计算信息、避震提示及语音播报通过在漾濞MS6.4地震中的检验，其预警发布效果和宣传效果较好关键词：电视预警;地震预警;预警信息发布;IPTV：P315-392 ：A ：1000-0666（2021）03-0499-080 引言地震预警主要是通过在一定区域范围内部署多个传感器，形成地震监测台网当地震发生时，通过监测、分析与计算、处理、发布与紧急处置，充分利用电磁波比地震波传播快所形成的时间差，在地震波到达目标区域之前向各目标用户发出地震预警信息，提醒其进行紧急处理与避险（李翔等，2020）。

多震且经济发达的国家或地区的地震预警相关理论研究和实践都起步较早且发展成熟，如日本、墨西哥、美国西海岸、罗马尼亚、土耳其及我国台湾地区都拥有管理规范的地震预警系统（Allen，Melgar，2019;Cremen，Galasso，2020），可通过无线电广播、电视频道（Hoshiba et al，2008）、无线电接收器、付费电视和广播电台、市政喇叭系统、（Surez et al，2021）等渠道向公众提供地震预警服务预警系统除发布地震提示、预警警报、避险指导外（杨程等，2018），也提供断层滑移分布、峰值地震动观测值等地震参数信息（Chung et al，2020），信息发布方式多样且不断开发新的发布渠道（刘赫奕等，2020）我国现阶段还处于地震预警系统研究与应用的早期阶段国家地震烈度速报与预警工程项目于2018年7月正式启动实施，通过建设台站观测、通信网络、数据处理、信息服务等系统，从总体上提升我国防震减灾能力（Peng et al，2011，2020;Zhang et al，2016）云南地震预警项目作为其重要组成部分之一，2021年5月建成由1 540个观测台站、1个省级预警中心、16个州（市）发布平台、746套预警终端以及与之配套的软件系统组成的地震烈度速报与预警系统，初步实现了全省地震烈度速报和预警服务能力。

但云南作为我国地震最多、震灾最重的省份之一，僅通过746套预警终端进行信息发布，覆盖范围有限、预警成效不足，距预警信息发布和服务的全覆盖目标尚存在较大差距，因此利用成熟技术和稳定平台提高地震预警信息的覆盖面就显得尤为重要电视是重要的广播和视频通信工具，综合人口覆盖率在99%以上http：//1 研究方法与技术路线1.1 研究方法目前基于安卓平台的IPTV机顶盒应用程序的设计让客户端的模块交互更为便利，客户端可将发布于应用商店的安卓应用程序包（Android Application Package，简称APK）提供给机顶盒厂家，机顶盒厂家将APK集成在系统固件中，由双方通过联调后进行发布（刘文静，2017），也可通过设置应用商店的应用入口，采取电视用户自行下载的方式进行APK发布本文通过设计云南地震预警信息发布APK（以下简称地震预警APK），联合云南移动和云南电信采取电视用户自行下载的方式，采用实验法，经过多轮技术测试探索实现了IPTV地震预警信息发布1.2 技术路线通过部署专线网络和位于运营商网络的地震预警转发平台服务器，可将从云南地震预警信息发布平台接收到的地震预警信息进行实时传输;使用IBM MessageSight数据平台和消息队列遥测传输（Message Queuing Telemetry Transport，简称MQTT）即时通讯协议作为地震预警发布中间件，通过设置地震预警信息发布MQTT协议建立服务端与IPTV机顶盒终端间的长连接，地震预警转发平台通过运营商的网络以及MQTT协议与IPTV机顶盒建立心跳连接，地震预警APK与地震预警转发平台服务器可以完成实时数据传输;机顶盒收到地震预警信息后，通过地震预警APK计算出本地震中距、本地预测地震烈度、本地地震预警时间，在电视屏幕上以弹窗的形式显示满足发布条件的地震预警信息并播报语音提示，具体技术路线如图1所示。

云南地震预警信息发布平台、地震预警转发平台服务器和IPTV机顶盒的时间都同步到同一个授时服务器，以保证预警时间的有效性2 设计与实现2.1 发布规则设计针对云南省内发生的地震，设计如下：自预测地震M≥3.0时进行发布，自预测地震烈度1度起进行弹窗提示根据预测地震烈度的不同，云南地震预警信息发布标准将地震预警分为灾害性预警和告示性预警两类，并将地震预警等级由强到弱分为4级，依次为1级、2级、3级和4级，并分别采用红、橙、黄、蓝4种颜色表示云南IPTV地震预警信息采用云南地震预警信息发布标准进行发布，预警等级与预测地震烈度的对应关系见表1发布内容包括文字展示、图标展示、弹窗展示和报警声提示，所需电视权限有网络权限、读写内存权限、悬浮窗权限、定位权限、获取信息权限以及开机自启动权限具体如下：（1）文字展示：包括地震基本信息（发震时刻、震中位置、震级）、预测计算信息（本地预测烈度、预警时间倒计时）、避震提示及信息来源2）图标展示：根据本地预测烈度，展示相应级别的地震预警图标（表1）3）弹窗展示：通过安卓弹窗（Android Dialog）的方式进行展示，弹框的关闭由本地预警时间决定弹窗位置在屏幕上居中对齐，弹框界面的大小可自动适配屏幕分辨率，弹窗底色与预警等级颜色对应。

弹窗信息简明、易懂，主要显示本地预警时间的倒计时，倒计时结束后，弹框显示总倒计时长度并停留15 s后关闭4）警报声提示：警报声作为“可能對本地造成严重破坏的地震警报”的告警，设计告示性地震预警（即蓝色预警和黄色预警）没有警报声提示，灾害性地震预警（即橙色预警和红色预警）有警报声提示通过后台部署的服务器可配置机顶盒预警终端的声音状态设计当预测地震烈度≥5度时（即橙色预警和红色预警）播放预警声音，采用“声音+语音播报”的方式单声道循环播放2.2 发布流程与安全发布流程采用最简可行化分析模式，通过服务保活方案绑定MQTT协议服务器，当MQTT协议连接成功后可进行心跳包的传输;在平台没有下发指令与预警信息时，电视机顶盒日常只维持心跳包的传输MQTT协议服务器收到预警信息后通过预警算法计算，判断是否预警，需要预警时则通过广播的方式通知打开预警弹窗整个发布流程设计，考虑了通讯安全、平台安全、交互安全和数据安全，具体如图2所示：（1）通讯安全搭建专线将云南地震预警信息发布平台发出的地震预警信息传输到位于运营商网络的地震预警转发平台，再通过运营商的网络连接到电视机顶盒，确保通讯链路安全;通过对地震预警APK应用程序进行签名，明确发布者身份，确保应用的完整性以及程序包中的文件不会被替换，确保位于运营商网络的地震预警转发平台消息与地震预警APK之间的通讯安全。

2）平台安全地震预警转发平台使用消息代理软件Mosquitto进行信息发布，通过设置权限控制，只允许白名单IP的服务端发布，非白名单无法进行发布同时，通过MQTT协议与地震预警APK进行预警发布订阅信息交互，地震预警APK须订阅特定预警主题才能保障机顶盒接收预警信息3）交互安全超文本传输协议（HTTP）消息交互：当信息文本从服务器端传输到本地浏览器时，为保障接入源安全，使用国密杂凑算法（SM3）进行签名，当地震预警APK请求地震预警转发平台接口时将请求参数加盐（salt）做签名操作，地震预警转发平台需解析该签名，如果签名信息错误则不允许接入MQTT协议消息交互只有使用账户密码连接MQTT服务器才允许进行消息交互，地震预警APK账户密码通过接口正常入网授权后获取MQTT账号密码4）数据安全地震预警APK进行了代码混淆，定义了专门的数据结构进行数据的发送和接收，只会接收到订阅的主题发送的内容，若内容不兼容格式将不予进行下一步操作，可防止不明数据进行错误预警或其他操作MQTT协议自带异常机制，在格式解析错误报错后，APK会将MQTT协议断开并重新连接电视预警信息发布平台2.3 技术实现2.3.1 关键技术地震预警的关键信息是用户所在地的预测烈度和预警时间倒计时。

本文采用MQTT协议以广播的形式进行IPTV地震预警信息发布，需由电视根据自身位置信息自行计算本地预测烈度与预警时间倒计时，因此要在电视机顶盒内嵌的地震预警APK里明确相关算法，通过读取机顶盒定位信息后进行相关计算，以完成技术实现具体算法有：（1）机顶盒定位与震中距计算采用IP定位+后台设置的方式获取机顶盒本地经纬度位置，以IP定位为主，定位精度到县（区）一级云南移动通过提取各县（区）IP段地址数据进行机顶盒定位，云南电信通过机顶盒分组序列号映射县（区）地址数据进行机顶盒定位震中距的计算首先将以纬度θ-经度φ方式标识的震中P1（θ1，φ1）与本地位置P2（θ2，φ2）转换为直角坐标标识震中P1（x1，y1，z1）与本地位置P2（x2，y2，z2）转换方法如下：x=Rcos θcos φy=Rcos θsin φz=Rsin θ（1）式中：R为地球平均半径，取6 378 km然后计算震中距d如下：d=（x1-x2）2+（y1-y2）2+（z1-z2）2（2）（2）本地预测地震烈度计算本地预测烈度算法采用点源模型的地震动衰减关系，计算公式为：I=I0-4lg（D10+1）（3）式中：I0为震中烈度;D为震源距（单位：km），由震中距和震源深度确定，计算公式为：D=d2+h2（4）式中：d为震中距;h为震源深度。

显示的本地预测烈度采用四舍五入取整3）本地地震预警时间计算本地预警时间t为“S波从震源传到本地的用时T”减去“当前已消耗的时间ΔT”，其中T用震源距除以本地S波的平均速度求得，所以本地预警时间的。