基于县级应急广播平台的云南地震预警信息播发研究

吴艳梅 马颖 赵至柔 贾召亮 壮延 李敏

0 引言

应急广播是在发生重大自然灾害、突发事件、公共卫生与社会安全等突发公共危机后，基于广播电视构建的一种信息播发系统，通过“从点到面”“多通道传输”“多类型接收”的信息传递，可迅速、快捷、可靠地为社会公众提供预警信息、灾害情况、救援情况、应急知识等，具有单站点远距离覆盖、多台站补充覆盖以及播发速度不受终端数量影响等特点[1-3]，在应急信息发布方面发挥着不可替代的独特作用。在最需要的地方发声是国内外应急广播的使命和责任，自然灾害频发的美国、日本、印度等国家都会通过地方电台、广播电台、广播大喇叭等渠道及时播出各类应急信息[4]，为受灾地区铺设了一条条“生命线”。应急广播体系是我国公共服务体系的重要内容，是我国应急体系和防灾减灾体系的重要组成部分。自2017年起国家新闻出版广电总局就在全国推进应急广播建设，计划到2020年初步建成中央、省、市、县四级信息共享、分级负责、反应快捷、安全可靠的全国应急广播体系[5]。截至2020年9月云南省建设完成20个县级应急广播平台，可通过调频广播、地面数字电视广播、有线数字电视广播、大喇叭系统等多种方式，实现应急广播信号在县境内的综合覆盖[6]，在新冠病毒疫情防控、防洪、灾害性天气预警、农业生产等方面均发挥重要作用。

地震预警是在地震发生之后抢在破坏性地震波到达前发出的警报，是近三十年结合现代通讯技术发展起来的用于防震减灾的有效手段之一。随着我国地震预警工程的全面实施，“先行先试”的云南省已于2021年5月底建设完成地震预警系统，2021年7月27日中国地震局在唐山组织召开新闻发布会向全社会宣布云南地震预警系统投入试运行。云南省致力于打通地震预警能力实现的“最后一公里”，目前可通过云南地震预警信息发布平台向746套预警终端和1000万电视用户发送地震预警信息[7][8]。在2021年5月21日漾濞6.4级地震发生后7秒，679套预警终端和10万余电视预警用户就收到了地震预警信息，震区附近群众采取了紧急避险措施，大量在校学生有序撤离到安全区域，取得一定的减灾实效。但初步建立的云南地震预警信息服务体系距“多渠道、多受众、全覆盖”的目标还有较大差距，需不断拓展地震预警信息的发布渠道。因此本文通过明确播发架构，设计播发原则、播发内容和播发流程，实现了云南地震预警信息发布平台与县级应急广播平台的对接，并选取2个县级应急广播平台进行了地震预警信息播发的实地测试验证，探索了云南地震预警信息在应急广播体系中进行快速播发的可能，为进一步拓展地震预警信息的发布渠道奠定了基础。

1 播发架构

1.1 总体架构

地震预警信息发布平台部署在云南省地震局预警行业网上，由消息列队传输协议（MQTT）服务集群、业务处理服务器、预警终端服务集群、数据库服务器、地震预警服务平台及资源服务器构成，采用广播（也称点对多点）的推送服务方式，将地震震中基本参数信息（震级、经纬度、发震时间）推送至各地震预警信息发布渠道进行计算后向用户提供本地预测地震烈度和预警时间等服务。可通过互联网对地震预警终端、手机移动端、新媒体矩阵等渠道进行地震预警信息发布，通过虚拟专用网络(VPN)专线由各运营商转发平台对电视、广播等渠道进行地震预警信息发布。

县级应急广播平台部署在中国广电云南网络有限公司应急广播传输覆盖网上，由应急广播应用服务器、数据库服务器、安全服务器、操作主机、运维管理服务器、时钟同步设备、接收终端适配器等构成，主要实现应急信息和消息的接入、制作播发、调度控制、效果评估、运维管理和安全服务。应急广播传输覆盖网主要涉及无线调频广播、有线数字电视、应急广播大喇叭系统，重点为应急广播大喇叭系统。

云南地震预警信息目前采用省级发布平台统一发布，理论上应采用“平级对接、逐级播发”的方式通过应急广播体系播发预警信息，即地震预警信息发布平台先与省级应急广播平台对接，然后通过省级传输覆盖系统传输预警信息至下级应急广播平台，最终通过接收终端完成预警信息的播发。但云南的省级应急广播平台还在搭建中，而县级应急广播平台的建设和使用较成熟，故采用“跨级对接、直接播发”的方式，由地震预警信息发布平台直接与县级应急广播平台对接后进行地震预警信息的播发。总体架构如图1所示。

图1 县级应急广播平台播发地震预警信息的总体架构

1.2 信号链路

地震预警信息发布平台通过VPN专线将地震预警信息由云南省地震局传输至中国广电云南网络有限公司中心机房后，由已建成的广播电视光缆骨干网络逐级传输，通过县级广电网络机房、县级应急广播平台机房最终到县级应急广播平台。县级应急广播平台的终端主要为乡镇或行政村大喇叭、自然村大喇叭以及公共终端。大喇叭前端部署4G无线路由器，通过光纤数字专线（主用）、4G（备用，IPSec VPN链路）接入县级应急广播平台；公共终端通过光纤数字专线（主用）、4G（备用）连入县级应急广播平台，采用下级接入防火墙保障网络安全。信号链路如图2所示。

图2 县级应急广播平台播发地震预警信息的信号链路

2 播发设计

2.1 播发原则

地震预警信息发布平台与县级应急广播平台对接进行信息播发时应当遵循以下4个原则：

2.1.1 安全性原则

保证2个平台以及信号链路架构的安全，在满足通用安全（网络安全、主机安全、应用安全、数据安全及系统备份恢复等）保障要求外，还须采用应急广播业务安全（数字签名和数字证书技术）保障应急广播消息在传输过程中的安全性，对地震预警信息进行消息签名验签，保证发布的地震预警信息合法、真实。

2.1.2 及时性原则

保证地震预警信息时效性高，保证地震预警信息发布平台传送给应急广播平台的预警信息具备唯一性且可进行判断，应急广播平台可快速准确的接收、解析和播发。同时，应保证2个平台统一进行授时及管理。

2.1.3 统一性原则

若无单独制定地震预警系统针对应急广播系统的发布条件，应当采用目前的发布标准进行地震预警信息发布。目前的标准规定自预测地震烈度达到3度及以上进行地震预警信息发布。根据预测地震烈度的不同，地震预警等级由强到弱分为四级：1级预警即红色预警，对应预测烈度7度及以上；2级预警即橙色预警，对应预测烈度6度、5度；3级预警即黄色预警，对应预测烈度4度、3度；4级预警即蓝色预警，对应预测烈度2度、1度。

2.1.4 有效性原则

保证地震预警信息发布平台发布的信息有效、完整，保证县级应急广播平台播发的地震预警信息简明、扼要，以便有效传递关键信息，便于公众迅速采取应急避险措施。同时，县级应急广播平台应当及时反馈地震预警信息发布状态和发布效果。

2.2 播发内容

2.2.1 地震预警信息发布平台推送内容

地震预警信息发布平台播发的内容包含两项，分别是数据文件和震中基本参数信息。根据应急广播系统对接协议，发布平台采用HTTP协议的方式、以TAR格式进行数据文件推送。数据文件由预警信息业务数据文件（XML格式，一个或多个）和预警信息业务数据签名文件（XML格式，零个、一个或多个）构成。预警信息业务数据文件包含了平台接口的具体业务数据，由协议版本号、数据包编号、数据包类型、数据包来源对象、数据包目标对象、数据包生成时间等组成，主要类别有发布请求文件、撤销请求文件、状态查询文件、接收回执文件等。预警信息业务数据签名文件是应急广播业务数据文件所对应的签名数据文件。发布平台需在传输报文中按照格式规定明确数据文件的文件名称及打包压缩方式，同时需按照格式规定推送震中基本参数信息，具体格式规定如表1所示。

表1 地震预警信息发布平台推送内容名称和格式

2.2.2 县级应急广播平台播发内容

与地震预警信息发布平台相对应，县级应急广播平台播发的内容也包含两项，分别是返回给地震预警信息发布平台的接收回执TAR文件和发射至接收终端的播发内容。接收终端的播发内容按照应急广播系统固定的播发内容进行设置[9]，接收端要实现以下4部分内容：（1）地震预警信息的安全性校验，确保信息的完整性、不可抵赖性和不可篡改性；（2）可进行地震预警信息的播发；（3）可实现当前地震预警信息的播发状态、播发效果的反馈；（4）可实现对接平台信息的交互。返回的接收回执TAR文件主要包含心跳检测文件、预警信息发布指令文件、预警信息撤销指令文件、预警信息发布状态查询文件、预警信息发布状态反馈文件、预警信息播发效果查询文件、预警信息播发效果反馈文件等，具体名称和格式如表2所示。

表2 县级应急广播平台返回接收回执TAR文件名称和格式

2.3 播发流程

按照上述设计，针对地震预警信息发布平台推送的预警信息业务数据文件，县级应急广播平台通过返回接收回执TAR文件进行响应，保持数据连接。当地震预警信息发布平台推送地震震中基本参数信息时，县级应急广播平台通过消息接收、安全验证和消息解析，经过判断确定为地震预警信息后进行消息插入和发射，由应急广播接收终端快速进行信息播发。总体播发流程如图3所示。

图3 县级应急广播平台播发地震预警信息的流程

3 播发测试验证

3.1 播发测试点概况

本文选取了武定县和东川区2个县级应急广播平台与云南地震预警信息发布平台对接，进行地震预警信息播发测试。武定县位于云南省中北部、楚雄彝族自治州东北部，武定县应急广播平台是云南首个县级应急广播平台，包含乡镇平台11个，行政村终端121个，自然村终端486个，无公共接收终端。从县至乡镇、村（社区）三级采用有线网络传输，村（社区）至村组采用无线网络传输，具备条件的村组采用有线网络传输。建成后实现对全县133个村委会1572个村组的全覆盖[10]。东川区位于云南省东北部、昆明市最北端，东川区应急广播平台包含乡镇（街道）平台9个、行政村（居）委会平台141个（包括19个“百县万村”广播设备改造点），联网335个村（居）小组，设立3个室外公共大屏、1个室外公共接收端，同时在东川区林草局、东川区应急管理局、东川区防震减灾局安装有应急广播发布系统[11]。武定县和东川区2个县级应急广播平台的开播共惠及约60万名群众。

3.2 播发测试方案

根据播发设计，播发测试的内容为预警信息业务数据文件传输测试以及应急广播平台接收终端播发内容测试。在武定县设2个采集点，为应急广播平台和终端音柱，在东川区共设3个采集点，为应急广播平台、前端适配器和终端大喇叭。由于采集点不同，对武定县和东川区分别采用2种方案：一是对武定县应急广播平台通过IP指令下发测试信号，当终端设备收到IP指令后通过IP回传回复信号；二是对东川区应急广播平台通过IP指令发送测试信号给调频适配器，调频适配器通过调频通知调频终端，终端通过调频信号回复调频适配器，调频适配器收到调频终端回复后再通过IP回复应急广播台。终端时间更新以服务器时间为准且服务器同步北斗卫星时间。

测试流程为通过云南地震预警信息发布平台进行地震预警事件测试触发，共触发2个测试震例，测试震例的选择应避免东川区和武定县处在预警盲区；对同一震例分别触发5.0级、6.0级、7.0级3个震级，以确保测试点能收到红色、橙色、黄色、蓝色4个等级的地震预警信息；每个震级重复触发10次，共触发60次测试。通过统计测试触发时间、接收回执TAR文件的数据生成时间和播发开始时间，可计算得到相应的响应时间。响应时间采集格式为utc时间戳，精确到毫秒。

3.3 播发测试结果

测试表明，地震预警信息均能在武定县和东川区2个县级应急广播平台正常播发如图4所示。地震预警信息发布平台发出地震预警信息后到应急广播接收终端最终接收到地震预警信息的平均响应时长约为2s如图5所示，能满足地震预警信息的时效性要求。通过数据文件传输测试如表3所示，地震预警信息发布平台到县级应急广播平台的心跳检测文件、预警信息发布指令文件以及预警信息撤销指令文件的平均响应时间均小于1ms，地震预警信息发布平台到县级应急广播平台的预警信息发布状态查询文件和预警信息播发效果查询文件的平均响应时间均小于3ms，县级应急广播平台到地震预警信息发布平台的预警信息发布状态反馈文件和预警信息播发效果反馈文件的响应时间均小于3ms，充分表明地震预警信息发布平台与县级应急广播平台之间的数据文件传输耗时很少。因此，县级应急广播平台内部对地震预警信息进行消息插入和发射并由应急广播接收终端快速进行信息播发的过程耗时约为2s。

图4 县级应急广播平台播发地震预警信息测试界面

图5 县级应急广播接收终端接收地震预警信息平均响应时长统计

表3 地震预警信息发布平台与县级应急广播平台的数据文件传输测试情况

4 结论和建议

通过地震预警信息发布平台与武定县、东川区2个县级应急广播平台的对接，初步完成了地震预警信息在县级应急广播平台播发的实地测试验证，结果表明地震预警信息在应急广播系统中传输的响应时间均能满足时效性要求。目前我国大力推进地震预警工程建设和应急广播体系建设，云南省是全国地震预警项目建设“先行先试”示范省份之一，而云南省也计划于2025年底前完成省、州市、县三级应急广播平台建设，实现应急广播系统终端全覆盖，与国家应急广播平台和行业预警信息发布系统有效对接。此次研究可为最终实现云南地震预警信息在应急广播体系中的快速播发奠定前期技术基础，并提出4点建议：

4.1 建立健全对接机制

由于云南的省级应急广播平台还未建设完成，文中采用“跨级对接、直接播发”的方式，由地震预警信息发布平台直接与县级应急广播平台对接进行测试。待构建形成省、州市、县三级应急广播体系后，应制定统一的系统对接机制和信息播发流程，对播发地震预警信息进行规范管理。

4.2 完善接收终端播发内容

文中仅初步完成地震预警信息在2个县级应急广播平台接收终端的播发测试，需进一步完善不同类型的接收终端播发红色、橙色、黄色、蓝色4种地震预警信息的具体内容。

4.3 提升地震预警信息播发时效

此研究未单独对地震预警信息的播发流程进行设置，测试结果表明县级应急广播平台内部对地震预警信息进行消息插入和发射并由应急广播接收终端快速进行信息播发的过程耗时约为2s。可进一步梳理地震预警信息的播发流程，探索能否有效缩短播发地震预警信息的处理时间。

4.4 优化传输覆盖手段

通过县级应急广播平台的IP通道进行地震预警信息的传输测试，但广播电视传输通道具备多元化的先天优势，可以有线、无线传输通道为基础，以新媒体、4G、5G等通信技术为补充，结合云南地震多发区域特点和地震预警信息发布的需求，进一步探索有效的传输覆盖手段，以确保应急广播接收终端对地震预警信息的有效覆盖。