地震预警信息发布时延分析

何 凯 杜瑞林 魏贵春 戴 苗 董彦君 侯健民

1 湖北省地震局，武汉市洪山侧路40号，430071 2 中国地震局地震研究所(地震预警湖北省重点实验室)，武汉市洪山侧路40号，430071 3 中国地震台网中心，北京市南横街5号，100045



地震预警信息发布时延分析

何 凯1, 2杜瑞林1, 2魏贵春1,2戴 苗1,2董彦君1,2侯健民3

1 湖北省地震局，武汉市洪山侧路40号，430071 2 中国地震局地震研究所(地震预警湖北省重点实验室)，武汉市洪山侧路40号，430071 3 中国地震台网中心，北京市南横街5号，100045

对地震预警信息发布时延作调研后认为，预警接收终端的发布时延小于1 s；广播、电视发布时延为几s；互联网发布(新媒体、手机APP、第三方平台推送)时效性受并发量影响，在千万级用户时发布时延是30～40 s。因此，应采用分区域分级发布策略，以提高发布时效。以汶川地震为例，针对社会公众发布预警信息的时效分析结果表明，在首台触发3～4 s内开始发布预警信息，震中20～50 km范围内95%以上的网民有1～7 s的预警时间，而破裂最大区域(北川)95%以上的网民将获得30 s以上的预警时间。

地震预警；信息发布时延；新媒体

1 基本概念

1.1 地震预警

地震预警是利用电磁波传播速度远大于地震动传播速度以及破坏性地震波(S波或面波)的传播速度小于破坏性较小的P波速度的原理，在地震发生后，在尽可能短的时间内确定地震基本参数或直接估计预警目标区的地震动和破坏程度，在破坏性地震波到来前，对可能破坏区发出地震警报。根据震中距不同，地震预警系统可以提供几s、十几s甚至几十s的预警时间，使人们可以采取紧急避险措施，减少人员伤亡[1-3]。

1.2 地震预警信息发布时延

假设理论预警时间为地震预警信息产出时刻与破坏性地震波到达预警目标区时刻的时间差[4-5]:

(1)

式中，Teew理为理论预警时间，TS、TP分别为S、P波走时，Δtd为预警目标区首台P波触发后产出地震预警信息的用时。则：

(2)

理论预警时间没有考虑地震预警信息产出时刻到用户接收时刻的时间差Δtr，实际预警时间则需要考虑。定义Δtr为地震预警信息发布时延。

2 地震预警信息的发布方式

针对不同类型的用户，地震预警信息发布的方式也有所不同：一是通过专用网络(地震行业网、教育网、政务网等)，利用专用预警信息接收终端为政府部门、行业用户、企业用户发布预警信息；二是通过公共通讯网络(互联网、移动互联网)，借助电视、广播、新媒体等现有发布方式向社会公众发布预警信息。

根据预警信息发布的过程，可将发布时延分为3个阶段：紧急地震数据处理中心到紧急地震信息发布中心的时延T1，紧急地震信息发布中心到防火墙的时延T2，防火墙到用户的时延T3(图1)，即

(3)

3 发布时延分析

从表1可见，信息发布时延的不同主要体现在T3阶段，现对不同发布方式的时延进行分析。

3.1 专用接收终端发布时延

采用ping指令测试网络时延。考虑到预警设备实际接入地点和可选入网方式，在咸宁地区行业网、教育网、公网和3G、4G无线通讯4种接入方式下，分别进行从服务器到本地第二代预警信息接收终端的时延测试，每种网络方式测试100台次，平均时延结果见表2。可以看出，不同网络的时延具有以下特征：1)行业网、教育网、政务网等专业通讯网的稳定性好，发布时延Δtr较小，一般在0.42～0.7 s；2)公网等公共通讯网络波动较大，受实时通讯负载影响，发布时延Δtr在0.41～0.8 s；3)3G、4G无线通讯网路的稳定性较弱，时延较大，发布时延均在0.5～1.0 s。

图1 地震预警信息发布阶段时延Fig.1 The stage delay of releasing the earthquake early warning information

发布方式网络情况推送率/%T1/sT2/sT3/s通讯负载低通讯负载高终端唤醒时延/s信息发布时延/s专用接收终端(武汉仪器院第二代预警信息接收终端)行业网教育网政务网950.20.20.02～0.060.04～0.10～0.20.42～0.7公网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 利用新媒体“今日头条”发布地震信息时延统计

3.2 电视、广播、新媒体发布时延

据国家统计局统计，截至2015年底，广播听众达6.81亿，有线电视用户2.39亿户，而手机网民规模达6.20亿，同比增加6 303万人，其中有1.27亿人只通过手机上网，占整体网民的18.5%。

在对社会公众发布预警信息时，用户数量对预警信息发布的影响较大。为高效发布预警信息，采用多种渠道(电视、广播、互联网等)进行发布，优先推送震中距较小的区域，由近及远，利用手机的实时定位来保障有针对性地发布预警信息。

据调研，广播实现解码延时小于1 s；电视发布新闻时，模拟信号电视用户延时约0.4 s，数字电视用户约数s；新媒体发布延时与发布的用户量有关，ios平台每秒在10～20万用户，安卓平台每秒在8～20万用户。以“今日头条”为例，以它现有的技术实现能力，精准推送时效如下：数万用户在1 s内完成推送；几十万级用户在几s内完成推送；百万级用户在十几s内完成推送；千万级用户在几十s内完成推送(推送时间由今日头条测试后提供)。随着技术发展和针对性优化，推送时间还将进一步缩短。

基于中国地震台网和“今日头条”目前的技术对接方案，以推送地震自动速报结果为例，分析新媒体在信息发布中的时延。具体案例见表3。

表3 利用互联网发布预警信息时延统计

3.3 案例分析

假设四川地区发生地震，根据震中位置的不同，预警的人口数量随之变化。图2是分别按照成都、川西、四川全省平均人口密度计算得到的四川地区预警人口随震中距离的变化图(预警盲区按17 km考虑)。可以看出，地震发生在川西地区时，预警信息服务人口数量较少；发生在省会成都附近时，在离震中75 km的范围内需要预警的人口数量就超过1 500万。

图2 四川地区预警人口随震中距离变化Fig.2 The warning population change with the epicentral distance in Sichuan area

1)互联网(新媒体、手机APP、第三方推送)

以2008-05-12汶川地震为例。按照现在手机人口热力图显示，在震中距200 km范围内有3 000万手机人口，其中人口高密度区域是成都地区，人口密度超过4万人/km2。

图3 汶川地震震中距200 km范围内手机人口热力图Fig.3 Phone population thermodynamic diagram in 200 kilometers of epicentral Wenchuan earthquake

根据国家烈度速报与预警项目建设目标，重点预警区内平均台间距12 km。在首台触发3～4 s内，数据处理得到紧急地震信息并开始向外发布。根据理论P、S波速度6 km/s、3.5 km/s计算，20～50 km范围内的理论预警时间是1～9 s，50～200 km范围内的理论预警时间是9～52 s。最大破裂点北川距离初始破裂点120 km，起始破裂S波到达北川的时间35 s，理论预警时间是30 s，北川实际开始破裂是初始破裂后50 s左右。以北川本地破裂时间为准，假设首台触发3～4 s开始发布预警信息，则北川的理论预警时间为45 s。

图4 四川汶川8.0级地震破裂图[6]Fig.4 The rupture diagram of Wenchuan earthquake [6]

以今日头条、腾讯新闻为样本。目前今日头条用户数量4.5亿、腾讯新闻6亿用户，每个推送平台的推送速率大概是20万用户/s(推送速率由今日头条、腾讯新闻经过测试后提供)。地震发生后可以自动判断影响用户，根据震中距分区域分级推送信息。根据平台现有推送能力，汶川地震200 km范围内，手机网民用户的推送时延如表3。

分析结果表明，20～50 km范围内95%以上的手机网民有0～7 s的预警时间，震中距200 km范围内的3 000万网民有充足的预警时间，破裂最大区域(北川)95%以上的网民将获得30 s以上的预警时间。

2)电视、广播

电视、广播作为对社会公众发布预警信息的方式之一，是对地震影响全部区域进行预警信息推送，不同于新媒体、第三方推送、手机APP等的分区域分级推送。电视、广播的推送时延通常小于1 s，但预警信息推送的时效性受发震时间的影响较大。在电视、广播收视(听)高峰期，地震预警信息推送的时效性高；而在电视、广播收视(听)低谷期，地震预警信息推送效率会很低。

4 结 语

地震预警信息发布时延分析是地震预警工程项目可研方案中不可或缺的一部分。本文首先给出地震预警信息发布时延的定义及其主要组成部分。根据“国家地震烈度速报与预警工程项目”，对地震预警信息用户进行分类，如政府部门、社会公众、行业用户、企业用户。针对不同用户，对不同发布方式的时延进行分析，其中政府部门、行业用户、企业用户的发布方式较为简单，可通过专用预警信息接收终端(政务网、教育网、专网)进行发布，预警信息发布时延均小于1 s，可以作为主要发布方式。对社会公众，则主要通过电视、广播、互联网(新媒体、手机APP、第三方推送)等方式发布，其中电视、广播的发布时延通常在数s内，互联网发布的时延主要受发布用户量的影响。因此，采取分区域分级推送，有利于预警信息的高效推送。文中对地震预警信息发布时延作了较全面的分析，得到了可靠、有效的地震预警信息发布时延分析结果。以汶川地震为例，在首台触发3～4 s内开始发布预警信息，震中20～50 km范围内95%以上的网民有1～7 s的预警时间，而破裂最大区域(北川)95%以上的网民将获得30 s以上的预警时间。

对社会公众的发布方式应该尽量多渠道，实现高覆盖、高时效的推送[7]。借鉴日本等较为成熟的信息发布系统，公众通过购买专用的地震预警信号接收器，接收国家或省级预警信息发布中心发布的地震预警信息。接收器有液晶显示和声音报警功能，通过互联网接收，只要网络连接，就可以全天候任何时间段接收预警信号[8]。同时，这种终端能作为一个简易烈度计，安装后自动加入烈度速报台网，可加强地震烈度速报能力。

[1] 马强. 地震预警技术研究与应用[D]. 哈尔滨：中国地震局工程力学研究所，2008(Ma Qiang. Study an Application on Earthquake Early Warning[D]. Harbin：Institute of Engineering Mechanics, CEA,2008)

[2] 殷海涛，刘希强，李杰，等. 现今地震预警技术及其在国内发展状况的探讨[J]. 中国地震，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] 张红才，金星，李军，等.地震预警系统研究及应用进展[J]. 地球物理学进展，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] 赵纪东，张志强. 地震预警系统的发展、应用及启示[J]. 地质通报， 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，杨学山，马树林. 地震预警系统综述[J]. 自然灾害学报，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] 王卫民，赵连锋，李娟，等. 四川汶川8.0级地震震源过程[J].地球物理学报，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] 张红才，金星． 地震预警信息可靠度研究[J]．地震学报，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] 陈会忠，侯燕燕，何加勇，等. 日本地震预警系统日趋完善[J]. 国际地震动态，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

项目来源：地震预警身份信息识别与认证编码(16A18ZX062)。

何凯，硕士，主要从事背景噪声、地震预警研究，E-mail：hekaizw@126.com。

杜瑞林，研究员，主要从事空间大地测量与地球动力学研究，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.