高性能地震預警信息分發(fā)系統(tǒng)研究與開發(fā)

摘? 要：地震會造成巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失，對災區(qū)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(chǎn)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(fā)布模式、事件驅(qū)動模式和Protocol Buffers數(shù)據(jù)格式等軟件開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)了地震預警信息發(fā)布系統(tǒng)總體架構(gòu)設計和程序開發(fā)。預警信息分發(fā)系統(tǒng)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(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：地震預警;高性能;ZeroMQ;事件驅(qū)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(yè)研究人員研究攻關(guān)的重要課題，一直以來沒有取得重大突破。地震預警系統(tǒng)是世界上公認的能夠有效減輕地震災害的新技術(shù)手段之一[1，2]。

地震預警的實現(xiàn)思路是通過設立在地震多發(fā)區(qū)或者潛在震源區(qū)的地震臺網(wǎng)以及實時通信傳輸線路對地震進行實時監(jiān)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(nèi)確定地震震源位置、發(fā)震時刻、地震震級等基本參數(shù)，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(qū)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(shù)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(fā)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(gòu)，并且完成了地震預警信息發(fā)布系統(tǒng)的軟件開發(fā)。同時，給需要二次開發(fā)的用戶提供客戶端SDK，可滿足業(yè)務擴展需要，提供個性化的服務。

1? 系統(tǒng)總體架構(gòu)

地震預警是一套復雜的系統(tǒng)，其中的地震預警信息分發(fā)系統(tǒng)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(tǒng)，地震預警系統(tǒng)算法服務程序和地震預警系統(tǒng)信息分發(fā)系統(tǒng)，地震預警系統(tǒng)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(tǒng)信息分發(fā)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(tǒng)、Web瀏覽器后臺服務、郵件后臺服務程序，也可以根據(jù)需要集成到各服務程序中，實現(xiàn)定制化服務。該服務采用了分層的架構(gòu)設計模式，架構(gòu)層級清晰，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源與業(yè)務邏輯的解耦。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

地震預警系統(tǒng)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(jié)果生成模塊和日志模塊。

地震預警信息分發(fā)系統(tǒng)是地震預警系統(tǒng)的主要組成部分，主要負責預警消息的分發(fā)和用戶的管理。地震預警信息分發(fā)系統(tǒng)作為TCP協(xié)議客戶端，地震預警系統(tǒng)算法服務程序作為TCP協(xié)議服務端，地震預警信息分發(fā)系統(tǒng)從地震預警系統(tǒng)算法服務程序獲取XML格式的計算結(jié)果消息，再通過一系列的邏輯處理，最終發(fā)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(gòu)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(tǒng)功能模塊如圖2所示。

2? 處理流程

地震預警信息分發(fā)系統(tǒng)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(shù)據(jù)庫和連接業(yè)務服務器，緊接著會啟動線程1（數(shù)據(jù)接收線程）和線程2（數(shù)據(jù)處理線程）。數(shù)據(jù)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(huán)，如果沒有會一直處理接收到的地震預警信息，并會根據(jù)預警信息分類存入到對應的MySQL數(shù)據(jù)庫表中，然后將消息PUSH到消息隊列中，等待數(shù)據(jù)處理線程的操作。數(shù)據(jù)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(fā)現(xiàn)隊列中有數(shù)據(jù)，就會從隊列中將數(shù)據(jù)取出，根據(jù)消息類型調(diào)用ZeroMQ的訂閱發(fā)布模式，將消息推送到消息客戶端。具體的業(yè)務處理流程如圖3所示。

根據(jù)以往程序開發(fā)的經(jīng)驗，因內(nèi)存泄漏或系統(tǒng)架構(gòu)缺陷，不少類似的系統(tǒng)經(jīng)過長時間運行后，會出現(xiàn)系統(tǒng)性能下降，嚴重的會造成系統(tǒng)崩潰。預警系統(tǒng)對穩(wěn)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(fā)布的客戶端，并根據(jù)測試需要模擬運行不同數(shù)量的客戶端，而服務端程序向各個客戶端發(fā)送地震預警消息，統(tǒng)計所有客戶端接收到數(shù)據(jù)時間與發(fā)送數(shù)據(jù)時間的時間差，同時進行持續(xù)3個月的穩(wěn)定性測試。測試結(jié)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(shù)量的增加，耗時有所增加，但仍能夠保證客戶端在1秒內(nèi)接收到數(shù)據(jù)。單臺服務器支持的客戶端數(shù)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(nèi)存等系統(tǒng)資源占比平穩(wěn)，程序運行穩(wěn)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(wǎng)絡環(huán)境測試

對社會公眾的發(fā)布方式應該盡量多渠道，實現(xiàn)高覆蓋、高時效的推送[10]。隨著社會發(fā)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(fā)生時用戶可以及時收到預警消息。只要網(wǎng)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(wǎng)絡環(huán)境包括Wi-Fi、4G無線網(wǎng)絡和5G無線網(wǎng)絡環(huán)境，在Wi-Fi網(wǎng)絡環(huán)境下，從日志系統(tǒng)獲知，系統(tǒng)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(wǎng)絡環(huán)境下，因網(wǎng)絡波動較大，系統(tǒng)的平均響應時間為850毫秒，查閱日志記錄會發(fā)現(xiàn)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(tǒng)的響應時間。

5? 結(jié)? 論

本文基于ZeroMQ中間件、事件驅(qū)動和Protobuf數(shù)據(jù)格式化等編程方法或技巧，根據(jù)業(yè)務需要，設計并實現(xiàn)了核心邏輯處理流程。經(jīng)過大量測試，與已有的地震預警信息系統(tǒng)相比，在數(shù)據(jù)處理速度方面可以提高1秒以上，并發(fā)用戶數(shù)提高了25%。在網(wǎng)絡傳輸方面也有較大的優(yōu)勢。

該地震預警信息分發(fā)系統(tǒng)具有如下特點：（1）實時性，利用事件驅(qū)動和Protobuf數(shù)據(jù)格式化技術(shù)，提高了預警消息分發(fā)的速度，預警信息發(fā)布的時效性得以保證。（2）靈活性，信息發(fā)布系統(tǒng)發(fā)布的消息跟消息類型無關(guān)，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(tǒng)。（3）高性能，本系統(tǒng)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(fā)布預警消息。經(jīng)過綜合測試驗證，因本系統(tǒng)的設計方案與消息類型無關(guān)，僅需將數(shù)據(jù)采集模塊替換成其他業(yè)務場景，本系統(tǒng)就可以分發(fā)其他對時效性要求高的業(yè)務消息，因此本系統(tǒng)不僅僅局限在地震預警方面，對消防、氣象等應急領(lǐng)域具備一定的借鑒價值。

系統(tǒng)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(tǒng)一的后臺管理界面，此類不足會在今后繼續(xù)完善和優(yōu)化。

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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(wǎng)絡、地震預警技術(shù)等。