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。

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。

图1 IPTV地震预警信息发布技术路线
Fig.1 Technical route of issuing earthquake warning information by IPTV

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。

表1 云南地震预警等级与预测地震烈度的对应关系
Tab.1 Corresponding relations between the earthquake warning grade and the predicted earthquake intensity

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“可能对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。

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:

图2 IPTV地震预警信息发布流程
Fig.2 Release process of IPTV earthquake early warning information

(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。

云南移动和云南电信IPTV目前采用用户自行下载安装的方式进行“云南地震预警”应用的推广。用户进入电视首页上的应用入口,点击安装后即可在电视上接收地震预警信息,应用界面如图4所示。

“云南地震预警”应用实行边运行、边推广,分4个批次完成了全省覆盖。2021年2月3日移动高清电视盒子“云南地震预警”在云南多震的昭通市、迪庆州、大理州、德宏州等12个州(市)下辖的23个县(区)上线,4月27日覆盖全省; 5月22日电信IPTV全省上线,5月24日移动IPTV全省上线。目前下载用户总数已超20万户,已下载用户在线率保持在20%～70%,18～22时的在线率最高,如图5所示。

图4 云南移动(a)与云南电信(b)地震预警电视应用界面
Fig.4 Early Warning applications offered by China Mobile Yunnan Company(a) and China Telecom Yunnan Company(b)

图5 已下载用户一天中各时刻平均在线率情况
Fig.5 Average online rate of users having downloaded the early warning application on every hour of the day

2021年5月21日21时48分,在云南省大理州漾濞县苍山西镇(25.67°N,99.87°E)发生M_S6.4地震。地震发生前云南移动约有4.2万户电视用户下载安装“云南地震预警”应用,地震发生时在线用户数约1.4万户,均收到了地震预警信息。但由于短时间大并发量和网络带宽不够的问题,致使电视机顶盒反馈到服务端出现异常,系统管理后台仅收到111个县(区)共981台电视机顶盒的反馈(图6),反馈数据显示,其中有5台电视机顶盒达到最大响应烈度5度,发出橙色预警和警报声,分布于漾濞县; 29台电视机顶盒响应烈度为3度,发出黄色预警,分布于大理市、洱源县、云龙县、永平县、巍山县; 48台电视机顶盒响应烈度为2度,其余电视机顶盒响应烈度为1度,均发出蓝色预警,分布于105个县(区)(图7)。

图6 漾濞MS6.4地震云南电视地震预警范围
Fig.6 The early warning scope of IPTV in Yunnan in the Yangbi MS6.4 earthquake event

图7 漾濞MS6.4地震及其余震后部分县(区)电视预警照片
Fig.7 Pop-up windows of the early warning information in the Yangbi MS6.4 earthquake event and and its aftershocks

图8 2021年“云南地震预警”应用下载量
Fig.8 Downloads of the Yunnan Earthquake Early Warning application in 2021

漾濞地震后不到24 h,“云南地震预警”应用的下载量翻了一倍(图8),得到了广大群众的认可。震后48 h云南移动通过“云南地震预警”应用及时向群众发出电视预警43次,机顶盒响应10万余台(次),为市民提前做好安全防护赢得了宝贵时间。

云南IPTV地震预警尚处于“先行先试”阶段,从信息处理、传递到发布环节,还存在4个问题:①需完善发布模式和发布策略。面对全省约900万IPTV用户,需研究一套科学合理的信息发布算法,能快速精确地向不同烈度环境下的发布对象进行预警; ②需设计关键算法的功能拓展。本地预测地震烈度计算现采用点源模型和震中烈度的地震动衰减关系,引入线源估算结果时该关系将无法使用; ③需进一步简化电视弹窗界面,方便用户在接收到预警信息后能第一时间定位到具体的关注点上,更贴合用户的需求; ④需提升预警信息发布安全保障能力,联合电视运营商加强全链条预警服务系统的网络安全、信息安全和数据监控,优化预警信息发布平台,规范预警信息发布渠道,建立异常情况处置机制,提升电视预警大范围、高并发信息播发保障能力。