周施文，鄭 超，程 志

（福建省地震局，福州 350003）

0 引言

我國是世界上地震災(zāi)害最為嚴重的國家之一。隨著移動通信和智能手機的普及和全民防震減災(zāi)意識的提高，國內(nèi)手機應(yīng)用市場上出現(xiàn)了相應(yīng)的地震信息類應(yīng)用。此類應(yīng)用絕大多數(shù)以提供地震三要素（震時、震中、震級）信息為主，官方應(yīng)用以中國地震臺網(wǎng)的 “地震速報”為代表，第三方應(yīng)用以成都高新減災(zāi)研究所的 “地震預(yù)警”為代表。在應(yīng)用介紹里提到具有地震預(yù)警功能的國內(nèi)手機應(yīng)用，僅有成都高新減災(zāi)研究所的 “地震預(yù)警”應(yīng)用，但是該應(yīng)用的地震預(yù)警數(shù)據(jù)來源是基于較為簡易的地震監(jiān)測儀器和該所自主研發(fā)的地震監(jiān)測系統(tǒng)，誤報風(fēng)險較大，并不具備官方權(quán)威性；而在日本，地震預(yù)警信息只有政府授權(quán)的組織和部門，如日本氣象廳，才可發(fā)布地震預(yù)警信息。因此，研發(fā)一個基于官方地震數(shù)據(jù)來源、具備官方權(quán)威性的手機地震預(yù)警應(yīng)用已不僅僅是市場所需，更是地震系統(tǒng)為大眾提供地震預(yù)警服務(wù)的當(dāng)務(wù)之急[1-2]。

實現(xiàn)手機地震預(yù)警應(yīng)用需要采用高效、可靠、低耗的消息傳輸機制。目前主流的面向消息中間件協(xié)議有Java消息服務(wù)（JMS）、高級消息隊列協(xié)議（AMQP）、流文本定向消息協(xié)議（STOMP）、可擴展通訊和表示協(xié)議（XMPP）、消息隊列遙測傳輸（MQTT）等。基于上述各協(xié)議的中間件產(chǎn)品 （如Apache Qpid、ActiveMQ、RabbitMQ等）均能提供高效、可靠的消息傳輸服務(wù)。因此，各協(xié)議的功耗差別成為了本文選擇的重要依據(jù)。經(jīng)調(diào)研，MQTT協(xié)議 “體積”小、功能 “專一”，成為市面上手機APP的主要選擇，代表應(yīng)用為Facebook Messenger App。因此，MQTT協(xié)議成為本文搭建手機預(yù)警應(yīng)用的選擇。另一方面，目前主流的手機操作系統(tǒng)有安卓、蘋果、微軟和黑莓等。據(jù)統(tǒng)計，截至2015年，全球安卓操作系統(tǒng)份額達81%；2015年度中國手機市場上，搭載安卓系統(tǒng)的手機獲得82.02%的關(guān)注比例，占據(jù)絕對主流。

基于上述兩點，本文以安卓系統(tǒng)為目標，首先簡略介紹MQTT相關(guān)資料，然后詳細介紹基于MQTT協(xié)議開發(fā)安卓手機地震預(yù)警應(yīng)用，并給出相關(guān)的測試評估結(jié)果。

1 MQTT協(xié)議簡介

MQTT協(xié)議全稱是消息隊列遙測傳輸協(xié)議（Message Queuing Telemetry Transport）， 由 IBM 公司主導(dǎo)開發(fā)，提供開源的實現(xiàn)。MQTT協(xié)議是面向消息中間件（Message-Oriented Middleware,MOM）的一種協(xié)議。MOM是一種異步、無阻塞、基于消息的通信技術(shù)，能夠屏蔽操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的差異，具有良好的可靠性和靈活性，特別適用于邏輯關(guān)系松散的分布式環(huán)境[3?；诖?，MQTT協(xié)議具有以下幾點特性：

（1）采用發(fā)布-訂閱消息通信協(xié)議，提供一對多的消息發(fā)布模式。

（2）基于TCP/IP協(xié)議，提供3種消息服務(wù)質(zhì)量 （Quality of Service， QoS）：

①At Most Once，用0標識，消息最多被傳遞一次；在基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中，消息可能會丟失或重復(fù)。

②At Least Once，用1標識，確保消息到達，但可能會重復(fù)傳遞消息。

③Once and Exactly Once，用2標識，消息保證傳遞且僅有一次傳遞。

（3）開銷小，固定長度的消息頭部是2字節(jié)，利于大數(shù)據(jù)并發(fā)時節(jié)省數(shù)據(jù)流量。

（4）支持處理客戶端和服務(wù)器之間的連接丟失，如果客戶端意外掉線，可使用 “遺愿和遺囑”（Last Will和 Testament特性） 向服務(wù)器發(fā)布一條消息。

（5）支持絕大多數(shù)平臺和編程語言，實現(xiàn)程序松耦合。

（6）易于實現(xiàn)，語法采用簡單的動詞集合，如connect、subscribe等。

1.1 MQTT協(xié)議基礎(chǔ)模型

MQTT協(xié)議的基礎(chǔ)模型中定義了3種角色：消息發(fā)布者Publisher、消息代理Broker和消息訂閱者Subscriber，如圖1所示。其中，消息代理即為消息代理服務(wù)端，負責(zé)管理消息發(fā)布者的注冊和主題登記、消息訂閱者的注冊和主題訂閱、消息的存儲和轉(zhuǎn)發(fā)。消息訂閱者和消息發(fā)布者的角色可以根據(jù)場景的不同而互相轉(zhuǎn)換。比如說，一個消息發(fā)布者可以同時向消息代理訂閱主題并接收消息推送，從而成為消息訂閱者，反之亦然。

MQTT協(xié)議屏蔽了具體的消息內(nèi)容，以主題（Topic）為標識對發(fā)布的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)。發(fā)布者可以通過向不同主題發(fā)布不同的信息，提高信息發(fā)布的效率；訂閱者可根據(jù)需要訂閱相關(guān)的主題，減少冗余信息，提高信息的利用率。

圖1 MQTT協(xié)議原理基礎(chǔ)模型Fig.1 The fundamental model of MQTT

1.2 基于MQTT協(xié)議的消息代理軟件

實現(xiàn)MQTT v3.1.1協(xié)議功能的消息代理軟件有很多，其中開源的以Mosquitto、EMQTT（Erlang MQTT Broker）、VerneMQ為代表，閉源的以IBM公司的Websphere MQ和MessageSight為代表。其中，EMQTT和MessageSight突出了高并發(fā)功能，可支持百萬級連接和消息并發(fā)。本文選擇IBM MessageSight（虛擬機版）作為消息代理服務(wù)器，原因有3點：第一，便于安裝，在虛擬機上導(dǎo)入MessageSight程序后配置，即可開始使用；第二，便于操作，MessageSight除了支持命令行配置之外，還帶有可視化管理界面；第三，可以得到IBM的專業(yè)技術(shù)支持。

2 技術(shù)要素框架和應(yīng)用模塊

2.1 地震數(shù)據(jù)流

數(shù)據(jù)處理服務(wù)器接收到地震數(shù)據(jù)源發(fā)送的地震信息數(shù)據(jù)后，根據(jù)不同的信息，生成符合預(yù)定格式的地震預(yù)警數(shù)據(jù)和地震速報數(shù)據(jù)，通過不同的主題發(fā)送至消息代理服務(wù)器。安卓手機地震預(yù)警應(yīng)用（以下簡稱預(yù)警應(yīng)用）在連接MessageSight的時候會訂閱相關(guān)主題，MessageSight會記錄此信息，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)處理服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)時，即時按主題推送至預(yù)警應(yīng)用（圖2）。預(yù)警應(yīng)用根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)和其所在的主題進行相關(guān)操作。本文的重點在實現(xiàn)預(yù)警應(yīng)用與MessageSight的連接、主題訂閱、消息接收和響應(yīng)。

圖2 地震數(shù)據(jù)流示意圖Fig.2 The earthquake dataflow diagram

2.2 主題與數(shù)據(jù)格式

本文使用 “eewdata”和 “eqrdata”主題分別推送/接收地震預(yù)警數(shù)據(jù)和地震速報數(shù)據(jù)。兩個主題的數(shù)據(jù)格式均采用JSON數(shù)據(jù)格式。地震預(yù)警數(shù)據(jù)包括發(fā)震時刻、震中經(jīng)度、震中緯度、震中地名、震級和消息發(fā)送時刻等信息；地震速報數(shù)據(jù)包括自動/人工速報標識、震中地名、震中經(jīng)度、震中緯度、震級、震源深度和發(fā)震時刻等信息。

2.3 預(yù)警時間和預(yù)估烈度

2.3.1 預(yù)警時間計算方法

本文采用的預(yù)警時間計算方法如圖3所示。

設(shè)tw為用戶所在位置的預(yù)警時間，TS為S波到達用戶所在位置的時刻，T2為預(yù)警應(yīng)用接收到預(yù)警數(shù)據(jù)的時刻（由預(yù)警應(yīng)用即時獲取），Tθ為地震發(fā)生時刻（由預(yù)警數(shù)據(jù)提供），Distance為用戶所在位置到震中的距離（用戶所在位置信息由預(yù)警應(yīng)用獲取，震中位置由預(yù)警數(shù)據(jù)提供，根據(jù)球面兩點間距公式計算得出），VS為S波傳播速度 （3.55 km/s）。假設(shè)服務(wù)器時間與終端系統(tǒng)時間均與因特網(wǎng)時間同步，預(yù)警時間計算公式如下所示：

2.3.2 用戶所在地預(yù)估烈度計算方法

本文所使用的預(yù)估烈度計算方法如（2）所示。設(shè)m為震級（由預(yù)警數(shù)據(jù)提供），Intensity為用戶所在地預(yù)估烈度。

2.4 安卓手機地震預(yù)警應(yīng)用模塊設(shè)計

安卓手機地震預(yù)警應(yīng)用模塊包括核心功能模塊和輔助模塊，核心功能模塊包括連接模塊、數(shù)據(jù)接收處理模塊、信息展示模塊；輔助模塊包括數(shù)據(jù)庫模塊、定位模塊、應(yīng)用參數(shù)設(shè)置模塊、地圖模塊、科普模塊。本文主要介紹核心功能模塊。

2.4.1 連接模塊

預(yù)警應(yīng)用通過MQTT協(xié)議連接MessageSight服務(wù)器，并訂閱eewdata和eqrdata兩個主題。應(yīng)用安卓Service類在后臺維持預(yù)警應(yīng)用與MessageSight服務(wù)器的連接，包括斷線重連等。

2.4.2 數(shù)據(jù)接收處理模塊

當(dāng)接收到MessageSight推送的數(shù)據(jù)包時，數(shù)據(jù)接收處理模塊先提取主題名字，再從數(shù)據(jù)中提取各個參數(shù)值，生成可讀性文本，對于地震預(yù)警，還需要計算用戶所在地到震中的距離、預(yù)警時間和預(yù)估烈度，再激活相應(yīng)的信息展示模塊。

2.4.3 信息展示模塊

信息展示模塊有文本展示和地圖展示，主要介紹文本展示部分。當(dāng)接收到eewdata主題的信息時，將激活預(yù)警框。預(yù)警框中包含的信息有避震建議、預(yù)警倒計時、地震三要素、用戶所在地預(yù)估烈度和與震中的距離，如圖4所示；接收到eqrdata主題的信息時，將彈出速報通知。速報通知包含的信息有地震三要素、震中經(jīng)緯度和震源深度，如圖5所示。

每一條接收到的信息將以列表的形式展示，用戶進入程序后可瀏覽信息。預(yù)警歷史記錄包含的信息有地震三要素、預(yù)警數(shù)據(jù)推送時刻和預(yù)警應(yīng)用接收時刻，如圖6所示。地震速報記錄包含的信息有地震三要素、人工/自動速報標簽、震源深度，如圖7所示 （“[測試]”標簽表示該條信息是測試數(shù)據(jù)。）

圖3 預(yù)警時間計算示意圖Fig.3 The schematic diagram of EEW time calculation

圖4 預(yù)警框示例Fig.4 EEW alert example

圖5 速報通知示例Fig.5 EQR notification example

圖6 預(yù)警列表Fig.6 EEW list

圖7 速報列表Fig.7 EQR list

3 測試評估

3.1 測試環(huán)境配置

3.1.1 測試服務(wù)器

測試服務(wù)器的操作系統(tǒng)是Windows Server 2008 R2 Enterprise x64，MessageSight所在虛擬機分配內(nèi)存4GB。

3.1.2 測試用安卓真機

本文使用華為P6-T00（移動版）進行真機測試。該手機的基本參數(shù)是：安卓版本4.4.2，系統(tǒng)版本號Emotion系統(tǒng) 2.0，RAM 2.0GB，四核 1.5 GHz處理器。

3.1.3 測試用電腦

本文使用聯(lián)想T440模擬批量客戶端測試。該電腦的基本參數(shù)是：Intel Core i5-4200U@1.6GHz，RAM 4.00GB，Windows 7專業(yè)版 SP1 x 64。

3.2 測試方案及結(jié)果

（1）將安卓程序封裝成安裝程序（.apk文件），在華為手機上安裝運行。

（2）聯(lián)想T440模擬99個預(yù)警信息接收客戶端。

（3）內(nèi)網(wǎng)測試：100個客戶端通過局域網(wǎng)同時連接上處在同一網(wǎng)絡(luò)的MessageSight，發(fā)送端測試程序向MessageSight發(fā)布一條預(yù)警信息，分別在MessageSight連接負載數(shù)為1 000、2 000、3 000、4 000、5 000個的情況下，統(tǒng)計100個客戶端接收到預(yù)警信息的時刻，計算與發(fā)送時刻之間的時間差（即耗時）并分析。

（4）外網(wǎng)測試：100個客戶端通過因特網(wǎng)同時連接上MessageSight，發(fā)送端測試程序向MessageSight發(fā)布一條預(yù)警信息，分別在MessageSight連接負載數(shù)為1 000、2 000、3 000、4 000、5 000個的情況下，統(tǒng)計100個客戶端接收到預(yù)警信息的時刻，計算與發(fā)送時刻之間的時間差（耗時）并分析。

（5）測試結(jié)果：內(nèi)網(wǎng)、外網(wǎng)測試結(jié)果分別如圖8、圖9所示。基于此次測試，可以得出以下結(jié)論：

①在兩種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，平均耗時均隨著服務(wù)器連接負載量的增多而增高，但均不超過0.5 s。

②在內(nèi)網(wǎng)環(huán)境下，數(shù)據(jù)接收耗時受服務(wù)器連接負載量影響大；在外網(wǎng)環(huán)境下，數(shù)據(jù)接收耗時受網(wǎng)絡(luò)傳輸影響大。

4 結(jié)語

本文基于MQTT協(xié)議研發(fā)了安卓手機地震預(yù)警應(yīng)用。該應(yīng)用可實時接收消息代理服務(wù)器（IBM MessageSight）推送的地震預(yù)警數(shù)據(jù)和地震速報數(shù)據(jù)并進行相應(yīng)的操作。模擬測試結(jié)果顯示在網(wǎng)絡(luò)較為穩(wěn)定的情況下，接收服務(wù)器推送數(shù)據(jù)的平均耗時在0.5 s以內(nèi)，可以滿足地震預(yù)警對時效性的要求。MQTT協(xié)議提供的輕量級信息傳遞、低能耗也可以滿足手機應(yīng)用在數(shù)據(jù)流量、電池續(xù)航等方面的要求。

由于硬件條件的限制，本文無法實現(xiàn)更大樣本數(shù)量的評估測試，將在后續(xù)的研究工作中進行更全面的評估測試和程序優(yōu)化。

圖8 內(nèi)網(wǎng)測試結(jié)果Fig.8 Intranet experiment results

圖9 外網(wǎng)測試結(jié)果Fig.9 External experiment results

參考文獻：

[1]王 挺，陳修吾，葉佳寧.基于自動地震速報的地震應(yīng)急基礎(chǔ)信息快速提取模塊的研究與實現(xiàn)[J].華南地震，2016，36（1）：16-23.

[2]黃文輝，沈玉松，呂作勇，等.地震超快速報系統(tǒng)試運行結(jié)果評估[J].華南地震，2016，36（4）：1-7.

[3]徐晶，許煒.消息中間件綜述 [J].計算機工程，2005，31（16）：73-76.