氣象預警信息智能接收處理系統的設計與實現

陳蘇婷，張 燕，張艷艷

（南京信息工程大學 江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室，江蘇 南京210044）

0 引 言

近年來，受全球氣候變暖的影響，氣象災害頻發，由于這些氣象災害發生時間短、危害度大，如何實時接收發布的預警信息成為當務之急。目前，全國各氣象部門對雷雨冰雹、大風暴雨、大霧沙塵暴、降雪、高溫熱浪等突發性災害天氣通過多種手段［1］如電臺、電視臺、移動手機短信發布災害性天氣預警信息，并通過升級城區自動氣象站網通訊系統、建設多座氣象預警塔、社區電子氣象顯示牌進一步加強預警［2］。

由于突發性、局地性氣象災害呈現多發、頻發、重發態勢，如何實時發布接收氣象預警信息面臨著嚴峻挑戰。同時，為進一步分析決策，建立完善的預警信息檢索監測系統至關重要。由于目前預警信息的收集、發布、接收還不夠規范，針對各級各類發布的預警信息，無法實現各類信息的互聯互通，且安全穩定性低。傳統、單一、低效率的預警信息接收系統已難以滿足日益提高的氣象服務需求。隨著預警信息傳輸種類的多樣化以及多媒體預警信息傳輸手段的發展，如何構建智能、功能完善、有效的預警信息接收處理系統，是災害預警信息傳輸亟待解決的重點［3］。

本文設計了一氣象預警信息智能接收處理系統。該系統實現了對發布預警信息的解密接收、存取、檢索統計和監控。提出了基于混沌序列的加解密接收方法以實現預警信息安全接收；構造基于文件形式的預警信息存取方法快速存取預警信息；設計基于混合模式的組合向量提取方法實現預警信息接收平臺信息的實時監控定位。本系統的設計實現可在實時準確接收氣象預警信息的基礎上，真正意義上實現集存儲、檢索、監控和傳送為一體的預警信息實時接收，將有效保證預警信息傳輸的針對性、時效性、安全性和智能性。

1 系統方案

預警信息接收處理是氣象預警信息接收系統的重點，為實現預警信息的收集處理、存儲、檢索、分發、監控等功能，本文設計的預警信息接收處理系統針對發布的預警信息構造了信息接收處理模塊、數據存儲模塊、檢索統計模塊和監控模塊。實現結構如圖1所示。

圖1 預警信息接收處理結構

其中，信息接收處理模塊通過接收來自各部門發布的各級各類預警信息，提出基于混沌序列的加解密接收方法提高預警信息接收的準確安全性；經信息接收處理模塊解密接收處理后的預警信息，并分別輸出至預警信息接收終端平臺和信息存儲模塊。在信息存儲模塊中，構造基于文件形式的預警信息存取方法實現海量預警信息的快速存??；存儲后的預警信息通過檢索統計模塊，經數據庫實現查詢和分類統計各級各類預警數據信息；設計基于混合模式的組合向量提取方法實現故障報警和信息接收狀態監視，并將監控到告警、故障及狀態信息的記錄存入數據庫中；最終，在信息傳送模塊的控制下，實現將不同預警信息和控制信息發送到各自不同的終端平臺播報顯示。

2 預警信息傳輸協議

根據DAB（digital audio broadcasting）預警信息傳輸協議，傳統的預警信息傳輸內容主要以文本形式為主?；谖谋镜念A警信息內容主要由發布部門、發布單位、發布時間、警報類型、預警級別和影響區域等組成。其中，發布部門和發布單位由 《中華人民共和國行政區劃代碼（GB2260）》編碼規定；預警級別包括4個級別：紅色預警、橙色預警、黃色預警、藍色預警；警報類型分事故災難、自然災害、公共衛生、社會安全和非上述四類的所有信息［4］。

典型的氣象預警信息如下：北京市氣象局2010年12月25日17時00分發布的大霧橙色預警，受影響區域為東城區、西城區、崇文區、宣武區、朝陽區、豐臺區、石景山區、海淀區。災害受影響區域中心位置：北緯39度57分6秒，東經116度19分12秒，發布半徑100公里。

可見，一條完整的文本預警信息種類繁多，且各部分文本數據長度隨著預警信息內容的不同而各不相同。同時，隨著多媒體技術的發展，根據現有DMB（digital multimedia broadcasting）預警信息傳輸協議，目前預警信息的傳輸內容已從傳統單一的文本形式發展到集音頻、視頻和文本為一體的多媒體TS流 （transport stream）實時傳輸，數據量劇增。

3 系統設計

3.1 基于混沌的預警信息加解密處理

為更大程度的保證預警信息傳輸安全，提出一種基于混沌序列的預警信息解密接收設計［5］。該設計通過設計基于空間域的混沌序列，實現對發布預警信息的解密，提高信息傳輸的安全可靠性。

混沌是一種具有特殊性質的復雜動力學行為，它具有對初始條件和系統參數的微小擾動極度敏感性、非周期性、連續寬帶頻譜、內隨機性、有界性和遍歷性等特性，且具有長期不可預測性。Shannon從信息論的角度已經證明一次一密是安全的，并要求用于加密的密鑰流應不小于信息的長度［6，7］。

由于單純的混沌序列不能滿足預警信息的加密要求，而擾動序列可使混沌映射在一定整數空間 （0，1）內，即產生偽混沌序列對預警信息進行加密。這里采用一維Logistic映射作為混沌模型，定義如下

基于混沌序列的預警信息加密編碼算法的具體實現流程如下，其結構框圖如圖2所示。

圖2 混沌加密算法結構框架

步驟1 根據式 （1）的Logistic混沌映射模型確定初值x0和控制參量r。

步驟2 生成擾動序列，遞推公式為［8］式中：a、c和M——乘子、增量和模。

步驟3 從式 （1）、式 （2）中獲得控制參數信息，在初始循環次數的作用下，根據混沌映射和線性同余序列，生成對應的混沌和擾動序列［10］。并按照步驟4進行設置。

步驟4 設置探測明文長度fsize，設置基礎循環次數Bnum，然后通過Fmod函數映射到一個固定區間 ［0，M－1］的值FNum，M的取值不同會對加密速度和結果有一定影響，M的取值這里根據實際預警信息編碼長度設置。明文長度和循環次數的計算公式為

步驟5 按照文獻 ［8］的方法得到偽隨機密鑰序列KL，并將KL與待加密數據進行異或運算，得到加密后的預警信息編碼數據。

根據上述步驟可知，混沌密碼是一種序列密碼?；煦缧蛄忻艽a系統的加密端和解密端是兩個完全相同且彼此獨立的混沌系統，此方法的安全性由混沌信號的超長周期、類隨機性和混沌系統對初始狀態、系統參數的敏感性予以實現。其中，加密端加密明文信息，然后將加密后密文送往解密端，解密端根據預警信息的傳輸容量和實時性要求，在全部接收預警信息后進行實時解密［9］。

3.2 基于文件結構的預警信息存儲

因此，針對上述預警信息的傳輸特點，為更好的實現各級各類部門對任意條預警信息的快速查找，本文提出了基于文件結構的預警信息快速存取方法。該方法將整個解密后的各級各類預警信息看成一個 “文件”［10］，對于預警信息數據這個龐大 “文件”，采用如圖3所示的組織結構存儲。把每條預警信息作為文件的一個 “記錄”，每條記錄主要包含兩部分，即預警的基本信息和預警的詳細信息。

圖3 基于文件的預警信息存儲結構

預警信息存入數據庫的流程如下：當預警信息數據輸入時，首先將預警信息的記錄號、預警信息發布部門、發布時間、預警信息等級、預警信息類別、預警信息長度和地址等這些預警基本信息寫入存儲相對應的地址空間。其中，地址是預警信息存放的起始地址，根據地址信息結合預警信息編碼長度，可以將預警的詳細文本、音視頻信息寫入該地址指向的存儲空間。

由圖3可見，預警基本信息由每條災害預警的一些簡單信息組成，通過它一方面可以了解預警的基本信息，另一方面，也可用于讀取預警的詳細信息。每幀預警的基本信息包括記錄號、預警信息發布部門、發布時間、預警信息等級、預警信息類別、預警信息長度和地址等組成，且每條記錄的預警信息基本信息長度相等。記錄號主要反映了預警信息的發布時間順序；預警信息發布部門則記錄了預警信息的發布單位；發布時間則詳細記錄了預警信息的發布日期；預警信息等級則記錄著預警信息的級別；預警信息類別則記錄警報類型；預警信息長度則是包含預警信息文本編碼和音、視頻編碼的整個長度；地址是預警信息存放起始地址，從當前地址開始，它結合預警信息編碼長度用來訪問預警信息詳細信息。

3.3 查詢統計

查詢統計通過檢索數據庫查詢接收、發送的預警數據信息，并可以實現對預警信息的分類統計。包含預警信息查詢模塊及預警信息檢索統計模塊，其框架如圖4所示。

圖4 預警信息查詢檢索框架

查詢模塊通過輸入查詢的日期關鍵字點擊查詢預警信息按鍵即可查詢到該天中的預警信息的基本內容。檢索統計單元則點擊信息統計按鍵，就會顯示圖表統計窗口，在該窗口中，可以使用預警類別或級別分別進行統計，能直觀地顯示一個時間段的不同預警類別或級別的預警次數。圖5和圖6給出了信息查詢和檢索統計的設計實現。

由圖5和圖6可知，如檢索讀取預警信息，首先通過隨機存取方式，只需輸入預警信息記錄號或警報類型、日期等關鍵字，即可得到預警的基本信息。例如，實現輸入關鍵字時間，查詢這個時間內是否有預警消息，如果有顯示其內容。預警信息檢索統計模塊，可以根據預警信息中的預警級別如 “藍色預警”、“黃色預警”等進行預警信息檢索統計，也可以根據預警類別如 “自然災害”、“公共衛生”等進行檢索統計。如需進一步檢索當前預警信息的詳細內容 ，則通過預警基本信息中的 “地址”數據項的指針，結合 “預警信息長度”數據項，找到存儲器相對應的詳細信息的地址空間，通過地址映射，可以方便快速的對任意條預警信息進行檢索查詢。

3.4 混合模式的組合向量信息監控

該信息監控模塊主要包括對系統狀態監控和位置監控，其框圖如圖7所示。

其中，狀態監控主要是監控接收預警信息的記錄號、時間間隔等狀態信息的狀態，并實時顯示接收文件日志、處理結果，若某模塊發生故障就發出故障報警信息；最后能將監控到的告警、故障及狀態信息的存入數據管理系統中。位置監控則通過上報所處位置坐標信息，實現對接收終端的位置監控。

圖7 信息監控框架

為實現精確位置監控，提出一種基于混合模式的組合向量向平臺自動報位算法。算法的實現流程如圖8所示。

圖8 混合模式的組合向量平臺自動報位算法

由圖8可知，混合模式的組合向量包括地址碼向量、移動距離和轉向角度三要素信息。組合向量的各參數 （地址碼向量、移動距離和轉向角度等）通過導航定位GPS信息處理獲得。首先，通過獲得定位GPS信息，進行有效定位信息提取，并對提取的信息進行處理；由發布平臺向終端下達自動報位的指令。然后，將得到的各定位信息參數 （包括地址碼向量、移動距離和轉向角度的三要素信息）構成基于混合模式的組合向量，隨后終端根據指令的要求，在一定頻率間隔（10Hz）下，自動向平臺報位，實現位置監控。

4 系統驗證

本系統采用自主研發的多通道預警信息接收系統采集接收來自多種渠道發送的預警信息并將這些信息預處理后通過傳輸接口發送給該氣象預警信息接收處理系統。該系統主要包括硬件和軟件測試子系統。硬件子系統包括計算機和自主研發的多通道預警信息接收系統；軟件子系統則由Windows XP操作系統、access數據庫軟件和Visual studio 2005開發集成工具。其中，數據庫設計實現預警信息的存取，數據庫操作通過ADO （ActiveX data object）對Access數據庫處理實現。通過數據庫，構造預警信息存儲表，存放文字預警信息和音、視頻預警信息的地址。通過查找預警信息的地址，經設計的文件存取結構，可快速有效的訪問當前幀預警信息。整個處理系統則由Visual studio 2005開發集成工具開發，實現了對接收到的預警信息進行解密、檢索和監控。

5 結束語

本文設計的該氣象預警信息智能接收處理系統相對目前使用的傳統、單一、低效率的預警信息接收系統，通過混沌加解密處理，提高了預警信息傳輸的安全性；設計的基于文件結構的預警信息存儲結構實現了預警信息的快速訪問；并可在實時準確接收氣象預警信息的基礎上，真正意義上實現集存儲、檢索、監控和傳送為一體的預警信息實時接收，有效保證了預警信息傳輸的針對性、時效性、安全性和智能性。最終實現將各級各類預警信息內容和相關控制信息發送到相應終端平臺顯示播報。目前，該系統已成功應用于多通道氣象預警信息接收處理系統中。

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