氣象預警信息智能接收處理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

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(fā)，由于這些氣象災害發(fā)生時間短、危害度大，如何實時接收發(fā)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(fā)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(fā)布災害性天氣預警信息，并通過升級城區(qū)自動氣象站網(wǎng)通訊系統(tǒng)、建設多座氣象預警塔、社區(qū)電子氣象顯示牌進一步加強預警［2］。

由于突發(fā)性、局地性氣象災害呈現(xiàn)多發(fā)、頻發(fā)、重發(fā)態(tài)勢，如何實時發(fā)布接收氣象預警信息面臨著嚴峻挑戰(zhàn)。同時，為進一步分析決策，建立完善的預警信息檢索監(jiān)測系統(tǒng)至關重要。由于目前預警信息的收集、發(fā)布、接收還不夠規(guī)范，針對各級各類發(fā)布的預警信息，無法實現(xiàn)各類信息的互聯(lián)互通，且安全穩(wěn)定性低。傳統(tǒng)、單一、低效率的預警信息接收系統(tǒng)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(fā)展，如何構建智能、功能完善、有效的預警信息接收處理系統(tǒng)，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(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對發(fā)布預警信息的解密接收、存取、檢索統(tǒng)計和監(jiān)控。提出了基于混沌序列的加解密接收方法以實現(xiàn)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(xiàn)預警信息接收平臺信息的實時監(jiān)控定位。本系統(tǒng)的設計實現(xiàn)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(xiàn)集存儲、檢索、監(jiān)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?shù)尼槍π?、時效性、安全性和智能性。

1 系統(tǒng)方案

預警信息接收處理是氣象預警信息接收系統(tǒng)的重點，為實現(xiàn)預警信息的收集處理、存儲、檢索、分發(fā)、監(jiān)控等功能，本文設計的預警信息接收處理系統(tǒng)針對發(fā)布的預警信息構造了信息接收處理模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、檢索統(tǒng)計模塊和監(jiān)控模塊。實現(xiàn)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(fā)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(jīng)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(xiàn)海量預警信息的快速存??；存儲后的預警信息通過檢索統(tǒng)計模塊，經(jīng)數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)查詢和分類統(tǒng)計各級各類預警數(shù)據(jù)信息；設計基于混合模式的組合向量提取方法實現(xiàn)故障報警和信息接收狀態(tài)監(jiān)視，并將監(jiān)控到告警、故障及狀態(tài)信息的記錄存入數(shù)據(jù)庫中；最終，在信息傳送模塊的控制下，實現(xiàn)將不同預警信息和控制信息發(fā)送到各自不同的終端平臺播報顯示。

2 預警信息傳輸協(xié)議

根據(jù)DAB（digital audio broadcasting）預警信息傳輸協(xié)議，傳統(tǒng)的預警信息傳輸內(nèi)容主要以文本形式為主。基于文本的預警信息內(nèi)容主要由發(fā)布部門、發(fā)布單位、發(fā)布時間、警報類型、預警級別和影響區(qū)域等組成。其中，發(fā)布部門和發(fā)布單位由 《中華人民共和國行政區(qū)劃代碼（GB2260）》編碼規(guī)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(wèi)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(fā)布的大霧橙色預警，受影響區(qū)域為東城區(qū)、西城區(qū)、崇文區(qū)、宣武區(qū)、朝陽區(qū)、豐臺區(qū)、石景山區(qū)、海淀區(qū)。災害受影響區(qū)域中心位置：北緯39度57分6秒，東經(jīng)116度19分12秒，發(fā)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(shù)據(jù)長度隨著預警信息內(nèi)容的不同而各不相同。同時，隨著多媒體技術的發(fā)展，根據(jù)現(xiàn)有DMB（digital multimedia broadcasting）預警信息傳輸協(xié)議，目前預警信息的傳輸內(nèi)容已從傳統(tǒng)單一的文本形式發(fā)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(shù)據(jù)量劇增。

3 系統(tǒng)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(xiàn)對發(fā)布預警信息的解密，提高信息傳輸?shù)陌踩煽啃浴?/p>

混沌是一種具有特殊性質(zhì)的復雜動力學行為，它具有對初始條件和系統(tǒng)參數(shù)的微小擾動極度敏感性、非周期性、連續(xù)寬帶頻譜、內(nèi)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(jīng)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(shù)空間 （0，1）內(nèi)，即產(chǎn)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(xiàn)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(jù)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(shù)信息，在初始循環(huán)次數(shù)的作用下，根據(jù)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(huán)次數(shù)Bnum，然后通過Fmod函數(shù)映射到一個固定區(qū)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(jù)實際預警信息編碼長度設置。明文長度和循環(huán)次數(shù)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(shù)據(jù)進行異或運算，得到加密后的預警信息編碼數(shù)據(jù)。

根據(jù)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(tǒng)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(tǒng)，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(tǒng)對初始狀態(tài)、系統(tǒng)參數(shù)的敏感性予以實現(xiàn)。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(jù)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(xiàn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫的流程如下：當預警信息數(shù)據(jù)輸入時，首先將預警信息的記錄號、預警信息發(fā)布部門、發(fā)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(jù)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(fā)布部門、發(fā)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(fā)布時間順序；預警信息發(fā)布部門則記錄了預警信息的發(fā)布單位；發(fā)布時間則詳細記錄了預警信息的發(fā)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(tǒng)計

查詢統(tǒng)計通過檢索數(shù)據(jù)庫查詢接收、發(fā)送的預警數(shù)據(jù)信息，并可以實現(xiàn)對預警信息的分類統(tǒng)計。包含預警信息查詢模塊及預警信息檢索統(tǒng)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(nèi)容。檢索統(tǒng)計單元則點擊信息統(tǒng)計按鍵，就會顯示圖表統(tǒng)計窗口，在該窗口中，可以使用預警類別或級別分別進行統(tǒng)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(shù)。圖5和圖6給出了信息查詢和檢索統(tǒng)計的設計實現(xiàn)。

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(xiàn)輸入關鍵字時間，查詢這個時間內(nèi)是否有預警消息，如果有顯示其內(nèi)容。預警信息檢索統(tǒng)計模塊，可以根據(jù)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(tǒng)計，也可以根據(jù)預警類別如 “自然災害”、“公共衛(wèi)生”等進行檢索統(tǒng)計。如需進一步檢索當前預警信息的詳細內(nèi)容 ，則通過預警基本信息中的 “地址”數(shù)據(jù)項的指針，結合 “預警信息長度”數(shù)據(jù)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(jiān)控

該信息監(jiān)控模塊主要包括對系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控和位置監(jiān)控，其框圖如圖7所示。

其中，狀態(tài)監(jiān)控主要是監(jiān)控接收預警信息的記錄號、時間間隔等狀態(tài)信息的狀態(tài)，并實時顯示接收文件日志、處理結果，若某模塊發(fā)生故障就發(fā)出故障報警信息；最后能將監(jiān)控到的告警、故障及狀態(tài)信息的存入數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中。位置監(jiān)控則通過上報所處位置坐標信息，實現(xiàn)對接收終端的位置監(jiān)控。

圖7 信息監(jiān)控框架

為實現(xiàn)精確位置監(jiān)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(xiàn)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(shù) （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(fā)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(shù) （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(jù)指令的要求，在一定頻率間隔（10Hz）下，自動向平臺報位，實現(xiàn)位置監(jiān)控。

4 系統(tǒng)驗證

本系統(tǒng)采用自主研發(fā)的多通道預警信息接收系統(tǒng)采集接收來自多種渠道發(fā)送的預警信息并將這些信息預處理后通過傳輸接口發(fā)送給該氣象預警信息接收處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括硬件和軟件測試子系統(tǒng)。硬件子系統(tǒng)包括計算機和自主研發(fā)的多通道預警信息接收系統(tǒng)；軟件子系統(tǒng)則由Windows XP操作系統(tǒng)、access數(shù)據(jù)庫軟件和Visual studio 2005開發(fā)集成工具。其中，數(shù)據(jù)庫設計實現(xiàn)預警信息的存取，數(shù)據(jù)庫操作通過ADO （ActiveX data object）對Access數(shù)據(jù)庫處理實現(xiàn)。通過數(shù)據(jù)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(jīng)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(tǒng)則由Visual studio 2005開發(fā)集成工具開發(fā)，實現(xiàn)了對接收到的預警信息進行解密、檢索和監(jiān)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(tǒng)相對目前使用的傳統(tǒng)、單一、低效率的預警信息接收系統(tǒng)，通過混沌加解密處理，提高了預警信息傳輸?shù)陌踩?；設計的基于文件結構的預警信息存儲結構實現(xiàn)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(xiàn)集存儲、檢索、監(jiān)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?shù)尼槍π?、時效性、安全性和智能性。最終實現(xiàn)將各級各類預警信息內(nèi)容和相關控制信息發(fā)送到相應終端平臺顯示播報。目前，該系統(tǒng)已成功應用于多通道氣象預警信息接收處理系統(tǒng)中。

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