气象预警信息智能接收处理系统的设计与实现

陈苏婷，张 燕，张艳艳

（南京信息工程大学 江苏省气象探测与信息处理重点实验室，江苏 南京210044）

0 引 言

近年来，受全球气候变暖的影响，气象灾害频发，由于这些气象灾害发生时间短、危害度大，如何实时接收发布的预警信息成为当务之急。目前，全国各气象部门对雷雨冰雹、大风暴雨、大雾沙尘暴、降雪、高温热浪等突发性灾害天气通过多种手段［1］如电台、电视台、移动手机短信发布灾害性天气预警信息，并通过升级城区自动气象站网通讯系统、建设多座气象预警塔、社区电子气象显示牌进一步加强预警［2］。

由于突发性、局地性气象灾害呈现多发、频发、重发态势，如何实时发布接收气象预警信息面临着严峻挑战。同时，为进一步分析决策，建立完善的预警信息检索监测系统至关重要。由于目前预警信息的收集、发布、接收还不够规范，针对各级各类发布的预警信息，无法实现各类信息的互联互通，且安全稳定性低。传统、单一、低效率的预警信息接收系统已难以满足日益提高的气象服务需求。随着预警信息传输种类的多样化以及多媒体预警信息传输手段的发展，如何构建智能、功能完善、有效的预警信息接收处理系统，是灾害预警信息传输亟待解决的重点［3］。

本文设计了一气象预警信息智能接收处理系统。该系统实现了对发布预警信息的解密接收、存取、检索统计和监控。提出了基于混沌序列的加解密接收方法以实现预警信息安全接收；构造基于文件形式的预警信息存取方法快速存取预警信息；设计基于混合模式的组合向量提取方法实现预警信息接收平台信息的实时监控定位。本系统的设计实现可在实时准确接收气象预警信息的基础上，真正意义上实现集存储、检索、监控和传送为一体的预警信息实时接收，将有效保证预警信息传输的针对性、时效性、安全性和智能性。

1 系统方案

预警信息接收处理是气象预警信息接收系统的重点，为实现预警信息的收集处理、存储、检索、分发、监控等功能，本文设计的预警信息接收处理系统针对发布的预警信息构造了信息接收处理模块、数据存储模块、检索统计模块和监控模块。实现结构如图1所示。

图1 预警信息接收处理结构

其中，信息接收处理模块通过接收来自各部门发布的各级各类预警信息，提出基于混沌序列的加解密接收方法提高预警信息接收的准确安全性；经信息接收处理模块解密接收处理后的预警信息，并分别输出至预警信息接收终端平台和信息存储模块。在信息存储模块中，构造基于文件形式的预警信息存取方法实现海量预警信息的快速存取；存储后的预警信息通过检索统计模块，经数据库实现查询和分类统计各级各类预警数据信息；设计基于混合模式的组合向量提取方法实现故障报警和信息接收状态监视，并将监控到告警、故障及状态信息的记录存入数据库中；最终，在信息传送模块的控制下，实现将不同预警信息和控制信息发送到各自不同的终端平台播报显示。

2 预警信息传输协议

根据DAB（digital audio broadcasting）预警信息传输协议，传统的预警信息传输内容主要以文本形式为主。基于文本的预警信息内容主要由发布部门、发布单位、发布时间、警报类型、预警级别和影响区域等组成。其中，发布部门和发布单位由 《中华人民共和国行政区划代码（GB2260）》编码规定；预警级别包括4个级别：红色预警、橙色预警、黄色预警、蓝色预警；警报类型分事故灾难、自然灾害、公共卫生、社会安全和非上述四类的所有信息［4］。

典型的气象预警信息如下：北京市气象局2010年12月25日17时00分发布的大雾橙色预警，受影响区域为东城区、西城区、崇文区、宣武区、朝阳区、丰台区、石景山区、海淀区。灾害受影响区域中心位置：北纬39度57分6秒，东经116度19分12秒，发布半径100公里。

可见，一条完整的文本预警信息种类繁多，且各部分文本数据长度随着预警信息内容的不同而各不相同。同时，随着多媒体技术的发展，根据现有DMB（digital multimedia broadcasting）预警信息传输协议，目前预警信息的传输内容已从传统单一的文本形式发展到集音频、视频和文本为一体的多媒体TS流 （transport stream）实时传输，数据量剧增。

3 系统设计

3.1 基于混沌的预警信息加解密处理

为更大程度的保证预警信息传输安全，提出一种基于混沌序列的预警信息解密接收设计［5］。该设计通过设计基于空间域的混沌序列，实现对发布预警信息的解密，提高信息传输的安全可靠性。

混沌是一种具有特殊性质的复杂动力学行为，它具有对初始条件和系统参数的微小扰动极度敏感性、非周期性、连续宽带频谱、内随机性、有界性和遍历性等特性，且具有长期不可预测性。Shannon从信息论的角度已经证明一次一密是安全的，并要求用于加密的密钥流应不小于信息的长度［6，7］。

由于单纯的混沌序列不能满足预警信息的加密要求，而扰动序列可使混沌映射在一定整数空间 （0，1）内，即产生伪混沌序列对预警信息进行加密。这里采用一维Logistic映射作为混沌模型，定义如下

基于混沌序列的预警信息加密编码算法的具体实现流程如下，其结构框图如图2所示。

图2 混沌加密算法结构框架

步骤1 根据式 （1）的Logistic混沌映射模型确定初值x0和控制参量r。

步骤2 生成扰动序列，递推公式为［8］式中：a、c和M——乘子、增量和模。

步骤3 从式 （1）、式 （2）中获得控制参数信息，在初始循环次数的作用下，根据混沌映射和线性同余序列，生成对应的混沌和扰动序列［10］。并按照步骤4进行设置。

步骤4 设置探测明文长度fsize，设置基础循环次数Bnum，然后通过Fmod函数映射到一个固定区间 ［0，M－1］的值FNum，M的取值不同会对加密速度和结果有一定影响，M的取值这里根据实际预警信息编码长度设置。明文长度和循环次数的计算公式为

步骤5 按照文献 ［8］的方法得到伪随机密钥序列KL，并将KL与待加密数据进行异或运算，得到加密后的预警信息编码数据。

根据上述步骤可知，混沌密码是一种序列密码。混沌序列密码系统的加密端和解密端是两个完全相同且彼此独立的混沌系统，此方法的安全性由混沌信号的超长周期、类随机性和混沌系统对初始状态、系统参数的敏感性予以实现。其中，加密端加密明文信息，然后将加密后密文送往解密端，解密端根据预警信息的传输容量和实时性要求，在全部接收预警信息后进行实时解密［9］。

3.2 基于文件结构的预警信息存储

因此，针对上述预警信息的传输特点，为更好的实现各级各类部门对任意条预警信息的快速查找，本文提出了基于文件结构的预警信息快速存取方法。该方法将整个解密后的各级各类预警信息看成一个 “文件”［10］，对于预警信息数据这个庞大 “文件”，采用如图3所示的组织结构存储。把每条预警信息作为文件的一个 “记录”，每条记录主要包含两部分，即预警的基本信息和预警的详细信息。

图3 基于文件的预警信息存储结构

预警信息存入数据库的流程如下：当预警信息数据输入时，首先将预警信息的记录号、预警信息发布部门、发布时间、预警信息等级、预警信息类别、预警信息长度和地址等这些预警基本信息写入存储相对应的地址空间。其中，地址是预警信息存放的起始地址，根据地址信息结合预警信息编码长度，可以将预警的详细文本、音视频信息写入该地址指向的存储空间。

由图3可见，预警基本信息由每条灾害预警的一些简单信息组成，通过它一方面可以了解预警的基本信息，另一方面，也可用于读取预警的详细信息。每帧预警的基本信息包括记录号、预警信息发布部门、发布时间、预警信息等级、预警信息类别、预警信息长度和地址等组成，且每条记录的预警信息基本信息长度相等。记录号主要反映了预警信息的发布时间顺序；预警信息发布部门则记录了预警信息的发布单位；发布时间则详细记录了预警信息的发布日期；预警信息等级则记录着预警信息的级别；预警信息类别则记录警报类型；预警信息长度则是包含预警信息文本编码和音、视频编码的整个长度；地址是预警信息存放起始地址，从当前地址开始，它结合预警信息编码长度用来访问预警信息详细信息。

3.3 查询统计

查询统计通过检索数据库查询接收、发送的预警数据信息，并可以实现对预警信息的分类统计。包含预警信息查询模块及预警信息检索统计模块，其框架如图4所示。

图4 预警信息查询检索框架

查询模块通过输入查询的日期关键字点击查询预警信息按键即可查询到该天中的预警信息的基本内容。检索统计单元则点击信息统计按键，就会显示图表统计窗口，在该窗口中，可以使用预警类别或级别分别进行统计，能直观地显示一个时间段的不同预警类别或级别的预警次数。图5和图6给出了信息查询和检索统计的设计实现。

由图5和图6可知，如检索读取预警信息，首先通过随机存取方式，只需输入预警信息记录号或警报类型、日期等关键字，即可得到预警的基本信息。例如，实现输入关键字时间，查询这个时间内是否有预警消息，如果有显示其内容。预警信息检索统计模块，可以根据预警信息中的预警级别如 “蓝色预警”、“黄色预警”等进行预警信息检索统计，也可以根据预警类别如 “自然灾害”、“公共卫生”等进行检索统计。如需进一步检索当前预警信息的详细内容 ，则通过预警基本信息中的 “地址”数据项的指针，结合 “预警信息长度”数据项，找到存储器相对应的详细信息的地址空间，通过地址映射，可以方便快速的对任意条预警信息进行检索查询。

3.4 混合模式的组合向量信息监控

该信息监控模块主要包括对系统状态监控和位置监控，其框图如图7所示。

其中，状态监控主要是监控接收预警信息的记录号、时间间隔等状态信息的状态，并实时显示接收文件日志、处理结果，若某模块发生故障就发出故障报警信息；最后能将监控到的告警、故障及状态信息的存入数据管理系统中。位置监控则通过上报所处位置坐标信息，实现对接收终端的位置监控。

图7 信息监控框架

为实现精确位置监控，提出一种基于混合模式的组合向量向平台自动报位算法。算法的实现流程如图8所示。

图8 混合模式的组合向量平台自动报位算法

由图8可知，混合模式的组合向量包括地址码向量、移动距离和转向角度三要素信息。组合向量的各参数 （地址码向量、移动距离和转向角度等）通过导航定位GPS信息处理获得。首先，通过获得定位GPS信息，进行有效定位信息提取，并对提取的信息进行处理；由发布平台向终端下达自动报位的指令。然后，将得到的各定位信息参数 （包括地址码向量、移动距离和转向角度的三要素信息）构成基于混合模式的组合向量，随后终端根据指令的要求，在一定频率间隔（10Hz）下，自动向平台报位，实现位置监控。

4 系统验证

本系统采用自主研发的多通道预警信息接收系统采集接收来自多种渠道发送的预警信息并将这些信息预处理后通过传输接口发送给该气象预警信息接收处理系统。该系统主要包括硬件和软件测试子系统。硬件子系统包括计算机和自主研发的多通道预警信息接收系统；软件子系统则由Windows XP操作系统、access数据库软件和Visual studio 2005开发集成工具。其中，数据库设计实现预警信息的存取，数据库操作通过ADO （ActiveX data object）对Access数据库处理实现。通过数据库，构造预警信息存储表，存放文字预警信息和音、视频预警信息的地址。通过查找预警信息的地址，经设计的文件存取结构，可快速有效的访问当前帧预警信息。整个处理系统则由Visual studio 2005开发集成工具开发，实现了对接收到的预警信息进行解密、检索和监控。

5 结束语

本文设计的该气象预警信息智能接收处理系统相对目前使用的传统、单一、低效率的预警信息接收系统，通过混沌加解密处理，提高了预警信息传输的安全性；设计的基于文件结构的预警信息存储结构实现了预警信息的快速访问；并可在实时准确接收气象预警信息的基础上，真正意义上实现集存储、检索、监控和传送为一体的预警信息实时接收，有效保证了预警信息传输的针对性、时效性、安全性和智能性。最终实现将各级各类预警信息内容和相关控制信息发送到相应终端平台显示播报。目前，该系统已成功应用于多通道气象预警信息接收处理系统中。

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