多站点气象报文信息共享传输优化模型研究

陈辉 李玉叶 刘鑫宇

摘 要：为在获取大范围区域的实时气象数据，提高各主副观测站之间报文传输卫星通讯效率，在设备性能、传输模式和稳定性需求等差异化场景下，设计了统一的、效率最大化的信息发送方案，在尽可能短时间内以尽可能可靠的方式实现多站点之间的信息同步，为各种基于报文编发、数据处理和信息交换开发的监控报警系统提供理论借鉴。

关键词：报文传输；信息共享；优化模型；卫星通讯

中图分类号：O29  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2023）09-0022-05

随着以卫星通讯为代表的现代科学技术的不断发展，社会各界对突发气象灾难情况下的搜索救援能力提出了更高的要求[1-3]。在地面通信系统瘫痪的情形下的紧急救援任务中，为了准确、完整地获得所在区域的气象观测信息，通常在多个区域分别设置观测主站和副站，各观测站之间使用卫星通讯，以点对点传输的方式进行气象报文传输。设计高效、稳定的传输方案，在尽可能短的时间内使站点以尽可能可靠的方式进行信息同步，是实现实时气象监测以保障救援任务的顺利完成的关键环节[4-8]。在不断优化气象报文传输模型和站点信息转发算法的基础上，各种报文编发、数据处理和信息交换等监控报警系统得到了非常广泛的开发利用[9-11]。

1 传输方案的需求分析

在多支气象分队负责多个区域开展地面气象观测保障任务情况下，每个区域设立1个观测主站和2个观测副站。主站部署1套车载型卫星通信设备，可以不受周边电磁环境干扰，发送和接收消息的成功率均可达到100%。副站点各部署1套便携型卫星通信设备，发送和接收消息的成功率均为80%。所有站点间的通信只能以点对点的方式进行，收发通道相互独立，在发送消息时可同时接收任意多条消息。卫星通信设备发送两条消息的时间间隔不能小于1分钟，各气象观测站点每次需要发送一条固定容量为100字符的消息。各站点需要发送并分享的气象报文信息，通常会小于卫星通信设备单次可以发送的容量，同一条气象报文可分割成上下两个半段分别传输[12]。

在以上实际背景下，如何设计不同站点间的通用信息传输模型，高率、可靠地实现气象报文信息共享是问题的关键所在。

2 主站间信息共享的传输模型

2.1 主站传输的初始状态

根据前文描述，记50个字符为基本单位信息输送量，则每条气象报文信息量为2个基本单位，每个观测站每次发送信息的最大荷载量为3个单位。忽略各站点之间的外部环境差别，可以将N个主站之间的顺次关系表示，如图1所示，所有的主站按逆时针顺序依次排列在一个圆环上，s1和sN首尾相连，所有站点之间形成轮换对称的结构形式。各观测站计时开始瞬间即在第1个轮次的信息发送时，可供发送的信息只是自身已观测的2个单位的气象报文，将他们按逆时针顺序，首位顺次发送，这样就构成了各主站间的第1轮信息传输，每个站点发送的信息量为2个单位。

第1轮信息传送后，各站点拥有了4个单位的信息，包含自身气象报文及其按逆时针顺序前一个站点的报文信息，此时各站点获得的气象信息可以使用如表1表示，每一个站点获得的信息分成N行，某行非空表示获得了对应表格内容的主站气象报文，每一行对应的报文信息是分为前后两部分表示的。此时，每一个站点对应的N行表格中，第1行是第1轮信息传输的内容，第2行为自身观测的气象报文（可以视为第0轮内容）。各站点自己的轮换对称性，在表1中体现为获得信息表达的统一性。

这里需要注意的是，对于站点序号k的增加（减少）1个，相当各站点根据图1中的位置按逆时针顺序（顺时针顺序）取下一个站点。表格中符合[…]表示

2.2 主站信息传输的一般模型

为最大限度地提升信息传输效率，使得信息传输的总轮数L最小，即使得实现共享信息要求所使用的时间K最小，应该从第2轮开始，每个站点按传输的最大荷载发送信息，即每个站点发出3个单位的信息到目标站点。第1轮传输完成后，各站点已有的4个单位信息中，相邻两个站点之间有2个单位是重合的，因此相邻站点之间无法实现3个单位信息的传输目标。选择站点s[k-1]中的3个单位信息[k-1]1，[k-1]（2），[k-2]（1），作为第2轮信息传输，发送给按逆时针顺序间隔相隔一个站点的主站s[k+1]。在第2轮信息传输完成后，站点s[k-1]获得新增信息中[k-3]（1），[k-3]（2）和第1轮已有但还未发送的信息[k-2]（2）一同作为第3轮信息，仍然由站点s[k-1]发送给站点s[k+1]。根据k的一般性和各站点的轮换对称性，第3轮信息传输完成后，各站点获得的信息如下表2中阴影部分所示。

这样，每一轮中由站点s[k-1]按自己获取新增信息的先后顺序，依次选取3个信息，作为新一轮的信息发送给站点s[k+1]，直到所有的N行表格填满，这样就构成了主站气象报文信息共享的一般传输模型。根据以上讨论，针对sk站点，完整的传输方案如表3所示。

2.3 主站信息传输的效率分析

可以通過计算完成主站气象报文信息共享需要的传输量，对照表3中的传输模型，估算出需要传输信息的最小轮数。

每个主站sk需要获得其他所有N-1个主站的气象报文信息，这些信息的传输总量为

所有站点的第1轮传输的信息量为2N，其余每轮传输的信息总量可以达到3N，这样需要的总的信息传输轮数L至少为

其中，[·]为向上取整函数。完成所有站点信息共享需要的时间为K=L-1，即

在最后一轮传输中，站点每次发送信息的传输量有可能小于3。表3中，sk信息获取模板去掉前两行，剩下的信息量为2N-4，这部分传输量可能不是3的整数倍。具体来说，最后一轮中，每个站点实际的信息传输量M0为

当N=9时，由上述（2）和（3）式可得完成主站之间气象报文共享的最小时间K为

总的信息传输轮数为L=5+1=6。

根据表3信息共享一般传输模型，对所有站点 计算生成信息获取模板，然后按照对应的传输轮次及发送站点，可以计算出所有的站点在每个轮次中发送信息的具体记录。

3 主站和副站间的传输模型

为更准确、更全面地获得搜索区域的气象信息，需要将副站的观测信息进行传输和共享。问题的关键在于副站观测信息通过便携型卫星通信设备发送的可靠性。通常需要约定以不低于一定的概率保证每个分队至少有一个副站的气象报文能够实现共享。每个副站在发送、接收信息时成功的概率都是0.8，如果通过副站中转另一个副站的信息，如“副站1（发送）？隰副站2（接受）？隰副站2（发送）？隰主站1（接受）”，成功的概率为0.83=0.512，需要重复执行相同的过程4次才能保证将“副站1”的信息以仅大于0.94的概率送达，耗费传输次数过多。因此，在后面的分析中，不再考虑由副站中转传输副站报文信息，所有的副站报文信息传输只有两种方式：一是由副站直接发送给主站，二是使用主站转发某些副站的报文。

可靠性和效率是矛盾的两个方面，一个分站的副站多次重复发送气象报文可以提高信息共享的可靠性，这样不可避免地降低了信息传输效率。问题的核心在于约定的副站的气象报文实现共享的最低概率。

3.1 副站二次重复发送传输方案

如图2所示，将某个主站的两个副站报文同时发送给目标主站，使用主站将自己在之前轮数已经获取的副站报文转发给其他主站。因为主站之间转发信息的成功率为1，任何分队的至少一个副站的报文，在任何主站上被获取的概率，都保持为两个副站报文至少有一个转发至某主站的概率，即0.96。每组副站在每轮发送后，目标主站成功获得副站报文数量的期望是0.8×2=1.6。

由公式（2）和（3），主站数为N时，主站之间完成信息共享需要的轮数L0

各主站获取副站报文的传输总量IFm为2N个副站报文发送到N个主站，每个报文为两个基本单位（注意这里按4.1中的传输基本单位统计），即

可以用来发送副站信息的传输量有：

（1）在所有的L轮传输中，N组副站向目标主站发送报文：

（2）从L0+1～L轮传输中，N个主站处于空闲状态，可以发送副站报文：

这里注意，主站每次可以发送的副站信息量为3个基本单位，每个由主站发送的副站报文等效于 个副站向主站发送报文。

（3）根据公式（4），主站在分析主站报文的最后一轮，第L0轮信息传输中，主站有可能出现传输荷载冗余。在这种情况下，可以一并传输副站报文信息，传输量为

（9）

根据传输需求和发送能力之间的平衡，由公式（6）-（9），在时间K内可以完成主站信息和副站信息共享条件下，总站数N的最大值为以下优化模型的解：

3.2 副站二次重复发送方案的效率分析

根据上述分析，在传输时间限制在K分钟时，副站二次重复发送方案最多可实现分站数量为

的所有主副站之间的气象报文信息共享。此时，每个分队至少共享一个副站的气象报文的概率不低于0.96。具体来说，当传输时间限制在7分钟时，信息发送的总轮数为L=8，此方案最多可以实现Nmax=10个分站之间的主副站信息共享，主站之间完成信息共享需要的轮数L0=7。在第L0轮传输时，主站发送主站报文信息的传输量为1，空闲了2个单位的传输荷载。副站报文信息的传输可以分为三部分：

（1）1～8轮次的信息传输中，各副站可以依次向8个主站发送气象报文，如图3所示。图中只给出了sk的副站发送报文的示意，不同颜色线型的箭头表示在不同的轮次内发送给不同的主站。这样，1～8轮次中，每个主站都会每次以0.96的概率直接收到8个副站的气象报文。

（2）在主站分享主站报文信息的第7轮次传输中，每个主站点发送的信息量只是1，空缺2个单位的信息传输荷载，恰好可以将1～6轮次已经收到的特定副站气象报文发送到目标主站。

（3）截至目前，各主站点已经可以收到8+1=9个副站气象报文，还差1个气象报文。可以使用在第8轮次已经处于空闲状态的各个主站，从自己已经获得的副站气象报文中找到需要发送的内容，传输给目标主站。

以上各环节发送的副站报文配合紧密，避免重复传输和遗漏。各站点之间的轮换呈现完整的对称性，具体的实现过程适合使用计算机自动完成。所有主站中能成功接收每支分队至少一个副站的气象报文的平均个数是10×0.9610=6.6483，任一主站平均能成功接收副站的气象报文个数是8×1.6+0.96×2=14.72。

3.3 副站三次重复发送传输方案

为进一步提升信息传输的可靠性，设计副站三次重复发送传输方案，以确保每个主站收到每个分队至少一个副站信息的概率达到1-（1-0.8）3=0.992。主站sk的两个副站ak，bk在连续三轮信息发送中，向主站s[k+t]发送了副站ak的报文两次，發送了副站bk的报文一次，使得主站s[k+t]以0.992的概率收到副站ak或副站bk的报文至少一次，将获得的可能多余两个的报文指定其中某个，统称kab进行主站转发。同理，主站sk的两个副站ak，bk在三轮信息发送中，向主站s[k+t+1]发送了副站ak的报文一次，发送了副站bk的报文两次，使得主站s[k+t+1]以0.992的概率收到副站ak或副站bk的报文至少一次，获得的报文kab，如图4所示。

在这种方案下，每个主站平均可以接收每组副站报文的个数服从的分布如表4所示，每个主站平均可以接收到每组副站报文的个数期望为1.76。

类似前文分析，主站数为N时，各主站获取副站报文的传输总量IFm为3N个副站报文发送到N个主站，每个报文为两个基本单位（注意这里按2.1中约定的传输基本单位统计），即

可以用来发送副站信息的传输量有：

（1）在L轮传输中，N组副站向目标主站发送报文：

（2）从L0+1～L轮传输中，N个主站处于空闲状态，可以发送副站报文：

这里注意，主站每次可以发送的副站信息量为3个基本单位。

（3）根据公式（4），主站在分享主站报文的最后一轮，第L0轮信息传输中，主站有可能出现传输荷载冗余。在这种情况下，可以一并传输副站报文信息，传输量为

根据传输需求和发送能力之间的平衡，由公式（11）-（14），在时间K内可以完成主站信息和副站信息共享条件下，总站数N的最大值为以下优化模型的解：

3.4 副站三次重复发送传输方案的效率分析

在传输时间限制在K分钟时，副站二次重复发送方案最多可实现分站数量为

的所有主副站之間的气象报文信息共享。此时，每个分队至少共享一个副站的气象报文的概率不低于0.992。具体来说，当传输时间限制在8分钟时，信息发送的总轮数为L=9，此方案最多可以实现Nmax=10个分站之间的主副站信息共享，主站之间完成信息共享需要的轮数L0=7。

根据3.3节分析，各个主站的至少一个副站报文的概率都为0.992，每组副站的3轮重复发射中每个主站平均可以接收到每组副站报文的个数期望为1.76。这样，所有主站中能成功接收每支分队至少一个副站的气象报文的平均个数是10×0.99210=9.2282，任一主站平均能成功接收副站的气象报文个数是6×1.76+0.992×4=14.528，对比3.2中二次重复发送方案的效率分析，信息发送的可靠性得到有效提升。

4 结论

通过分析各站点信息传输的规律性和对称性，新颖地设计了辅助数表，用于表达信息传输方案和跟踪动态变化过程，便于编写通用的算法程序来统一计算信息传输方案。最大化地使用站点信息传输能力，定量地给出了传输所用时间K和站点数N之间的关系，有效实现主副站报文信息共享传输，保障了计算结果的有效性和准确性。使用的模型和方案计算过程可以应用在气象环境观测、大范围实时监测预警、战场数据链搭建等领域。

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参考文献：

〔1〕李思霖.浅谈气象在应急救援领域的发展及思考[J].中国安全生产，2021，16（07）：46-47.

〔2〕李思霖.航空应急救援中气象保障的几点思考[J].中国应急救援，2019，14（01）：20-24.

〔3〕陈虹.突发事件应急救援标准的现状与发展[J].中华灾害救援医，2014，2（03）：123-128.

〔4〕邓生寅.预防气象报文迟发漏发措施研究[J].内蒙古煤炭经济，2020，38（09）：140-141.

〔5〕陈世娥.武警部队抢险救援指挥辅助决策系统的设计与实现[J].中国应急救援，2021，16（05）：49-53.

〔6〕鲍婷婷，李玉涛，牛霭琛，等.基于CTS的气象报文传输监控和应急处理系统设计与实现[J].气象水文海洋仪器，2019，36（03）：84-87.

〔7〕杨宏宇.实时气象报文检测短信报警系统的研究与实现[D].成都：电子科技大学，2012.

〔8〕唐兵兵，杨帆，廖伟平，等.广西气象报文编发常见错误及处理方法[J].气象研究与应用，2010，31（03）：104-107.

〔9〕唐建中.气象报文监控告警系统设计与开发[J].电子设计工程，2019，27（03）：50-54.

〔10〕闫璞.亚运气象信息交换平台数据处理模块的设计与实现[D].广州：华南理工大学，2010.

〔11〕马月枝.气象报文编发监控报警系统设计[J].气象与环境科学，2009，32（01）：91-93.

〔12〕全国大学生数学建模竞赛2022年赛题[EB/OL].http：//www.mcm.edu.cn/html_cn/node/5267f e3e6a512bec793d71f2b2061497.html.