数据同化的方法、设备和可读存储介质技术

本发明专利技术涉及一种用于进行数据同化的方法、设备和可读存储介质，所述方法包括同化响应方响应于接收到同化发起方的同化请求，向所述同化发起方发送响应信息；接收来自所述同化发起方的经同态加密后的观测信息；将经同态加密后的观测信息密文和背景场数据信息进行同化运算得到同化后的密文结果；以及向所述同化发起方发送所述同化后的密文结果，以便同化发起方从所述同化后的密文结果中获取到最终数据同化结果，在此操作过程中同化响应方并未获得任何同化发起方所持有观测数据的明文信息。通过本发明专利技术的方案，解决了目前在保证同化计算正确性的前提下，对于同化运算的发起方与响应方各自持有的数据不能实现有效的保护和隐私隔离的问题。的问题。的问题。

【技术实现步骤摘要】
数据同化的方法、设备和可读存储介质


[0001]本专利技术一般地涉及数据安全
更具体地，本专利技术涉及一种用于进行数据同化的方法、设备和可读存储介质。

技术介绍

[0002]在遥感、气象、水文、生态及能源等领域中，通常需要获取各物理变量的时空分布特征。作为能够表示各物理变量时空分布特征的特征数据集，一般称作该物理变量的时空场。为了对时空分布特征进行有效地预测和评估，需要对各物理变量的时空特征进行分析和建模。在分析和建模过程中，需要用到各物理量的时空特征数据集。而现有的时空特征数据集通常来自于以下两种类型：数值模拟的过程和真实传感器的检测过程。具体地，
[0003]1)数值模拟，其是通过对空间进行合理剖分，即将时空划分空间网格和时间步长，并按照时间演化规律对物理量(或多物理量)进行离散化模拟。例如，在气象领域中，利用大规模天气系统(或气候系统)对未来天气(或气候)状态(温度、风速和降水等)的时空特征进行预估。这种数值模拟的方式虽然能够获取更加清晰的特征机理，但是并不能呈现完全真实的物理信息。
[0004]2)真实传感器观测，其是通过获取诸多观测站点的点源数据来估计特定区域的物理变量的真实特征。所涉及的观测站点例如可以包括气象站、测风塔、气象/水文卫星等。但是由于现实条件的限制，无法在每个空间格点上都设置相应的观测站点，因此真实观测数据存在空间分布不均且时间连续性难以保证的缺点。
[0005]为了能够获取既包含真实信息又具有较好的时空连续性的特征数据集，数据同化方法得到了广泛的应用。数据同化方法是基于统计误差估计和贝叶斯理论发展而来的。该方法将模型模拟的结果作为先验信息(也称为“背景场”信息)，而观测站点监测的数据作为后验信息，通过最小化分析误差而计算得到的估计值作为更新后的初始场，用以作为模型在下一个时间步长内预测的依据。
[0006]随着各类观测站点的增多，能够获取一些气象水文相关数据的途径愈加广泛，使得敏感信息的暴露风险陡然增加。一方面，由于气象水文数据对国家信息安全，能源安全至关重要。因此，在使用这类受保护的数据时，需要严格保证原始数据不能“出域”，从而确保数据安全。另一方面，在商业气象服务过程中，例如：存在商业竞争关系的机构为了精准评估特定区域的新能源可开发潜力，对特定区域实施了地理、气象、水文等相关方面的监测。在利用其观测(监测)的数据与气象部门联合进行分析时通常会对观测数据剔除保密性的要求。然而，目前为了实现同化运算，明文数据的传输和使用难以避免，这就增加了观测站点的数据的敏感信息暴露的风险。鉴于此，在确保数据安全性的前提下，如何合理地释放观测数据自身的价值，对提升商业气象服务的数据安全性、精准性方面非常重要。而在同化观测数据实现精准气象服务时，如何避免参与数据同化的双方的原始数据的泄露，对目前地学领域(大气，海洋，生态等)的数据分析过程也具有重要作用。

技术实现思路

[0007]为解决上述一个或多个技术问题，本专利技术提出参与同化计算的双方利用同态加密算法对数据进行加密，从而利用密文数据的同态运算实现数据同化过程，有效保证了参与数据同化计算的双方数据的安全性。为此，本专利技术在如下的多个方面中提供方案。
[0008]在第一方面中，本专利技术提供了一种用于进行数据同化的方法，包括：响应于接收到同化发起方的同化请求，向所述同化发起方发送响应信息；接收来自所述同化发起方的经同态加密后的观测信息；将经同态加密后的观测信息和背景场信息进行同化运算得到同化后的密文结果；以及向所述同化发起方发送所述同化后的密文结果，以便同化发起方从所述同化后的密文结果中获取数据同化结果。
[0009]在一个实施例中，所述向所述同化发起方发送响应信息包括：向所述同化发起方发送接受同化请求的指令；以及选择性发送经同态加密后的以下数据中的一种或多种：背景场格点空间位置信息、背景场误差协方差矩阵。
[0010]在一个实施例中，所述选择性发送经同态加密后的以下数据中的一种或多种包括：若所述观测信息来源于公开的观测站点，则无需发送任一所述数据；若所述观测信息来源于非公开的、单独观测站点，则利用所述同化请求中包括的公钥对背景场误差协方差矩阵加密后发送；或者若所述观测信息来源于非公开的、非单独观测站点，则利用所述同化请求中包括的公钥对背景场格点空间位置信息和背景场误差协方差矩阵加密后发送。
[0011]在一个实施例中，所述接收来自所述同化发起方的经同态加密后的观测信息包括：接收来自所述同化发起方的经同态加密后的观测数据；或者接收来自所述同化发起方的经同态加密后的观测数据，以及经同态加密后的以下数据中的一种或多种：观测算子、观测误差协方差矩阵和增益矩阵。
[0012]在一个实施例中，所述将经同态加密后的观测信息和背景场信息进行同化运算得到同化后的密文结果包括：对所述背景场信息和所述经同态加密后的观测信息进行同态运算，以得到针对背景场的订正信息；根据所述背景场信息和所述针对背景场的订正信息确定同化后的密文结果。
[0013]在一个实施例中，所述对所述背景场信息和所述经同态加密后的观测信息进行同态运算，以得到针对背景场的订正信息包括：根据观测算子对所述背景场信息进行计算得到背景场信息到观测点的映射；根据增益矩阵、所述背景场信息到观测点的映射和所述经同态加密后的观测信息进行同态运算，以得到针对背景场的订正信息。
[0014]在一个实施例中，所述背景场信息到观测点的映射采用以下公式计算得到：
[0015]X
bo
＝HX
b
[0016]其中，X
bo
为背景场信息到观测点的映射，H为观测算子，X
b
为背景场数据，并且当H为加密的观测算子时，X
bo
为加密的背景场信息到观测点的映射。
[0017]在一个实施例中，所述同化后的密文结果采用以下公式计算：
[0018]C
a
＝X
b
+G(C
o
‑
X
bo
)
[0019]其中，X
b
为背景场数据，G(C
o
‑
X
bo
)为针对背景场的订正信息，X
bo
为背景场信息到观测点的映射，C
o
为经同态加密后的观测数据，G为增益矩阵，并且当采用加密的观测算子时，G为加密的增益矩阵且X
bo
为加密的背景场信息到观测点的映射。
[0020]在第二方面中，本专利技术还提供了一种用于进行数据同化的方法，包括：向同化响应
方发送同化请求；响应于接收到来自所述同化响应方的响应信息，向所述同化响应方发送经同态加密后的观测信息；接收来自所述同化响应方的同化后的密文结果；以及对所述密文结果进行解密，以获取数据同化结果。
[0021]在一个实施例中，所述接收到来自所述同化响应方的响应信息包括：接收来自所述同化响应方的接受同化请求的指令；或者接收来自所述同化响应本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于进行数据同化的方法，其特征在于，包括：响应于接收到同化发起方的同化请求，向所述同化发起方发送响应信息；接收来自所述同化发起方的经同态加密后的观测信息；将经同态加密后的观测信息和背景场信息进行同化运算得到同化后的密文结果；以及向所述同化发起方发送所述同化后的密文结果，以便同化发起方从所述同化后的密文结果中获取数据同化结果。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述向所述同化发起方发送响应信息包括：向所述同化发起方发送接受同化请求的指令；以及选择性发送经同态加密后的以下数据中的一种或多种：背景场格点空间位置信息、背景场误差协方差矩阵。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述选择性发送经同态加密后的以下数据中的一种或多种包括：若所述观测信息来源于公开的观测站点，则无需发送任一所述数据；若所述观测信息来源于非公开的、单独观测站点，则利用所述同化请求中包括的公钥对背景场误差协方差矩阵加密后发送；或者若所述观测信息来源于非公开的、非单独观测站点，则利用所述同化请求中包括的公钥对背景场格点空间位置信息和背景场误差协方差矩阵加密后发送。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述接收来自所述同化发起方的经同态加密后的观测信息包括：接收来自所述同化发起方的经同态加密后的观测数据；或者接收来自所述同化发起方的经同态加密后的观测数据，以及经同态加密后的以下数据中的一种或多种：观测算子、观测误差协方差矩阵和增益矩阵。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将经同态加密后的观测信息和背景场信息进行同化运算得到同化后的密文结果包括：对所述背景场信息和所述经同态加密后的观测信息进行同态运算，以得到针对背景场的订正信息；根据所述背景场信息和所述针对背景场的订正信息确定同化后的密文结果。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对所述背景场信息和所述经同态加密后的观测信息进行同态运算，以得到针对背景场的订正信息包括：根据观测算子对所述背景场信息进行计算得到背景场信息到观测点的映射；根据增益矩阵、所述背景场信息到观测点的映射和所述经同态加密后的观测信息进行同态运算，以得到针对背景场的订正信息。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述背景场信息到观测点的映射采用以下公式计算得到：X
bo
＝HX
b
其中，X
bo
为背景场信息到观测点的映射，H为观测算子，X
b
为背景场数据，并且当H为加密的观测算子时，X
bo
为加密的背景场信息到观测点的映射。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述同化后的密文结果采用以下公式计
算：C

【专利技术属性】
技术研发人员：陈欣，李闯，吴凡，王志勇，
申请(专利权)人：中金金融认证中心有限公司，
类型：发明
国别省市：