鐵路交通氣象服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

薛 冰,鹿業(yè)濤,渠寒花

(中國氣象局公共氣象服務(wù)中心，北京， 100081)

0 引言

我國的氣象災(zāi)害種類較多，分布地域較為廣泛，發(fā)生的頻率較高，對我國所造成的損失在所有自然災(zāi)害總損失中的比重較大，由高溫、大風(fēng)、暴雨及其他氣象因素引發(fā)的洪澇、泥石流、山體滑坡等鐵路交通衍生、次生災(zāi)害較為嚴(yán)重。通過氣象與鐵路部門的緊密合作，加強(qiáng)鐵路交通氣象監(jiān)測和預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)，及時有效的發(fā)布精細(xì)化鐵路交通氣象信息，為鐵路交通部門積極應(yīng)對災(zāi)害性天氣氣候事件，合理制定防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)急策略提供參考，提高我國鐵路交通業(yè)的災(zāi)害防御水平。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鐵路交通氣象服務(wù)系統(tǒng)基于WebGIS技術(shù)，采用B/S架構(gòu)，在服務(wù)器端分析處理鐵路交通致災(zāi)氣象因子所涉及的數(shù)據(jù)，包括臺風(fēng)實(shí)況、雷達(dá)圖、衛(wèi)星云圖、大風(fēng)、降水等氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，臺風(fēng)預(yù)報(bào)、降水預(yù)報(bào)、大風(fēng)預(yù)報(bào)等氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，和地質(zhì)災(zāi)害、沙塵暴、暴雨（雪）預(yù)警等氣象預(yù)警數(shù)據(jù)。以電子地圖為基礎(chǔ)，動態(tài)疊加鐵路交通行業(yè)數(shù)據(jù)，在采用Flex技術(shù)構(gòu)建的WebGIS 富互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用端為用戶實(shí)時顯示鐵路交通沿線、各級鐵路站點(diǎn)的氣象實(shí)況監(jiān)測和預(yù)報(bào)預(yù)警信息，為鐵路交通決策提供氣象信息支撐。本系統(tǒng)主要包含數(shù)據(jù)存儲子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)和富客戶端Web服務(wù)子系統(tǒng)等三個子系統(tǒng)。

1.1.1 數(shù)據(jù)存儲子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)存儲子系統(tǒng)按照統(tǒng)一的規(guī)范存儲管理本系統(tǒng)的各類靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)，包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、鐵路交通行業(yè)信息，和臺風(fēng)、雷達(dá)圖、衛(wèi)星云圖、風(fēng)雨監(jiān)測及預(yù)報(bào)、特殊天氣預(yù)警等數(shù)據(jù)。采用數(shù)據(jù)文件和數(shù)據(jù)庫表相結(jié)合的存儲模式，兼顧數(shù)據(jù)的存儲性能、容量擴(kuò)展性、可用性、可管理性等方面的要求，通過數(shù)據(jù)訪問接口提供數(shù)據(jù)的存取服務(wù)。

1.1.2 數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)

鐵路交通氣象服務(wù)系統(tǒng)主要處理基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、鐵路交通行業(yè)數(shù)據(jù)和氣象信息數(shù)據(jù)。

通過對基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的處理，生成滿足本系統(tǒng)業(yè)務(wù)所需的WebGIS富客戶端電子背景地圖，該電子地圖采用金字塔瓦片方式組織。數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)對需要發(fā)布的地理信息背景數(shù)據(jù)進(jìn)行切片預(yù)處理，將全國范圍的矢量或柵格地圖以空間方式切片，生成一系列不同放大級別的瓦片圖片，按照一定的規(guī)則進(jìn)行命名和分級分類存儲。

根據(jù)交通路線和鐵路站點(diǎn)等屬性特征，對鐵路交通行業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以不同的顯示級別要求組織數(shù)據(jù)的聚合形態(tài)，生成具有特定信息的矢量數(shù)據(jù)集。

通過數(shù)據(jù)訪問接口實(shí)時讀取氣象預(yù)報(bào)預(yù)警數(shù)據(jù)和實(shí)況監(jiān)測數(shù)據(jù)，對這些多源多格式數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，應(yīng)用GIS組件的空間分析功能，進(jìn)行空間地理要素和時間要素的分析、空間插值計(jì)算、投影變換和顏色渲染，加工生成矢量、柵格圖等形式的氣象服務(wù)產(chǎn)品和產(chǎn)品的索引。數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)還包含對雷達(dá)外推產(chǎn)品數(shù)據(jù)的處理，雷達(dá)外推產(chǎn)品由美國國家大氣研究中心(NCAR)基于雷達(dá)觀測體系開發(fā)的風(fēng)暴識別、跟蹤、分析和預(yù)報(bào)系統(tǒng)TITAN(thunderstorm identification tracking analysis and nowcasting)生成。

1.1.3 富客戶端Web服務(wù)子系統(tǒng)

富客戶端Web服務(wù)子系統(tǒng)以互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合緩存技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)的鐵路交通氣象服務(wù)產(chǎn)品的動態(tài)發(fā)布、WebGIS背景地圖的發(fā)布、鐵路交通行業(yè)數(shù)據(jù)的發(fā)布，和富客戶端產(chǎn)品展示及用戶交互。

1.2 技術(shù)路線

鐵路交通氣象服務(wù)系統(tǒng)以文件存儲系統(tǒng)和Oracle數(shù)據(jù)庫作為服務(wù)產(chǎn)品加工的數(shù)據(jù)來源，應(yīng)用ArcGIS Engine的嵌入式GIS組件庫和工具庫進(jìn)行二次開發(fā)，在服務(wù)器端守護(hù)進(jìn)程的動態(tài)調(diào)度下，實(shí)現(xiàn)對氣象數(shù)據(jù)的離散點(diǎn)插值、空間分析、等值線分析、區(qū)域填充、邊界裁切和產(chǎn)品生成等過程。在web服務(wù)端構(gòu)建基于Flex技術(shù)的WebGIS產(chǎn)品可視化和用戶交互核心框架，作為本系統(tǒng)的底層支撐，實(shí)現(xiàn)WebGIS基礎(chǔ)功能，包括地圖加載、地圖縮放和漫游、定位及測量、位置標(biāo)注等，在此基礎(chǔ)上解析json業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和xml業(yè)務(wù)描述信息，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品展示和人工交互的業(yè)務(wù)邏輯。本系統(tǒng)的總體技術(shù)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 鐵路交通氣象服務(wù)系統(tǒng)總體技術(shù)架構(gòu)圖

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

1.3.1 靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)緩存技術(shù)

大量數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸和空間信息的實(shí)時處理成為影響WebGIS系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素，應(yīng)用緩存技術(shù)能夠有效的提高系統(tǒng)的性能。對于基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、鐵路交通行業(yè)數(shù)據(jù)等靜態(tài)數(shù)據(jù)，在服務(wù)器端應(yīng)用緩存技術(shù)進(jìn)行緩存處理，發(fā)布預(yù)處理好的數(shù)據(jù)緩沖切片，避免對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行即時渲染和裁切，同時減少冗余數(shù)據(jù)的傳輸；在富客戶端只獲取當(dāng)前瀏覽器視角范圍內(nèi)的瓦片背景地圖和鐵路基礎(chǔ)信息，并進(jìn)行客戶端緩沖以節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源。對于動態(tài)變化的氣象數(shù)據(jù)，應(yīng)用服務(wù)器端緩存動態(tài)刷新機(jī)制和數(shù)據(jù)資源時間戳標(biāo)識，減少客戶端與服務(wù)器端之間的數(shù)據(jù)交換和客戶端對服務(wù)器端的依賴性，提高良好的用戶體驗(yàn)。

1.3.2 鐵路沿線氣象數(shù)據(jù)反演的動態(tài)分段技術(shù)

鐵路沿線氣象數(shù)據(jù)反演的動態(tài)分段技術(shù)是一種線性特征的動態(tài)分段技術(shù)，主要采用鐵路干線、鐵路路段和事件來實(shí)現(xiàn)對線性特征的描述，鐵路干線用來表述主要的鐵路交通線路，鐵路路段用來表述鐵路干線中的一部分，事件用來表述氣象數(shù)據(jù)反演結(jié)果中所應(yīng)具有的三個重要屬性：氣象要素類型、鐵路路段歸屬和時間屬性。其中氣象要素類型描述鐵路路段所受到的天氣影響情況，包括暴雨（雪）、沙塵暴、大風(fēng)、降水、地質(zhì)災(zāi)害等，并根據(jù)不同的等級按照圖例中相應(yīng)的顏色進(jìn)行著色；鐵路路段歸屬描述路段在全國鐵路局的屬地化情況；時間屬性描述天氣過程對鐵路路段產(chǎn)生影響的時間分布情況。

1.3.3 Flex富客戶端基礎(chǔ)框架和產(chǎn)品展示技術(shù)

本系統(tǒng)應(yīng)用Flex構(gòu)建交互性很強(qiáng)的富客戶端用戶服務(wù)基礎(chǔ)框架，建立背景地圖引擎組件和用戶交互功能組件。富客戶端運(yùn)行時環(huán)境承載通過http協(xié)議發(fā)布的MXML和ActionScript編譯生成的swf應(yīng)用程序，集成桌面應(yīng)用豐富的用戶交互性和傳統(tǒng)Web應(yīng)用靈活的部署一致性，結(jié)合豐富的數(shù)據(jù)模型，動態(tài)解析json矢量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、xml配置描述數(shù)據(jù)，調(diào)用css樣式表實(shí)現(xiàn)個性化的樣式效果，創(chuàng)建良好的服務(wù)產(chǎn)品展示和用戶交互效果。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 富客戶端主界面

鐵路交通氣象服務(wù)系統(tǒng)富客戶端由工具欄、主顯示區(qū)、功能按鈕入口三大部分組成。工具欄提供系統(tǒng)地圖縮放、漫游、測距和圖層管理等基礎(chǔ)功能，功能按鈕入口有臺風(fēng)查詢、雷達(dá)外推、衛(wèi)星云圖、雷達(dá)圖、大風(fēng)監(jiān)測、降水監(jiān)測、降水預(yù)報(bào)、地質(zhì)災(zāi)害、沙塵暴、大風(fēng)預(yù)報(bào)、暴風(fēng)（雪）等十一類產(chǎn)品。富客戶端主界面如圖2所示。

圖2 富客戶端主界面圖

2.2 臺風(fēng)查詢

臺風(fēng)查詢提供臺風(fēng)列表供用戶快速檢索。用戶選擇某個臺風(fēng)后顯示臺風(fēng)及相關(guān)信息，當(dāng)鼠標(biāo)移動到臺風(fēng)實(shí)況定位點(diǎn)時，顯示臺風(fēng)基本信息（定位時間、經(jīng)緯度、中心附近最大風(fēng)速、中心最低氣壓、移速、移向等）和臺風(fēng)預(yù)報(bào)路徑，用戶可結(jié)合地圖上標(biāo)注的24小時、48小時警戒線位置為自己的決策目標(biāo)做出合適判斷。

2.3 雷達(dá)圖與雷達(dá)外推

雷達(dá)圖包含基本反射率和一小時降水兩種產(chǎn)品要素，可按全國雷達(dá)拼圖、各鐵路局拼圖和單站雷達(dá)圖等不同類型，以單張或動畫播放方式展示。富客戶端可根據(jù)主顯示區(qū)視角范圍自動為各鐵路局用戶展示相應(yīng)放大級別的雷達(dá)圖。

雷達(dá)外推產(chǎn)品包含降水量、降水率、風(fēng)暴質(zhì)量、回波頂高、風(fēng)暴體積等要素，本系統(tǒng)重點(diǎn)關(guān)注風(fēng)暴外推的演變過程，外推頻次為每十分鐘一次，可通過主顯示區(qū)根據(jù)風(fēng)暴外推結(jié)果查看其發(fā)展和演變過程。

2.4 衛(wèi)星云圖

富客戶端系統(tǒng)通過單張查看或動畫播放的方式，展示最近12小時的風(fēng)云氣象衛(wèi)星紅外彩色云圖，云圖的覆蓋范圍為60E-145E和6N-60N。

2.5 大風(fēng)、降水監(jiān)測及預(yù)報(bào)和地質(zhì)災(zāi)害、暴雨（雪）預(yù)報(bào)

大風(fēng)監(jiān)測功能主要有：1）地圖右上角為風(fēng)情實(shí)況功能列表，提供全國和各省范圍內(nèi)的過去1 小時，6 小時，12 小時，24小時城市極大風(fēng)速排行，默認(rèn)顯示全國范圍內(nèi)所選時間段的前十個極大風(fēng)速城市；2）雙向關(guān)聯(lián)風(fēng)情排行和地域顯示，鼠標(biāo)點(diǎn)擊某個城市站點(diǎn)后，顯示最近12 小時的整點(diǎn)極大風(fēng)速風(fēng)向觀測曲線圖。大風(fēng)預(yù)報(bào)功能模塊提供最新的未來24小時大風(fēng)降溫預(yù)報(bào)圖。

降水監(jiān)測功能主要有：1）地圖右上角為降雨降雪監(jiān)測功能列表，提供各城市過去6 小時，12小時，24 小時，48小時，72小時的累計(jì)降雨量排行，默認(rèn)顯示全國范圍內(nèi)所選時間段的前十個累計(jì)降雨量最大城市；2）雙向關(guān)聯(lián)降水監(jiān)測排行和地域顯示，鼠標(biāo)點(diǎn)擊某個城市站點(diǎn)后，顯示最近12 小時的整點(diǎn)降水觀測曲線圖；3）提供全國范圍內(nèi)的降水落區(qū)圖。降水預(yù)報(bào)提供未來24、48、72小時的降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品，以落區(qū)圖形式繪制。

地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)、沙塵暴預(yù)報(bào)和暴雨（雪）預(yù)報(bào)的功能與上述功能類似，均使用Micaps14類的預(yù)報(bào)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，在富客戶端上進(jìn)行矢量數(shù)據(jù)描繪，同時提供相應(yīng)的預(yù)報(bào)預(yù)警文字說明。

3 結(jié)束語

鐵路交通氣象服務(wù)系統(tǒng)是在認(rèn)真分析鐵路交通業(yè)務(wù)對氣象服務(wù)需求的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的。本系統(tǒng)以WebGIS 富客戶端為載體，通過對數(shù)據(jù)的分析處理，集成并展現(xiàn)鐵路交通氣象服務(wù)產(chǎn)品，在產(chǎn)品分級顯示上著重考慮了各鐵路局視角和全國視角的簡便切換。本系統(tǒng)主要具有以下特點(diǎn)：

1）實(shí)現(xiàn)了臺風(fēng)路徑、彩色衛(wèi)星云圖、雷達(dá)圖等氣象服務(wù)產(chǎn)品與背景地圖的疊加顯示。

2）實(shí)現(xiàn)了大風(fēng)、暴雨（雪）、地質(zhì)災(zāi)害和沙塵暴等氣象災(zāi)害預(yù)警信息的集成發(fā)布。

3）集成顯示鐵路交通線路、各級鐵路站點(diǎn)和各鐵路局管轄范圍內(nèi)的雷達(dá)拼圖，并提供雷達(dá)外推產(chǎn)品展示。

4）系統(tǒng)綜合運(yùn)用數(shù)據(jù)緩存技術(shù)和Flex富客戶端開發(fā)技術(shù)，在服務(wù)器端和客戶端合理分擔(dān)計(jì)算資源，并提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。

基于以上特征而構(gòu)建的鐵路交通氣象服務(wù)系統(tǒng)綜合分析處理臺風(fēng)、衛(wèi)星云圖、雷達(dá)圖、風(fēng)雨監(jiān)測、預(yù)報(bào)預(yù)警等多源氣象信息，和基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、鐵路交通行業(yè)數(shù)據(jù)，并應(yīng)用到鐵路交通行業(yè)氣象服務(wù)業(yè)務(wù)中，使目標(biāo)用戶及時了解天氣過程對鐵路交通的影響，為提高鐵路交通風(fēng)險防范能力和經(jīng)濟(jì)效益提供了具有一定應(yīng)用價值的氣象服務(wù)支撐系統(tǒng)。

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