基于LBS的氣象報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

馬琰鋼 鄭偉才 鄧闖

（浙江省氣象服務(wù)中心，浙江杭州 310017）

基于LBS的氣象報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

馬琰鋼 鄭偉才 鄧闖

（浙江省氣象服務(wù)中心，浙江杭州 310017）

為使用戶通過移動(dòng)終端準(zhǔn)確、及時(shí)地獲取所在位置和所關(guān)心位置的天氣變化情況，研究設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于LBS的網(wǎng)氣象報(bào)警系統(tǒng)，通過云消息推送，為用戶提供基于位置信息的強(qiáng)降水、極熱極寒、低能見度和冰雹等多個(gè)災(zāi)害類別的綜合氣象報(bào)警服務(wù)。為保證系統(tǒng)對(duì)海量用戶并發(fā)訪問有足夠承載能力和較快響應(yīng)速度，將多種氣象格點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制格式進(jìn)行傳輸和計(jì)算，用分布式計(jì)算方式進(jìn)行運(yùn)算處理，并在整個(gè)過程中采用Memcached內(nèi)存管理機(jī)制。

氣象報(bào)警 云推送 短時(shí)臨近預(yù)報(bào) 基于位置服務(wù) 風(fēng)暴追蹤 格點(diǎn)數(shù)據(jù)

1 引言

近年來移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展正在深刻改變著人們的生活方式和各個(gè)行業(yè)的發(fā)展模式。與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不同，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有實(shí)時(shí)在線及與用戶主動(dòng)交互的新特性。而隨著現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)體系的建設(shè)，氣象部門制作了大量的基于地理信息的格點(diǎn)化氣象監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)產(chǎn)品，可快速實(shí)現(xiàn)探測(cè)范圍內(nèi)任意經(jīng)緯度的氣象信息檢索。在眾多氣象信息中，公眾對(duì)氣象災(zāi)害信息的需求最為迫切，大部分氣象災(zāi)害來臨前，氣象部門都能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)并向公眾發(fā)布預(yù)警信息，但是這些信息往往是針對(duì)某一行政區(qū)域的，格式則較為固定[1-3]。公眾不僅需要獲取“面”上的氣象預(yù)警信息，也希望能從“點(diǎn)”上獲取精細(xì)化和智能化的綜合氣象報(bào)警服務(wù)。將格點(diǎn)數(shù)據(jù)快速檢索技術(shù)與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相融合，就能實(shí)時(shí)和主動(dòng)告知用戶探測(cè)范圍內(nèi)任意經(jīng)緯度的天氣變化情況。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體原則

氣象報(bào)警系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路是，基于WebGIS服務(wù)建立統(tǒng)一的氣象數(shù)據(jù)模型，管理包括降水、溫度、風(fēng)、能見度和強(qiáng)天氣預(yù)警等在內(nèi)的一系列氣象信息數(shù)據(jù)，并在統(tǒng)一的時(shí)空模型下將各類氣象數(shù)據(jù)與用戶定位信息相融合，最終實(shí)現(xiàn)基于位置服務(wù)（Location Based Service，LBS）的氣象報(bào)警系統(tǒng)。系統(tǒng)旨在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)背景下為用戶提供精準(zhǔn)的基于位置的短期天氣變化提醒、短時(shí)臨近預(yù)報(bào)預(yù)警、災(zāi)害防御措施及溫馨提示等氣象報(bào)警服務(wù)。

2.1 軟件設(shè)計(jì)原則

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則[4]，基于開發(fā)維護(hù)的需要，主要在以下幾方面進(jìn)行了更多的考慮。

①標(biāo)準(zhǔn)化：數(shù)據(jù)接口統(tǒng)一使用標(biāo)準(zhǔn)SOAP協(xié)議，并對(duì)數(shù)據(jù)接口進(jìn)行雙向加密；

②可靠性：為保證系統(tǒng)的可靠性，數(shù)據(jù)處理服務(wù)器和WEBSERVICE服務(wù)器均采用分布式部署，WEBSERVICE服務(wù)器通過F5進(jìn)行負(fù)載均衡；

③效率性：氣象數(shù)據(jù)種類多及數(shù)據(jù)量大，本系統(tǒng)采用了二進(jìn)制數(shù)據(jù)處理方式，將Micaps第四類格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制格式并壓縮，以此為標(biāo)準(zhǔn)格式在服務(wù)端完成數(shù)據(jù)傳輸、解析和計(jì)算等各個(gè)數(shù)據(jù)處理流程，并以二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式傳送至客戶端進(jìn)行解析，以此提高數(shù)據(jù)傳輸解析效率；

④可擴(kuò)展性：報(bào)警閾值及報(bào)警要素均可通過后臺(tái)進(jìn)行快速簡(jiǎn)單配置，部分后臺(tái)處理程序采用Python和C#混合編程，方便二次開發(fā)。

2.2 功能設(shè)計(jì)原則

功能設(shè)計(jì)原則主要有以下3個(gè)方面。

①全面性：涵蓋冰雹、雷雨大風(fēng)、雷暴、強(qiáng)降水、大風(fēng)、極熱極寒、低能見度和空氣污染等公眾特別關(guān)心的災(zāi)害類別，發(fā)布方式應(yīng)包括自動(dòng)發(fā)布和手工發(fā)布；

②準(zhǔn)確性：綜合預(yù)測(cè)及實(shí)況監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以強(qiáng)降水為例，以10 min滾動(dòng)更新的1 km定量降水客觀預(yù)報(bào)格點(diǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，輔以5 min區(qū)域自動(dòng)站的實(shí)況監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得出綜合的強(qiáng)降水報(bào)警信息；

③及時(shí)性：短臨的強(qiáng)降水災(zāi)害，往往過程短，影響大[5]，從監(jiān)測(cè)到客觀預(yù)報(bào)，再生成報(bào)警信息，往往只有數(shù)十分鐘的防御時(shí)間，通過短信、網(wǎng)站提醒等傳統(tǒng)手段，往往在通信上浪費(fèi)了寶貴的時(shí)間。為此，系統(tǒng)通過云推送服務(wù)，直接對(duì)移動(dòng)終端推送提示消息，輔以短信電話等其他手段，確保公眾能在第一時(shí)間接收?qǐng)?bào)警信息。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)核心內(nèi)容包括數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)處理程序、安卓及IOS客戶端程序、云消息推送接口。系統(tǒng)使用C#進(jìn)行氣象報(bào)警數(shù)據(jù)邏輯處理，結(jié)合Android及IOS系統(tǒng)的自動(dòng)定位功能，調(diào)用百度云推送服務(wù)，根據(jù)移動(dòng)終端綁定的TAG向所有用戶或不同標(biāo)簽分類的特定用戶群體、單個(gè)用戶或基于地理位置推送通知、消息及富媒體，數(shù)據(jù)庫則使用ORACLE 11G高性能數(shù)據(jù)庫如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3.2 數(shù)據(jù)來源

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)一部分來源于浙江省氣象臺(tái)短臨預(yù)報(bào)預(yù)警平臺(tái)生成的風(fēng)暴追蹤、中氣旋、降水估測(cè)和雷電數(shù)據(jù)[6-8]，其中格點(diǎn)數(shù)據(jù)為1 km格距的MICAPS 4類數(shù)據(jù)；另外還使用了部分自動(dòng)站數(shù)據(jù)，包括溫度、降水、氣溫、能見度和風(fēng)速等，這些數(shù)據(jù)由浙江省氣象信息網(wǎng)絡(luò)中心進(jìn)行插值后處理成統(tǒng)一的MICAPS 4類格點(diǎn)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理后，發(fā)布成WEBSERVICE接口進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)用。

3.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

通過分析，構(gòu)建本系統(tǒng)需要用戶基本信息、各種氣象要素報(bào)警閾值、報(bào)警用語和報(bào)警歷史記錄等內(nèi)容。因此，數(shù)據(jù)庫由用戶表、用戶關(guān)注位置表、報(bào)警內(nèi)容模板表和用戶關(guān)注要素表等數(shù)據(jù)表組成。

用戶表主要由用戶注冊(cè)信息、最近一次定位經(jīng)緯度、手機(jī)號(hào)碼和用戶終端唯一碼組成。用戶終端唯一碼則可以和云消息推送服務(wù)器TAG進(jìn)行綁定，從而可實(shí)現(xiàn)單用戶消息推送。用戶關(guān)注位置表主要由經(jīng)緯度信息、通知人和通知人手機(jī)號(hào)碼等組成，用戶可打開APP，通過地圖選取或輸入地址，設(shè)置關(guān)注地點(diǎn)。

報(bào)警內(nèi)容模板表主要由要素類型、報(bào)警閾值和報(bào)警內(nèi)容等組成，不同要素可以設(shè)置不同閾值及報(bào)警提示語。通過幾個(gè)主要數(shù)據(jù)表內(nèi)容形成了用戶、關(guān)注點(diǎn)和要素閾值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，是系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的核心部分。除此之外，還需建立發(fā)送日志、收費(fèi)策略和用戶類型等其他輔助表。

3.4 系統(tǒng)功能

基于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體原則，突出氣象報(bào)警精細(xì)化和網(wǎng)格化的特點(diǎn)，主要包含數(shù)據(jù)邏輯處理、用戶定位、手動(dòng)報(bào)警和云消息推送等功能。同時(shí)，為了貼合浙江省氣候特點(diǎn)，各要素的報(bào)警級(jí)別也要在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行一些微調(diào)。

3.4.1 數(shù)據(jù)邏輯處理及報(bào)警閾值

短臨預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)每10 min更新一次，加上自動(dòng)站分鐘資料，數(shù)據(jù)量相當(dāng)巨大。對(duì)基礎(chǔ)的格點(diǎn)數(shù)據(jù)，首先通過線性計(jì)算，將不在閾值范圍內(nèi)的格點(diǎn)值置空，然后根據(jù)不同的要素特點(diǎn)，與GIS數(shù)據(jù)結(jié)合，計(jì)算出鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)或格點(diǎn)級(jí)的災(zāi)害級(jí)別，再與關(guān)注點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)，如達(dá)到預(yù)置的災(zāi)害報(bào)警閾值，則通過推送消息或短信等手段對(duì)用戶進(jìn)行報(bào)警，并在閥值提升后滾動(dòng)報(bào)警?；練庀笠貓?bào)警的閾值如表1所示。

表1 氣象報(bào)警閾值設(shè)計(jì)

3.4.2 用戶定位

本系統(tǒng)的用戶定位信息采集及關(guān)注點(diǎn)設(shè)置功能集成在浙江省氣象服務(wù)中心研發(fā)的“智慧氣象”手機(jī)客戶端中。用戶只要打開“智慧氣象”APP，通過簡(jiǎn)單操作，就能將自己所在位置及自己所關(guān)心的位置設(shè)為關(guān)注點(diǎn)，后臺(tái)經(jīng)過運(yùn)算，就能對(duì)關(guān)注點(diǎn)發(fā)送報(bào)警信息?？紤]到用戶隱私，系統(tǒng)并沒有采用實(shí)時(shí)獲取用戶定位信息的方式獲取用戶經(jīng)緯度，只有用戶打開APP，才記錄用戶最近一次定位經(jīng)緯度信息，用戶也可以通過客戶端設(shè)置，允許后臺(tái)實(shí)時(shí)調(diào)用用戶定位信息。

3.4.3 手動(dòng)報(bào)警

除了可以通過后臺(tái)數(shù)據(jù)處理邏輯，對(duì)用戶關(guān)注點(diǎn)自動(dòng)推送報(bào)警消息，如果出現(xiàn)重大天氣過程或突發(fā)氣象災(zāi)害，如臺(tái)風(fēng)和強(qiáng)暴雨等，還可以針對(duì)不同影響范圍，實(shí)現(xiàn)氣象報(bào)警信息分區(qū)域手動(dòng)推送，該功能主要依托移動(dòng)終端與云推送服務(wù)器不同標(biāo)簽綁定來實(shí)現(xiàn)。在與云服務(wù)器綁定TAG時(shí)，除了可以通過終端UUID進(jìn)行唯一綁定，還可以將用戶定位點(diǎn)所在區(qū)域的省、市、縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和街道等行政區(qū)劃信息作為TAG進(jìn)行綁定，這樣，如判斷天氣過程會(huì)對(duì)某一區(qū)域產(chǎn)生影響時(shí)，就可以根據(jù)移動(dòng)終端綁定的TAG向所有用戶或不同標(biāo)簽分類的特定用戶群體、單個(gè)用戶或基于地理位置推送通知、消息及媒體。

3.4.4 云消息推送

系統(tǒng)目前采用百度的云推送服務(wù)推送報(bào)警消息，通過客戶端綁定用戶的userid、channelid、TAG，根據(jù)需求對(duì)用戶進(jìn)行組播或單播，后期也可以進(jìn)行深入研究，搭建自己的云推送服務(wù)器。云推送（Push）是百度開放云向開發(fā)者提供的消息推送服務(wù)；通過利用云端與客戶端之間建立穩(wěn)定和可靠的長(zhǎng)鏈接來為開發(fā)者提供向客戶端應(yīng)用推送實(shí)時(shí)消息服務(wù)。百度云推送服務(wù)支持3種推送類型：通知、消息及富媒體；支持向所有用戶、根據(jù)標(biāo)簽分類向特定用戶群體、向單個(gè)用戶和基于地理位置推送消息；支持更多自定義功能（如自定義內(nèi)容、后續(xù)行為、樣式模板等）；還提供用戶信息及通知消息統(tǒng)計(jì)信息，方便開發(fā)者進(jìn)行后續(xù)開發(fā)及運(yùn)營(yíng)。

4 風(fēng)暴追蹤實(shí)例分析

結(jié)合2014年8月18日寧波、臺(tái)州一個(gè)強(qiáng)對(duì)流天氣過程進(jìn)行分析，假設(shè)在“智慧氣象”手機(jī)客戶端中設(shè)置3個(gè)關(guān)注點(diǎn)1、2和3，其中，關(guān)注點(diǎn)2在中氣旋前進(jìn)路線上。首先判斷中氣旋中心點(diǎn)經(jīng)緯度與風(fēng)暴追蹤線垂直距離，如果距離小于30 km，則氣旋將隨著風(fēng)暴方向移動(dòng)。此時(shí)通過系統(tǒng)計(jì)算，10 min后中氣旋將隨著風(fēng)暴經(jīng)過關(guān)注點(diǎn)2，此時(shí)手機(jī)將收到報(bào)警推送消息，提醒用戶10 min左右有可能會(huì)出現(xiàn)雷雨大風(fēng)。10 min后，中氣旋隨著風(fēng)暴移動(dòng)到關(guān)注點(diǎn)2位置，短時(shí)伴有雷雨大風(fēng)，用戶通過10 min前收到的推送消息，如果采取了一定的防御措施，就可以減少強(qiáng)對(duì)流天氣造成的損失。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)旨在利用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)所具有的實(shí)時(shí)在線及與用戶主動(dòng)交互的新特性，整合各類精細(xì)化格點(diǎn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，提供精準(zhǔn)的基于位置的智能化氣象報(bào)警服務(wù)。系統(tǒng)的特色及創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面：①基于位置服務(wù)的氣象報(bào)警信息推送；②基于精細(xì)化短時(shí)臨近預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的強(qiáng)對(duì)流潛勢(shì)預(yù)報(bào)預(yù)警。使用本系統(tǒng)后，公眾及專業(yè)用戶能通過移動(dòng)終端及時(shí)獲取探測(cè)范圍內(nèi)任意經(jīng)緯度的多要素氣象報(bào)警信息，并可隨著用戶位置的實(shí)時(shí)變化，實(shí)時(shí)切換報(bào)警位置，即使提醒用戶防范氣象災(zāi)害，為氣象防災(zāi)減災(zāi)提供高效、智能化的支撐。

[1]李強(qiáng).基于GIS的小區(qū)域氣象災(zāi)害精細(xì)化預(yù)警系統(tǒng)[J].氣象科技,2014,42(1):89-93.

[2]閻麗鳳.災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].氣象科技, 2014,42(5):804-809.

[3]王赟.基于Web Service的氣象預(yù)警短信發(fā)布系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)氣象科技[J].2012,40(3):384-387.

[4]溫旻.軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012.

[5]趙放.應(yīng)用多普勒雷達(dá)制作近海臺(tái)風(fēng)臨近預(yù)報(bào)技術(shù)研究[J].氣象,2008,34(5):64-74.

[6]徐傳玉利用雷達(dá)進(jìn)行風(fēng)暴的識(shí)別、跟蹤、分析和臨近預(yù)報(bào)的方法[J].氣象科技,1994(4):39-45.

[7]鄒德龍,馮業(yè)榮,梁巧倩,等．0～3小時(shí)短時(shí)定量降水預(yù)報(bào)算法研究熱帶氣象學(xué)報(bào)[J].2014,30(2):249-260.

[8]鄭石,王啟威,王冠,等.一次短時(shí)暴雨天氣過程及短時(shí)臨近預(yù)報(bào)分析[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2014(22):226-228.

Design and Development of Meteorological Alarm System Based on LBS

MA Yan-gang,ZHENG Wei-cai,DENG Chuang
(Zhejiang Meteorological Service Center,Hangzhou Zhejiang 310017,China)

In order to let users obtain the accurate and timely weather changes about his location and his concerned location through the mobile terminal,this paper puts forward a meteorological alarm system based on LBS.This system uses cloud push to provide users with comprehensive meteorological alarm service for various disasters such as heavy rainfall,extreme hot and cold,low visibility,hail,etc. In order to ensure the system has enough bearing capability and fast response speed for massive user accesses,a variety of meteorological grid data are converted to binary format for transmission and calculation,the distributed computing method is used for operation and processing,and the Memcached memory management mechanism is used in the whole process.

meteorological alarm;cloud push;nowcasting;LBS;storm tracking;grid data

TP393

A

1008-1739（2015）23-68-4

定稿日期：2015-11-12