基于移動互聯(lián)網(wǎng)的氣象安全導航研究*

李建 楊忠恩 鄧闖 鄭偉才 魏晨

(1.浙江省氣象服務中心,浙江 杭州 310017；2.寧波市氣象局,浙江 寧波 315012)

0 引 言

2012年12月31日雨雪致高速杭州段12 h發(fā)生40余起交通事故；2014年4月8日早晨7時受濃霧影響,南洛高速542—544段南北雙幅先后發(fā)生6起連環(huán)交通事故,17輛車追尾,事故造成2人死亡,44人受傷；2015年6月1日深夜11點多“東方之星”大型豪華游輪突遇災害性天氣在一兩分鐘之內傾覆倒扣在水中致400多人死亡；2016年12月16日,寧洛高速因團霧引發(fā)24車連環(huán)追尾,等各類氣象引發(fā)的特大交通事故頻發(fā)。

隨著國家經濟與城市化的快速發(fā)展,由氣象條件引起的交通安全保障問題已成為影響經濟發(fā)展的一個關鍵因素。統(tǒng)計表明,高速公路上因惡劣天氣造成的交通事故約占總事故的1/4左右[3-4]；同時在世界商船隊每年的全損船舶中,歸因于氣象這一表面原因的全損艘數(shù)和總噸約占33%,居各類全損海事之首。特別在惡劣天氣下,強風大浪等災害性天氣,是傾覆船舶的主要因素。以上案例可以看出災害性天氣對交通安全的重大影響,如何通過一種便捷手段將前方氣象信息實時告知交通駕駛人員,并提醒存在的交通氣象風險顯得十分必要和重要。

1 氣象安全導航的概念和用戶定位

目前世界范圍內較早提出的氣象服務交通安全的導航產品以海洋氣象導航和公路氣象導航為主。其中海洋氣象導航是指船舶在海洋里的整個航運過程中,充分利用一切有利于航行的氣象和海洋方面的條件為船舶取得最安全和最有利的航行過程。公路氣象導航是指建立統(tǒng)一的交通氣象數(shù)據(jù)模型,管理天氣現(xiàn)象、能見度、溫度、降水、風力、強天氣預警等在內的一系列氣象信息數(shù)據(jù)和交通基礎數(shù)據(jù)[5-6],將各類氣象數(shù)據(jù)與道路基礎數(shù)據(jù)和用戶定位信息相融合,最終實現(xiàn)基于位置的交通氣象導航功能。

介于局地性災害天氣的頻繁發(fā)生,如:江蘇鹽城的局地龍卷、湖北監(jiān)利致翻船事故的強對流天氣等,用戶特別是交通行業(yè)用戶對局地的災害性天氣防范需求越來越強烈,有效的將陸地和水上交通氣象服務相結合,從而提出氣象安全導航概念。氣象安全導航指結合了海上、公路、內河交通導航氣象服務,為公路交通出行和船舶航行提供出行道路的選擇和災害性氣象服務提醒,實現(xiàn)對出行的氣象安全保障服務。

2 氣象數(shù)據(jù)的應用

目前國內有150多部氣象雷達,并已形成了6 min 1次的信息組網(wǎng)和拼圖,單部雷達的掃描覆蓋范圍在130～460 km不等,組網(wǎng)后除新疆、西藏、青海的部分地區(qū)外國內陸地部分已基本覆蓋[7],如圖1全國的氣象雷達分布圖由中國天氣網(wǎng)提供。國內的天氣雷達以多普勒雷達為主,相較于傳統(tǒng)天氣雷達多普勒雷達能夠監(jiān)測到位于垂直地面8～12 km的高空中的對流云層的生成和變化,判斷云的移動速度,極大地提高了對超級單體、湖泊效應雪、成層雪、雷暴、降水、風切變、下?lián)舯┝鳌埦?、鋒面、湍流、冰雹等重大災害性天氣的監(jiān)測和預報能力[8],目前通過多普勒雷數(shù)據(jù)分析對強雷暴的偵察率是96%,對龍卷的發(fā)現(xiàn)率是83%,對龍卷警告的平均預警時間是18 km。因此充分應用雷達數(shù)據(jù),結合用戶手機定位實時提供當前位置及行進方向前方的短時臨近預報,結合交通氣象指標判斷前方是否會出現(xiàn)影響交通行駛安全的災害性天氣并對駕駛人員進行相應的語音文字提醒,對解決陸地和內河交通行車和航行具有重要意義,特別是規(guī)避局地強對流天氣對交通安全的影響。

圖1 國內氣象雷達分布圖

除衛(wèi)星監(jiān)測和少有的幾個浮標站資料外,海上實時氣象監(jiān)測資料目前還比較欠缺。因此在近海雷達能覆蓋的范圍采用雷達監(jiān)測資料,外海則采用數(shù)值天氣預報模式的氣象資料進行彌補。數(shù)值模式使用較多的有國內的Grapes和T639、歐洲中心的ECMWF、美國的NCEP等[9-12],預報時效達到了10～15 d,空間分辨率可達5 km。數(shù)值天氣預報對臺風[13]、降溫、大范圍的降水過程等趨勢預報較為準確,同時根據(jù)提供的基礎預報要素,通過解釋應用和統(tǒng)計分析方法計算出影響交通出行特別重要的能見度預報。近海的通航條件除參考雷達監(jiān)測信息外,部分海域還提供了航行預報,而承擔遠洋運輸?shù)拇灰紤]規(guī)避災害性天氣必須參考中長期的數(shù)值天氣預報,因此中長期數(shù)值天氣預報在遠洋運輸中可幫助其選擇啟航時間以及優(yōu)化航行線路,來規(guī)避航行的氣象風險。

3 氣象安全導航的設計

3.1 整體框架設計

設計分3個主功能模塊,分別是用戶管理、導航、綜合顯示模塊,系統(tǒng)整體框架如圖2。用戶管理模塊主要收集用戶的基本信息,如手機號碼、用戶使用時的定位信息等,根據(jù)天氣變化適時開展一對一的針對性氣象服務,并可通過該模塊結合網(wǎng)絡支付等手段收取一定的服務費用；導航模塊是主要的核心功能模塊,分模擬導航和實時導航。模擬導航通過事先規(guī)劃出行線路,了解沿途的天氣信息,預定路線發(fā)現(xiàn)可能遇到災害性天氣時可進行行程路線的調整,特別是遠洋航行時可通過對預定的航速與途徑沿線的天氣進行比較,根據(jù)設定的氣象風險閾值進行報警以提醒優(yōu)化航行路線。實時導航是在行進過程中的實時天氣提醒,根據(jù)用戶手機實時定位信息匹配所在位置的氣象實況信息及行進方向前方50 km范圍內的短時臨近災害性天氣信息,根據(jù)設定的氣象風險閾值進行提醒和報警；綜合顯示模塊為用戶提供雷達圖、衛(wèi)星云圖和天氣綜合圖,為海上航行用戶提供海圖、海域預報相關信息顯示。

圖2 氣象安全導航設計框架

軟件架構上安卓版在Windows操作系統(tǒng)下采用Java語言開發(fā)[14-15],IOS版在Mac操作系統(tǒng)下采用Object-c語言開發(fā),結合Html5與LeafLet地圖類庫,各模塊可快速迭代更新,支持跨平臺(PC、平板電腦、手機瀏覽器)訪問。服務器端采用GNU/Linux、Windows操作系統(tǒng),主要為RedHat Enterprise 5版本和Win2008版本。數(shù)據(jù)存儲服務程序采用C/C++/Java等編程語言進行開發(fā),數(shù)據(jù)庫擬采用Oracle RAC數(shù)據(jù)庫軟件。數(shù)據(jù)通信采用C#開發(fā),采用基于內存的消息隊列(Zeromq)作為底層監(jiān)控系統(tǒng)的異步消息隊列接口,前端采用Ajax跨域調用JsonP數(shù)據(jù)服務接口。

3.2 模擬導航設計

模擬導航功能分公路導航和海上導航兩個部分。用戶通過輸入出發(fā)點、途經點、終點和出發(fā)時間,系統(tǒng)通過地理信息匹配為用戶推薦進行的路線,并在地圖上結合天氣信息突出顯示,如圖3和圖4。

圖3 公路模擬導航

圖4 海上模擬導航

公路模擬導航功能設計,主要根據(jù)用戶出行的路程距離來匹配所需要的氣象數(shù)據(jù),如6 h內的短途公路交通出行,利用雷達外推的短臨預報提供沿途的氣象服務,如6 h以上的出行路程,沿途天氣服務需要采用中短期的數(shù)值模式氣象預報數(shù)據(jù)提供服務。根據(jù)地圖導航功能獲得規(guī)劃的出行線路,提取出行線路的經緯度地理信息與氣象格點數(shù)據(jù)進行匹配,判斷規(guī)劃的行程中是否有災害性天氣,從而實現(xiàn)出行前的行程規(guī)劃。

海上模擬導航功能,用戶自行設定船舶行駛的航速、需要行進的途經點,如10節(jié)航速,進行行進路程的時間計算(如圖5),通過動畫模擬,顯示每個途徑航段的天氣情況,分不同影響的氣象要素切換顯示)。若途中有大于8級大風、低能見度等影響船舶航行安全的區(qū)域,在航道上突出標注,同時通過聲音報警提醒,便于用戶更改航行的路線。

用戶出行前通過模擬導航功能,可有效的規(guī)避對交通出行影響較大的災害性天氣過程。特別是遠洋航行等路途較長的出行,出發(fā)后行程調整較為困難,通過該功能可修改出行時間或變更出行路線來規(guī)避氣象風險。

圖5 設置航速和途徑點

3.3 實時導航設計

實時導航的設計是為了滿足在駕車或航行過程中獲知當前位置和行進方向前方的實時天氣信息。通過對雷達數(shù)量的實時分析,可判斷出雷雨大風、冰雹等災害性天氣,并推算出其移動的方向。根據(jù)用戶提供的不斷刷新的行駛位置數(shù)據(jù),結合雷達分析的天氣影響結果不斷為用戶播報沿途及前方的氣象情況,提供氣象安全保障,如圖6和圖7。

圖6 公路實時導航

圖7 海上實時導航

沿途及前方氣象數(shù)據(jù)的分析過程如下:以汽車、船舶行使的駕駛人員為中心位置,以50 km范圍為半徑假使一個圓形的行使警戒區(qū),結合雷達數(shù)據(jù)判斷該警戒區(qū)范圍內是否有災害性天氣并給予及時的提醒,如果災害性天氣的移動路徑將經過警戒區(qū),也給駕駛員及時進行提醒和安全行使建議。在數(shù)據(jù)處理的具體邏輯方面,先獲取駕駛員所在位置50 km的風暴追蹤(災害性天氣演變移動方向)預報點經緯度,根據(jù)預報點獲取影響風暴追蹤線,檢索風暴追蹤線實況點與中氣旋中心點,如小于30 km計算風暴追蹤線每10 min的速度、方向,計算中氣旋進入警戒區(qū)時間,判斷30 min內汽車、船舶是否會進入中氣旋范圍從而進行相應的提醒。如遇臺風天氣時,接入臺風路徑實況及預報數(shù)據(jù),并結合雷達、風、降水等要素數(shù)據(jù),分析臺風路徑趨勢對汽車、船舶行使的安全提示。以上分析判斷過程的邏輯如圖8。

通過分析經過一段時間及距離的移動,系統(tǒng)可判斷用戶移動的方向,為用戶提供正前方左右30°角范圍內的天氣實況,如有災害性天氣出現(xiàn)將進行語音播報提醒,具體邏輯示意圖如圖9。

圖8 警戒區(qū)及災害性天氣移動示意圖

4 系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵技術

短時臨近災害性天氣預報及結合導航功能的應用是一項關鍵性技術之一。通過對雷達、氣象自動站數(shù)據(jù)的分析,實現(xiàn)災害性天氣的分辨,并將風暴追蹤與行車、行船移動方向比對,進行移動路徑耦合算法的研究[16-17]。短時臨近災害性天氣預報基于光流法外推技術的融合預報技術,基于雷達數(shù)據(jù)并結合多源資料發(fā)展定量降水估測(QPE)技術。利用光流法和TITAN追蹤算法改進雷達外推(QPF)技術,實現(xiàn)風暴追蹤。假設T1時刻風暴i的體積是V1,位置坐標是(X1,Y1),且有N1個風暴；T2時刻風暴j的體積是V2,位置坐標是(X2,Y2),且有N2個風暴。定義T1時刻風暴i到T2時刻風暴j的花費函數(shù)是:Cij=w1dp+w2dv,其中dp=

圖9 語音播報邏輯控制示意圖

[(X1-X2)2+(Y1-Y2)2]1/2,dv=|V11/3-V21/3|,Wl和W2是權重。找到目標函數(shù)Q=∑Cij(i是路徑的起點,j是對應的終點)最小的配對,這樣就可以將兩個時刻的風暴關聯(lián)起來,達到風暴追蹤的目的。利用高分辨率的快速更新同化數(shù)值模式系統(tǒng)的預報結果,發(fā)展動態(tài)權重融合法和趨勢演變疊加法的降水與強對流Blengding融合技術。

強化分災種強對流監(jiān)測預警技術的應用,通過分布類、形態(tài)類、統(tǒng)計類、演變類、個例類的綜合應用,建立數(shù)字組網(wǎng)3-D雷達識別、雨滴譜儀、自動站、探空等資料并結合本地特征的強對流監(jiān)測與識別產品,主要包括強降水、冰雹、雷暴大風、雷電等強對流監(jiān)測識別產品。配料法和模糊邏輯法在強降水、雷暴、雷暴大風等強對流天氣預報模型中的應用,建立分災種統(tǒng)計預報模型,氣候背景場作為影響因子,修訂強對流預報模型；發(fā)展強對流潛勢預報模型和數(shù)值預報融合產品的結合應用。

充分應用手機定位服務、手機地圖服務、信息推送、語音服務及氣象網(wǎng)格化數(shù)據(jù)的再分析等新技術。通過研究收集不同噸位的船舶和汽車行使氣象安全指標,建立氣象安全導航服務用語庫,運用移動互聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)基于位置的信息推送和語音播報服務。在遠洋導航過程中,需要考慮手機無網(wǎng)絡信號及衛(wèi)星網(wǎng)絡通信的高費用問題,實現(xiàn)對氣象預報和地圖數(shù)據(jù)的一次性下載,方便用戶在航行過程中的隨時調閱和分析。

5 結 語

本系統(tǒng)的研究受“東方之星”大型豪華游輪突遇災害性天氣啟發(fā),目前國內尚沒有基于水上及陸路交通方面的氣象導航服務軟件,而在海洋上的氣象導航則也以國外軟件提供商為主,指在利于航行的氣象和海洋方面的條件為船舶取得最安全和最有利的航行過程。系統(tǒng)研究基于當下流行的手機軟件通信技術研發(fā)氣象安全導航系統(tǒng),結合公路、海上、內河的安全行駛氣象指標及行駛路線導航功能,為陸路交通出行和船舶航行提供出行前的沿線天氣查詢及行駛過程中實時的災害性天氣提醒,該服務方式為國內首創(chuàng)。據(jù)相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計,截至2016年7月我國的汽車保有量為1.84億輛,2016年1—7月份全國造船完工1920萬載重噸,系統(tǒng)的研究將為汽車、船舶等的交通出行提供氣象安全保障,與預期社會和經濟效益較為明顯。

系統(tǒng)研究中也存在需要改進的內容:1)海洋的邊界信息不齊全,目前通過陸地的地理信息經RGB轉換后處理獲得,后續(xù)需要進一步收集完善海圖、航線、港口等相關基礎數(shù)據(jù)；2)短臨災害性天氣的判別指標及氣象影響交通出行的安全指標需要不斷細化,讓實時導航對災害性天氣的判別更準確,功能更趨自動化；3)在導航路線規(guī)劃時,可考慮自動規(guī)避氣象嚴重影響交通安全的路線。

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