南海海洋氣象浮標(biāo)站安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

甘志強(qiáng)，黃 斌，匡昌武，李大君

(海南省氣象探測中心，海南 ?？?570203)

0 引 言

目前，氣象業(yè)務(wù)中對海洋氣象的監(jiān)測手段比較單一，多通過投放海洋氣象浮標(biāo)來獲取相關(guān)氣象水文信息。海洋氣象浮標(biāo)是布設(shè)在特定海域用于獲取海上氣象水文觀測資料的大型綜合性觀測設(shè)備，可以在各種復(fù)雜的海洋環(huán)境中提供長期、連續(xù)、實(shí)時(shí)、可靠的海洋氣象觀測數(shù)據(jù)，是海洋觀測技術(shù)中最可靠、最有效、最重要的手段之一[1]。通過提供氣壓、溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、海水溫鹽度、浪高、海水流向、流速等海上氣象水文觀測資料，增強(qiáng)對海上災(zāi)害性天氣和氣候變化的預(yù)測預(yù)警能力[2-4]，同時(shí)，浮標(biāo)觀測的風(fēng)、溫、浪、水質(zhì)等氣象水文信息，具有長期性、連續(xù)性、實(shí)時(shí)性和多學(xué)科性，對海洋氣象業(yè)務(wù)和科學(xué)研究具有非常重要的意義。

按照中國氣象局南海海洋氣象業(yè)務(wù)發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃及十九大報(bào)告中建設(shè)海洋強(qiáng)國的要求，為加強(qiáng)南海海洋氣象監(jiān)測預(yù)警、預(yù)測預(yù)報(bào)和氣象服務(wù)工作，海南省氣象局相繼在南海海域布設(shè)了5套海洋氣象浮標(biāo)(簡稱氣象浮標(biāo))，包括1套10米氣象浮標(biāo)和4套6米氣象浮標(biāo)，完成對南海相關(guān)空白監(jiān)測區(qū)氣象信息資料的探測收集工作。然而，由于浮標(biāo)氣象觀測業(yè)務(wù)沒有陸地地面觀測業(yè)務(wù)成熟，且氣象浮標(biāo)布放數(shù)量少、布放點(diǎn)稀疏、工作方式特殊及運(yùn)行環(huán)境條件極其惡劣復(fù)雜[5]等原因，亟需提高對浮標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測，以提高寶貴海洋氣象資料的利用效率。

海南省氣象浮標(biāo)實(shí)際應(yīng)用情況，浮標(biāo)在海上運(yùn)行，位置、安全情況、電源工況、傳感器的有效性等狀態(tài)信息，對惡劣海洋環(huán)境下浮標(biāo)能否安全有效地工作具有極為重要的意義，對浮標(biāo)的日常巡檢、維護(hù)、大修、布放回收也具有重要指導(dǎo)意義，而這些重要狀態(tài)信息完全依靠人工遠(yuǎn)程主動監(jiān)控往往不能百分百地及時(shí)準(zhǔn)確洞察，并可能由此造成不必要的損失。因此，針對現(xiàn)有浮標(biāo)監(jiān)測手段過于簡單，數(shù)據(jù)處理手段有待進(jìn)一步提高的情況，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，開發(fā)一套浮標(biāo)狀態(tài)、數(shù)據(jù)安全監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)接收海洋氣象浮標(biāo)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對浮標(biāo)海上運(yùn)行狀態(tài)信息的有效監(jiān)測和綜合預(yù)警，保證浮標(biāo)穩(wěn)定可靠運(yùn)行及方便業(yè)務(wù)人員了解浮標(biāo)工作狀態(tài)、獲取相關(guān)氣象信息。

1 總體設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)及要求

目前，海南省海洋氣象浮標(biāo)主要實(shí)現(xiàn)對所布放海域氣象水文信息的實(shí)時(shí)觀測，并把觀測數(shù)據(jù)通過北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)送至岸基數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)處理中心完成對浮標(biāo)數(shù)據(jù)的處理和入庫工作[6]。根據(jù)氣象浮標(biāo)實(shí)際使用情況，業(yè)務(wù)人員不能實(shí)時(shí)、直觀地掌握浮標(biāo)工作狀態(tài)及觀測信息，多通過數(shù)據(jù)分析被動了解浮標(biāo)的工作狀態(tài)，是否移位，是否存在安全隱患及采集數(shù)據(jù)是否完整，無法實(shí)現(xiàn)對浮標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)的全面監(jiān)控及綜合預(yù)警。

為方便業(yè)務(wù)人員全面掌握浮標(biāo)的工作狀態(tài)，完成對浮標(biāo)氣象數(shù)據(jù)和浮標(biāo)狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測，系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)目標(biāo)如下：

(1)實(shí)時(shí)接收海洋浮標(biāo)氣象數(shù)據(jù)，并友好實(shí)時(shí)分類顯示；

(2)實(shí)現(xiàn)對浮標(biāo)海上運(yùn)行位置、安全情況、綜合預(yù)警等浮標(biāo)安全信息的有效監(jiān)測；

(3)實(shí)現(xiàn)對浮標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)、電源工況、傳感器的有效性、數(shù)據(jù)時(shí)效性的實(shí)時(shí)監(jiān)測等；

(4)實(shí)現(xiàn)對浮標(biāo)歷史數(shù)據(jù)的查詢與交互；

(5)提供相關(guān)數(shù)據(jù)接口，方便其他系統(tǒng)調(diào)用。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)海南省海洋氣象浮標(biāo)安全監(jiān)控的實(shí)際工作和業(yè)務(wù)需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)以GIS技術(shù)、SSH技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等為基礎(chǔ)，通過構(gòu)建海洋浮標(biāo)數(shù)據(jù)庫，完成對浮標(biāo)數(shù)據(jù)的整理、分類歸檔等；分析處理浮標(biāo)回傳數(shù)據(jù)包，提取浮標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)信息、氣象水文數(shù)據(jù)信息；通過研制并集成浮標(biāo)運(yùn)行監(jiān)測、信息展示、數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)交換等內(nèi)容，建設(shè)B/S架構(gòu)模式的監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測浮標(biāo)氣象數(shù)據(jù)和浮標(biāo)狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)對浮標(biāo)運(yùn)行安全狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測和綜合預(yù)警，為浮標(biāo)日常工作、安全、維護(hù)等提供快速準(zhǔn)確的參考信息，同時(shí)為海洋氣象業(yè)務(wù)提供實(shí)時(shí)可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)組成及功能

該設(shè)計(jì)基于GIS技術(shù)、SSH技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)，采用C/S和B/S相結(jié)合[7]的方式，在功能上主要包括報(bào)文處理和網(wǎng)頁數(shù)據(jù)監(jiān)控顯示兩大模塊。報(bào)文處理模塊采用C/S模式進(jìn)行接收數(shù)據(jù)處理，通過建立浮標(biāo)觀測信息庫，將北斗終端接收的原始觀測數(shù)據(jù)信息進(jìn)行解析，建立各類信息處理的分類數(shù)據(jù)表，并將各類信息進(jìn)行分類存儲及顯示；網(wǎng)頁數(shù)據(jù)監(jiān)控顯示以B/S方式為業(yè)務(wù)人員提供各浮標(biāo)運(yùn)行實(shí)況、觀測數(shù)據(jù)等多種信息的在線實(shí)時(shí)查詢顯示和狀態(tài)安全信息的綜合預(yù)警[8-9]。

2.1 系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

采用目前最為流行的SSH框架技術(shù)搭建系統(tǒng)的總體架構(gòu)，該框架總體采用了層次化設(shè)計(jì)思想，以實(shí)現(xiàn)不同層次間的相互獨(dú)立性，保障系統(tǒng)的高度穩(wěn)定性、實(shí)用性和可擴(kuò)展性。

雖然比較文學(xué)有一定的難度，但是，因?yàn)樗赜械拈_放的視野和比較的意識，的確能幫助選修華文和文學(xué)課程以及雙文化課程的學(xué)生們有效地閱讀，多元地思考，從而提升他們從不同文化場域進(jìn)行文學(xué)欣賞和理性思考的能力。

第一層是應(yīng)用層，信息化應(yīng)用的軟件實(shí)現(xiàn)及表現(xiàn)層。該層建立在浮標(biāo)監(jiān)控平臺框架之上，與具體應(yīng)用需求相結(jié)合，開發(fā)并集成運(yùn)行檢測模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、數(shù)據(jù)交換模塊、系統(tǒng)管理模塊等系統(tǒng)子模塊，用戶通過操作相關(guān)模塊功能便能快捷方便地查看用戶所需展示信息。

第二層是浮標(biāo)監(jiān)控平臺框架層，該框架層基于SSH框架，并整合了Shiro技術(shù)，通過Shiro技術(shù)可以幫助完成：認(rèn)證、授權(quán)、加密、會話管理、緩存等[10-11]。用戶通過用戶名和密碼登錄，即可使用根據(jù)其權(quán)限所配置的應(yīng)用子模塊，為用戶提供人性化的應(yīng)用界面和用戶界面整體布局，同時(shí)通過集成Java Mail實(shí)現(xiàn)出現(xiàn)浮標(biāo)預(yù)警時(shí)發(fā)送郵件給指定聯(lián)系人來達(dá)到實(shí)時(shí)發(fā)送浮標(biāo)預(yù)警的目的。

第三層是綜合數(shù)據(jù)庫層，該層提供了整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支撐服務(wù)，提供系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫與GIS數(shù)據(jù)庫等系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)支撐服務(wù)層，所有業(yè)務(wù)邏輯控制與應(yīng)用系統(tǒng)模塊功能開發(fā)均依賴該層。

第四層是運(yùn)行環(huán)境層，是應(yīng)用開發(fā)與集成的支撐框架層，負(fù)責(zé)提供信息系統(tǒng)基礎(chǔ)、通用、專業(yè)的業(yè)務(wù)協(xié)同運(yùn)行支持以及相關(guān)數(shù)據(jù)的專業(yè)處理及應(yīng)用功能，是信息系統(tǒng)運(yùn)行的硬件平臺核心。

在上述四層結(jié)構(gòu)之外，還必須建立相應(yīng)的信息化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范與信息組織保障和安全體系，保證信息有序，防止信息管理混亂，以充分地利用各種信息，使信息化建設(shè)和運(yùn)作有章可循，達(dá)到系統(tǒng)安全性能的要求。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)

為滿足用戶使用需求和人性化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)成集成浮標(biāo)信息、地理信息、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)處理等為一體的綜合浮標(biāo)信息監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對浮標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)顯示、信息檢索、數(shù)據(jù)交換與系統(tǒng)管理等功能。整個(gè)檢測顯示系統(tǒng)界面共由5部分組成，具體功能框架如圖2所示。

(1)運(yùn)行監(jiān)測：該模塊主要實(shí)現(xiàn)對浮標(biāo)工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)工作狀態(tài)發(fā)生異常時(shí)在界面上以合理的方式做出警示并發(fā)送相關(guān)浮標(biāo)預(yù)警信息至指定E-mail用戶。

(2)數(shù)據(jù)顯示：該模塊主要包括浮標(biāo)位置信息顯示、運(yùn)行狀態(tài)信息顯示及浮標(biāo)氣象水文信息顯示三部分。通過GIS地圖實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前所有浮標(biāo)所處位置，當(dāng)浮標(biāo)位置發(fā)生變動時(shí)，顯示相關(guān)信息告知用戶；顯示浮標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生改變或超過閾值時(shí)，通過系統(tǒng)預(yù)警信息告知用戶；通過圖表實(shí)現(xiàn)對浮標(biāo)當(dāng)前監(jiān)測的氣象與水文信息分類實(shí)時(shí)顯示，方便用戶直觀了解浮標(biāo)采集信息。

(3)信息檢索：該模塊主要實(shí)現(xiàn)對浮標(biāo)信息庫中浮標(biāo)歷史數(shù)據(jù)的查詢及檢索。用戶可根據(jù)選定浮標(biāo)號、起始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間，對系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢篩選并列表顯示。

圖2 系統(tǒng)主要功能框圖

(5)系統(tǒng)管理：根據(jù)用戶權(quán)限對系統(tǒng)服務(wù)資源、用戶權(quán)限分配、系統(tǒng)日志審查等系統(tǒng)功能進(jìn)行管理。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

為確保系統(tǒng)高效穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)，必須有較完善的系統(tǒng)應(yīng)用軟件和優(yōu)良的數(shù)據(jù)庫作支撐[11-13]。對于運(yùn)行軟件的性能主要是通過合理的軟硬件配置來實(shí)現(xiàn)，而影響數(shù)據(jù)庫的性能的方面則很多，但是歸根到底包括兩個(gè)方面，即后臺的數(shù)據(jù)庫參數(shù)配置和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫的訪問性能，因此在數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)時(shí)要有高效的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫訪問性能和合理的后臺參數(shù)配置。

3.1.1 設(shè)計(jì)思路

該系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)遵循“數(shù)據(jù)和應(yīng)用分離”的基本原則，所有數(shù)據(jù)資源集中管理、集中維護(hù)，分布使用[13]。系統(tǒng)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、GIS數(shù)據(jù)分開存儲，GIS數(shù)據(jù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)之間通過相關(guān)特征進(jìn)行關(guān)聯(lián)和體現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)間的相互關(guān)聯(lián)。

建立關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲系統(tǒng)數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)之間通過規(guī)則表和關(guān)系表實(shí)現(xiàn)相互關(guān)聯(lián)、約束及數(shù)據(jù)的互訪[14-16]；GIS數(shù)據(jù)通過ArcGIS制作平臺制作符合實(shí)際需要的離線地圖，并發(fā)布在地圖服務(wù)端供浮標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)用。

3.1.2 數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)使用Oracle數(shù)據(jù)庫，主要分為三個(gè)部分：系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫及GIS數(shù)據(jù)庫。其中系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)遵照系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求，對服務(wù)資源表、系統(tǒng)權(quán)限管理表、系統(tǒng)用戶管理表、系統(tǒng)日志表等分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足后臺數(shù)據(jù)參數(shù)的分開管理[12,17]；系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫由信息中心提供，系統(tǒng)通過接入該浮標(biāo)接收數(shù)據(jù)庫提供對本系統(tǒng)數(shù)據(jù)支持，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫訪問得到業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫提供業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類解析并存儲；GIS數(shù)據(jù)庫從系統(tǒng)設(shè)計(jì)出發(fā)，通過ArcGIS制作符合系統(tǒng)需求的地圖，并通過ArcGIS Server服務(wù)對制作好的地圖進(jìn)行切片或調(diào)用ArcGIS Server發(fā)布出來的WMS服務(wù)供系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)用。

3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

為滿足用戶使用需求和人性化設(shè)計(jì)，整個(gè)監(jiān)測顯示系統(tǒng)界面共由5部分組成，設(shè)計(jì)成集成浮標(biāo)信息、地理信息、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)處理等為一體的綜合浮標(biāo)信息監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)界面如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)界面

區(qū)域1所示為WebGIS展示區(qū)，該區(qū)域顯示浮標(biāo)當(dāng)前所處位置與特征量，點(diǎn)擊該區(qū)域某一代表浮標(biāo)站的圖標(biāo)后，區(qū)域2、3、4聯(lián)動顯示該浮標(biāo)當(dāng)前狀態(tài)、報(bào)警與觀測信息，同時(shí)該浮標(biāo)圖標(biāo)的樣式發(fā)生改變，以提示用戶當(dāng)前平臺界面顯示的信息為該浮標(biāo)站的監(jiān)測信息。點(diǎn)擊其他浮標(biāo)圖標(biāo)時(shí)清除上一浮標(biāo)的點(diǎn)擊樣式。當(dāng)浮標(biāo)相對設(shè)計(jì)基準(zhǔn)點(diǎn)發(fā)生移動時(shí)，GIS地圖上顯示浮標(biāo)與浮標(biāo)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)點(diǎn)之間的方位與距離，當(dāng)浮標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生預(yù)警情況，圖標(biāo)閃爍或變色以提醒維護(hù)人員及時(shí)查看浮標(biāo)目前的安全狀況。

區(qū)域2所示為浮標(biāo)當(dāng)前工作狀態(tài)信息，包括浮標(biāo)號、電壓、方位、錨燈狀態(tài)與采集系統(tǒng)內(nèi)部剩余空間量，該區(qū)域信息為提供浮標(biāo)工作狀態(tài)，使維護(hù)人員能及時(shí)掌握浮標(biāo)的工作狀態(tài)。

區(qū)域3為浮標(biāo)安全狀態(tài)報(bào)警區(qū)，主要針對的是浮標(biāo)回傳信息對浮標(biāo)體的艙門、艙蓋、艙進(jìn)水和浮標(biāo)相對基準(zhǔn)點(diǎn)位移情況，當(dāng)浮標(biāo)存在位移(當(dāng)位移超過1 000 m時(shí)，即顯示浮標(biāo)存在位移)或艙進(jìn)水等危險(xiǎn)狀況時(shí)，該欄標(biāo)以紅色字提示該處浮標(biāo)存在異常，并且浮標(biāo)體地圖區(qū)域?qū)?yīng)的浮標(biāo)體圖案出現(xiàn)閃爍，以提醒業(yè)務(wù)人員浮標(biāo)出現(xiàn)安全隱患。

區(qū)域4展示所選浮標(biāo)最新的觀測數(shù)據(jù)，如風(fēng)(平均風(fēng)速、風(fēng)向、最大風(fēng)速、最大風(fēng)速出現(xiàn)時(shí)間、極大風(fēng)速、極大風(fēng)速出現(xiàn)時(shí)間)，波浪(最大波高、有效波高、平均波高)，綜合氣象要素(所有氣象要素采集信息)與具體要素信息(氣壓、氣溫、濕度、能見度)等。

區(qū)域5表示功能選項(xiàng)，默認(rèn)顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)狀態(tài)，當(dāng)需要查詢歷史數(shù)據(jù)時(shí)點(diǎn)擊數(shù)據(jù)查詢頁面，用戶可通過選擇起止時(shí)間和浮標(biāo)站號查詢所選浮標(biāo)的相關(guān)歷史采集信息。

點(diǎn)擊“導(dǎo)出數(shù)據(jù)”，可將當(dāng)前界面顯示或查詢到的數(shù)據(jù)導(dǎo)出至excel中；點(diǎn)擊“打印”，打印當(dāng)前瀏覽器頁面中所示內(nèi)容。

4 結(jié)束語

南海海洋氣象浮標(biāo)觀測站安全監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對海洋氣象浮標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)及采集信息的有效監(jiān)測，對海洋氣象觀測業(yè)務(wù)的開展具有重要的指導(dǎo)意義。通過對浮標(biāo)運(yùn)行情況的全面監(jiān)測，業(yè)務(wù)人員能隨時(shí)直觀獲取浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù)及運(yùn)行狀態(tài)，必要時(shí)還可為相關(guān)人員提供浮標(biāo)狀態(tài)報(bào)警信息，確保浮標(biāo)在海上的安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)為浮標(biāo)的維護(hù)、布放等重要活動提供重要的數(shù)據(jù)支撐。通過系統(tǒng)的研制，浮標(biāo)數(shù)據(jù)得到分類整理、存放，確保珍貴海洋氣象觀測資料得到有效的利用、保存，系統(tǒng)后期可通過擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)對海洋觀測站如船舶站、海島站等氣象監(jiān)測系統(tǒng)的接入和融合，以實(shí)現(xiàn)對南海海洋氣象觀測站網(wǎng)的有效監(jiān)測，為海洋氣象預(yù)報(bào)服務(wù)提供有效、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支撐。