城區(qū)防汛智慧氣象系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

賈斌 李又君 衣霞 楊秀華 徐海濤

摘 要：系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于Android平臺(tái)及IOS平臺(tái)，使用Java語言及Swift語言完成編碼工作。支持采用Android系統(tǒng)及IOS系統(tǒng)的移動(dòng)設(shè)備。開發(fā)的城區(qū)防汛智慧氣象系統(tǒng)有三個(gè)模塊，預(yù)報(bào)信息管理、突發(fā)氣象災(zāi)害預(yù)警、綜合觀測信息管理。功能塊包含的主要內(nèi)容有：天氣預(yù)報(bào)預(yù)警、交通氣象、實(shí)況監(jiān)測信息（雨情、水情、墑情等）、實(shí)時(shí)衛(wèi)星云圖、雷達(dá)天氣圖。系統(tǒng)為城市防汛供氣象數(shù)據(jù)支撐，為科學(xué)有效應(yīng)對城市防汛發(fā)揮重要作用。

關(guān)鍵詞：智慧氣象；城區(qū)防汛；突發(fā)氣象災(zāi)害

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：The system design is based on Android platform and IOS platform，using Java and Swift languages to complete the coding，supporting android and IOS mobile devices.The intelligent meteorological system for urban flood control has three modules，namely，forecasting information management，warning of sudden meteorological disasters and integrated observation information management.The main contents include：weather forecast and warning，traffic weather，real-time monitoring information （rain，water，moisture，etc.），real-time satellite cloud map and radar weather map.The system provides meteorological data supports for urban flood control and plays an important role in scientific and effective urban flood control.

Keywords：intelligent meteorology；urban flood control；sudden meteorological disaster

1 引言（Introduction）

現(xiàn)在涌現(xiàn)出了越來越多的新技術(shù)，如移動(dòng)互聯(lián)、云計(jì)算、智能、大數(shù)據(jù)等，在這些新技術(shù)的帶動(dòng)下，信息化逐步進(jìn)入到“智慧”時(shí)代。如今已經(jīng)是網(wǎng)絡(luò)時(shí)代和信息時(shí)代，所有行業(yè)均在迅速前進(jìn)，對于城區(qū)防汛而言，氣象服務(wù)方式也越來越豐富，氣象數(shù)據(jù)的內(nèi)容也更加廣泛。如今的很多氣象數(shù)據(jù)均通過電子方式進(jìn)行采集、傳送、存儲(chǔ)、共享，而且還能夠在不同的設(shè)備與網(wǎng)段進(jìn)行運(yùn)行展示。面對氣象服務(wù)中的電子化內(nèi)容，隨著氣象類型增多、氣象信息格式存在差異、沒有針對氣象的合理維護(hù)辦法等因素，導(dǎo)致在城區(qū)防汛過程中并未實(shí)現(xiàn)信息的合理利用，無法展示氣象資料的真正用途。如何才能把當(dāng)前的所有氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一整理收集、增加保存期限而且還能合理應(yīng)用是城區(qū)防汛工作中必須面對的問題。

傳統(tǒng)的氣象服務(wù)辦法早已無法滿足互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及城區(qū)防汛的新業(yè)態(tài)，應(yīng)該積極運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)理念，選取信息化新技術(shù)，把傳統(tǒng)氣象服務(wù)轉(zhuǎn)變成互聯(lián)網(wǎng)氣象+的智能氣象服務(wù)形式。研發(fā)智慧氣象系統(tǒng)能夠更好的帶動(dòng)氣象現(xiàn)代化，對于城區(qū)防汛工作具有較高的戰(zhàn)略意義，可以使用戶體會(huì)到更專業(yè)、更精確的氣象內(nèi)容，還能夠在生產(chǎn)生活過程得到更優(yōu)的體驗(yàn)與更大的價(jià)值，進(jìn)而可以達(dá)到智能氣象服務(wù)普惠化。

因此，按照經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的步伐，面向國際科技前沿，針對城區(qū)防汛的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了城區(qū)防汛智慧氣象系統(tǒng)。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀（Research status at home and abroad）

歐美發(fā)達(dá)國家對智慧氣象系統(tǒng)的研究已經(jīng)非常成熟，通過智慧氣象系統(tǒng)的建設(shè)，能夠充分利用智能化平臺(tái)滿足氣象資料的信息化處理，而且，對開展城區(qū)防汛工作具有較高的利用價(jià)值。國外成熟的智慧氣象系統(tǒng)借助通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)搭建，通過服務(wù)器完成對所收集氣象資料的存儲(chǔ)，能夠?qū)⑹占降馁Y料通過文件的形式進(jìn)行備份，還能夠完成對數(shù)據(jù)的預(yù)處理，根據(jù)設(shè)置的要求展開數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)工作。國外的智慧氣象系統(tǒng)選用web服務(wù)方式，可提供對權(quán)限的控制及分配，滿足不同用戶對氣象資料的操作，系統(tǒng)的應(yīng)用均能夠提高氣象資料存檔的效率及氣象資料檢索的速度，能夠滿足城區(qū)防汛的氣象要求。

然而最近幾年，國內(nèi)氣象部門推進(jìn)氣象服務(wù)的現(xiàn)代化建設(shè)，構(gòu)建了很多氣象系統(tǒng)，逐步改善城區(qū)防汛、氣象預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性、及時(shí)性[1-7]。已有的很多氣象系統(tǒng)同現(xiàn)代化硬件建設(shè)相比，系統(tǒng)建設(shè)仍舊比較滯后，系統(tǒng)相互之間比較獨(dú)立，氣象數(shù)據(jù)的共享程度較低，對于系統(tǒng)內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)存在很多重復(fù)性的工作。氣象服務(wù)內(nèi)容制作與發(fā)布過程中，容易出現(xiàn)脫節(jié)現(xiàn)象，對于時(shí)效性要求比較嚴(yán)格的預(yù)警數(shù)據(jù)而言，經(jīng)常出現(xiàn)無法在最短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)發(fā)送操作，極大的降低了氣象預(yù)報(bào)服務(wù)的意義。很多地區(qū)的智慧氣象系統(tǒng)集成度有所欠缺，而且沒有形成統(tǒng)一的規(guī)范；缺少對綜合觀測信息的管理，不能短時(shí)間內(nèi)多次展示實(shí)時(shí)雷達(dá)圖。另外，國內(nèi)很多人員利用Andriod系統(tǒng)及IOS系統(tǒng)的移動(dòng)設(shè)備，開發(fā)了服務(wù)應(yīng)用范

例[8-12]，這為大家開發(fā)城區(qū)防汛智慧氣象系統(tǒng)提供了技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

總體而言，國內(nèi)的智慧氣象系統(tǒng)功能上還很難滿足現(xiàn)代城區(qū)防汛監(jiān)測預(yù)警信息化、預(yù)報(bào)分析自動(dòng)化、氣象服務(wù)產(chǎn)品制作便捷化等方面的需要。所以，各地氣象部門急切希望研究一套應(yīng)用于城區(qū)防汛智慧氣象系統(tǒng)。

3 需求分析（Demand analysis）

3.1 系統(tǒng)需求概述

為進(jìn)一步做好城區(qū)防汛的應(yīng)對工作，提升氣象服務(wù)信息化水平，依據(jù)智能化平臺(tái)，提出對應(yīng)用于城區(qū)防汛的智慧氣象系統(tǒng)的建設(shè)。應(yīng)用于城區(qū)防汛的智慧氣象系統(tǒng)的功能大致分為三個(gè)，即預(yù)報(bào)信息管理、突發(fā)氣象災(zāi)害預(yù)警、綜合觀測信息管理，利用系統(tǒng)提供氣象數(shù)據(jù)支撐，提高城區(qū)防汛準(zhǔn)確性。

3.2 預(yù)報(bào)信息管理需求

預(yù)報(bào)信息管理用于進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)警、天氣預(yù)報(bào)、實(shí)況監(jiān)測、交通氣象、站點(diǎn)定位、雨情信息、水情信息、墑情信息的維護(hù)，可以查看氣象科普、防汛信息、天氣資訊、風(fēng)速風(fēng)向等信息。

預(yù)報(bào)預(yù)警內(nèi)負(fù)責(zé)對3小時(shí)、6小時(shí)、12小時(shí)、24小時(shí)、48小時(shí)、72小時(shí)內(nèi)的天氣進(jìn)行滾動(dòng)訂正，顯示的具體預(yù)警內(nèi)容有天氣現(xiàn)象符號(hào)、風(fēng)力、高低溫等預(yù)報(bào)要素。天氣預(yù)報(bào)中能夠展示當(dāng)前日期下的天氣情況、氣溫、溫度、風(fēng)力、空氣、空氣質(zhì)量，還可查看未來五天的天氣情況、最低溫度和最高溫度。實(shí)況監(jiān)測中，能夠展示聊城市的天氣實(shí)況，展示當(dāng)前的相對濕度、小時(shí)雨量、風(fēng)向風(fēng)力、氣壓等。

3.3 突發(fā)氣象災(zāi)害預(yù)警需求

突發(fā)氣象災(zāi)害預(yù)警，相對城區(qū)防汛而言主要為突發(fā)暴雨、雷電大風(fēng)等短時(shí)強(qiáng)對流天氣，預(yù)警信息為不定時(shí)快速發(fā)布，顯示方式為預(yù)警信號(hào)圖標(biāo)、內(nèi)容、發(fā)布時(shí)效、持續(xù)影響時(shí)間等內(nèi)容。突發(fā)氣象災(zāi)害預(yù)警中，可以查看氣象臺(tái)發(fā)布預(yù)警信號(hào)、發(fā)布日期、狀態(tài)。

3.4 綜合觀測信息管理需求

根據(jù)6、7、8主汛期城區(qū)防汛形勢的需要，綜合觀測信息管理由衛(wèi)星紅外云圖、雷達(dá)實(shí)時(shí)觀測資料、自動(dòng)氣象站實(shí)況資料、雨情實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)構(gòu)成，展示實(shí)時(shí)衛(wèi)星云圖，展示用于宏觀監(jiān)測降水云團(tuán)發(fā)展的紅外衛(wèi)星云圖，主汛期用于監(jiān)測局地強(qiáng)對流天氣（短時(shí)強(qiáng)降水）實(shí)時(shí)雷達(dá)圖6分鐘一張，提供包含GIS地圖的實(shí)時(shí)雨情分布圖片。綜合觀測信息管理中，能夠根據(jù)雨情量在地圖內(nèi)展示雨情分布情況，還可以將展示的雨情分布進(jìn)行導(dǎo)出。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)（The system design）

設(shè)計(jì)一章是為了對應(yīng)用于城區(qū)防汛的智慧氣象系統(tǒng)所采用的技術(shù)架構(gòu)，劃分的功能架構(gòu)，設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)，功能模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)過程，數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)工作等進(jìn)行展示。

4.1 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

應(yīng)用于城區(qū)防汛的智慧氣象系統(tǒng)通過手機(jī)端進(jìn)行訪問，為此系統(tǒng)支持采用Android系統(tǒng)及IOS系統(tǒng)的移動(dòng)設(shè)備。系統(tǒng)基于Android平臺(tái)及IOS平臺(tái)，應(yīng)用于城區(qū)防汛的智慧氣象系統(tǒng)在Android平臺(tái)上基于Linux，內(nèi)核和驅(qū)動(dòng)都是使用C/C++語言做開發(fā)；在IOS平臺(tái)上采用Swift語言完成編碼工作。

4.2 網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)，如圖1所示。

應(yīng)用于城區(qū)防汛的智慧氣象系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，氣象用戶經(jīng)過接入交換機(jī)、防火墻、路由器通過Internet對系統(tǒng)進(jìn)行訪問，訪問后的請求在Internet的作用下，依次通過路由器、防火墻對內(nèi)容管理服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用程序服務(wù)器等進(jìn)行操作。

4.3 系統(tǒng)功能架構(gòu)

系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計(jì)了三個(gè)模塊，具體為預(yù)報(bào)信息管理、突發(fā)氣象災(zāi)害預(yù)警、綜合觀測信息管理。

預(yù)報(bào)信息管理中，設(shè)計(jì)了預(yù)報(bào)預(yù)警、天氣預(yù)報(bào)、實(shí)況監(jiān)測、交通氣象、站點(diǎn)定位、雨情信息維護(hù)、水情信息維護(hù)、墑情信息維護(hù)、氣象科普查看、防汛信息查看、天氣資訊查看、風(fēng)速風(fēng)向查看；突發(fā)氣象災(zāi)害預(yù)警中，設(shè)計(jì)了突發(fā)氣象災(zāi)害預(yù)警查看；綜合觀測信息管理中，設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)衛(wèi)星云圖展示、紅外衛(wèi)星云圖展示、實(shí)時(shí)雷達(dá)圖展示。

4.4 功能模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)

預(yù)報(bào)信息管理模塊按照設(shè)計(jì)的子功能，確定了需要調(diào)用的窗體類、服務(wù)類，主要有預(yù)報(bào)信息管理窗體類Forecast Info Management Activity、預(yù)報(bào)信息管理服務(wù)類Forecast Info Management Service、雨情信息數(shù)據(jù)類Rain、水情信息數(shù)據(jù)類Water Condition、墑情信息數(shù)據(jù)類Moisture、防汛信息數(shù)據(jù)類Flood Control等。預(yù)報(bào)信息管理類圖，如圖2所示。

預(yù)報(bào)信息管理窗體類Forecast Info Management Activity中，設(shè)計(jì)的方法為：預(yù)報(bào)預(yù)警forecast Warning（）、天氣預(yù)報(bào)weather Forecast（）、實(shí)況監(jiān)測live Monitoring（）、交通氣象traffic Weather（）、站點(diǎn)定位site Targeting（）、rain Info Maintenance（）雨情信息維護(hù)、水情信息維護(hù)water Regime Info Maintenance（）、moisture Info Maintenance（）墑情信息維護(hù)、氣象科普查看meteorological Science View（）、防汛信息查看flood Control Info View（）、天氣資訊查看weather Information View（）、風(fēng)速風(fēng)向查看wind Speed View（）。

突發(fā)氣象災(zāi)害預(yù)警模塊內(nèi)，依據(jù)設(shè)計(jì)的功能，設(shè)計(jì)了突發(fā)氣象災(zāi)害預(yù)警窗體類Emergency Meteorological Disaster Warning Activity、突發(fā)氣象災(zāi)害預(yù)警服務(wù)類Emergency Meteorological Disaster Warning Service、突發(fā)氣象災(zāi)害預(yù)警數(shù)據(jù)類Emergency Meteorological Disaster Warning，對于突發(fā)氣象災(zāi)害預(yù)警窗體類核心的方法是：突發(fā)氣象災(zāi)害預(yù)警查看（Emergency Meteorological Disaster View）。

綜合觀測信息管理功能中，設(shè)計(jì)了Comprehensive Observation Activity綜合觀測信息管理窗體類、綜合觀測信息管理服務(wù)類Comprehensive Observation Service、實(shí)時(shí)衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)類Real-time Satellite Image、Infrared Satellite Image紅外衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)類、實(shí)時(shí)雷達(dá)圖數(shù)據(jù)類等Real-time Radar Image。

綜合觀測信息管理窗體類Comprehensive Observation Activity具體的方法有：實(shí)時(shí)衛(wèi)星云圖展示real-time Satellite Image Display（）、infrared Satellite Image Display（）紅外衛(wèi)星云圖展示、實(shí)時(shí)雷達(dá)圖展示real-time Radar Image Display（）。

實(shí)時(shí)衛(wèi)星云圖展示的時(shí)序圖，如圖3所示。

實(shí)時(shí)衛(wèi)星云圖展示設(shè)計(jì)中，氣象用戶請求實(shí)時(shí)衛(wèi)星云圖展示后，綜合觀測信息管理窗體類Comprehensive Observation Activity的實(shí)時(shí)衛(wèi)星云圖展示方法real-time Satellite Image Display（）對氣象用戶指令進(jìn)行獲取，創(chuàng)建綜合觀測信息管理服務(wù)類Comprehensive Observation Service，利用數(shù)據(jù)庫處理語句對實(shí)時(shí)衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)類Real-time Satellite Image進(jìn)行查詢，查詢后封裝并展示實(shí)時(shí)衛(wèi)星云圖的資料。

4.5 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

系統(tǒng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫為SQLite3，主要設(shè)計(jì)的表有天氣實(shí)況表Tab_Weather Live、Tab_Emergency Meteorological Disaster Warning突發(fā)氣象災(zāi)害預(yù)警表、紅外衛(wèi)星云圖表Tab_Infrared SatelliteImage等。

天氣實(shí)況表Tab_Weather Live負(fù)責(zé)存儲(chǔ)的字段有地區(qū)f_area、時(shí)間time、最低溫度f_lowestTemperature、最高溫度f_highestTemperature、天氣狀況f_weatherConditions、當(dāng)前溫度f_currentTemperature、風(fēng)向f_windDirection、相對濕度f_relativeHumidity、小時(shí)雨量f_rainfallHours、風(fēng)力f_wind、氣壓f_airPressure、PM值f_PMValue、空氣質(zhì)量f_airQuality等。

Tab_Emergency Meteorological Disaster Warning突發(fā)氣象災(zāi)害預(yù)警表負(fù)責(zé)存儲(chǔ)的字段有地區(qū)f_area、預(yù)警信號(hào)圖標(biāo)f_warningSignalIcon、預(yù)警信息標(biāo)題f_warningInfoTitle、預(yù)警內(nèi)容f_warningContent、發(fā)布日期f_releaseDate、發(fā)布時(shí)效f_releaseTime、持續(xù)影響時(shí)間f_continuouslyAffectTime、狀態(tài)f_status等。

紅外衛(wèi)星云圖表Tab_InfraredSatelliteImage負(fù)責(zé)存儲(chǔ)的字段有f_range、f_resolution、f_date、f_time、f_rda、f_height、f_lat、f_long、f_mode、f_vcp、f_cntr、f_elev、f_max、f_polar等。

5 結(jié)論（Conclusion）

預(yù)報(bào)信息、突發(fā)災(zāi)害性天氣預(yù)警信息、綜合觀測信息、分析研判簡報(bào)、災(zāi)情、險(xiǎn)情實(shí)景監(jiān)控信息等，由系統(tǒng)功能主界面對應(yīng)的設(shè)計(jì)模塊具體實(shí)現(xiàn)。預(yù)報(bào)信息管理能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)報(bào)預(yù)警、天氣預(yù)報(bào)、實(shí)況監(jiān)測、交通氣象、站點(diǎn)定位、雨情信息維護(hù)、水情信息維護(hù)、墑情信息維護(hù)、氣象科普查看、防汛信息查看、天氣資訊查看、風(fēng)速風(fēng)向查看等功能。突發(fā)氣象災(zāi)害預(yù)警模塊內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)突發(fā)氣象災(zāi)害預(yù)警查看。突發(fā)氣象災(zāi)害預(yù)警信息查看主要展示具體的預(yù)警地圖、預(yù)警標(biāo)題、預(yù)警信息符號(hào)、預(yù)警日期及狀態(tài)等。綜合觀測信息管理模塊實(shí)現(xiàn)中，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)衛(wèi)星云圖展示、紅外衛(wèi)星云圖展示、實(shí)時(shí)雷達(dá)圖展示，可以展示實(shí)時(shí)雷達(dá)圖。

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作者簡介：

賈 斌（1979-），男，碩士，工程師.研究領(lǐng)域：氣象軟件開發(fā).

李又君（1968-），男，本科，副高級(jí)工程師.研究領(lǐng)域：氣象信息.

衣 霞（1981-），女，本科，工程師.研究領(lǐng)域：氣象預(yù)報(bào)預(yù)警.

楊秀華（1971-），女，本科，副高級(jí)工程師.研究領(lǐng)域：氣象新媒體研究.

徐海濤（1973-），男，大專，工程師.研究領(lǐng)域：氣象新媒體運(yùn)行.