智慧氣象平臺實現(xiàn)技術(shù)初探
——以重慶市渝北區(qū)氣象局為例

王鈞立

（重慶市渝北區(qū)氣象局，重慶 401120）

1 智慧氣象平臺建設(shè)的背景

1.1 智慧氣象平臺建設(shè)時代背景

21 世紀提出的“智慧地球”理念為全球各行各業(yè)的智慧化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[1]。“智慧地球”實施的目的，是為了賦予交通、能源、醫(yī)療、城市管理等行業(yè)智慧化運作的功能，讓科技信息和現(xiàn)實生活有機結(jié)合，促進世界可持續(xù)地智慧發(fā)展[2]。在智慧體系建設(shè)思潮的指引下，以先進科技為支撐的氣象行業(yè)，也在為拓寬氣象服務(wù)探尋一條智慧化發(fā)展的道路。從氣象的觀測、預(yù)警、預(yù)報、服務(wù)、社會管理基本業(yè)務(wù)，到氣象現(xiàn)代化建設(shè)，再到智慧氣象等，都是不斷發(fā)現(xiàn)、深入鉆研、持續(xù)創(chuàng)造的過程。大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等新技術(shù)的使用逐漸讓觀測更加智能、預(yù)報更加精準、服務(wù)更加敏捷，實現(xiàn)氣象行業(yè)的多元化與開放性[3]。

重慶市渝北區(qū)氣象局（簡稱：渝北局）為提高城市氣象服務(wù)水平，提高城市防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)能力，提高早中期預(yù)警能力及預(yù)警信息發(fā)布能力，建立災(zāi)害風險預(yù)警機制，遵循以人為本、因地制宜、可持續(xù)發(fā)展的原則，建成結(jié)構(gòu)合理、技術(shù)先進、組織有力、機制完善的城市氣象防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)和公共氣象服務(wù)體系。根據(jù)渝北局業(yè)務(wù)情況調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在工作流程中存在一些問題，對天氣預(yù)報、氣象災(zāi)害資料、設(shè)施設(shè)備監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸、氣象預(yù)警以及移動辦公等工作產(chǎn)生了直接的影響，未能達到便捷、高效、協(xié)同、及時的效果。針對這些問題，建議利用氣象大數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，云計算作為核心，“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)為支撐，建立智慧氣象平臺，達到提高防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)能力，提升渝北局工作效率的目的。

1.2 智慧氣象平臺產(chǎn)品概述

渝北智慧氣象平臺模型是一款專為渝北局打造，集轄區(qū)內(nèi)多測點綜合觀測、預(yù)報預(yù)警、公共氣象服務(wù)、移動協(xié)同辦公于一體的智慧化業(yè)務(wù)平臺。它的主要內(nèi)容：以列表、地圖等方式顯示各類觀測站的實時數(shù)據(jù)；對各類歷史數(shù)據(jù)進行組合查詢，并支持導出和打印功能；對所有觀測站的設(shè)備運行狀態(tài)進行監(jiān)控，當發(fā)生設(shè)備故障、觀測數(shù)據(jù)超過設(shè)定的閾值、觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，自動報警和向指定的人員發(fā)送短信提醒，并對異常數(shù)據(jù)提供校正、補缺方案和指導；快速瀏覽產(chǎn)品概覽，確保產(chǎn)品信息正確；強大的查詢統(tǒng)計功能，并提供數(shù)據(jù)對比功能，為領(lǐng)導的決策提供數(shù)據(jù)依據(jù)和建議；同時，平臺還包括強大的移動辦公功能，使領(lǐng)導可以通過手機APP 及時了解各類數(shù)據(jù)以及氣象產(chǎn)品，并且可以通過手機進行遠程會商，實時指導工作。

1.3 智慧氣象平臺產(chǎn)品特色

本平臺按照每次10 min標準，采集渝北局46個觀測站所有數(shù)據(jù)，達到氣象數(shù)據(jù)實時查詢，使各類氣象產(chǎn)品更及時、更精準。存儲過往歷史氣象數(shù)據(jù)，建立渝北局自有氣象數(shù)據(jù)庫，便于隨時提取相關(guān)數(shù)據(jù)、文檔及氣象產(chǎn)品，為氣象預(yù)報、防災(zāi)、減災(zāi)提供可靠、有效數(shù)據(jù)來源。建立關(guān)聯(lián)預(yù)警計算模型，通過單一閾值達標，自動計算其關(guān)聯(lián)項數(shù)據(jù)，達到從點到面的氣象全方位預(yù)警機制。防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)相關(guān)單位可以通過平臺實時觀測相關(guān)氣象數(shù)據(jù)，在出現(xiàn)突發(fā)、重大氣象災(zāi)害時，平臺會第一時間在顯示屏全屏閃爍警示。

2 智慧氣象平臺的實現(xiàn)條件

2.1 科技條件

現(xiàn)階段，隨著氣象科技的發(fā)展，在對大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等科技的綜合運用下，讓氣象業(yè)務(wù)平臺逐漸升級為能夠提前感知、研判、分析、決策、處理、自我優(yōu)化和深度學習的智慧系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了業(yè)務(wù)、服務(wù)、流程全面的智慧化[4-5]。

2.2 與智慧城市體系融合

智慧城市利用數(shù)據(jù)分析和信息技術(shù)來感知、預(yù)測、融合城市發(fā)展核心系統(tǒng)的各項關(guān)鍵信息，對生產(chǎn)建設(shè)、環(huán)境保護、城市管理、民生安全、公共事業(yè)等行業(yè)的需求進行智慧化分析并做出響應(yīng)，創(chuàng)建一個宜居、暢通、綠色、平安、健康的新型城市。本文所探討的智慧氣象平臺及其提供的服務(wù)，就是智慧城市體系中重要的組成部分。

2.3 內(nèi)在要求

氣象工作的核心，從本質(zhì)上講，就是對氣象數(shù)據(jù)的收集、處理、分析、發(fā)布，需要科技的引領(lǐng)和支撐?；ヂ?lián)網(wǎng)（移動互聯(lián)網(wǎng)）、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展為氣象工作邁上新臺階提供了堅實的科技基礎(chǔ)。推動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)與氣象相結(jié)合，從而在氣象領(lǐng)域創(chuàng)造一種新生態(tài)——智慧氣象。

3 智慧氣象平臺的功能架構(gòu)

3.1 物理構(gòu)架

互聯(lián)網(wǎng)：通過互聯(lián)網(wǎng)連接自動氣象站、中心平臺、信息發(fā)布端。一是構(gòu)建氣象數(shù)據(jù)收集網(wǎng)絡(luò)，利用互聯(lián)網(wǎng)、WIFI、4G/5G，連接自動氣象站與中心平臺，實時傳送原始氣象數(shù)據(jù)。二是利用互聯(lián)網(wǎng)、WIFI、4G/5G 發(fā)布氣象預(yù)報到各個終端，比如：電視電臺、網(wǎng)絡(luò)運營商、短信微信等。三是向國家、省市、區(qū)縣三級氣象局傳輸、交換氣象數(shù)據(jù)。

物聯(lián)網(wǎng)：氣象數(shù)據(jù)的收集是氣象工作的重要基礎(chǔ)。能否更多更快更準地收集原始數(shù)據(jù)，是做好氣象預(yù)報業(yè)務(wù)的重要前提。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對自動氣象站、氣象雷達等探測設(shè)備進行技術(shù)改造和升級，以達到如下要求：一是自動化，能自動收集相關(guān)氣象數(shù)據(jù)；二是網(wǎng)絡(luò)化，能通過4G/5G、WIFI、GPS/北斗連接中心平臺及時上傳數(shù)據(jù)；三是多功能化，能收集溫度、濕度、風力風向、降雨量、輻射、圖像等；四是模塊化，根據(jù)不同的任務(wù)相應(yīng)地增減模塊。

大數(shù)據(jù)：大數(shù)據(jù)是氣象服務(wù)不斷創(chuàng)新和完善的重要支撐。氣象大數(shù)據(jù)平臺是一款集轄區(qū)內(nèi)多測點綜合觀測、預(yù)報預(yù)警、公共氣象服務(wù)、移動辦公于一體的智能化業(yè)務(wù)平臺（圖1）。

人工智能：建立分析處理氣象大數(shù)據(jù)的相關(guān)數(shù)學模型。

圖1 智慧氣象大數(shù)據(jù)平臺構(gòu)架Fig.1 Framework of intelligent platform for meteorological big data

3.2 網(wǎng)絡(luò)布局

根據(jù)我國氣象單位以行政區(qū)劃設(shè)置的實際，渝北局為全國三級氣象網(wǎng)絡(luò)的第三層級，即端口，負責將傳轄區(qū)內(nèi)各自動氣象站、觀測場（站）的氣象數(shù)據(jù)收集、上傳到作為節(jié)點的第二層級（省、市、州氣象局）和作為中心的第一層級（國家氣象局）。渝北局氣象智慧平臺建設(shè)將圍繞“所司其職、所負其責”進行布局，避免超標建設(shè)、重復(fù)建設(shè)、厲行節(jié)約、提升效率。

3.3 平臺功能

圖2描述渝北智慧氣象平臺的主要功能，功能區(qū)位于一級菜單標記處（圖2 紅色虛線框內(nèi)），其中包括：氣象產(chǎn)品、氣象監(jiān)測、站點信息、預(yù)警功能、在線會商、智慧農(nóng)業(yè)、大數(shù)據(jù)和綜合管理等功能。當點擊對應(yīng)的功能按鈕，將在頁面上出現(xiàn)對應(yīng)的內(nèi)容。除此之外，在圖2左下角和右上角處，還能分別在衛(wèi)星地圖和2D 平面圖之間進行切換（本文均以衛(wèi)星地圖作為背景展示），以及在地圖上進行區(qū)域間的放大或縮小。

圖2 智慧氣象大數(shù)據(jù)平臺功能Fig.2 Functions of intelligent platform for meteorological big data

3.4 預(yù)警系統(tǒng)

預(yù)警系統(tǒng)，是智慧氣象平臺的重要組成部分。針對目前不能對臨近災(zāi)害性天氣及時實施預(yù)警的情況，在智慧氣象平臺上，建立一套能綜合天氣模型和一些閾值判斷模型，基于預(yù)報員經(jīng)驗、客觀降水物理條件等因素，對相關(guān)數(shù)據(jù)進行同步分析和計算，自動生成并發(fā)布預(yù)警產(chǎn)品的預(yù)警系統(tǒng)（圖3）。

圖3 預(yù)警系統(tǒng)Fig.3 Early warning system

在預(yù)警系統(tǒng)里，通過對閾值進行設(shè)定，可以自行啟動預(yù)警信號“預(yù)啟動”。系統(tǒng)自動推送預(yù)警信號的流程是：先將信號推送至值班員手機，初審后，到達臺長手機；臺長二審后，到達帶班局領(lǐng)導手機；局領(lǐng)導三審后，以APP推送、短信等方式發(fā)送到各負責人或相關(guān)單位，提高防災(zāi)減災(zāi)能力和效率。例如區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)暴雨、雷電、大霧等災(zāi)害性天氣時，就能及時生成并發(fā)布預(yù)警信號（圖4）。

圖4 預(yù)警信號Fig.4 Early warning signal

3.5 UPS實時監(jiān)控

UPS（Uninterruptible Power System/Uninterruptible Power Supply，即：不間斷電源），是一種蓄電池，在停電之后，用于給業(yè)務(wù)電腦和服務(wù)器設(shè)備提供備用電力。針對UPS 運行不及時，因而影響預(yù)警信息發(fā)布的情況，實時監(jiān)控UPS（圖5），及時獲取其供電情況，在電量不足能及時報警。

圖5 UPS實時監(jiān)控Fig.5 UPS real-time monitoring

3.6 氣象數(shù)據(jù)庫

在評估災(zāi)害發(fā)生的因素時，難以及時、完整地查找該天氣過程的相關(guān)數(shù)據(jù)，影響了預(yù)警信號的發(fā)布時效。因此，建立氣象數(shù)據(jù)庫，可以隨時查看和抓取實時、歷史氣象數(shù)據(jù)，如：風向、風速、降水量、氣溫、濕度、氣壓等內(nèi)容（圖6）。同時，還可以在Micaps（Meteorological Information-Combine Analysis and Process System，即：現(xiàn)代化人機交互氣象信息處理和天氣預(yù)報制作系統(tǒng)）、雷達等平臺之間進行快速切換，同步分析氣象資料，制作預(yù)警信號，達到了一個平臺多種數(shù)據(jù)共享、共使用的目的。

圖6 數(shù)據(jù)查詢Fig.6 Data query

3.7 移動OA辦公

建立移動辦公系統(tǒng)方案，渝北局領(lǐng)導及工作人員可以通過手機APP在戶外隨時查詢各類數(shù)據(jù)、制作氣象產(chǎn)品、領(lǐng)導審核并發(fā)布。

同時，在智慧氣象平臺上還建立了一套氣象應(yīng)急會商系統(tǒng)，實現(xiàn)能夠與全區(qū)所有氣象災(zāi)害聯(lián)防單位的視頻會商，并同步分享相關(guān)資料和傳達信息。手機APP 軟件直接連接會商系統(tǒng)，能有效地解決工作人員不在單位時的加密會商。

4 結(jié)語

渝北局智慧氣象平臺模型的出現(xiàn)，是氣象行業(yè)的一項創(chuàng)新工程，它以氣象大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，云計算為核心，物聯(lián)網(wǎng)為支撐，“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)為履帶，提高了氣象業(yè)務(wù)的自動化、智能化程度，提升了氣象預(yù)警預(yù)報的及時性和精準率，加強了全區(qū)防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)的能力。智慧氣象平臺的不斷建設(shè)，將繼續(xù)推動氣象觀測、預(yù)警預(yù)報、公眾服務(wù)、應(yīng)急管理等深度融合，讓社會、科技與生活，相互交織在一張巨大的智慧網(wǎng)上，為進一步擴大氣象行業(yè)的影響力和社會地位做出貢獻[6-7]。