寧波舟山港氣象預(yù)警和決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡亞旦 孔揚(yáng) 薛國強(qiáng) 錢崢 陸鋆 潘婧茹

（寧波市氣象服務(wù)中心，寧波 315012）

0 引言

寧波舟山港年貨物吞吐量連續(xù)八年保持世界第一，集裝箱吞吐量位居世界第四 ，是我國深水泊位最多、超大型巨輪進(jìn)出最多的港口。寧波舟山港每年因天氣原因?qū)е碌姆夂焦苤茣r(shí)間在600 h以上。當(dāng)災(zāi)害性天氣來臨時(shí)，海事、港口、引航等部門如何根據(jù)氣象預(yù)報(bào)進(jìn)行科學(xué)決策，直接關(guān)系到港口的安全作業(yè)與經(jīng)濟(jì)效益[1]。氣象部門在港區(qū)氣象服務(wù)平臺(tái)與產(chǎn)品建設(shè)上有很多深入的探索和實(shí)踐[2-13]，連云港市氣象局進(jìn)行了連云港現(xiàn)代港口綜合氣象服務(wù)保障系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用研究[14]，舟山市氣象局進(jìn)行了港口氣象預(yù)報(bào)服務(wù)系統(tǒng)研究[15]，廣東的沿海港口城市也在港口氣象服務(wù)上積極探索。寧波市氣象部門從20世紀(jì)90年代就開始從事港航氣象服務(wù)工作，但目前港區(qū)氣象監(jiān)測能力還是不足，特別是對霧的監(jiān)測能力較弱；缺少統(tǒng)一的平臺(tái)，港口氣象服務(wù)涉及的數(shù)據(jù)存在信息多源、格式多樣、平臺(tái)離散等問題；由于缺少量身定制的精細(xì)化產(chǎn)品，海事在管制業(yè)務(wù)中多憑經(jīng)驗(yàn)，降低了作業(yè)效率；多部門聯(lián)動(dòng)時(shí)缺少綜合溝通平臺(tái)，效率低下。在多方調(diào)研考察基礎(chǔ)上，寧波氣象局全新設(shè)計(jì)港口氣象預(yù)警與決策系統(tǒng)，取得了較好社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 系統(tǒng)特點(diǎn)概述

系統(tǒng)以海事局、港調(diào)、引航站及其他涉港單位為服務(wù)對象，在深入了解用戶需求的基礎(chǔ)上，以現(xiàn)代化港口綜合監(jiān)測系統(tǒng)為基礎(chǔ)，融入港口精細(xì)化預(yù)報(bào)預(yù)警產(chǎn)品，通過多源大數(shù)據(jù)挖掘、分析和展示技術(shù)，將氣象、海洋水文、船舶、港口調(diào)度、海事管制等信息進(jìn)行深度融合和3D可視化，建立了港口專業(yè)預(yù)警信號、港區(qū)氣象風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)、動(dòng)態(tài)船舶氣象風(fēng)險(xiǎn)等級預(yù)報(bào)等組成的服務(wù)產(chǎn)品體系和多方共享指揮平臺(tái)。幫助用戶更加直觀準(zhǔn)確地分析、解讀天氣變化，一方面以確保港區(qū)安全運(yùn)行為前提，減少因氣象災(zāi)害引發(fā)安全生產(chǎn)事故的發(fā)生，另一方面通過精細(xì)化管理服務(wù)，盡量減少不必要的管制封航、停止作業(yè)等引起的經(jīng)濟(jì)損失，從而進(jìn)一步提升港口運(yùn)營水平。

2 系統(tǒng)架構(gòu)與功能組成

2.1 融合多方數(shù)據(jù)的聯(lián)動(dòng)展示

圖1 港口3D可視化宏觀態(tài)勢呈現(xiàn) Fig. 1 Port 3D visualization macro situation

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)氣象、港口、海事等多源數(shù)據(jù)“一張圖”展示（圖1），以所見即所得的方式，將多源信息疊加在3D-GIS上呈現(xiàn)。以全景視圖形式，通過二維儀表盤和三維場景數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)等，綜合展示港區(qū)運(yùn)行態(tài)勢；以氣象數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)場景變化，呈現(xiàn)“運(yùn)行中”的港區(qū)；通過多種顯示模式，將主干信息從海量數(shù)據(jù)中突出顯示。支持全終端運(yùn)用，支持多屏無縫切換。

整個(gè)三維展示平臺(tái)基于B/S架構(gòu)開發(fā)，系統(tǒng)將氣象數(shù)據(jù)、海事數(shù)據(jù)、港口數(shù)據(jù)包括管理區(qū)域數(shù)據(jù)、船只位置及屬性數(shù)據(jù)、航道數(shù)據(jù)、錨地?cái)?shù)據(jù)、碼頭數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)等信息進(jìn)行綜合性展示，通過內(nèi)置的預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)氣象預(yù)警數(shù)據(jù)、管制數(shù)據(jù)、港口業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的聯(lián)動(dòng)以及三維可視化呈現(xiàn)；根據(jù)業(yè)務(wù)需求，抽提港口、氣象、海事關(guān)注的宏觀指標(biāo)進(jìn)行可視化呈現(xiàn)。支持根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)效益評估。下探大風(fēng)專題、大霧專題、雷電專題、溫度專題和臺(tái)風(fēng)專題。

2.2 專業(yè)的港口氣象服務(wù)產(chǎn)品體系

融合近海高分辨率包括毫米波雷達(dá)海霧探測資料、岸基風(fēng)廓線資料、天氣雷達(dá)探測產(chǎn)品、衛(wèi)星云圖和常規(guī)自動(dòng)站資料等多種氣象觀測數(shù)據(jù)。基于海洋氣象網(wǎng)格預(yù)報(bào)技術(shù)，為港口調(diào)度提供精細(xì)化氣象預(yù)報(bào)預(yù)警融合服務(wù)產(chǎn)品。為港區(qū)量身定制氣象服務(wù)產(chǎn)品，利用傳統(tǒng)天氣學(xué)分型理論和計(jì)算機(jī)圖形識別方法，對海量歷史個(gè)例進(jìn)行自動(dòng)分類，通過多數(shù)據(jù)智能識別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)港區(qū)大風(fēng)、雷暴、低能見度天氣的智能判別和跟蹤。構(gòu)建不同天氣型分港區(qū)預(yù)報(bào)模型，形成港口專業(yè)預(yù)警信號、港口氣象風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)等產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)服務(wù)精準(zhǔn)化、專業(yè)化。融合氣象條件和船舶信息，發(fā)布動(dòng)態(tài)船舶氣象風(fēng)險(xiǎn)等級預(yù)報(bào)，對重點(diǎn)船舶進(jìn)行保障，為港口管理調(diào)度提供決策支撐。形成了港口氣象災(zāi)害評估和事故應(yīng)急救援氣象服務(wù)技術(shù)體系，為港口安全高效運(yùn)行提供支撐。

1）海上大霧識別產(chǎn)品開發(fā)：基于衛(wèi)星海霧識別、毫米波雷達(dá)數(shù)據(jù)反衍、激光能見度儀、自動(dòng)能見度儀和攝像頭圖像識別等技術(shù)，融合識別海上大霧，初步形成核心港區(qū)10 km范圍大霧識別精度為100 m×100 m的30 min間隔的網(wǎng)格化產(chǎn)品。

2）大風(fēng)識別產(chǎn)品開發(fā)：基于海島高塔梯度風(fēng)觀測資料和雷達(dá)資料，分析各港區(qū)垂直風(fēng)場情況，采用圖像、閾值、模式等多種方式的人工智能輔助識別算法，結(jié)合人工主觀經(jīng)驗(yàn)的智能預(yù)報(bào)判別方法和實(shí)時(shí)客觀要素預(yù)報(bào)修正的人工智能開發(fā)，形成每6 min輸出的1 km×1 km的大風(fēng)識別網(wǎng)格化產(chǎn)品。

3）港口精細(xì)化預(yù)報(bào)：基于港口地形和歷史資料分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合立體觀測資料，做好數(shù)值預(yù)報(bào)模式的解釋應(yīng)用，優(yōu)化降水、風(fēng)速、能見度預(yù)報(bào)網(wǎng)格化產(chǎn)品，對港口和航道范圍的網(wǎng)格點(diǎn)資料進(jìn)行客觀經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃腿斯び喺M(jìn)一步加工港口和航道氣象預(yù)報(bào)產(chǎn)品，產(chǎn)品達(dá)到分港區(qū)小時(shí)級預(yù)報(bào)。

4）災(zāi)害性天氣智能識別：系統(tǒng)后臺(tái)自動(dòng)根據(jù)不同用戶的閾值設(shè)定情況，通過機(jī)器學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)大霧、雷電、強(qiáng)對流、寒潮、暴雨等災(zāi)害性天氣類型進(jìn)行智能識別；當(dāng)天氣要素達(dá)到閾值且系統(tǒng)識別到災(zāi)害性天氣之后，系統(tǒng)根據(jù)用戶需求，形成災(zāi)害性天氣影響分析和圖形產(chǎn)品通過網(wǎng)站、短信等形式發(fā)送給用戶。

5）港區(qū)氣象風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算：優(yōu)化“港區(qū)氣象風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)”模型算法，通過接入氣象精細(xì)化預(yù)報(bào)產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)對港口未來72 h氣象風(fēng)險(xiǎn)狀況預(yù)報(bào)。

6）船舶動(dòng)態(tài)氣象風(fēng)險(xiǎn)等級計(jì)算：根據(jù)船舶動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級計(jì)算模型，通過接入氣象精細(xì)化預(yù)報(bào)產(chǎn)品和相關(guān)船舶信息，實(shí)現(xiàn)針對船舶的氣象風(fēng)險(xiǎn)狀況預(yù)報(bào)，并排序展示。

7）建設(shè)港口專業(yè)預(yù)警發(fā)布系統(tǒng)：建設(shè)早期預(yù)警、專業(yè)預(yù)警、早期預(yù)警解除、專業(yè)預(yù)警解除綜合制作發(fā)布平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)基于“多早預(yù)警”為先導(dǎo)的三方聯(lián)動(dòng)機(jī)制發(fā)布平臺(tái)及相關(guān)智能提醒。

8）建立港口高影響天氣個(gè)例庫：根據(jù)氣象歷史數(shù)據(jù)和港口相關(guān)部門歷史記錄資料，采集和分析港口高影響天氣個(gè)例信息，形成港口高影響天氣個(gè)例庫；開發(fā)個(gè)例庫數(shù)據(jù)的維護(hù)功能，方便用戶導(dǎo)入和修改歷史個(gè)例數(shù)據(jù)，同時(shí)提供相關(guān)關(guān)聯(lián)產(chǎn)品的顯示以及個(gè)例圖文等信息的輸入，可對個(gè)例庫內(nèi)容進(jìn)行條件檢索和目錄檢索。

9）港口服務(wù)產(chǎn)品評估：對預(yù)報(bào)服務(wù)產(chǎn)品進(jìn)行評估，生成包括空報(bào)、漏報(bào)、偏移等誤差和準(zhǔn)確率結(jié)果。將預(yù)報(bào)結(jié)果、實(shí)況監(jiān)測數(shù)據(jù)和檢驗(yàn)結(jié)果輸出成直觀的圖形產(chǎn)品，通過氣象服務(wù)業(yè)務(wù)平臺(tái)的調(diào)用接口實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)收集港區(qū)相關(guān)天氣影響數(shù)據(jù)和個(gè)例分析，做好氣象災(zāi)害評估和服務(wù)產(chǎn)品效益評估。

10）建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口服務(wù)：建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)接口為港口全息化氣象預(yù)警和決策提供數(shù)據(jù)支撐；接入的數(shù)據(jù)包括氣象臺(tái)最新發(fā)布的預(yù)警和海洋預(yù)報(bào)產(chǎn)品、服務(wù)中心發(fā)布的港口專業(yè)氣象產(chǎn)品、本系統(tǒng)接入和加工生成的相關(guān)港口服務(wù)產(chǎn)品；接口服務(wù)提供接入說明和可視化界面，同時(shí)對數(shù)據(jù)接口的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)控，異常時(shí)能夠通過網(wǎng)頁、短信和電話語音主動(dòng)通知相關(guān)人員。

2.3 “多早預(yù)警”為先導(dǎo)的三方聯(lián)動(dòng)機(jī)制

如圖2所示，形成基于“早發(fā)現(xiàn)、早通氣、早預(yù)警、早聯(lián)動(dòng)”為核心的“多早預(yù)警”為先導(dǎo)的三方聯(lián)動(dòng)機(jī)制，通過風(fēng)險(xiǎn)時(shí)間線提醒、港口72 h風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)、港口專業(yè)預(yù)警、實(shí)況提醒等多類專業(yè)預(yù)警提醒產(chǎn)品通過網(wǎng)站平臺(tái)、微信平臺(tái)、短信、電話、傳真等多渠道以文字、語音、圖表等多種表現(xiàn)形式進(jìn)行自動(dòng)推送，讓用戶提前調(diào)度，搶救作業(yè)時(shí)間。系統(tǒng)為氣象、海事、港口三方提供了統(tǒng)一的信息共享和決策管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了信息“零時(shí)間”成本實(shí)時(shí)交互，做到了決策會(huì)商、決策發(fā)布和決策執(zhí)行全流程同平臺(tái)實(shí)時(shí)同步，實(shí)現(xiàn)三部門無縫聯(lián)動(dòng)。有利于管理部門充分利用港區(qū)資源，提升管理效率，將氣象信息轉(zhuǎn)化為“港口生產(chǎn)力”。

圖2 基于“多早預(yù)警”為先導(dǎo)的三方聯(lián)動(dòng)機(jī)制 Fig. 2 Tripartite linkage mechanism based on “multi-early warning”

2.4 系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)

系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)由多源港口氣象服務(wù)數(shù)據(jù)庫建設(shè)、港口智能融合氣象服務(wù)產(chǎn)品開發(fā)集成和港口全息三維展示平臺(tái)建設(shè)三大塊組成。系統(tǒng)建設(shè)采用統(tǒng)一的信息化標(biāo)準(zhǔn)體系和統(tǒng)一安全管理體系，對接港口氣象服務(wù)相關(guān)體系標(biāo)準(zhǔn)，體現(xiàn)較好的規(guī)范性、安全性和可擴(kuò)展性。

系統(tǒng)平臺(tái)總體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)圖 Fig. 3 System framework

3 結(jié)論

寧波舟山港氣象預(yù)警和決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)著重解決涉港單位面臨的保安全、提效率方面的關(guān)鍵問題，對提高港口作業(yè)效率、保障港口安全作業(yè)具有重要作用。系統(tǒng)融入船舶信息，分析重點(diǎn)保障船只，為港區(qū)管理調(diào)度提供決策支撐。創(chuàng)新提出基于“多早預(yù)警”為先導(dǎo)的三方聯(lián)動(dòng)機(jī)制，建立海事、氣象、港口三方共享同平臺(tái)信息，統(tǒng)一天氣服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，共同參與港口管理?；诮y(tǒng)一平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化服務(wù)，有利于管理部門充分利用港區(qū)資源，提升管理效率，有利于氣象信息轉(zhuǎn)化為“港口生產(chǎn)力”。系統(tǒng)初步主要服務(wù)于寧波舟山港的核心港區(qū)，而寧波舟山港口集團(tuán)的管轄區(qū)還包括嘉興、溫州、臺(tái)州等港，服務(wù)范圍可迅速擴(kuò)大到全港區(qū)。當(dāng)前，我國正大力實(shí)施“一帶一路”戰(zhàn)略，全國僅億噸以上的港口就達(dá)34個(gè)，港口氣象服務(wù)需求巨大，系統(tǒng)作為一個(gè)港口氣象服務(wù)全新的解決方案前景廣闊。