基于可視化的基層氣象網(wǎng)絡(luò)與裝備運行維護

黃愛玉 倪青漢 彭發(fā)強

(福建省龍巖市氣象局,福建 龍巖 364000)

0 引言

天氣預(yù)報離不開氣象觀測數(shù)據(jù)，要獲取準確的觀測數(shù)據(jù)，必須保證氣象裝備與信息網(wǎng)絡(luò)高質(zhì)量運行。隨著氣象預(yù)報精準度的提高，基層氣象觀測數(shù)據(jù)采集裝備的安裝密度越來越大，信息化設(shè)備越來越多，因此基層氣象裝備與信息網(wǎng)絡(luò)的運行維護必須提高自動化程度，而自動化的運行維護目標是可視化運行維護。

目前，市縣級氣象部門一般布設(shè)了多普勒天氣雷達、國家級自動站、自動土壤水分站、探空雷達、風(fēng)廓線雷達、GPSMET水汽站、雷電檢測站、區(qū)域自動站、微波輻射計等監(jiān)測設(shè)備，以及通信網(wǎng)絡(luò)與安全設(shè)備等，這些設(shè)備的運行維護是一項龐大的任務(wù)。設(shè)備隔數(shù)分鐘采集一系列氣象數(shù)據(jù)，同時也生成各類設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)。在大數(shù)據(jù)背景下，對這些設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)進行分析，從而促進設(shè)備的精準保障。UC Berkeley 大學(xué)Hal Varian 教授指出：“數(shù)據(jù)正在變得無處不在、觸手可及；而數(shù)據(jù)創(chuàng)造的真正價值，在于我們能否提供進一步的稀缺的附加服務(wù)，這種增值服務(wù)就是數(shù)據(jù)分析?！盵1]對于運行維護，工作經(jīng)驗豐富的工程師往往能夠做出更準確的判斷，而新人判斷則不會那么準確。然而經(jīng)驗是需要積累的，基層氣象部門的設(shè)備運行維護人員崗位調(diào)整較頻繁，專業(yè)性較弱，特別是運行維護知識比較抽象，難以掌握，因此必須利用大量狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析判斷。

1 可視化技術(shù)的應(yīng)用

可視分析(visual analytics)是科學(xué)信息可視化、人機交互、認知科學(xué)、數(shù)據(jù)挖掘、信息論、決策理論等研究領(lǐng)域的交叉融合所產(chǎn)生的新的研究方向[1]。Thomas 和Cook認為，可視分析是一種通過交互式可視化界面來輔助用戶對大規(guī)模復(fù)雜數(shù)據(jù)集進行分析推理的科學(xué)與技術(shù)[2]?？梢暦治龅倪\行過程可看作數(shù)據(jù)—知識—數(shù)據(jù)的循環(huán)過程，中間經(jīng)過兩條主線：可視化技術(shù)和自動化分析模型，從數(shù)據(jù)中洞悉知識的過程，主要依賴兩條主線的互動與協(xié)作[1]。可視分析不再是一個交叉研究的新術(shù)語，而是一個獨立的研究分支[1]，近年來已經(jīng)應(yīng)用在氣象領(lǐng)域。

2 可視化的運行維護

將氣象設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)資源、應(yīng)用服務(wù)器等的狀態(tài)和實時信息通過可視化方法直接展示，其根本目標是為了保障信息網(wǎng)絡(luò)與裝備運行維護工作，指導(dǎo)保障人員或者研發(fā)團隊做出正確的判斷和處理。一幅圖勝過千言萬語，人類從外界獲得的信息約有80%以上來自于視覺系統(tǒng)[1]。當(dāng)運行維護數(shù)據(jù)通過可視化的方式呈現(xiàn)，更能直觀分析故障背后的信息并得以判斷分析。某種程度上，運行維護與可視化相輔相成，可視化程度越高，運行維護就越簡單，運行維護效率也就越高。

3 實現(xiàn)基層氣象裝備與信息網(wǎng)絡(luò)可視化運行維護的方法

立足于基層信息網(wǎng)絡(luò)與裝備保障實際業(yè)務(wù)，解決實際問題。應(yīng)用可視化技術(shù)及人工智能技術(shù)實現(xiàn)可視化的運行維護。

圖1 需求分析流程圖

3.1 基于網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)可視化的信息網(wǎng)絡(luò)相關(guān)設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控與運行維護分析

采用王松等人提出的以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)為中心的分析流程VPI 模型(圖2)制定網(wǎng)絡(luò)拓撲的可視化[3]，以點和線等構(gòu)成的圖形或圖像來呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點的關(guān)聯(lián)，從而直觀并清晰地反映網(wǎng)絡(luò)的運行狀態(tài)，幫助信息保障人員對網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點設(shè)備(安全設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器、應(yīng)用系統(tǒng)等)、鏈路進行各方面的評估、檢測和分析，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息的規(guī)律以及變化。通過網(wǎng)絡(luò)拓撲圖分析網(wǎng)絡(luò)的運行情況、判斷信息網(wǎng)絡(luò)的各種狀況，例如網(wǎng)絡(luò)擁堵、鏈路瓶頸、設(shè)備故障等，實現(xiàn)對整體的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進行監(jiān)測和監(jiān)控，對狀態(tài)進一步控制。

圖2 基于VPI 模型的網(wǎng)絡(luò)拓撲可視化分類策略

在網(wǎng)閘、準入系統(tǒng)、360天擎系統(tǒng)等已有安全產(chǎn)品基礎(chǔ)上，規(guī)范內(nèi)外網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)行為，建立內(nèi)外網(wǎng)攻擊行為的主被動防御體系，使各軟硬件系統(tǒng)有效配合，達到“1+1>2”的效果。通過可視化技術(shù)實時監(jiān)控上網(wǎng)行為管理、入侵防御、存在漏洞威脅自動修復(fù)、準入系統(tǒng)、全網(wǎng)安全狀態(tài)評估等信息安全狀態(tài)，通過攻擊情況，溯源攻擊行為，分析解決方法。

3.2 基于GIS的氣象裝備可視化運行維護

將氣象裝備空間布局、實際狀態(tài)、實時采集數(shù)據(jù)結(jié)合二維地圖及三維地圖進行直觀展現(xiàn)。通過可視化技術(shù)，在地圖上直觀呈現(xiàn)多普勒天氣雷達、探空雷達、GPSMET水汽站、雷電檢測站、風(fēng)廓線雷達、自動土壤水分站、國家級自動站、區(qū)域自動站等氣象設(shè)備的運行狀態(tài)、鏈路情況，實時數(shù)據(jù)采集情況，同時采集狀態(tài)運行情況，顯示數(shù)據(jù)疑誤信息。

3.3 基于數(shù)據(jù)可視化的氣象數(shù)據(jù)分析

采用數(shù)據(jù)可視化分析方法，對設(shè)備生命周期內(nèi)的運行狀態(tài)進行數(shù)據(jù)分析，判斷設(shè)備的運行情況，得出設(shè)備運行狀態(tài)評價，進一步評估設(shè)備的維護周期；結(jié)合地理位置，站點周邊數(shù)據(jù)以及雷達數(shù)據(jù)，利用溫度分布圖、雨量分布圖、雷達圖等的直觀對比，進行時間—空間上的站點氣象數(shù)據(jù)對比分析，判斷站點數(shù)據(jù)的疑誤信息情況。數(shù)據(jù)可視化在數(shù)據(jù)分析、關(guān)聯(lián)分析、趨勢分析中起到了至關(guān)重要的作用。應(yīng)用數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，可以在已有的數(shù)據(jù)中分析出數(shù)據(jù)隱含的趨勢[4]，從而在數(shù)據(jù)中分析出天氣的變化趨勢、規(guī)律，進行疑誤數(shù)據(jù)的分析處理。

接入數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊，從數(shù)據(jù)檢測模塊獲取數(shù)據(jù)，流程如圖3所示，從數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊中實時讀取數(shù)據(jù)，對實時數(shù)據(jù)進行分析處理，再從分析結(jié)果中判斷是否為疑誤數(shù)據(jù)，若不是疑誤數(shù)據(jù)則返回上一個步驟，否則利用智能計算技術(shù)判定疑誤數(shù)據(jù)產(chǎn)生原因是否為設(shè)備故障，如果是，則向設(shè)備監(jiān)控模塊發(fā)送故障信號并調(diào)用故障處理程序，然后給出數(shù)據(jù)修正建議提交值班員參考，最后讀入下一個時次數(shù)據(jù)，重復(fù)上述步驟。

圖3 疑誤數(shù)據(jù)分析處理流程

3.3.1 疑誤數(shù)據(jù)的分析方案

所有測量數(shù)據(jù)均是按時間先后順序測量的，溫度、濕度、風(fēng)速等要素可以認為是按時間先后順序組成的序列(以下簡稱時間序列)。在時間序列中，前后數(shù)據(jù)之間存在某種傳遞聯(lián)系，本研究基于自回歸模型、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法提出一個適合氣象數(shù)據(jù)的遞歸算法。

3.3.2 遞歸關(guān)系算法

3.3.2.1 自回歸模型

自回歸模型是統(tǒng)計上一種處理時間序列的方法，用同一變數(shù)例如x的之前各期，亦即x1至xt-1來預(yù)測本期xt的表現(xiàn)，并假設(shè)它們?yōu)橐痪€性關(guān)系。因為這是從回歸分析中的線性回歸發(fā)展而來，只是不用x預(yù)測y，而是用x預(yù)測x(自己)。模型公式如下[5]：

其中，c是常數(shù)項；εt被假設(shè)為平均數(shù)等于0、標準差等于δ的隨機誤差值；δ被假設(shè)為對于任何的t都不變[5]。

3.3.2.2 循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

長短期記憶網(wǎng)絡(luò)(Long Short-Term Memory，LSTM)是一種時間循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是為了解決一般的RNN(循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))存在的長期依賴問題而專門設(shè)計出來的。由于獨特的設(shè)計結(jié)構(gòu)，LSTM適合于處理和預(yù)測時間序列中間隔和延遲非常長的重要事件[6]。

3.3.3 基于場論算法

用統(tǒng)計分析方法研究一個多變量的算法，如果變量太多，會增加研究的復(fù)雜程度。我們希望在少量變量的前提下可以得到較多的信息量。往往變量與變量之間存在一定的關(guān)聯(lián)，當(dāng)多個變量之間有一定關(guān)聯(lián)時，可以認為這些變量體現(xiàn)的信息是有重復(fù)的。在一定范圍內(nèi)的所有自動站所測量的同一要素所反映的信息也可能存在重復(fù)關(guān)系，也就是說可以通過正交變換將這個范圍內(nèi)自動站統(tǒng)一要素的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為一組線性不相關(guān)的變量，則在這個范圍內(nèi)的任何一個自動的該要素都是線性不相關(guān)變量的線性組合。如果檢測其中一個自動站的數(shù)據(jù)，只需用其他自動站的數(shù)據(jù)線性迭加就可以校驗這個數(shù)據(jù)是否疑誤。

目前測量各氣象要素的方法都是基于場論，場論精確描述了場強線與等勢線之間的關(guān)系，結(jié)合實際測量站點的空間關(guān)系，各測量點之間存在空間分布關(guān)系，基于這種關(guān)系也能研究數(shù)據(jù)疑誤判定方法。

各要素所表示的場是不同的物理場，說明實際的測量環(huán)境是各種場之間迭加的環(huán)境，各場之間也存在這相互聯(lián)系。同時，對個別場也有采用不同的測量手段，如對于降雨采用了翻斗式雨量桶、稱重式雨量桶、雷達等手段，其中也存在某種聯(lián)系。基于這些也能對數(shù)據(jù)展開相關(guān)算法設(shè)計。

根據(jù)可視化情況，通過場論迭加現(xiàn)象，可以得出各要素空間分布之間可能存在某種關(guān)聯(lián)，可以將各要素根據(jù)地理位置繪制出空間分布圖像，如溫度分布圖、雨量分布圖、雷達圖等等，借助深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對圖像分析處理的優(yōu)異性能計算不同要素空間分布圖之間的關(guān)系，利用這個相關(guān)關(guān)系校驗任意時刻自動站數(shù)據(jù)是否疑誤。

4 需重點解決的業(yè)務(wù)問題

通過網(wǎng)絡(luò)拓撲、數(shù)據(jù)分析、基于GIS的裝備等現(xiàn)有可視化技術(shù)對基層(市縣級)氣象裝備以及信息網(wǎng)絡(luò)相關(guān)設(shè)備，實現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)整合和實時數(shù)據(jù)運行維護，提高基礎(chǔ)資源利用率，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可用性，為基層保障工作提供不同維度的運行維護數(shù)據(jù)關(guān)系。依托數(shù)字化大屏硬件平臺，融合大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù)，將研究數(shù)據(jù)采用文字、圖表、數(shù)據(jù)駕駛艙、狀態(tài)進度圖、視頻等形式展示在大屏上。

5 結(jié)束語

為解決基層氣象裝備保障與信息網(wǎng)絡(luò)運行維護存在的人手不夠、專業(yè)性較弱、人員崗位調(diào)整頻繁等問題，以數(shù)字化大屏的硬件平臺建設(shè)為抓手，采用網(wǎng)絡(luò)拓撲、數(shù)據(jù)分析、GIS裝備等現(xiàn)有可視化技術(shù)，融合大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù)，以直觀、簡明的界面實時展示基層(市縣級)氣象裝備、信息網(wǎng)絡(luò)相關(guān)設(shè)備的運行維護及氣象數(shù)據(jù)的疑誤分析信息。可視化運行維護系統(tǒng)是基層氣象部門的發(fā)展趨勢，能夠提供不同維度的運行維護數(shù)據(jù)關(guān)系，有助于提高基礎(chǔ)資源的利用率和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的可用性，提高信息保障業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。對提高基層氣象裝備保障和信息網(wǎng)絡(luò)運行維護成效極具現(xiàn)實意義，同時基層氣象部門業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)相同，可視化運行維護系統(tǒng)又具有可推廣性。