新疆氣象防災減災服務平臺設計與實現(xiàn)

劉兆旭，張永軍，馬亞偉

（新疆金鋒華云氣象科技有限公司，烏魯木齊 830002）

近年來，隨著云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、地理信息等新技術(shù)新方法的快速發(fā)展和防災減災救災機制的實施，氣象水平不斷提高，氣象網(wǎng)絡逐步完善。因此，為提升基層氣象防災減災能力，亟待開展基層氣象防災減災平臺建設工作［1-6］。

以往針對氣象服務平臺或系統(tǒng)建設的設計研究較多［7-12］，但是多數(shù)研究的系統(tǒng)地理信息地圖數(shù)據(jù)分辨率較低，不能滿足指南要求。需采用由國家衛(wèi)星中心下發(fā)的高分辨率衛(wèi)星遙感影像圖為底圖制作，需要能夠分辨地形地貌、河流水系、植被分布、村莊、道路、街區(qū)、建筑設施等的遙感資料。多數(shù)平臺缺乏氣象防災減災相關(guān)信息的顯示功能，缺乏深度的自動站歷史實況和災情數(shù)據(jù)分析功能，導致在服務過程中難以快速準確地得到需要的數(shù)據(jù)支持，如日降水歷史排位、溫度歷史排位等，用戶體驗較差。

為滿足現(xiàn)階段氣象防災減災業(yè)務需求，更好地提升防災減災能力，本研究設計開發(fā)了新疆氣象防災減災服務平臺。該平臺可以實現(xiàn)氣象防災減災所需相關(guān)信息的快速收集、顯示、統(tǒng)計與分析，滿足智能網(wǎng)格預報制作，提供豐富美觀的圖表素材、對策建議、產(chǎn)品模板以及方便快捷的服務材料制作環(huán)境，具備較為完善的超閾值自動預警功能；能夠?qū)崿F(xiàn)基層防災減災基礎數(shù)據(jù)、防災減災作戰(zhàn)圖、規(guī)章制度、基層防災減災隊伍等信息在平臺的實時動態(tài)監(jiān)控。

1 平臺總體設計

新疆氣象防災減災服務平臺是為滿足省級氣象環(huán)境監(jiān)測、數(shù)據(jù)資料綜合分析、預報產(chǎn)品制作、防災決策服務需要的綜合性業(yè)務管理平臺，由氣象綜合報警系統(tǒng)、產(chǎn)品發(fā)布系統(tǒng)、防災減災系統(tǒng)、決策服務系統(tǒng)等幾個部分組成。平臺采用B∕S架構(gòu)設計開發(fā)，后端使用SpringBoot+SpringCloud，前端使用Ant Design of React，編譯和發(fā)布采用Docker技術(shù)體系，各功能子系統(tǒng)都進行分解和微服務化，前后端分離設計，最終實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的分布式開發(fā)部署。新疆氣象防災減災服務平臺系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 新疆氣象防災減災服務平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 體系架構(gòu)

新疆氣象防災減災平臺體系架構(gòu)如圖2所示，分為5個層級，分別為支撐層、大數(shù)據(jù)資源層、應用支撐層、業(yè)務應用層和用戶層。平臺建設主要包括首頁、數(shù)據(jù)查詢、產(chǎn)品制作發(fā)布、預報服務產(chǎn)品和系統(tǒng)管理等模塊。用戶是系統(tǒng)的服務目標，通過新疆氣象決策服務平臺對管理員、業(yè)務人員、決策人員提供各類信息服務和管理。

圖2 新疆氣象防災減災服務平臺架構(gòu)

1.2 技術(shù)架構(gòu)

客戶端采用瀏覽器模式（PC∕Android∕iOS∕微信）使基層氣象防災減災數(shù)據(jù)集成應用系統(tǒng)的易用性更強，不需要安裝專用的軟件，大量減輕整個系統(tǒng)的維護運行工作。平臺的用戶數(shù)量較多，每次軟件的更新迭代都會由于客戶操作系統(tǒng)的不同而引起軟件的適配差異，當前較好的解決辦法是使用B∕S架構(gòu)。用瀏覽器作為訪問工具，有利于業(yè)務人員按角色獲取崗位所需的業(yè)務數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 新疆氣象防災減災服務平臺結(jié)構(gòu)示意圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

新疆氣象防災減災服務平臺是一個大型綜合業(yè)務平臺，平臺涉及多種數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)庫存儲、發(fā)布渠道和開發(fā)語言混合編碼，平臺涉及多個部門、多種業(yè)務，開發(fā)復雜度高，在并發(fā)性能、響應特性和容錯性等方面都有嚴格要求。

2.1 基于OAuth2的授權(quán)、認證和接口權(quán)限管理

本系統(tǒng)采用符合OAuth2體系的JWT技術(shù)，JWT是為網(wǎng)絡應用環(huán)境傳遞基于JSON加密的認證信息的技術(shù)標準，以便于各種應用通過傳遞JWT信息獲取資源服務器的資源，JWT傳遞的token既可以被用于認證也可用于數(shù)據(jù)加密。平臺中的所有微服務部署在Nginx反向代理的后端，Nginx作為代理服務和負載均衡器，所有的應用訪問在通過網(wǎng)關(guān)時，前置AOP服務層截獲需訪問資源（類別和內(nèi)容）、用戶和角色（權(quán)限、地域、單位、崗位、用戶編號等），根據(jù)資源的性質(zhì)判斷用戶是否具備相應的權(quán)限，如果權(quán)限匹配就返回資源的內(nèi)容，權(quán)限不匹配就返回其他信息。

2.2 冷熱數(shù)據(jù)采用不同高速緩存技術(shù)

氣象防災減災服務平臺單次訪問的氣象信息規(guī)模較大，在數(shù)據(jù)訪問和數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計接口設計中采用了SpringBoot內(nèi)置的緩存機制，通過調(diào)整參數(shù)可滿足一般的需要；另外，有些熱點數(shù)據(jù)如格點預報數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量龐大（近20 G），用戶在一些特殊時段使用頻繁，頻繁加載和刪除無疑很耗時間，在這些時段將數(shù)據(jù)設置熱數(shù)據(jù)標記，將其以內(nèi)存數(shù)據(jù)庫的形式駐留在內(nèi)存，以方便查詢和計算，可改善用戶體驗。

2.3 采用RabbitMQ消息總線協(xié)調(diào)各個分系統(tǒng)的消息傳遞

采用分布式設計，各微服務功能獨立，微服務相互通信的并發(fā)性、可靠性和一致性顯得尤為重要，通過采用成熟消息隊列機制能滿足這些要求，同時可簡化設計、統(tǒng)一標準。

2.4 兼容不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)（130種）適配層

由于省級數(shù)據(jù)中心現(xiàn)存兩套大數(shù)據(jù)服務系統(tǒng)CIMISS和天擎，這兩套系統(tǒng)目前在并行運行，為保證業(yè)務的連續(xù)性，基本數(shù)據(jù)的采集和獲取務必要兼容這兩套系統(tǒng)。通過大量分析和調(diào)研，設計了數(shù)據(jù)適配層，將2個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)做兼容一致化處理，以實現(xiàn)2種數(shù)據(jù)源按需切換，既有利于數(shù)據(jù)的查看和比較，也有利于系統(tǒng)的平穩(wěn)運行。

2.5 定制化的產(chǎn)品制作模板和流程

各地區(qū)在提供產(chǎn)品制作時，關(guān)聯(lián)的氣象資料、產(chǎn)品加工模式、審核流程、輸出格式等可能有其獨特的需要，為此設計了可編輯的流程組件和產(chǎn)品輸出模板等工具，使各地區(qū)可按要求定制產(chǎn)品制作的模板和流程。

2.6 實時數(shù)據(jù)自動預警功能

實時監(jiān)測溫度、濕度、雨量、風速等氣象要素超限情況，判斷是否達到各類天氣預警信號相關(guān)技術(shù)標準，并根據(jù)用戶、角色、崗位、單位和所在地區(qū)信息，自動顯示相關(guān)預警。

2.7 完善的系統(tǒng)留痕和監(jiān)控機制

系統(tǒng)留痕如圖2所示，在氣象防災減災決策服務、預警服務、災害應急救援氣象保障服務等方面實現(xiàn)流程監(jiān)控和關(guān)鍵過程節(jié)點留痕。支持留痕數(shù)據(jù)的列表導出。設置實時監(jiān)控界面，對接氣象預警服務設施和設備，能夠?qū)崟r接收設備的運行狀態(tài)、網(wǎng)絡通信情況數(shù)據(jù)等，進行狀態(tài)跟蹤和實時監(jiān)控，設備發(fā)生故障時自動標注和主動提醒，能夠?qū)崿F(xiàn)對各子系統(tǒng)的實時動態(tài)監(jiān)控。

3 系統(tǒng)的優(yōu)點

3.1 GIS技術(shù)優(yōu)勢

GIS技術(shù)具有分析管理多源空間數(shù)據(jù)的能力。GIS強大的空間分析功能如疊加分析、緩沖區(qū)分析等能為其提供支持。如通過GIS緩沖區(qū)分析功能可以識別出明顯或潛在的重點防護目標和重大危險源等信息，再結(jié)合人口密度、街道、管線、電力線等其他地圖數(shù)據(jù)，使用疊加統(tǒng)計、空間關(guān)聯(lián)分析等基礎的空間分析功能，開展風險分析和評估。在風險表達中可以綜合使用GIS的可視化技術(shù)和圖表功能，將風險隱患辨識、分析和評估的結(jié)果制作成二維專題圖的形式，不僅具有豐富的效果，更便于信息的傳遞、理解和應用。

通過GIS可以進行地理位置定位，按比例尺查詢顯示監(jiān)測地區(qū)的周邊環(huán)境信息，進行地圖標繪，制作服務信息專題圖。通過GIS的空間查詢、空間數(shù)據(jù)編輯、區(qū)域統(tǒng)計等功能，可以對監(jiān)控點、各類資源進行查詢檢索和維護管理，保證監(jiān)測監(jiān)控的有效性和現(xiàn)勢性，全面掌控資源狀態(tài)，及時更新資源信息。

3.2 模塊化設計

采用Docker技術(shù)進行系統(tǒng)的模塊化分層設計，對系統(tǒng)有靈活的擴展性，對外接口基于開放式標準設計，便于二次開發(fā)和后期擴展，如新增加渠道發(fā)布則不需對系統(tǒng)做大的調(diào)整，只需增加新的渠道建設，根據(jù)接口標準方便地融合到系統(tǒng)中。

3.3 系統(tǒng)的應用安全體系設計

應用安全體系架構(gòu)分為安全層次、安全技術(shù)、安全目標3個部分（圖4）。作為全方位、整體的網(wǎng)絡安全防范架構(gòu)是分層次的，不同層次反映不同的安全問題?？梢詫⑵髽I(yè)安全防范架構(gòu)的層次劃分為物理層安全、網(wǎng)絡層安全、傳輸層安全、應用層安全和用戶層安全。由于層次的不同，也需要采用不同的安全技術(shù)來針對每層的安全問題進行應對和防護，因而也就產(chǎn)生了如圖4所列的種類繁多的安全技術(shù)。

圖4 應用安全體系架構(gòu)

4 平臺的主要功能

新疆氣象防災減災平臺建設主要包括綜合顯示、數(shù)據(jù)查詢、預報預警制作發(fā)布、產(chǎn)品共享、系統(tǒng)留痕等模塊。

4.1 綜合顯示模塊

綜合顯示模塊（圖5）是涵蓋系統(tǒng)各模塊功能的集約化顯示區(qū)，通過該模塊可以直觀地獲取值班表、危險天氣提示、重點關(guān)注、自動提醒、超閾值自動報警、災情輿情監(jiān)測、區(qū)市縣信息聯(lián)動、地理信息、氣象觀測數(shù)據(jù)、氣象預報數(shù)據(jù)、氣象防災減災等相關(guān)信息，顯示區(qū)域具備一定的位置定位、測距、截圖功能及數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能。平臺接入國家衛(wèi)星中心下發(fā)的高分辨率衛(wèi)星遙感影像圖（能分辨地形地貌、河流水系、植被分布、村莊、道路、街區(qū)、建筑設施等），實現(xiàn)基于新疆氣象防災減災需求的綜合信息顯示，以行政區(qū)邊界為基礎，依據(jù)災害性天氣對本轄區(qū)的影響距離不同，進行三級防御區(qū)劃，其中責任區(qū)為本行政區(qū)域，警戒區(qū)為距責任區(qū)50 km范圍內(nèi)的區(qū)域，監(jiān)視區(qū)為距責任區(qū)100 km的區(qū)域；顯示疊加中小河流、水庫、地災隱患點、旅游景區(qū)、工礦企業(yè)等防災減災基礎數(shù)據(jù)；疊加氣象自動站實況、雷達回波、衛(wèi)星云圖、閃電、危險天氣等觀測數(shù)據(jù)的實時動態(tài)顯示和超閾值提醒；實現(xiàn)天氣概況、天氣趨勢和預報數(shù)據(jù)的查看。

圖5 綜合顯示模塊

4.2 數(shù)據(jù)查詢模塊

數(shù)據(jù)查詢模塊見圖6。該模塊基于CIMISS數(shù)據(jù)庫，支持自動站的實況和歷史數(shù)據(jù)快速查詢，支持災害個例、排序極值、實況均平、天數(shù)統(tǒng)計和要素統(tǒng)計、預報圖片及表格的查詢與導出；查詢統(tǒng)計氣象災情信息，可直連災情直報3.0系統(tǒng)；支持中小河流、水庫、地災隱患點、旅游景區(qū)、工礦企業(yè)等防災減災基礎數(shù)據(jù)以及防災減災作戰(zhàn)圖、規(guī)章制度、基層防災減災隊伍等信息數(shù)據(jù)的統(tǒng)計查詢。

圖6 數(shù)據(jù)查詢模塊

4.3 預報預警制作發(fā)布模塊

預報預警制作發(fā)布模塊直接調(diào)用新疆氣象局現(xiàn)有的預報預警制作、一鍵式發(fā)布模塊。該模塊包含預警信息制作發(fā)布、氣象防災減災服務產(chǎn)品制作發(fā)布、叫應中心3個子模塊。預警信息制作發(fā)布模塊需實現(xiàn)統(tǒng)一輸入接口、多種輸出接口的功能，數(shù)據(jù)接口能夠與突發(fā)事件預警信息發(fā)布系統(tǒng)無縫連通，實現(xiàn)氣象災害預警信息，通過手機短信、大喇叭、顯示屏、網(wǎng)站、微信、傳真等渠道一鍵式發(fā)布。從統(tǒng)一渠道接收到的信息都存儲在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中存檔，對接收和處理的過程以日志記錄的方式保存，提供頁面監(jiān)控告警。氣象防災減災產(chǎn)品制作模塊可以根據(jù)自選素材手動制作決策服務資料，也可設置時間軸、閾值等作為產(chǎn)品制作觸發(fā)條件，通過預生成、審核、發(fā)布三部分自動生成產(chǎn)品。還需具備交互制圖功能，可以根據(jù)各級氣象部門實際需要，定時制作各類實況圖表，具有天氣符號添加、線條修改等二次編輯功能。叫應中心模塊能夠為電話叫應服務提供輔助支持，可設置叫應閾值，當發(fā)布預警信號或?qū)崨r超過閾值時，能自動提醒值班人員開展叫應工作。

4.4 決策服務產(chǎn)品制作模塊

決策服務產(chǎn)品制作模塊見圖7。該模塊緊貼業(yè)務實際，根據(jù)各類材料配置模板，包括素材查詢、產(chǎn)品制作（定時自動生成、任意時刻手動制作）和一鍵式發(fā)布（包括任務設置、渠道設置、分發(fā)時間等功能），還具備交互編輯、交互制圖功能，可以根據(jù)各級氣象部門實際需要，定時制作各類實況及預報圖表，具有天氣符號添加、線條修改等二次編輯功能。

圖7 決策服務產(chǎn)品制作模塊

產(chǎn)品制作基于不同模板，可以根據(jù)自選素材手動制作決策服務資料，也可設置時間軸、閾值等作為產(chǎn)品制作觸發(fā)條件通過預生成、審核、發(fā)布三部分自動生成產(chǎn)品。

4.5 產(chǎn)品共享模塊

產(chǎn)品共享模塊直接調(diào)用新疆氣象局現(xiàn)有的產(chǎn)品管理模塊，包括區(qū)、市、縣三級氣象服務產(chǎn)品以及各地規(guī)章制度的瀏覽、產(chǎn)品檢索和查看下載等功能。通過對新疆各類決策服務產(chǎn)品的采集、存儲、管理、檢索、統(tǒng)一、數(shù)據(jù)交換和歸檔處理，實現(xiàn)區(qū)級、地市州級、縣級決策產(chǎn)品的共享、查詢統(tǒng)計和下載。可根據(jù)實際業(yè)務需求創(chuàng)建分類目錄，上傳相應文檔。產(chǎn)品類別可初步分為重要氣象情報、預報預警、專項預報、氣象信息快報、決策服務總結(jié)、災害性天氣過程評估、一周重點提示、其他等類別；同時可以對決策材料進行分類管理、瀏覽，按照時間、發(fā)布單位進行上傳、儲存、瀏覽；按照產(chǎn)品類別進行上傳、儲存、瀏覽；支持區(qū)級每日預報、服務產(chǎn)品的自動上傳和顯示。

4.6 系統(tǒng)留痕模塊

系統(tǒng)留痕模塊能夠在氣象防災減災決策服務、預警服務、災害應急救援氣象保障服務等方面實現(xiàn)流程監(jiān)控和關(guān)鍵過程節(jié)點留痕，支持留痕數(shù)據(jù)的列表導出。設置實時監(jiān)控界面，對接氣象預警服務設施和設備，能夠?qū)崟r接收設備的運行狀態(tài)、網(wǎng)絡通信情況數(shù)據(jù)等，進行狀態(tài)跟蹤和實時監(jiān)控，設備發(fā)生故障會自動標注和主動提醒，能夠?qū)崿F(xiàn)對各子系統(tǒng)（基層防災減災基礎數(shù)據(jù)、防災減災作戰(zhàn)圖、規(guī)章制度、基層防災減災隊伍等信息）在平臺的實時動態(tài)監(jiān)控。

5 系統(tǒng)應用實現(xiàn)

新疆氣象防災減災服務平臺主要由防災減災決策服務平臺、預警發(fā)布系統(tǒng)、產(chǎn)品發(fā)布系統(tǒng)、短臨預警平臺、綜合觀測平臺和決策服務平臺組成。實現(xiàn)了地市（州）級行政區(qū)域內(nèi)自動站數(shù)據(jù)的預警制作、綜合報警、預警發(fā)布、地圖制作、災情數(shù)據(jù)管理、災情統(tǒng)計以及防災減災數(shù)據(jù)集管理等功能。

5.1 實際應用案例一

新疆氣象臺2021年6月4日11：09發(fā)布暴雨藍色預警。預警顯示伊犁州、博州、塔城地區(qū)、阿勒泰地區(qū)、克拉瑪依市、石河子市、烏魯木齊市、巴州、吐魯番市、哈密市、五家渠市、北屯市24 h內(nèi)降雨量將達24.1 mm以上，或者已達24.1 mm以上且降雨可能持續(xù)。氣象防災減災服務平臺實時發(fā)布了預警信號，并及時跟進實況信息，為上述12個地區(qū)發(fā)布了預警提示。

5.2 實際應用案例二

2021年9月3日南疆西部塔城及博州地區(qū)出現(xiàn)冰雹以及閃電預警信號，其中托里縣庫普鄉(xiāng)呼喀拉蓋村國家氣象觀測站的暴雨藍色預警信號已發(fā)布6次。阿克蘇市、新和縣、托里縣的觀測站顯示降水量超過10 mm。通過氣象防災減災服務平臺顯示圖可以實時發(fā)布預警信號，及時跟進實況信息，氣象防災減災服務平臺也及時發(fā)布了各個天氣現(xiàn)象的預警提示。

6 小結(jié)

隨著氣象觀測網(wǎng)絡逐步完善，云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、地理信息等新技術(shù)新方法快速發(fā)展，為了更好地服務防災減災工作，提高氣象現(xiàn)代化水平，提升基層氣象防災減災能力，本研究開發(fā)了新疆氣象防災減災服務平臺。該平臺實現(xiàn)了氣象防災減災所需相關(guān)信息的快速收集、顯示、統(tǒng)計與分析，提供基于地理信息的數(shù)據(jù)查詢、顯示和導出功能。滿足智能網(wǎng)格預報制作需求、提供豐富美觀的圖表素材、對策建議、產(chǎn)品模板以及方便快捷的服務材料制作環(huán)境，可設置時間軸、閾值等作為產(chǎn)品制作觸發(fā)條件自動生成產(chǎn)品，實現(xiàn)智能化決策產(chǎn)品制作。能夠在氣象防災減災決策服務、預警服務、災害應急救援氣象保障服務等方面實現(xiàn)流程監(jiān)控和關(guān)鍵過程節(jié)點留痕；能夠?qū)託庀箢A警發(fā)布設施、設備，實時接收設備的運行狀態(tài)、網(wǎng)絡通信情況數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對氣象預警發(fā)布設施以及整個發(fā)布鏈路進行狀態(tài)跟蹤和實時監(jiān)控，設備發(fā)生故障時能夠自動標注和主動提醒；能夠?qū)崿F(xiàn)基層防災減災基礎數(shù)據(jù)、防災減災作戰(zhàn)圖、規(guī)章制度、基層防災減災隊伍等信息在平臺的實時動態(tài)監(jiān)控。該平臺已在新疆氣象局推廣使用，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，操作簡便。