基于氣象大數(shù)據(jù)的雷電風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

譚金雨 黃珩 胡偉 劉芳

收稿日期：2023-12-10

基金項(xiàng)目：河池市氣象局氣象科研計(jì)劃項(xiàng)目（202311）。

作者簡介：譚金雨（1994—），女，廣西東蘭人，助理工程師，研究方向?yàn)閷I(yè)氣象服務(wù)和氣候資源開發(fā)利用。#通信作者：劉芳，119754531@qq.com。

摘 要：為預(yù)防雷電災(zāi)害的不利影響，減輕雷電災(zāi)害對(duì)人們生產(chǎn)生活的影響，基于大數(shù)據(jù)相關(guān)理論、技術(shù)基礎(chǔ)，開發(fā)了基于氣象大數(shù)據(jù)的雷電風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)。系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)歷史氣象雷電數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析和建模，建立了數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、處理、分析和可視化的整體解決方案，為雷電災(zāi)害分析提供了方便、高效的數(shù)據(jù)服務(wù)，提高了雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析的效率。通過雷電風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)處理和分析數(shù)據(jù)，能夠識(shí)別出高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域和潛在的危險(xiǎn)源，為預(yù)防雷電災(zāi)害提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)；雷電風(fēng)險(xiǎn)分析；設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

中圖分類號(hào)：P409 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號(hào)：2095–3305（2024）03–0-03

雷電災(zāi)害是一種較為嚴(yán)重的自然災(zāi)害，對(duì)人類的生命安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)均會(huì)構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1]。河池市位于云貴高原南麓，其特點(diǎn)是天氣氣候多變、山巒起伏和地形復(fù)雜。河池市經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境等多領(lǐng)域發(fā)展迅速，但雷擊災(zāi)害事故頻發(fā)。雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是指對(duì)可能給生命、財(cái)產(chǎn)、生計(jì)和人類賴以生存的環(huán)境帶來潛在雷電威脅或雷擊的介質(zhì)的威脅因素和易感性進(jìn)行分析和評(píng)估，以及確定雷電災(zāi)害的性質(zhì)和特征[2-3]。雷電活動(dòng)規(guī)律和表現(xiàn)特征是雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基礎(chǔ)，可為企事業(yè)單位科學(xué)制定防雷減災(zāi)預(yù)案，和提高區(qū)域防雷減災(zāi)能力提供科學(xué)支撐[4]。

隨著氣象數(shù)據(jù)評(píng)估分析需求的不斷增長，氣象信息化程度也日益提高，氣象數(shù)據(jù)也隨之快速增長，加之雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)具有多形態(tài)、多維度、多角度等特征，其數(shù)據(jù)的開發(fā)利用值得深入挖掘[5]。如何利用雷電數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估分析，快速、高效地提取氣象指標(biāo)數(shù)據(jù)、如何利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)預(yù)測未來的發(fā)展趨勢滿足項(xiàng)目所在地長遠(yuǎn)安全、高效、順暢運(yùn)行，都可以通過數(shù)據(jù)特征來評(píng)估分析。

然而，當(dāng)前氣象雷電數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析過程中缺乏較為先進(jìn)的智能化手段對(duì)其數(shù)據(jù)資料進(jìn)行處理分析，同時(shí)人工數(shù)據(jù)處理工作量大、差錯(cuò)多且效率低[6]。因此，加強(qiáng)氣象雷電大數(shù)據(jù)相關(guān)研究具有重要意義。大數(shù)據(jù)應(yīng)用是智慧氣象的橋梁，因而迫切需要建立雷電風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)，以確保對(duì)雷電風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行正確、安全和高效的評(píng)估和分析。

1 系統(tǒng)需求分析

基于氣象大數(shù)據(jù)的雷電風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)的主要應(yīng)用是合理管理各種來源的雷電數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)價(jià)值的最大化。雷電風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)主要用于氣候可行性論證報(bào)告的編寫，在系統(tǒng)框架搭建之前，通過深入的氣候論證報(bào)告業(yè)務(wù)工作，梳理雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)與大數(shù)據(jù)平臺(tái)的整體業(yè)務(wù)需求；在框架搭建時(shí)，改變傳統(tǒng)的大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)模式，原始雷電數(shù)據(jù)經(jīng)過清洗、運(yùn)算等方法，建立簡單、便捷、可擴(kuò)展的雷電評(píng)估大數(shù)據(jù)框架[7]。雷電風(fēng)險(xiǎn)大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的建設(shè)主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)展示和數(shù)據(jù)應(yīng)用。具體要求如下。

（1）通過分析雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)，如雷擊特征、建筑物雷擊特征、年月日變化特征、正負(fù)雷變化特征、強(qiáng)度等，從而高效、快速地獲取雷災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果。

（2）數(shù)據(jù)分析可以反映項(xiàng)目所在地雷災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)狀況，從而確定雷災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，對(duì)指導(dǎo)重大項(xiàng)目建設(shè)的選址及功能布局提供技術(shù)指導(dǎo)。通過評(píng)估對(duì)周圍環(huán)境的影響程度，可以為鄰近建筑物和設(shè)施提供有效的防雷措施理論依據(jù)[8]。

2 基于氣象大數(shù)據(jù)雷電風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于氣象大數(shù)據(jù)的雷電風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析及數(shù)據(jù)可視化等4個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)（圖1）。

（1）數(shù)據(jù)處理：將從各個(gè)數(shù)據(jù)源中收集到的雷電基礎(chǔ)數(shù)據(jù)需要進(jìn)行處理和分析，包括數(shù)據(jù)清洗、格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分類和數(shù)據(jù)計(jì)算等。將收集到的數(shù)據(jù)使用js腳本，遍歷清洗數(shù)據(jù)，解析的數(shù)據(jù)存放在緩存或者M(jìn)ySQL數(shù)據(jù)庫中，再根據(jù)系統(tǒng)可以提取出有用的信息，為雷電風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估和預(yù)測提供支持[9]。

（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：模塊主要分為兩部分：一是高頻使用的數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，二是不常用的歷史數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存放在MySQL數(shù)據(jù)中，歷史數(shù)據(jù)存放在本地

緩存[10]。

（3）數(shù)據(jù)分析：采用了分布式存儲(chǔ)和計(jì)算技術(shù)，可以處理海量數(shù)據(jù)，而且能夠運(yùn)用多種數(shù)據(jù)挖掘算法和機(jī)器學(xué)習(xí)模型，如關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘、聚類分析、分類預(yù)測等[11]。

（4）數(shù)據(jù)可視化：數(shù)據(jù)可視化模塊的設(shè)計(jì)中注重用戶體驗(yàn)，將復(fù)雜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為易于理解的圖形，通過簡潔、直觀的圖表等形式多維度展示出相關(guān)的雷電分析數(shù)據(jù)，如柱狀圖、折線圖、報(bào)表等，從而得知基于氣象大數(shù)據(jù)雷電分析系統(tǒng)的各種分析結(jié)果，包括雷電的強(qiáng)度分布圖、年月日趨勢圖等。同時(shí)，系統(tǒng)也需要提供查詢、篩選和分析結(jié)果導(dǎo)出等功能。

3 基于氣象大數(shù)據(jù)雷電風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊的實(shí)現(xiàn)主要是通過自定義的JavaScript腳本代碼對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、轉(zhuǎn)換、分析和計(jì)算以提取有價(jià)值的信息，并保證雷電相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、完整和一致，從而為后續(xù)的雷電相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)分析提供可靠的基礎(chǔ)。JavaScript 提供了多種方法來篩選和排序數(shù)據(jù)，如 filter（） 、 sort（） 等，可以根據(jù)特定的條件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾或者按照某個(gè)屬性進(jìn)行排序，或者通過數(shù)組的 reduce（） 方法來計(jì)算總和、平均值等。這些方法可以將收集到的雷電數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而分析增長趨勢、雷電分布等。

3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的主要在于存取方式的選擇?；跉庀蟠髷?shù)據(jù)的雷電風(fēng)險(xiǎn)分析所用的數(shù)據(jù)可分為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)。因?yàn)榭紤]到數(shù)據(jù)的即時(shí)性，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)則考慮使用MySQL數(shù)據(jù)庫，歷史數(shù)據(jù)存放在本地localStorage中。

MySQL是一個(gè)關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，使用結(jié)構(gòu)化查詢語言（SQL）進(jìn)行數(shù)據(jù)庫管理。MySQL適合于傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理，具有成熟的事務(wù)支持和廣泛的應(yīng)用場景。MySQL在處理結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和復(fù)雜查詢方面表現(xiàn)出色，擅長處理需要嚴(yán)格事務(wù)控制的應(yīng)用程序。localStorage是本地存儲(chǔ)是在用戶的設(shè)備上進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀取無需通過網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，所以速度更快，同時(shí)還可以減輕服務(wù)器負(fù)載。

3.3 數(shù)據(jù)分析模塊

數(shù)據(jù)分析模塊是核心組成部分，負(fù)責(zé)對(duì)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中及緩存中的雷電基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入的分析、挖掘，以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的模式、趨勢和關(guān)聯(lián)[12]。為了構(gòu)建高效、直觀且用戶友好的數(shù)據(jù)分析體驗(yàn)，選擇Vue.js作為開發(fā)的腳手架。

Vue.js是一個(gè)漸進(jìn)式的JavaScript框架，它以輕量級(jí)、靈活性和組件化的特點(diǎn)而廣受歡迎。通過使用Vue.js，工作人員能夠快速構(gòu)建出結(jié)構(gòu)清晰、易于維護(hù)的前端應(yīng)用程序。Vue.js的雙向數(shù)據(jù)綁定和組件化系統(tǒng)使得開發(fā)者能夠高效地管理數(shù)據(jù)流動(dòng)和界面渲染，從而提供流暢的用戶體驗(yàn)。

數(shù)據(jù)分析模塊中，工作人員可以利用Vue.js的組件化特性，將不同的數(shù)據(jù)分析功能和視圖拆分成獨(dú)立的組件，如數(shù)據(jù)表格、圖表、過濾器等。這樣不僅可以提高代碼的可重用性和可維護(hù)性，還能方便地進(jìn)行功能的擴(kuò)展和定制。同時(shí)，Vue.js的響應(yīng)式機(jī)制能夠?qū)崟r(shí)更新界面，確保用戶在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)能夠?qū)崟r(shí)看到結(jié)果變化（圖2）。

3.3 數(shù)據(jù)可視化模塊

在數(shù)據(jù)可視化模塊中，工作人員可以采用可視化方式來直觀、生動(dòng)地呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，從而提供一種清晰、易于理解的數(shù)據(jù)解讀方式。選用ECharts等流行的圖表庫，如圖3所示。其中包括但不限于柱狀圖、折線圖、表格等，可以清晰地展示出數(shù)據(jù)的分布和趨勢，方便用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和決策。

圖3? 數(shù)據(jù)展示圖

4 基于氣象大數(shù)據(jù)雷電風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)的應(yīng)用

雷電風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)最直接的應(yīng)用是根據(jù)氣象指標(biāo)體系展現(xiàn)雷電風(fēng)險(xiǎn)的全部特征和支撐氣象防雷部門開展各項(xiàng)雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估統(tǒng)計(jì)工作。依托該系統(tǒng)可以開展雷電災(zāi)害防御規(guī)劃、雷電風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)估等工作。雷電風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)應(yīng)用主要從雷電危害主要特征指標(biāo)分析，包括歷年最強(qiáng)天氣、雷電時(shí)間分布、雷電危害特征、雷擊概率等流量指標(biāo)及趨勢變化分析，展現(xiàn)整體雷電風(fēng)險(xiǎn)特征，同時(shí)通過雷電數(shù)據(jù)的變化分析，包括年、月、日及小時(shí)生成雷擊次數(shù)統(tǒng)計(jì)表及強(qiáng)度等，可支撐氣象防雷部門開展各項(xiàng)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)工作。

5 結(jié)束語

基于氣象大數(shù)據(jù)雷電風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)涉及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大等多問題，工作人員可通過雷電風(fēng)險(xiǎn)排序和數(shù)據(jù)框架選擇，完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)工作。雷電風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)的建成解決了當(dāng)前工作中人工數(shù)據(jù)處理的工作量大、差錯(cuò)多、效率低的問題，有效運(yùn)用先進(jìn)的智能化手段對(duì)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行處理分析。根據(jù)分析結(jié)果，可從科學(xué)設(shè)計(jì)、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)控制、應(yīng)急管理等方面服務(wù)為評(píng)估對(duì)象提供雷電災(zāi)害防護(hù)建議，進(jìn)一步加強(qiáng)雷災(zāi)防御措施，保證工程項(xiàng)目安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理，對(duì)提高氣候可行性論證報(bào)告編制、提升專業(yè)氣象服務(wù)能力作出積極貢獻(xiàn)。

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