海南省風(fēng)暴潮預(yù)警綜合管理平臺建設(shè)

陳周,符燁全,牛素軍,熊嘉才,朱萬里,嚴(yán)雪風(fēng),張升榮,3,徐睿

(1.海南省海洋監(jiān)測預(yù)報(bào)中心 海口 570206;2.中電科信息產(chǎn)業(yè)有限公司 鄭州 450047;3.中國電子科技集團(tuán)公司電子科學(xué)研究院 北京 100041;4.三沙國海信通科技發(fā)展有限公司 海口 570203)

0 引言

海洋是推動高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略要地和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要空間與資源保障,海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展空間巨大,海洋事業(yè)前景廣闊,但海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展常面臨著各種海洋災(zāi)害侵襲的風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。海南省綜合防災(zāi)減災(zāi)“十三五”規(guī)劃要求加快推進(jìn)海南省綜合防災(zāi)減災(zāi)能力建設(shè),推進(jìn)“智慧海洋”建設(shè),為海南自由貿(mào)易港建設(shè)提供更加良好的自然環(huán)境,有力保障全省海洋經(jīng)濟(jì)全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展[3-4]。

風(fēng)暴潮主要是指由于強(qiáng)烈的大氣擾動,如強(qiáng)風(fēng)和氣壓驟變引起的海面異常升高現(xiàn)象。風(fēng)暴潮疊加在正常潮位上,同時疊加風(fēng)浪、涌浪,三者共同作用引起的沿岸海水暴漲而釀成的巨大災(zāi)害,稱之為風(fēng)暴潮災(zāi)害[5]。風(fēng)暴潮災(zāi)害是我國沿海面臨的主要海洋災(zāi)害,風(fēng)暴潮的每次發(fā)生,都伴隨巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[6]。隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步,對風(fēng)暴潮觀測預(yù)警有了更多可運(yùn)用的手段[7-8]。根據(jù)《警戒潮位現(xiàn)場標(biāo)志物設(shè)置規(guī)范》的要求,海南省海洋監(jiān)測預(yù)報(bào)中心于2018年在海南島北部沿海重點(diǎn)岸段和人口密集區(qū)部署了基于K 波段雷達(dá)進(jìn)行潮位監(jiān)測的新型警戒潮位標(biāo)志物預(yù)警站,實(shí)現(xiàn)潮位自動觀測及預(yù)警,為海南省風(fēng)暴潮監(jiān)測提供實(shí)時準(zhǔn)確可靠的觀測數(shù)據(jù)[9-11]。

根據(jù)海南省海洋災(zāi)害預(yù)警形勢和信息化現(xiàn)狀,結(jié)合海南省海洋災(zāi)害預(yù)警體系建設(shè)現(xiàn)有成果,本研究利用智能傳感器、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù),推動以“智能硬件+綜合平臺”的風(fēng)暴潮預(yù)警體系化建設(shè),實(shí)現(xiàn)與海南省警戒潮位標(biāo)志物預(yù)警站點(diǎn)間海洋觀測數(shù)據(jù)對接,建立海南省風(fēng)暴潮預(yù)警綜合管理平臺,實(shí)現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)、災(zāi)情現(xiàn)場與“三防”指揮之間數(shù)據(jù)共享,力求形成監(jiān)測預(yù)報(bào)、信息發(fā)布、應(yīng)急響應(yīng)、協(xié)調(diào)指揮、搶險(xiǎn)救災(zāi)的有效工作制度,確保海洋災(zāi)害預(yù)警和應(yīng)急指揮等各項(xiàng)工作協(xié)調(diào)、有序、有效、有力開展,全面提升應(yīng)急指揮效率與防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)能力。

1 海南省風(fēng)暴潮預(yù)警綜合管理平臺總體結(jié)構(gòu)

海南省風(fēng)暴潮預(yù)警綜合管理平臺采用分層邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),縱向由底層到頂層分為感知探測層、網(wǎng)絡(luò)通信層、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、平臺支撐層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層和服務(wù)平臺層。

感知探測層主要指建于海岸的警戒潮位標(biāo)志物預(yù)警站點(diǎn)的感知設(shè)備,主要包含智能采集控制器、各類氣象水文傳感器、圖像視頻傳感器及其他相關(guān)輔助設(shè)備等。

網(wǎng)絡(luò)通信層主要指風(fēng)暴潮預(yù)警綜合管理平臺和警戒潮位標(biāo)志物預(yù)警站點(diǎn)的通信介質(zhì),警戒潮位標(biāo)志物預(yù)警站點(diǎn)與風(fēng)暴潮預(yù)警綜合管理平臺之間,以及警戒潮位標(biāo)志物預(yù)警站點(diǎn)與分離報(bào)警裝置之間的通信采用接入海域動態(tài)專網(wǎng)的4G 通信和北斗衛(wèi)星短報(bào)文通信兩種方式,用于保障災(zāi)害天氣影響期間的通信能力。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層主要指服務(wù)于風(fēng)暴潮預(yù)警綜合管理平臺的SQL Server數(shù)據(jù)庫,用于觀測數(shù)據(jù)的存儲和管理。

平臺支撐層主要用于數(shù)據(jù)管理和服務(wù)管理,用于觀測數(shù)據(jù)的接收、解析、存儲以及向業(yè)務(wù)應(yīng)用層和服務(wù)平臺層提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

業(yè)務(wù)應(yīng)用層和服務(wù)平臺層主要指針對觀測數(shù)據(jù)的分析、擴(kuò)展應(yīng)用和服務(wù)開發(fā)等。海南省風(fēng)暴潮預(yù)警綜合管理平臺邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 海南省風(fēng)暴潮預(yù)警綜合管理平臺邏輯結(jié)構(gòu)

2 海南省風(fēng)暴潮預(yù)警綜合管理平臺組成模塊

海南省風(fēng)暴潮預(yù)警綜合管理平臺由數(shù)據(jù)收集、質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)應(yīng)用等功能模塊組成,具體如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體功能模塊

2.1 數(shù)據(jù)收集功能模塊

數(shù)據(jù)收集功能模塊包括數(shù)據(jù)采集、圖像采集及遠(yuǎn)程交互等。

2.1.1 數(shù)據(jù)采集

警戒潮位標(biāo)志物預(yù)警站點(diǎn)通過智能采集控制器控制氣象觀測要素傳感器和潮位觀測要素傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。氣象觀測要素主要包括空氣溫度、相對濕度、風(fēng)向風(fēng)速、降雨量、大氣壓、海平面氣壓等氣象觀測要素的采集和計(jì)算;潮位觀測數(shù)據(jù)主要實(shí)現(xiàn)當(dāng)前潮位、高低潮位、潮時等要素的采集。

2.1.2 圖像采集

技術(shù)人員通過安裝在警戒潮位標(biāo)志物預(yù)警站點(diǎn)的攝像頭進(jìn)行圖像采集,能夠完成警戒潮位標(biāo)志物預(yù)警站點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、觀測數(shù)據(jù)采集存儲、文件生成、數(shù)據(jù)入庫、數(shù)據(jù)應(yīng)用分析、信息發(fā)布以及數(shù)據(jù)共享等工作。前端觀測設(shè)備主要由圖像視頻傳感器和圖像采集器組成,負(fù)責(zé)視頻和圖像的采集,視頻數(shù)據(jù)流采用4G 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)焦芾砥脚_服務(wù)器,用戶可以通過終端實(shí)時查看潮位和警戒潮位標(biāo)志物預(yù)警站點(diǎn)周邊的視頻圖像。

采集的氣象水文數(shù)據(jù)及視頻圖像可以直觀地顯示于海南省風(fēng)暴潮預(yù)警綜合管理平臺應(yīng)用軟件界面。

2.1.3 遠(yuǎn)程交互

海南省風(fēng)暴潮預(yù)警綜合管理平臺通過無線網(wǎng)絡(luò)與智能采集控制器進(jìn)行遠(yuǎn)程交互,主要功能包括:

(1)手動采集數(shù)據(jù):采用定時或手動遠(yuǎn)程發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令,數(shù)據(jù)采集器接收指令后返回對應(yīng)數(shù)據(jù)幀,海南省風(fēng)暴潮預(yù)警綜合管理平臺接收軟件進(jìn)行處理后,數(shù)據(jù)返回給對應(yīng)請求者。

(2)時鐘同步:定時或人工與采集器終端進(jìn)行校時,保持警戒潮位標(biāo)志物預(yù)警站點(diǎn)與海南省風(fēng)暴潮預(yù)警綜合管理平臺系統(tǒng)時間的同步。

(3)數(shù)據(jù)補(bǔ)抄:海南省風(fēng)暴潮預(yù)警綜合管理平臺自動進(jìn)行采集數(shù)據(jù)完整性檢查,自動實(shí)現(xiàn)對最近一個月內(nèi)缺失的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)傳,或由人工操作進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)傳。

(4)遠(yuǎn)程升級:海南省風(fēng)暴潮預(yù)警綜合管理平臺選取警戒潮位標(biāo)志物預(yù)警站點(diǎn),把指定升級文件發(fā)送給智能采集控制器進(jìn)行嵌入式程序升級。

(5)終端維護(hù):海南省風(fēng)暴潮預(yù)警綜合管理平臺實(shí)現(xiàn)對采集器和傳感器的各種參數(shù)及數(shù)據(jù)的傳輸和設(shè)置。

警戒潮位標(biāo)志物預(yù)警站點(diǎn)既可以獨(dú)立運(yùn)行,也可以遠(yuǎn)程控制運(yùn)行。當(dāng)警戒潮位標(biāo)志物預(yù)警站點(diǎn)自主運(yùn)行時,警戒潮位標(biāo)志物預(yù)警站點(diǎn)智能采集控制器根據(jù)采集到的潮位數(shù)據(jù),并依據(jù)預(yù)設(shè)警戒潮位對應(yīng)閾值,控制四色LED 燈常亮,警示周邊群眾避險(xiǎn)。臺風(fēng)來臨前,海南省海洋監(jiān)測預(yù)報(bào)中心可以根據(jù)海洋預(yù)報(bào)數(shù)據(jù),遠(yuǎn)程發(fā)布風(fēng)暴潮預(yù)警指令,控制警戒潮位標(biāo)志物預(yù)警站點(diǎn)對應(yīng)顏色的LED 燈閃亮。

2.2 質(zhì)量控制

參照海洋氣象行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制,輸出規(guī)定格式的數(shù)據(jù)和質(zhì)量控制信息,質(zhì)量控制內(nèi)容包括格式檢查、觀測數(shù)據(jù)漏測檢查、界限值檢查、主要變化范圍檢查、內(nèi)部一致性檢查、時間一致性檢查、質(zhì)量控制綜合分析以及數(shù)據(jù)質(zhì)量標(biāo)志等。

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 數(shù)據(jù)解析

根據(jù)不同設(shè)備通信協(xié)議的特點(diǎn)制定不同的檢查方法,檢查接收數(shù)據(jù)的格式。數(shù)據(jù)解析主要根據(jù)數(shù)據(jù)通信協(xié)議進(jìn)行解析,如果是加密數(shù)據(jù),則需要進(jìn)行解密處理。對于下行指令,根據(jù)不同設(shè)備進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換。

2.3.2 數(shù)據(jù)入庫

將原始數(shù)據(jù)以及進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的數(shù)據(jù),按協(xié)議解析后進(jìn)行入庫處理,作為后期業(yè)務(wù)分析與應(yīng)用服務(wù)的數(shù)據(jù)源。

2.3.3 報(bào)文生成

對經(jīng)過標(biāo)定和質(zhì)量控制后輸出的數(shù)據(jù),按數(shù)據(jù)字典規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸格式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理并寫入中間文件中,對中間文件中標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析入庫處理。

對經(jīng)過標(biāo)定和質(zhì)量控制后輸出的數(shù)據(jù),按共享文件格式(報(bào)文)的要求生成報(bào)文文件并存儲在指定的目錄內(nèi)。

在生成文件的同時,將根據(jù)設(shè)備型號、日期時間以及數(shù)據(jù)類型對其進(jìn)行組織和管理。

2.3.4 分發(fā)上傳

海南省風(fēng)暴潮預(yù)警綜合管理平臺收集所有警戒潮位標(biāo)志物預(yù)警站點(diǎn)數(shù)據(jù),按規(guī)定格式生成報(bào)文文件并進(jìn)行匯總打包,通過FTP方式定時自動上傳報(bào)文文件到指定的FTP服務(wù)器,上傳時間間隔按報(bào)文時效性規(guī)定設(shè)置。

2.4 系統(tǒng)管理

2.4.1 配置管理

(1)數(shù)據(jù)庫連接參數(shù)設(shè)置,配置數(shù)據(jù)庫服務(wù)器IP和端口、數(shù)據(jù)庫名、用戶名和密碼,并能測試數(shù)據(jù)庫是否連接成功。

(2)文件路徑配置,配置系統(tǒng)運(yùn)行和操作產(chǎn)生的臨時文件、報(bào)文文件、日志文件等存儲目錄。

(3)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置,配置網(wǎng)絡(luò)通信監(jiān)聽IP 和端口。

2.4.2 基礎(chǔ)信息管理

(1)數(shù)據(jù)庫管理。根據(jù)需要訂制數(shù)據(jù)維護(hù)計(jì)劃,定期進(jìn)行數(shù)據(jù)備份操作,并將其備份數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲到移動介質(zhì)上。

(2)用戶信息管理。增加、修改和刪除用戶,并能夠?qū)τ脩暨M(jìn)行功能權(quán)限分配,主要分為系統(tǒng)管理員和一般操作員。系統(tǒng)管理員具有處理平臺所有功能操作權(quán)限,一般操作員根據(jù)工作需要由系統(tǒng)管理員分配功能操作權(quán)限。

(3)站點(diǎn)信息管理。添加、修改和刪除警戒潮位標(biāo)志物預(yù)警站點(diǎn)基本信息。主要包括臺站號、臺站名、經(jīng)度、緯度、海拔高度等。

(4)統(tǒng)計(jì)報(bào)表管理。建立、修改統(tǒng)計(jì)報(bào)表格式,能夠建立警戒潮位變化、天氣狀況等報(bào)表。

2.5 數(shù)據(jù)應(yīng)用

2.5.1 數(shù)據(jù)查詢

通過局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng),自定義條件查詢、瀏覽和統(tǒng)計(jì)平臺數(shù)據(jù)庫(SQL Server)上的實(shí)時和歷史數(shù)據(jù),并以圖形、曲線、表格等形式,直觀、形象地將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出來。

2.5.2 統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分為3個部分:潮位變化分析、到報(bào)情況統(tǒng)計(jì)、上傳情況統(tǒng)計(jì)。

(1)潮位變化分析。分析警戒潮位標(biāo)志物預(yù)警站點(diǎn)潮位數(shù)據(jù)隨時間的變化規(guī)律和觀測指標(biāo)。

(2)到報(bào)情況統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)所有警戒潮位標(biāo)志物預(yù)警站點(diǎn)某一時段內(nèi)的到報(bào)情況,以表格或圖形方式顯示。

(3)上傳情況統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)所有警戒潮位標(biāo)志物預(yù)警站點(diǎn)某一時段內(nèi)的報(bào)文文件上傳情況,以表格或圖形方式顯示。

2.5.3 日志查詢

系統(tǒng)管理員可以根據(jù)相應(yīng)查詢條件對日志進(jìn)行查詢操作,用以了解平臺的運(yùn)行狀況或者用戶的活動歷史,如按關(guān)鍵詞檢索系統(tǒng)日志、檢索操作日志、查看歷史時間的系統(tǒng)日志等。

2.5.4 監(jiān)控預(yù)警

結(jié)合警戒潮位標(biāo)志物預(yù)警站點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查結(jié)果,評估智能采集控制器的運(yùn)行狀態(tài)和各類傳感器的工作狀態(tài),形成設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)并進(jìn)行顯示,從而實(shí)現(xiàn)警戒潮位標(biāo)志物預(yù)警站點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控。主要包括觀測數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)控、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控以及故障報(bào)警3 個方面的內(nèi)容。

(1)數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)控。監(jiān)控內(nèi)容包括海洋氣象、潮位數(shù)據(jù)實(shí)時變化。數(shù)據(jù)狀態(tài)定義如下:①正常。觀測要素?cái)?shù)據(jù)及時到達(dá),觀測數(shù)據(jù)正常。②可疑。觀測要素?cái)?shù)據(jù)及時到達(dá),數(shù)據(jù)格式正確,但通過質(zhì)量控制算法判斷數(shù)據(jù)異常。③錯誤。觀測要素?cái)?shù)據(jù)及時到達(dá),且格式正確,但質(zhì)量控制算法判斷數(shù)據(jù)錯誤或格式錯誤。④缺報(bào)。無觀測要素?cái)?shù)據(jù)到達(dá)。

(2)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。警戒潮位標(biāo)志物預(yù)警站點(diǎn)設(shè)備自檢狀態(tài)、傳感器工作狀態(tài)、外接電源狀態(tài),智能采集控制器主板電壓狀態(tài)、工作電流狀態(tài)、主板溫度狀態(tài)、機(jī)箱溫度狀態(tài)、通信狀態(tài)、采集器運(yùn)行狀態(tài)、AD 狀態(tài)、門狀態(tài)、外存儲卡狀態(tài)等。

(3)故障報(bào)警。故障報(bào)警是數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控的重要內(nèi)容,對于及時發(fā)現(xiàn)警戒潮位標(biāo)志物預(yù)警站點(diǎn)故障具有重要意義。海南省風(fēng)暴潮預(yù)警綜合管理平臺使用綠色和紅色序列圖的形式監(jiān)控所有警戒潮位標(biāo)志物預(yù)警站點(diǎn)實(shí)時數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài),綠色表示正常,紅色表示故障,當(dāng)發(fā)現(xiàn)對應(yīng)數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)異常時,序列圖自動由綠色跳轉(zhuǎn)為紅色,方便監(jiān)控人員及時發(fā)現(xiàn)處理。

2.5.5 產(chǎn)品生成

提供圖片的預(yù)覽、打印功能。可將顯示的圖片保存為bmp、gif、jpg、tiff和png等格式。可將觀測要素值導(dǎo)出為Micaps格式和Excel格式。可將查詢統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)導(dǎo)出為文本和Excel格式。

3 結(jié)論

海南省風(fēng)暴潮預(yù)警綜合管理平臺是集數(shù)據(jù)觀測、采集、處理、傳輸、控制及應(yīng)用于一體的綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng),涵蓋了警戒潮位標(biāo)志物預(yù)警站點(diǎn)、管理監(jiān)控中心、信息共享服務(wù)平臺,以及各部分之間的通信鏈路等,形成了在線、動態(tài)分析及可視化顯示的風(fēng)暴潮應(yīng)急預(yù)警等內(nèi)容。該平臺具有如下特點(diǎn)。

(1)警戒潮位標(biāo)志物預(yù)警站點(diǎn)為實(shí)時在線觀測,具有相對的獨(dú)立性,可以在無干預(yù)的情況下自動完成潮位觀測和報(bào)警工作,且可自動保存6個月的歷史數(shù)據(jù)。

(2)海南省風(fēng)暴潮預(yù)警綜合管理平臺負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收、處理和存儲,可對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時分析、進(jìn)行遠(yuǎn)程控制預(yù)警服務(wù)等。

(3)信息共享服務(wù)平臺完成數(shù)據(jù)的發(fā)布,災(zāi)情狀態(tài)下向“三防”等部門提供輔助決策信息。

(4)通信鏈路為數(shù)據(jù)信息和圖像信息提供可靠的通信傳輸保障。

海南省風(fēng)暴潮預(yù)警綜合管理平臺建設(shè)模式最大限度地保證了平臺的安全性,下級警戒潮位標(biāo)志物預(yù)警站點(diǎn)的局部故障不影響平臺的其他部分,上級平臺的故障不影響下級警戒潮位標(biāo)志物預(yù)警站點(diǎn)的自動觀測與報(bào)警,在沒有上級新的目標(biāo)指令時本級智能控制器將自動依據(jù)采集、計(jì)算的結(jié)果獨(dú)立控制運(yùn)行。

海南省風(fēng)暴潮預(yù)警綜合管理平臺建設(shè)通過警戒潮位標(biāo)志物預(yù)警站點(diǎn)終端設(shè)備研制、監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成、通信系統(tǒng)、運(yùn)行管理、數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用、質(zhì)量控制、運(yùn)行維護(hù)、安全保障、信息發(fā)布等關(guān)鍵環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)以潮位監(jiān)測為基礎(chǔ),以數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)整合為技術(shù)手段,深度挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值,建立數(shù)據(jù)模型,為海南省風(fēng)暴潮預(yù)警和“三防”指揮決策提供重要數(shù)據(jù)支撐和決策依據(jù)。此外,海南省風(fēng)暴潮預(yù)警綜合管理平臺為開放的環(huán)境,可以根據(jù)觀測數(shù)據(jù)的不斷豐富,不斷擴(kuò)展開發(fā)滿足各種需求的應(yīng)用產(chǎn)品。