基于WebGIS的核電站海洋預(yù)警報(bào)信息服務(wù)系統(tǒng)研究

袁逸葦 吳 萍 王麗琳 梅 杰 陳 珂

（國(guó)家海洋局東海預(yù)報(bào)中心，上海 200000）

核電具有能量密度高、大氣污染小、可持續(xù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已日益受到重視。自我國(guó)第一座核電站秦山核電站并網(wǎng)發(fā)電[1]，我國(guó)核電站數(shù)量逐年增加，截至2014年，我國(guó)運(yùn)行的核電機(jī)組有22個(gè)。中國(guó)核能行業(yè)協(xié)會(huì)資料顯示，我國(guó)的核電機(jī)組幾乎均位于沿海地區(qū)。核電站在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生巨大熱量，海水能夠快速分解、稀釋核裂變產(chǎn)物，且不會(huì)滲入河流、地下水系、農(nóng)田、生活區(qū)域，對(duì)人類(lèi)生活的直接影響相對(duì)較小[2]。海上大風(fēng)、大浪、風(fēng)暴潮、超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)等海洋自然災(zāi)害時(shí)刻威脅著沿海地區(qū)核電站的安全。2011年3月11日，日本宮城縣以東海域發(fā)生9.0級(jí)地震，地震引發(fā)的巨大海嘯造成日本福島核電站發(fā)生嚴(yán)重的核泄漏。為了降低因海洋自然災(zāi)害造成的生產(chǎn)事故與人員安全事故的概率，提高核電站附近海域安全生產(chǎn)的保障力度，需要研究核電站附近海域的海洋環(huán)境精細(xì)化預(yù)警保障服務(wù)。

在精細(xì)化預(yù)報(bào)中，風(fēng)速、風(fēng)向、浪高、浪向、流速、流向等預(yù)報(bào)要素在海洋預(yù)報(bào)中均針對(duì)特定的時(shí)間域和空間域得出，地理位置信息至關(guān)重要。缺失經(jīng)緯度等地理信息的預(yù)報(bào)要素是沒(méi)有價(jià)值的，從某種程度上看，海洋預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)都屬于地理信息。GIS（地理信息系統(tǒng)）包括WebGIS（網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)）在海洋預(yù)報(bào)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。WebGIS是傳統(tǒng)GIS的延伸，是展現(xiàn)于網(wǎng)絡(luò)上的GIS，可以將GIS所提供的可實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的檢索、查詢(xún)、制圖輸出、編輯等GIS的基本功能，以B/S架構(gòu)的形式展現(xiàn)出來(lái)。用戶(hù)只需要通過(guò)瀏覽器使用這些功能。本文研究搭建基于WebGIS的秦山核電附近海域的海洋預(yù)警報(bào)信息服務(wù)系統(tǒng)，為秦山核電站提供海洋預(yù)警報(bào)信息化支持。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 總體架構(gòu)

收集秦山核電附近海域的風(fēng)、浪、流、潮的數(shù)模計(jì)算結(jié)果，經(jīng)多模式數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理等操作，形成最終的預(yù)報(bào)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，為秦山核電預(yù)警報(bào)信息服務(wù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。

秦山核電預(yù)警報(bào)信息服務(wù)系統(tǒng)的整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式采用B/S架構(gòu)，包括數(shù)據(jù)訪問(wèn)層、服務(wù)層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層、顯示層。

秦山核電預(yù)警報(bào)信息服務(wù)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 秦山核電預(yù)警報(bào)信息服務(wù)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)訪問(wèn)層為上層應(yīng)用提供數(shù)據(jù)存取接口，提供高效的數(shù)據(jù)訪問(wèn)支持。在作業(yè)過(guò)程中訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中的文件，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的讀取保存等操作。服務(wù)層是業(yè)務(wù)應(yīng)用層和數(shù)據(jù)訪問(wèn)層相連的紐帶，提供Web和GIS服務(wù)。GIS服務(wù)器通過(guò)ArcGIS Server向外提供GIS服務(wù)，將產(chǎn)品數(shù)據(jù)設(shè)為網(wǎng)絡(luò)上通用的可訪問(wèn)的REST服務(wù)資源。Web服務(wù)器可以接收并處理瀏覽器的web請(qǐng)求，向數(shù)據(jù)訪問(wèn)層請(qǐng)求數(shù)據(jù)。業(yè)務(wù)應(yīng)用層負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的功能和邏輯處理，代表客戶(hù)端應(yīng)用，能夠通過(guò)接口調(diào)用相應(yīng)的WebGIS服務(wù)，是系統(tǒng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。顯示層是用戶(hù)與整個(gè)系統(tǒng)的接口，接收系統(tǒng)運(yùn)行需要的參數(shù)，將服務(wù)器端的計(jì)算結(jié)果以可視化的方式表達(dá)出來(lái)，是展現(xiàn)給用戶(hù)的界面。

1.2 功能設(shè)計(jì)

秦山核電預(yù)警報(bào)信息服務(wù)發(fā)布系統(tǒng)包含基本概況、海洋預(yù)報(bào)、災(zāi)害警報(bào)、臺(tái)風(fēng)路徑、系統(tǒng)管理共五大功能模塊，每個(gè)模塊下又分為若干子模塊，如圖2所示。

圖2 預(yù)警報(bào)信息服務(wù)發(fā)布系統(tǒng)功能架構(gòu)

基礎(chǔ)概況模塊：提供常用的GIS基本功能，將遙感圖、地形圖和行政圖3種不同模式的天地圖作為基礎(chǔ)地圖，疊加經(jīng)過(guò)插值抽稀脫密處理的水深圖。

海洋預(yù)報(bào)模塊：該模塊包含區(qū)域綜合預(yù)報(bào)展示、預(yù)報(bào)圖GIS展示、點(diǎn)位趨勢(shì)線等功能。預(yù)報(bào)以秦山核電的附近海域?yàn)橹行模故绢A(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)的氣溫、天氣、霧等海洋信息。預(yù)報(bào)圖GIS展示功能主要負(fù)責(zé)秦山核電附近海域內(nèi)風(fēng)場(chǎng)、浪場(chǎng)以及流場(chǎng)的大面預(yù)報(bào)的動(dòng)態(tài)展示。點(diǎn)位趨勢(shì)線功能包括任意點(diǎn)風(fēng)浪流預(yù)報(bào)展示、定點(diǎn)潮位預(yù)報(bào)展示、關(guān)鍵點(diǎn)預(yù)報(bào)展示。

災(zāi)害警報(bào)單模塊：該模塊包括海浪警報(bào)單數(shù)據(jù)展示和風(fēng)暴潮警報(bào)單數(shù)據(jù)展示，可以實(shí)現(xiàn)警報(bào)單發(fā)布、變化和解除的實(shí)時(shí)顯示功能。

臺(tái)風(fēng)路徑模塊：主要展示西北太平洋發(fā)生臺(tái)風(fēng)的實(shí)際位置、預(yù)報(bào)路徑、臺(tái)風(fēng)名稱(chēng)、發(fā)展路徑、7級(jí)風(fēng)半徑、10級(jí)風(fēng)半徑、12級(jí)風(fēng)半徑、中心風(fēng)力、中心位置等信息。

系統(tǒng)管理模塊：提供專(zhuān)門(mén)的用戶(hù)權(quán)限設(shè)置、管理功能、通信錄及潮位警戒值管理功能。

2 系統(tǒng)實(shí)施

2.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境

為保證系統(tǒng)運(yùn)行效果，采用系統(tǒng)部署環(huán)境為Windows 7旗艦版（或Windows server 2008 R2）操作系統(tǒng)；Web服務(wù)器為IIS7.5；GIS工具為ArcGIS Server 10.2、ArcGIS Engine 10.2；系統(tǒng)開(kāi)發(fā)語(yǔ)言使用C#，結(jié)合javascript、ASP.net等網(wǎng)頁(yè)開(kāi)發(fā)技術(shù)；開(kāi)發(fā)環(huán)境為Microsoft Visual Studio 2010。

2.2 專(zhuān)題數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

秦山核電預(yù)警報(bào)信息服務(wù)發(fā)布系統(tǒng)包含基礎(chǔ)地理信息以及多源海洋預(yù)警報(bào)信息，采用Oracle 10G數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理。從內(nèi)容上將專(zhuān)題數(shù)據(jù)庫(kù)劃分為預(yù)報(bào)產(chǎn)品關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)、大面產(chǎn)品地理數(shù)據(jù)庫(kù)以及警報(bào)單文件庫(kù)3個(gè)類(lèi)型。預(yù)報(bào)產(chǎn)品關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)包括秦山核電附近海域的綜合預(yù)報(bào)、地圖服務(wù)、風(fēng)浪流潮海洋預(yù)報(bào)等信息；大面產(chǎn)品地理數(shù)據(jù)庫(kù)主要存儲(chǔ)數(shù)模結(jié)果可視化處理生成的GIS數(shù)據(jù)；文件庫(kù)包含秦山核電附近海域的海浪及風(fēng)暴潮警報(bào)單。

預(yù)報(bào)產(chǎn)品關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)ER如圖3所示。

圖3 預(yù)報(bào)產(chǎn)品關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)ER

2.3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)將各類(lèi)基礎(chǔ)地理信息、秦山附近海域?qū)ｎ}信息、預(yù)報(bào)參考地理信息集為一體，形成風(fēng)格統(tǒng)一、信息多樣的基礎(chǔ)地理地圖，如圖4所示。

圖4 預(yù)警報(bào)信息服務(wù)系統(tǒng)的內(nèi)容和功能概覽

預(yù)警報(bào)信息服務(wù)系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)展示未來(lái)72 h的風(fēng)、浪、流場(chǎng)預(yù)報(bào)。風(fēng)場(chǎng)大面預(yù)報(bào)展示如圖5所示。

圖5 風(fēng)場(chǎng)大面預(yù)報(bào)展示

預(yù)警報(bào)信息服務(wù)系統(tǒng)以趨勢(shì)圖和表格形式展示任意點(diǎn)風(fēng)浪流預(yù)報(bào)、定點(diǎn)潮位預(yù)報(bào)、關(guān)鍵點(diǎn)預(yù)報(bào)。

任意點(diǎn)預(yù)報(bào)展示如圖6所示。

圖6 任意點(diǎn)預(yù)報(bào)展示

潮位預(yù)報(bào)展示如圖7所示。

圖7 潮位預(yù)報(bào)展示

關(guān)鍵點(diǎn)預(yù)報(bào)展示如圖8所示。

圖8 關(guān)鍵點(diǎn)預(yù)報(bào)展示

3 預(yù)警報(bào)信息服務(wù)系統(tǒng)特點(diǎn)

3.1 性?xún)r(jià)比高

根據(jù)本系統(tǒng)采用的軟件系統(tǒng)架構(gòu)模式，用戶(hù)只需要在客戶(hù)端安裝Chrome或360等瀏覽器就可以穩(wěn)定運(yùn)行，不需要安裝任何專(zhuān)業(yè)GIS軟件，服務(wù)器端安裝何種GIS軟件均不會(huì)影響用戶(hù)，在有效降低成本的同時(shí)提升系統(tǒng)的可操作性。

與傳統(tǒng)的GIS軟件相比，本系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)訪問(wèn)安全機(jī)制，通過(guò)設(shè)置賬戶(hù)名和密碼限制訪問(wèn)的人員范圍以及可訪問(wèn)的內(nèi)容，不同權(quán)限的訪問(wèn)者可以獲取不同的信息量，可以滿足各類(lèi)用戶(hù)及時(shí)查看秦山核電附近海域的海洋預(yù)報(bào)信息。

3.2 開(kāi)放性高

WebGIS支持HTTP協(xié)議、TCP/IP協(xié)議，這表示W(wǎng)ebGIS不受地區(qū)制約，能夠與任何支持互聯(lián)網(wǎng)地方的數(shù)據(jù)相連[3]。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的規(guī)范化是實(shí)現(xiàn)WebGIS其余所有功能需求的前置條件，也是確立WebGIS卓越的開(kāi)放性的基礎(chǔ)。

本系統(tǒng)將WebGIS空間數(shù)據(jù)資源和服務(wù)功能跨地區(qū)進(jìn)行集成整合與共享，每個(gè)用戶(hù)可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)在不同地域登錄系統(tǒng)，實(shí)時(shí)獲取系統(tǒng)中的地理信息，這些地理信息包含地理地圖、海洋預(yù)報(bào)信息、災(zāi)害警報(bào)信息、臺(tái)風(fēng)路徑等，為系統(tǒng)用戶(hù)提供便捷豐富的預(yù)報(bào)信息與服務(wù)，方便用戶(hù)決策管理。

3.3 交互性高

本系統(tǒng)采用DOJO作為前端框架，該框架對(duì)系統(tǒng)的可用性、交互能力以及功能均進(jìn)行了提升，使系統(tǒng)Web頁(yè)面具有更好的動(dòng)態(tài)效果，可以在任何能夠穩(wěn)定支持JavaScript語(yǔ)言的環(huán)境中發(fā)揮作用。

本系統(tǒng)使用ArcGIS API for JavaScript技術(shù)實(shí)現(xiàn)地圖上的數(shù)據(jù)交互以及信息展示。通過(guò)該技術(shù)可以將ArcGIS Server提供的地圖資源和其他資源嵌入系統(tǒng)，使用瀏覽器對(duì)地理地圖進(jìn)行縮放平移時(shí)，JavaScript API通過(guò)集成CSS3提供流暢平滑的用戶(hù)體驗(yàn)[4]。

例如在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，通過(guò)ArcGIS API For Javascript技術(shù)實(shí)時(shí)調(diào)用發(fā)布時(shí)間內(nèi)發(fā)布的REST地圖服務(wù)，將大面預(yù)報(bào)渲染圖層展示在區(qū)域海域內(nèi)，以幀次方式播放渲染圖層項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)播放的效果。

ArcGIS API for JavaScript在開(kāi)發(fā)過(guò)程中使用了DOJO簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)過(guò)程，DOJO屏蔽了瀏覽器之間的差異性，確保本系統(tǒng)在當(dāng)前主流瀏覽器中的表現(xiàn)一致。

4 結(jié)語(yǔ)

“秦山核電海洋預(yù)警報(bào)信息服務(wù)系統(tǒng)”實(shí)現(xiàn)了對(duì)秦山核電站附近海域的海面風(fēng)、海浪、海流、潮位、臺(tái)風(fēng)路徑等信息的集成與發(fā)布，在電腦終端上實(shí)現(xiàn)了多種信息的展示，為核電站用戶(hù)在防災(zāi)減災(zāi)決策預(yù)判時(shí)提供參考依據(jù)，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

本系統(tǒng)根據(jù)項(xiàng)目建設(shè)需求建設(shè)而成，受項(xiàng)目建設(shè)周期以及項(xiàng)目條件限制，該系統(tǒng)目前還具有一定局限性。

（1）本系統(tǒng)通過(guò)曲線、列表、地圖、文字等二維靜態(tài)圖形以及二維動(dòng)畫(huà)顯示展示海洋氣象預(yù)報(bào)，用戶(hù)需要通過(guò)讀懂文字或趨勢(shì)圖了解氣象變化，視覺(jué)效果不直觀，非專(zhuān)業(yè)用戶(hù)無(wú)法充分獲取所需信息。

（2）展示的預(yù)報(bào)種類(lèi)有限。

秦山核電海洋預(yù)警報(bào)信息服務(wù)系統(tǒng)預(yù)報(bào)產(chǎn)品的專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)，隨著預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，在今后進(jìn)一步改善的過(guò)程中，可以針對(duì)非專(zhuān)業(yè)用戶(hù)定制個(gè)性化交互功能。建立預(yù)報(bào)產(chǎn)品三維可視化模型，以更立體、易懂的形式展示預(yù)報(bào)信息。在系統(tǒng)中不斷集成新的精細(xì)化預(yù)報(bào)產(chǎn)品，豐富預(yù)報(bào)種類(lèi)。以此為普通用戶(hù)提供沉浸式更強(qiáng)、信息量更豐富、更直接易用的信息服務(wù)。