基于SWAN的基層人影綜合業務系統的研究

劉國強 唐辟如 彭宇翔

(貴州省人工影響天氣辦公室 貴州 貴陽 550081)

0 引 言

隨著我國經濟的持續發展和廣大人民群眾生活水平的不斷提升，氣象與人民的生活愈發息息相關，近幾十年來，人工影響天氣作業在省、市、縣已成為常規氣象業務服務于社會。一方面，社會公眾對人工影響天氣作業頻次、效果的期望不斷增強，另一方面，隨著信息化技術的發展，市縣級人工影響天氣部門仍停留在原有的電話式溝通、簡單分析和主觀操作等方式階段，嚴重影響人影作業指揮能力的提高。同時，人工影響天氣業務系統存在小、多、散和缺乏標準化的缺點，建設適應基層特點的集約化、智能化、一體化人工影響天氣業務系統的需求日漸迫切。

近年來，很多研究學者對建設省級氣象服務業務系統進行了一系列相關研究。詹利群等[1]利用啟動策略配置，完成了按時自動運行的統計，滿足用戶對準實時質控后地面氣象資料統計值得業務需求。李靜等[2]設計了B/S結構基于GIS的山西氣象技術裝備保障一體化系統。李建等[3]開發了基于webgis技術的公共氣象服務業務平臺從而實現了氣象信息的快速查詢。崔新強等[4]開發建成了湖北省氣象服務一體化業務平臺，實現了業務流程的可視化管理，減少了氣象工作者不必要的重復勞動。文獻[5-7]為提高專業氣象服務產品加工自動化程度，分別研究開發了專業性的氣象服務體系。陳晴等[8]利用本地化系統與CIMISS系統的無縫對接實現了氣象數據的高效快速可視化。王凱松等[9]設計了基于GIS的氣象監測與預警系統。郭慶燕等[10]開發了基于全國綜合氣象信息共享系統的氣象數據服務系統。Speranza等[11]開發并介紹了SIMM地中海地區的綜合預報系統。但是這些系統和平臺通常僅涉及氣象業務體系的某個方面，有些也在系統集成方面進行了一定的研究開發，但大多僅限于單一的某個層級，并沒有很好地連接省-市-縣不同層級，想要從根本上提升氣象業務能力，任何一個層級都不能缺少。

因此，為提升貴州省人工影響天氣的業務素養和作業水平，本文在市縣級建立快速分析、風暴識別和跟蹤預警自動化服務端，向上對接國、省兩級人影指揮系統及CIMISS系統，直接獲取省級指導產品；橫向對接SWAN，依托其數據環境，并基于本地雷達資料、SWAN產品等進行快速分析、風暴識別和跟蹤預警；向下做預警自動發布、作業指令發布、試點實現智能化作業，各作業點或外部門通過Web或移動終端設備訪問接收預警信息和作業指令，充分體現了系統的科學性、安全性和先進性，首次建立貴州省人工影響氣象業務技術體系。

1 系統總體設計

為保障該系統的多用性、同享性和兼容性，系統引入了層次化的設計思路。用戶層、應用層和數據層共3大層面共同支撐起整個貴州人工影響(后面簡稱人影)綜合業務系統。其中用戶層主要包括省級人影、市縣級人影、炮站終端；應用層主要分為服務端和客戶端，服務端包括人影服務端和SWAN服務端，客戶端包括SWAN客戶端和炮站客戶端；數據層儲存系統的所有數據。系統的數據源由本地的數據庫與全國綜合氣象信息數據共享平臺提供，主要包括人影作業數據、短臨預報數據和基礎地理信息數據等。應用系統的總體框架見圖1。

圖1 系統總體框架

該系統是一個綜合性業務系統，與多方外部系統都有數據通信(見圖2)，其中：CMISS、SWAN、小雷達產品系統為本系統提供基礎數據和產品；物聯網系統、空域系統、作業評估系統與本系統進行對接，保證各系統數據一致性、及時性；一鍵發布為系統提供產品信息發布渠道。

圖2 系統聯系

2 系統功能設計

基于SWAN的基層人影綜合業務系統主要包括9個功能模塊：地圖模塊、SWAN產品模塊、人影產品模塊、監測預警模塊、空域申請模塊、跟蹤指揮模塊、效果評估模塊、決策服務模塊、系統管理模塊，如圖3所示。

圖3 基于SWAN的基層人影綜合業務系統功能結構

1) 地圖模塊。進入系統后，系統提供在地圖上查看基礎信息的功能，主要包括作業信息點、作業數據、作業點禁射區、相關業務數據等，同時提供基礎的地圖操作方式，主要包括放縮和測距等。

2) SWAN產品模塊。該系統可以展示SWAN產品信息，如風暴追蹤外推產品、雷達拼圖、風暴頂高、垂直液態降水、雷達三維拼圖、QPE和QPF等產品。

3) 人影產品模塊。人影產品主要包括冰雹識別產品和冰雹概率產品。冰雹識別產品是基于雙偏振雷達的冰雹產品查看功能，冰雹概率產品是基于雷達三維拼圖資料計算的冰雹概率產品查看功能。

4) 監測預警模塊。監測預警主要包括3項功能：(1) 系統自動預警：在進入監測預警功能后，系統后臺會自動生成預警信息，將最新的預警作業點在Web端的列表和WEBGIS上進行預警顯示。(2) 人工訂正預警作業點：可以通過點擊地圖上的作業點來修改預計作業時間和預警時效。(3) 預警查詢：根據預警時間可以進行預警查詢，系統將查詢的結果在列表和WEBGIS上顯示。

5) 空域申請模塊?？沼蛏暾埬K為與空域系統對接信息展示模塊，主要包括三個方面的功能：空域申請、空域申請反饋和作業點狀態顯示。用戶可以查看通過本系統向空域系統發送的預警點數據進行空域申請，實際作業點數據通過接口從空域申請系統中反饋到本系統，并且系統通過接口可以查看作業點作業前后的狀態信息數據。

6) 跟蹤指揮模塊。在多普勒雷達或者TWR雷達中查看某個雷達站的數據，同時可以自動計算出每個對應作業點的作業參數(預計作業時候的仰角、作業方向、用彈量)，若對自動計算的作業參數不滿意可以進行人工手動訂正，確定準確無誤后可以將作業點的三參數通過作業指令的方式發送到公眾號，然后炮站端公眾號即可接收到最新作業指令。與此同時，可以隨時查看實時的探空資料和雷達回波信息。

7) 效果評估模塊。系統針對已經作業的作業點，提供防雹作業效果評估、增雨效果評估功能，主要包括效果評估列表和作業效果評估分析兩個功能。系統根據雷達資料分析防雹作業效果，根據實況數據和個點預報數據計算增雨量和增雨作業效果。

8) 決策服務模塊。人影決策產品包括人影作業條件預警報、潛力報、需求報、過程報和人影作業效果分析?？赏ㄟ^系統直接生成人影決策產品，并進行產品簽發。

9) 管理模塊。系統的管理模塊主要包括：(1) 作業點管理：可以查詢作業信息，并根據需要導出作業點信息表格。(2) 系統管理：可以修改模塊、用戶信息和地區信息，并對權限進行設置。

3 系統實現的主要技術

3.1 基于CIMISS的氣象數據采集及處理方法

CIMISS氣象數據服務接口是基于CIMISS數據環境，面向氣象業務和科研，提供統一、標準、豐富的數據訪問服務和應用編程接口(API)。對于不同種類的氣象數據和氣象資料，CIMISS都提供獨立的數據訪問接口，每種數據接口都提供諸如時間點、經緯度范圍、統計時段等接口參數，用戶可根據實際業務需要，利用不同的參數檢索所需的氣象資料數據。通過輸入不同的參數，通過后臺編程調用CIMISS數據接口獲取氣象數據和產品，包括氣象臺站信息、站點資料實況和分段統計、格點預報資料和多類文件數據產品(雷達產品、衛星云圖、數值預報產品)等。具體調用方法見表1。

表1 CIMISS接口調用方法

callAPI_to_serializedStr方法獲取的數據以序列化的字符串(xml/json/html/text)形式返回，callAPI _to_array方法獲取的數據以二維數組的形式返回。

系統主要通過Java語言，接入CIMISS接口獲取氣象數據，經過數據處理解析過程，轉換成統一標準的數據結構接口或服務，按用戶的數據請求的數據接口格式或者服務形式在客戶端Web頁面上渲染呈現。

系統采集數據CIMISS種類很多，主要包括：多普勒雷達基數據、twr小雷達數據、SWAN產品數據、格點預報數據、氣象實況數據等，如圖4所示。

圖4 數據采集及解析處理流程

通過系統統一解析處理計算，輸出標準的矢量類和柵格圖片類數據，供系統業務或者WEBGIS可視化使用。

3.2 基于HTML5的WEBGIS可視化技術

為保證系統客戶端高效渲染氣象數據，系統采用基于HTML5和Canvas技術的WEBGIS技術引擎OpenLayers，OpenLayers是一個提供強大地圖展示功能和標準OGC規范接口的JavaScript包，可以提供豐富的地圖交互功能。系統利用OpenLayers和Echarts，實現對氣象數據的顯示、交互、圖表的再分析等可視化顯示。

基于Canvas API和Canvas渲染器，OpenLayers地圖引擎實現了氣象數據的圖層渲染繪制和疊加；對于氣象數據中點、線、面的表達，OpenLayers提供了相關標準的對象接口，分別為Point、PolyLine和Polygon。本系統主要實現了4種矢量數據圖層：作業炮點圖層、預警圖層、禁射區圖層、相關業務數據圖層。對于系統中的SWAN產品、人影產品和衛星云圖圖層，主要采用Imge圖層方式展示產品圖片；Imge圖層根據圖層產品的范圍坐標轉化為屏幕坐標，顯示在WEBGIS地圖圖層中。

系統的WEBGIS可視化對于Web動態顯示提供局部刷新，采用Ajax的HttpRequest請求實現異步數據的請求和GIS的局部更新。

3.3 基于Office Web插件的報告在線生成技術

基于Office Web插件，在Web頁面上實現Word報告的生成、編輯、保存，借助本系統平臺能很好完成各種決策報告服務報告制作和上傳下達。

Office Web插件是一款輕量級的Office插件，不要求服務器端必須安裝Office軟件，但是要求客戶端必須安裝Office軟件，包括Microsoft Office或者WPS,是一種Web端ocx插件技術，具體調用流程如圖5所示。

圖5 Office Web調用流程

系統中，通過在線Office技術，在后臺預先設定業務報告模板，用戶可以在調用模板基礎上進行業務服務報告編輯制作，然后保存到服務器中完成報告制作。

4 系統實現結果及性能

4.1 系統實現結果

本文系統引入小雷達觀測數據作為分析計算的基礎資料，通過省-市-縣-作業點四級集約化設計及信息的共享，實現了作業潛力預報、臨近預警、跟蹤指揮、效果評估、空域申報和安全管理等人影業務分析功能。圖6為系統登錄界面。

圖6 系統登錄界面

通過該系統可以隨時查詢全省人影已審批通過的作業點基本信息(作業點編碼、名稱、類型和經緯度等)、已作業站點的詳細信息(站點名稱、作業時間、作業性質、用彈量等)，以及所需的作業裝備圖、多普勒雷達分布圖、twr小雷達分布圖和安全射界圖等。系統可對已有的資料進行分析，如根據需要生成組合反射率CR拼圖、風暴頂高、垂直液態水含量VIL和雷達三維拼圖等。系統基于雷達三維拼圖資料自動計算冰雹概率，通過衛星云圖查看云相態、云頂高度、云頂溫度和云頂氣壓等。進入監測預警功能可以在后臺自動生成預警信息，同時將最新的預警作業點在Web端列表和WEBGIS上進行顯示，人影部門可根據預警提醒進行空域申請，根據某一地區的基本反射率和探空高度等可計算相應的作業參數，隨后通過作業指令將其發送到相應公眾號，從而炮站終端公眾號可以接收到相應指令，可參考指令進行空域申請和作業。針對已作業的站點，可以提供作業效果評估，主要包括效果評估列表和作業效果評估分析。在一次過程結束后，可在系統中完成本次災情信息填寫，便于后期查詢和科研。系統界面部分截圖如圖7所示。

圖7 系統界面部分截圖

4.2 性能檢驗

為檢驗本文系統性能，分析系統存在的功能BUG和性能缺陷，系統采用黑盒測試、邊界測試等方法對系統的功能和性能進行全面測試。

4.2.1系統BUG趨勢圖

基于SWAN的基層人影綜合業務系統進行黑盒功能測試過程中，共對三個版本系統進行了回歸測試：即A1-A3為迭代開發版本，BUG版本趨勢見圖8。

圖8 按時間趨勢劃分BUG

該系統第一階段從2018年3月8日至3月14日，從圖8中可以看出，平均每個版本回歸測試的BUG數量基本維持在15個左右。A1共有24個BUG，由于版本A1的一個功能模塊在版本A2才第一次測試，因此版本A1的BUG相對A2偏少，而版本A2中的BUG數相對于版本A1出現了明顯的增長；版本A3中BUG數呈下降趨勢是由于版本A3中有版本A2的BUG驗收測試，以及版本A1A2的回歸測試。

4.2.2BUG所占功能模塊比

為及時發現系統潛在問題，分別從不同模塊進行執行測試，從圖9中可以看出本文系統問題主要集中在預警指揮、資料分析這兩個模塊，BUG所占比例分別為27%和22%，系統管理模塊最低，為5%。根據BUG所占比例針對問題及時進行修復。

圖9 不同模塊BUG分布

檢驗結果表明本文系統具有較好的性能，能較好地實現資料分析、預警指揮、決策服務、業務管理、效果評估等功能。但現系統的可靠性控制不夠嚴密，多數控制是通過頁面控制實現的，若頁面控制失效，可向數據庫插入數據引發錯誤，以及系統中很多地方使用多語言，由于多語言編碼不統一從而導致頁面設計和數據設計使用語言編碼不一致，出現多語言數據無法顯示等問題。下一步工作計劃：(1)繼續優化系統的可靠性，增加數據模型的邏輯性驗證，確保Web頁面和后端接口交互一致可靠，保障系統長久穩定運行；(2)進一步優化冰雹概率預報算法，結合貴州當前的山地氣候特征和不同地市的地形氣象條件差異，展開冰雹算法參數調整，生成地市級空間尺度的冰雹概率預報產品，提高系統服務能力，更好地服務人影作業需求。

5 結 語

建立基于SWAN的基層人影綜合業務系統，很大程度地減少了信息傳輸環節，改進數據傳輸方式，減少中間環節時延，提升數據應用效率，形成貫穿精細化預報數據獲取、產品加工、應用服務各環節的集約、高效的信息流程，全面提升了貴州省人工影響天氣作業指揮能力，人影作業精細化和科學化水平也得到顯著提升，協調指揮和科學作業水平得到增強，實現人工影響天氣工作由擴散型向集約型轉變，單一型向綜合型轉變，形成上下級聯動作業的人影氣象業務技術體系。