一站多能理念下的驗潮站建設實踐

王青顏，周濤，胡悅洋，魏子豐，薛獻運

（1.海南省海洋監測預報中心，?？?570206；2.中電科國海信通科技（海南）有限公司，海口 570203）

海洋觀測是海洋防災減災和海洋預報預警中的一項基礎性工作[1]，海南省海洋觀測站于1959年開始建設，采用傳統建設理念，觀測內容主要為風速、風向、氣溫、相對濕度、氣壓、降水量等氣象要素及表層水溫、表層鹽度、潮位等水文要素。驗潮站外觀設計按照《國家海洋局海洋觀測設施標準化設計導則》執行。隨著海洋經濟的快速發展，傳統驗潮站建設模式已難以滿足新的時代需要。傳統驗潮站沒有水質監測井，觀測要素不夠全面，空間資源利用不夠充分，因此建設一站多能的海洋觀測站勢在必行。朱志恩[2]和王懷利等[3]對驗潮站建設設計進行過有益的探討；劉望華等[4]和林航[5]分別對簡易驗潮站和長期驗潮站的建設進行了深入透徹的研究。在海洋災害智能預警方面，馬榮華等[6]在廣州成功建設了廣州市海洋綜合觀測系統和風暴潮風險評估與預警系統；陳周等[7]探索建立了海南省風暴潮預警綜合管理平臺；吳玲娟等[8]深入研究建設了山東省海洋災害觀測預警系統；韓華等[9]則將海洋綜合觀測平臺和海洋災害智能預警進行了結合；王麗琳等[10]針對東海區的海洋觀測預報減災信息共享技術體系進行了研究，搭建了一套集海洋觀測數據和預報產品制作于一體的平臺。但就如何建設一站多能的長期海洋觀測站點，尚無相關報道和經驗可循。根據《國家海洋局關于印發“一站多能”海洋（中心）站“十三五”實施方案的通知》，按照一站多能的建設理念，海南省海洋監測預報中心于2016 年在海南島沿岸建設了5 個長期驗潮站，分別位于文昌鋪前老漁港碼頭前沿海域、文昌翁田銀石灘近岸海域、萬寧港北港口門附近海域、澄邁馬村港二期防波堤前沿海域和昌江海尾核電碼頭前沿海域。本文介紹了驗潮站建設的相關實踐經驗，以期為未來的一站多能驗潮站建設提供借鑒和參考。

1 驗潮站外觀設計

本文引用的設計參數及建設數據來源于海南島5個驗潮站建設工程，且通過專家驗收，其中3個位于當地旅游開發規劃區內。文昌鋪前驗潮站位于鋪前鎮碼頭，根據規劃鋪前鎮將依托鋪前騎樓老街，打造歷史文化名鎮和瓊北全域旅游示范區；文昌翁田驗潮站位于銀石灘公園，屬海邊沙灘觀光垂釣區；萬寧港北港驗潮站位于萬寧港北港口門處，范圍內規劃建設“和樂龍舟漁家小鎮”。

按照當地政府旅游景觀設計要求，5 個站點采用了“天圓地方”的中國傳統設計構思，整個建筑外觀采用下部方形樣式，上部圓球形，外觀造型獨特，優美靈動，與周邊景觀有機融合（圖1）。

圖1 翁田驗潮站和鋪前驗潮站

2 科普教育基地

以海洋災害為科普主題，建設海洋科普意識教育基地，打造海南省海洋科普宣傳教育示范點。展廳以“海洋災害”“海洋環境監測預報”為主題，由新型超媒體技術支撐，破除傳統以展板為主的展館展示形式，運用觸控一體機、多媒體等超媒體技術，用更直觀、更多元的展示形式，打造多元化科普展示館。

主要內容為：利用驗潮站引橋進行觀景式棧道改造；觀測站樓體外觀鋪陳海洋生物彩繪；驗潮站三樓科普文化展廳配套多媒體科普設備，營造海洋空間氛圍，使展館進入公眾可參與交互式的新時代，引發觀眾濃厚的興趣，從而達到科普目的。

3 水質在線監測

按照原國家海洋局“監測觀測一片海”的建設思路，實施“一站多能”建設，5 個站點均布設了驗潮井、溫鹽井及水質監測井（圖2）。

圖2 驗潮站平、立面圖

驗潮井筒、溫鹽井筒及水質監測井筒均通過鋼結構抱箍固定于墩臺的工程樁上，驗潮井筒采用Φ1 000 mm 鋼管，壁厚16 mm，底部設置消波漏斗，漏斗孔徑為75 mm；溫鹽井筒及水質監測井筒采用Φ400 mm 鋼管，壁厚14 mm，極端高、低水位之間設置三通與外部水體連通，三通內徑50 mm，間距0.4 m 布置。井筒采用分段拼接型式，各分段之間采用法蘭連接，便于后期維修。

4 驗潮站觀測預警綜合管理指揮決策平臺設計

觀測預警綜合管理指揮決策平臺是集數據收集、處理、傳輸、應用于一體的綜合業務平臺，可滿足觀測數據實時采集及預報預警產品實時發布等服務保障需求。

根據海南省海洋災害預警體系建設實際，結合海洋監測預報中心業務需求，以一站多能理念下的驗潮站建設實踐為目標，打通各觀測站點、各級指揮決策部門和普通民眾之間的信息壁壘，實現系統間數據的交互與共享。驗潮站觀測預警綜合管理指揮決策平臺的設計與應用遵循分階段、可配置、可擴展、跨平臺和安全可靠原則，采用面向服務的四層結構設計，對海洋觀測數據進行報文采集、傳輸、解析、入庫等操作，使海洋觀測數據以直觀的圖文方式展示，并將相關產品快速推送至災害應急指揮決策部門，為海洋預報預警、防災減災和應急管理提供數據支撐和決策依據。

一站多能理念下的驗潮站觀測預警綜合管理指揮決策平臺按照“智能硬件+綜合平臺”理念進行設計，主要內容包括：（1）利用觀測站點外墻建設LED 顯示屏，滾動播放非涉密實時觀測數據及每日發布的預警報產品；（2）在驗潮站屋頂建設一套帶聲光報警功能的警戒潮位標志物（亮化式警示柱），利用現場采集數據進行四色警戒潮位報警，通過高清攝像系統，把災害現場潮位及周邊淹沒情況及時反饋到指揮決策中心，探索建立政府應急指揮與群眾避險自救相結合的防災減災機制，完善災害預警體系；（3）利用現有的“海南海洋監測預報”公眾號，以可視化圖表方式實時展示各個驗潮站站點的日高低潮位潮時、降水量、風速、風向、氣溫、濕度等數據，提升了海洋防災減災和便民服務能力。根據潮位四色預警報模型和系統潮位實時監測數據相結合分析研判，自動推送潮位預警消息服務，供社會大眾和漁民等用戶訂閱，并實時接收系統推送的潮位監測預警預報信息。

4.1 系統總體設計

4.1.1 總體架構設計

驗潮站觀測預警綜合管理指揮決策平臺架構采用“六橫三縱”理念搭建。系統架構圖如圖3所示。

圖3 系統架構圖

橫向六層架構主要包括：感知層、傳輸層、數據層、支撐層、應用層和服務層。

（1）感知層：構建驗潮站的感知系統，通過接入驗潮站物聯網設備，與可視化GIS 中臺相結合，獲取驗潮站的海洋監測實時動態和靜態數據。

（2）傳輸層：為了搭建穩定、安全和快速的一體化傳輸網絡，構建“互聯網+驗潮站”模式。采用數據專線、VPDN、北斗衛星等多種傳輸方式傳輸物聯網傳感器數據。

（3）數據層：按照國家數據庫建設要求、海南省信息化建設和管理條例，依托海南省電子政務云，建設觀測預警綜合管理大數據中心，建立物聯網采集數據庫和業務基礎數據庫。

（4）支撐層：云計算中心和大數據管理由海南省電子政務云提供，中臺服務層提供GIS 中臺、數據中臺和物聯網中臺，實現GIS 地圖開發和物聯網采集數據接入（圖4）。

圖4 驗潮站觀測預警綜合管理指揮決策平臺的系統網絡拓撲圖

（5）應用層：圍繞監控中心、后臺管理和H5移動端三大系統，形成縱向、橫向和對外的驗潮站觀測預警綜合管理指揮決策平臺。

（6）服務層：為防災減災主管部門、海洋觀測預報部門、應急主管部門、社會大眾等，提供視頻監控、當日監測數據、預報預警產品信息等各種服務。

縱向三層架構主要包括：運維管控體系、安全保障體系和標準規范體系。

（1）運維管控體系：采用故障管理、配置管理、存儲管理、資源管理、系統監控等技術，對系統及各類應用進行運維管理。

（2）安全保障體系：采用身份認證、加解密、訪問控制、病毒防護、入侵檢測、漏洞掃描等技術，提供對驗潮站觀測預警綜合管理指揮決策平臺的安全保證。

（3）標準規范體系：按照國家、地方、行業和軟件開發標準體系要求進行數據管理，為系統高效運行提供重要保障，各類設備、技術和服務的標準化將有利于驗潮站觀測預警綜合管理指揮決策平臺的模塊化、自動化和易擴展性。

4.1.2 數據庫設計

平臺數據庫主要包括物聯網采集數據和業務基礎數據兩部分。物聯網采集數據庫主要儲存潮位、降水量、氣溫、濕度、風速、風向和視頻監控等傳感器數據；業務基礎數據庫主要包括模型庫、方法庫、預警庫、預警產品庫、設備管理庫、潮汐表庫和GIS 庫等業務基礎庫。數據庫建設主要是實現海洋監測預報預警數據的一致性、可維護性、可管理性、數據完整性、數據備份性。

4.1.3 系統功能設計

驗潮站觀測預警綜合管理指揮決策平臺由監控中心、后臺管理和H5 移動端三大部分組成（圖5）。監控中心部分包括GIS 地圖、視頻監控、當日監測數據、四色警戒潮位報警管理、潮位預警曲線、降水量曲線、風速曲線、溫度曲線、物聯網設備狀態、預報預警產品、指揮決策管理功能，實現對物聯網設備采集的數據進行可視化圖表展示，以及可視化分析，為海洋預報、防災減災和應急管理指揮決策提供數據支撐和決策依據。后臺管理部分包括數據采集、觀測數據管理、警戒潮位預警管理、數據質控、數據處理、設備管理、系統管理等功能模塊。H5 移動端主要包括視頻監控、當日監測數據、潮位預警信息、預報預警產品等功能。

圖5 系統功能架構

4.2 關鍵技術

4.2.1 GIS中臺

面向多圖源、海量規?？臻g應用和高性能的GIS 中臺，為解決GIS 地圖開發領域的多圖源、大數據量、高性能、高效率等問題提供了平臺能力，并結合驗潮站觀測預警綜合管理指揮決策平臺的業務需求，定制化開發GIS 開發領域應用模型，形成海洋監測預報預警、防災減災“強基工程”科技底座，在驗潮站觀測預警綜合管理指揮決策平臺中實戰應用效果突出，平臺可服務于重要應用場景。

GIS 中臺已實現服務私有化部署功能，積累高精度海圖和衛星陸圖各一套，解決了系統GIS地圖圖源缺失的問題。GIS 中臺提供地圖矢量數據接入、管理和地圖服務發布功能，以其強大的空間分析和管理能力，實現空間數據管理、信息查詢、模型結果可視化（圖6）。

圖6 GIS中臺的數據處理流程圖

4.2.2 物聯網中臺

物聯網中臺具備高性能、高吞吐量、高擴展性等特性，支持百萬物聯網設備鏈接，同時支持自定義擴展功能，采用netty作為通信層組件，支持插件化開發集成。物聯網中臺連接多個同時在線鏈接，解決了物聯網設備的數據傳輸解析問題（圖7）。

圖7 物聯網中臺架構圖

物聯網中臺的核心特性：（1）支持多種廠家設備的統一連接管理和多協議適配(MQTT 等主流協議)；（2）具有靈活的規則引擎；（3）設備地理位置可在可視化大屏展示；（4）引入TDengine 時序數據庫超級表設計概念，每個設備一張表，每類設備一個超級表。

4.3 系統功能應用

4.3.1 主要功能應用

（1）監控中心驗潮站觀測預警綜合管理指揮決策平臺的監控中心首頁如圖8 所示。GIS 地圖功能提供了潮位監測、視頻監控和設備點位的地圖標注功能，可在GIS 地圖上直觀看到各個監測站點和物聯網設備位置信息。視頻監控功能提供了實時查看各個站點的視頻監控畫面。在海洋災害影響期間，可把災害現場潮位及周邊淹沒情況及時反饋到指揮決策中心，為防災減災指揮提供數據支撐及決策依據。當日觀測數據功能可用于對各個觀測站點前端設備采集的潮位、降水量、風速、風向、氣溫、濕度等數據進行管理，采用實時展示方式進行展示。四色警戒潮位報警管理功能用于預警記錄和預警指令下發。在臺風影響期間，各個站點潮位值達到不同預警級別（藍色、黃色、橙色、紅色）的臨界值時，記錄相應預警值，為臺風復盤提供數據依據；針對不同預警級別，下發預警指令到前端聲光報警設備進行報警（圖9）。潮位預警曲線功能可根據各個站點監測潮位數據，提供天文潮、實時潮位、實際增水三項潮位預警曲線數據項，構建潮位預警曲線模型，形成天文潮、實時潮位、實際增水三條不同預警曲線，實現對潮位預警的實時監測和預警監控。降水量曲線功能提供了按照地區和實際的可視化圖表展示，可根據不同潮位監測站點進行切換。風速曲線功能提供了各個觀測站點的實時風速，主要提取每小時的平均風速，用于監測24 h內的風速變化趨勢。溫度曲線功能提供了各個觀測站點的實時溫度，主要提取每小時的平均氣溫，用于監測24 h 內的氣溫變化趨勢。物聯網設備狀態功能可實時查看每臺物聯網設備的在線、離線、故障等運行狀態，對物聯網設備進行在線監控，當判斷物聯網設備運行在危險狀態時及時報警。監控中心支持在線進行不同預警報產品的條件查詢，同時支持可視化圖層展示驗潮站非涉密實時觀測數據。此外，監控中心平臺還可以播放每日發布的預警報產品。在臺風等高影響天氣系統影響期間，高清攝像系統可以把災害現場的潮位及周邊淹沒情況及時反饋到指揮決策中心，結合驗潮站的實時觀測數據以及海洋預警報產品為應急指揮決策提供數據支撐。探索建立政府應急指揮與群眾避險自救相結合的防災減災機制，完善災害預警體系。

圖9 四色警戒潮位報警管理

（2）后臺管理

數據采集功能支持接入物聯網傳感器采集數據。觀測數據管理功能可實現對觀測數據動態管理，支持自定義查詢所需數據（圖10）。觀測預警管理主要包括預警記錄和預警指令下發等功能，預警記錄主要對不同預警級別記錄潮位監測設備產生的預警值，預警指令下發主要針對前端設備，控制預警設備進行不同級別顏色顯示（圖11）。數據質控功能可導入最新的潮汐表進行管理，按照行業規定格式進行數據和質量控制（圖12）。數據處理功能用于觀測數據的解析入庫，應用大數據分析及數據整理等方式進行數據解析處理入庫。設備管理功能用于設備信息維護和設備狀態監控。系統管理包括菜單管理、角色管理、用戶管理、字典管理、定時任務和系統日志等功能。

圖10 觀測數據管理

圖11 觀測預警管理

（3）H5移動端

視頻監控功能可使用戶實時查看各個站點的視頻監控畫面。在海洋災害影響期間，提供直觀實時的視頻監控畫面，了解災害現場潮位及周邊淹沒情況。當日監測數據功能，提供了各個驗潮位站點前端設備采集的實時觀測數據。潮位報警管理功能提供了驗潮站的潮位預警信息，在臺風等自然災害影響期間，可實時關注潮位報警信息（圖13）。預報預警產品功能提供了潮位預警信息的風暴潮預警等預警報產品。

圖13 潮位報警管理

5 結語

一站多能理念下的驗潮站建設實踐是順應海南省海洋防災減災管理需求，同時也是滿足不同用戶使用需求的良好解決方案。海南省海洋監測預報中心將一站多能的建設理念在海南島沿海新建成的5 個長期驗潮站成功落地，在驗潮站外觀設計、驗潮站傳統觀測功能外延等方面進行了新的嘗試，使得驗潮站在完成海洋觀監測主體任務的基礎上增加了海洋災害預警功能、海洋預報功能及海洋災害科普宣傳功能，在更好地服務周邊群眾的同時可及時將災害現場的信息反饋到指揮決策中心，有助于建立政府應急指揮與群眾避險自救相結合的防災減災機制，進一步完善災害預警監測體系，為全國海洋觀測站點建設提供示范。