羅紅梅 陳玉貴 李浩 黃澤群

摘 要：為了貫徹落實習(xí)近平總書記提出的防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)新理念，有效提升水旱災(zāi)害防御能力，建設(shè)湖南省水旱災(zāi)害防御氣象服務(wù)平臺。該平臺基于湖南省氣象局“天擎”大數(shù)據(jù)中心，充分整合“氣象+水利+水文”數(shù)據(jù)，采用JAVA、Python、HTML+CSS等跨平臺開發(fā)語言，B/S、SOA、“云+端”架構(gòu)，虛谷、StarRocks 2.0數(shù)據(jù)庫研發(fā)，針對湖南省、市、縣水利部門、中小型水庫和電站的本地化業(yè)務(wù)需求，提供基于位置的流域和集雨區(qū)的面雨量預(yù)報、氣象預(yù)報預(yù)警、來水預(yù)報、水位預(yù)報、入庫流量預(yù)報和精準靶向預(yù)警信息發(fā)布等綜合服務(wù)，有效提升湖南省防洪調(diào)度、安全度汛、發(fā)電增效提供技術(shù)保障和數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：水旱災(zāi)害 數(shù)據(jù)源 多源數(shù)據(jù)整合 信息共享

中圖分類號：F127文獻標識碼：A

文章編號：1004-4914（2023）09-127-03

引言

據(jù)統(tǒng)計湖南省已建成并運行的水庫共13737座，約占全國水庫總數(shù)的1/7，居全國首位。湖南省是氣象災(zāi)害頻發(fā)重發(fā)的省份之一[1]，每年因暴雨、干旱、臺風(fēng)影響等造成的經(jīng)濟損失達到上千萬。過去雖然建設(shè)了很多氣象服務(wù)平臺[2-5]，但其功能相對分散，操作較為復(fù)雜，效率較低，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或異常情況[6]。近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智能化等新技術(shù)的不斷發(fā)展，不斷推動各行業(yè)科技產(chǎn)業(yè)的進步，如今，伴隨氣象事業(yè)的發(fā)展，多源、高密度、精細化的氣象觀測數(shù)據(jù)及和產(chǎn)品對數(shù)據(jù)收集、分析、處理、記錄和共享等提出了新的要求[7-10]，在湖南省，各種業(yè)務(wù)系統(tǒng)小分散、大體量的現(xiàn)象比較突出，需要一個統(tǒng)一的平臺進行集約化整合，用戶進行業(yè)務(wù)預(yù)報、預(yù)警、決策需要一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)環(huán)境來提供數(shù)據(jù)支持和服務(wù)[11-13]。為切實提升湖南省水旱災(zāi)害防御、防汛抗旱、水庫安全度汛等工作效能，充分發(fā)揮水利與氣象部門優(yōu)勢，貫徹落實湖南省氣象局和湖南省水利廳共同簽署的戰(zhàn)略合作協(xié)議內(nèi)容，建設(shè)了湖南省水旱災(zāi)害防御氣象服務(wù)平臺。該平臺充分融合“氣象+水文+水利”部門數(shù)據(jù)，無縫對接湖南省氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)、天擎大數(shù)據(jù)中心、突發(fā)事件應(yīng)急精準靶向發(fā)布系統(tǒng)，為湖南省市縣水利部門、中小型水庫和電站提供基于位置的水文氣象監(jiān)測預(yù)報預(yù)警服務(wù)。本文重點闡述該系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計、功能設(shè)計、性能設(shè)計、安全性設(shè)計及實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用效果。

一、系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

（一）系統(tǒng)設(shè)計

在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)環(huán)境下，該平臺構(gòu)建了湖南省氣象部門數(shù)據(jù)和產(chǎn)品信息的共享體系，主要提供流域和集水區(qū)的定位降雨預(yù)報，針對湖南省水利部門、中小型水庫和電站的本地業(yè)務(wù)需求， 同時提供準確的天氣預(yù)報預(yù)警、來水預(yù)報、水位預(yù)報、來水流量預(yù)報等服務(wù)，為湖南省防汛調(diào)度、安全度汛、提高發(fā)電效率提供技術(shù)支撐和數(shù)據(jù)支持。

（二）架構(gòu)設(shè)計

平臺選用“云+端”技術(shù)架構(gòu)[8]，采取“云端部署、終端服務(wù)”的模式建設(shè)，云端統(tǒng)一部署在湖南省氣象局“天擎”大數(shù)據(jù)中心，終端為服務(wù)對象，按照數(shù)據(jù)采集處理、數(shù)據(jù)建模分析、模型計算分析、產(chǎn)品制作加工、產(chǎn)品服務(wù)應(yīng)用為流程，以集約化、可擴展為原則搭建；新建應(yīng)用服務(wù)與現(xiàn)有業(yè)務(wù)平臺融合集成、標準化設(shè)計與開發(fā)，服務(wù)產(chǎn)品統(tǒng)一存儲在云平臺數(shù)據(jù)庫中，提供標準化接口和統(tǒng)一出口[9]，該系統(tǒng)主要包括：平臺客戶端、API服務(wù)、業(yè)務(wù)層、運行支持層、數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)庫和運行環(huán)境。（1）平臺的客戶端主要包含湖南省、市、縣水利部門和氣象局、中小型水庫和電站用戶。其中氣象局用戶主要是服務(wù)產(chǎn)品的發(fā)布、訂正與系統(tǒng)初始化配置與運行維護，其他用戶為服務(wù)對象，主要通過WEB網(wǎng)頁的形式進行訪問。（2）業(yè)務(wù)層提供系統(tǒng)訪問的API服務(wù)，包含資源查詢、降水數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)庫管理、項目信息管理、用戶及權(quán)限管理等。（3）運行支持層主要是系統(tǒng)依托于氣象內(nèi)網(wǎng)，提供HTTP方式訪問。（4）服務(wù)應(yīng)用層實現(xiàn)業(yè)務(wù)流程與服務(wù)，包含面雨量、流量、來水量、氣象數(shù)據(jù)、站點數(shù)據(jù)、報文產(chǎn)品、報警設(shè)置、風(fēng)云衛(wèi)星切片、格點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、雷達數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等實現(xiàn)。（5）數(shù)據(jù)層屬于平臺的底層，包含數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)、系統(tǒng)緩存數(shù)據(jù)、系統(tǒng)靜態(tài)資源文件等。其主要用于空間數(shù)據(jù)的存儲、備份及數(shù)據(jù)的安全，為整個服務(wù)平臺提供數(shù)據(jù)保障。（6）為了對運維數(shù)據(jù)和預(yù)報產(chǎn)品進行高效、準確、統(tǒng)一化管理，同時也為了提高其訪問速度，該平臺包括2個數(shù)據(jù)庫。一個是云平臺的虛谷數(shù)據(jù)庫，另一個是Doris數(shù)據(jù)庫。虛谷數(shù)據(jù)庫具有支持跨平臺、支持多字符集、權(quán)限隔離的安全機制、身份驗證、自主訪問控制、基于標記的強制訪問控制、數(shù)據(jù)庫審計、存儲加密等特點，是一款高性能、高安全、高可靠的數(shù)據(jù)庫；Doris數(shù)據(jù)庫，它具有在線表結(jié)構(gòu)變更、兩層分區(qū)、列式存儲，高壓縮比，多種索引、高基數(shù)精準去重等特性，可快速訪問和加速查詢。（7）運行環(huán)境：系統(tǒng)運行于虛擬機中，部署1臺虛擬機，包含服務(wù)站點、模型算法服務(wù)等。

（三）功能設(shè)計

根據(jù)業(yè)務(wù)需求及服務(wù)流程，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的整合。該平臺主要功能有：信息收集與處理、數(shù)據(jù)存儲與管理、信息共享服務(wù)和模型算法服務(wù)，建立了包含實況監(jiān)測、綜合預(yù)報、預(yù)警提醒、圖文產(chǎn)品、專屬服務(wù)、智能分析和三維GIS七大功能模塊。（1）實況監(jiān)測主要是通過接入流域內(nèi)國家氣象站、區(qū)域氣象站的降水實況數(shù)據(jù)，對不同時間不同氣象站的面雨量數(shù)據(jù)進行查詢、篩選、統(tǒng)計，基于站點值插值繪制色斑圖在地圖上展示。（2）綜合預(yù)報主要是提供市內(nèi)水庫集雨區(qū)的降水預(yù)報、來水預(yù)報，提供降水累計預(yù)報和降水分段預(yù)報，并將預(yù)報數(shù)據(jù)與GIS結(jié)合，通過色斑圖及格點值在地圖上顯示。（3）預(yù)警提醒主要是提供突發(fā)預(yù)警信號展示和提醒，對關(guān)注的水庫水位情況進行超閾值報警。（4）圖文產(chǎn)品主要是發(fā)布多種氣象要素圖文產(chǎn)品，針對賬號所屬地區(qū)提供省、市、縣三級針對性氣象服務(wù)報文產(chǎn)品。（5）專屬服務(wù)主要是提供按區(qū)域范圍、按特定人員兩種方式發(fā)布重要信息的功能，用于對特定災(zāi)害的提醒以及重要通知的傳達。（6）智能分析主要是提供歷史預(yù)報信息和歷史實況信息的統(tǒng)計展示，與同期數(shù)據(jù)進行對比，為當?shù)亟邓闆r進行輔助研判。（7）三維GIS主要是通過區(qū)域內(nèi)DEM高程數(shù)據(jù)，對地形進行渲染，通過三維地圖效果直觀展示區(qū)域范圍地形情況、設(shè)施分布、降水分布等信息，提供模擬巡航飛行功能。

（四）系統(tǒng)性能設(shè)計

系統(tǒng)性能設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計過程中的一個必要環(huán)節(jié)，它在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計中也非常重要。系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)換機構(gòu)把輸入的物流和信息流轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵龅奈锪骱托畔⒘鞯母鞣N參數(shù)值，主要包括響應(yīng)時間設(shè)計、系統(tǒng)并發(fā)數(shù)設(shè)計、穩(wěn)定性與可靠性、可擴展性和可維護性設(shè)計、實用性與簡便性設(shè)計及自動運行模式設(shè)計。（1）響應(yīng)時間：系統(tǒng)投入運行后，保持7×24小時穩(wěn)定運行；用戶的操作響應(yīng)需要得到保證，一般操作響應(yīng)小于1秒；復(fù)雜查詢響應(yīng)小于3秒，特殊操作可適當延長。（2）系統(tǒng)并發(fā)數(shù)：系統(tǒng)支持并發(fā)用戶數(shù)不小于190個。（3）穩(wěn)定性與可靠性：無論是硬件系統(tǒng)還是軟件系統(tǒng)都必須具有一定的可靠性，因此發(fā)布平臺的計算機設(shè)備應(yīng)選用中高檔次的服務(wù)器來滿足要求。（4）可擴展性與可維護性：系統(tǒng)應(yīng)具有較好的可擴展性，為應(yīng)用系統(tǒng)的進一步擴充和升級提供方便。系統(tǒng)一旦投入運行就不能間斷，除了要求收發(fā)軟件本身具有良好的維護性外，還應(yīng)當擁有在離線維護環(huán)境，不影響正常業(yè)務(wù)的情況下進行軟件維護。（5）實用性與簡便性：系統(tǒng)需要多部門共同使用，在充分考慮系統(tǒng)實用性的同時，要注重信息發(fā)布的效率，滿足不同用戶可以簡單快速的完成信息處理與發(fā)布工作，系統(tǒng)采用預(yù)置固定模板、設(shè)置固定參數(shù)等方式提升發(fā)布效率。（6）自動運行模式：軟件為不間斷自動運行模式，即除有必要的少量配置文件需要修改外，日常的業(yè)務(wù)均由系統(tǒng)按照參數(shù)配置自動運行，勿需人工干預(yù)。維護人員僅在系統(tǒng)報警提示的情況下，進行非正常情況的人工干預(yù)或故障維修。所有的故障狀態(tài)和信息系統(tǒng)都將自動記錄和存儲，便于事后的故障對策和分析之用。

（五）系統(tǒng)安全設(shè)計

本系統(tǒng)作為7×24連續(xù)運行的大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，安全管理具有極其重要的意義。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫安全設(shè)計原則是基于最小特權(quán)的原則，此原則授予用戶具有完成其任務(wù)的所必須的最小的特權(quán)，而不應(yīng)具有更多的特權(quán)。數(shù)據(jù)庫安全性分為如下幾個層次：安全規(guī)章制度、物理安全性、操作系統(tǒng)安全性、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)安全性、數(shù)據(jù)安全性。系統(tǒng)使用防火墻和入侵檢測來防止攻擊。同時，從應(yīng)用層面登錄系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫時，需要通過手機驗證碼進行驗證，以防止隱私的泄露。平臺系統(tǒng)不僅對每次觀察到的數(shù)據(jù)進行記錄、處理和存儲，對其進行加密，而且對刪除或誤刪除的數(shù)據(jù)進行一定天數(shù)的恢復(fù)，以保證數(shù)據(jù)安全。

二、關(guān)鍵技術(shù)

（一）數(shù)據(jù)源獲取

該服務(wù)平臺采用的氣象資料和水文水利數(shù)據(jù)來源于湖南省氣象局“天擎”大數(shù)據(jù)中心，平臺采用“云+端”業(yè)務(wù)模式，以“天擎”大數(shù)據(jù)中心為云，并且由“端”實現(xiàn)與用戶交互的功能，包括后端管理（系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)產(chǎn)品管理、系統(tǒng)業(yè)務(wù)監(jiān)控管理）和前端應(yīng)用（系統(tǒng)網(wǎng)頁服務(wù)應(yīng)用）。通過用戶操作，對“云”發(fā)送請求，后續(xù)操作由“云”完成（如數(shù)據(jù)存儲、產(chǎn)品加工、業(yè)務(wù)應(yīng)用等），并將數(shù)據(jù)返回給“端”，兩者由湖南省氣象局“天擎”大數(shù)據(jù)云平臺標準接口連接。

（二）多源數(shù)據(jù)整合

該系統(tǒng)需整合氣象數(shù)據(jù)、預(yù)警信息、水文信息等多源數(shù)據(jù)資料[13]，其中氣象預(yù)報資料主要來源于湖南省氣象局“天擎”大數(shù)據(jù)云平臺；突發(fā)事件預(yù)警信息主要來源于湖南省級突發(fā)預(yù)警信息發(fā)布業(yè)務(wù)平臺[12]，采用標準接口獲取和處理；水文和水利數(shù)據(jù)主要來源于湖南省氣象局與湖南省水利廳通過協(xié)議搭建的共享數(shù)據(jù)庫[14]。所有的信息均是基于用戶位置，獲取精準的服務(wù)信息。系統(tǒng)對原始數(shù)據(jù)篩選和處理，從而減少其運行過程中的數(shù)據(jù)處理量?；跀?shù)據(jù)的共享與同步，系統(tǒng)根據(jù)用戶的位置實時整合不同地區(qū)的數(shù)據(jù)以進行分析和展示。隨著數(shù)據(jù)量的增多且用戶每天都要進行數(shù)據(jù)的讀取、處理，將數(shù)據(jù)從分布在各地的數(shù)據(jù)庫取出然后在云端進行計算和存儲，可以有效的節(jié)約計算資源和提高計算效率。

（三）數(shù)據(jù)存儲與管理

數(shù)據(jù)以文件和數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的方式協(xié)作存取和管理，采用虛谷、StarRocks 2.0數(shù)據(jù)庫，提升系統(tǒng)訪問速度，系統(tǒng)服務(wù)采用標準化設(shè)計，方便迭代升級。根據(jù)應(yīng)用服務(wù)中對象關(guān)系不同的特點，采用不同的存取方式。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)對象關(guān)系搭建的關(guān)鍵是如何有效聯(lián)結(jié)用戶、流域、水庫等對象，數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)信息主要涉及用戶、流域、行政區(qū)、水庫、水文站、集雨區(qū)等，其中：流域與用戶之間為一多對應(yīng)、行政區(qū)和用戶之間為一多對應(yīng)、用戶和水庫之間為多多對應(yīng)、水庫和水文站之間為一一對應(yīng)、水庫和集雨區(qū)之間為一多對應(yīng)關(guān)系。本平臺通過對不同對象建立基礎(chǔ)信息表和關(guān)聯(lián)表等方式，建立對象間聯(lián)系。采用科學(xué)有效的管理模式為用戶提供統(tǒng)一、全方位的數(shù)據(jù)檢索和服務(wù)。具有導(dǎo)入歷史數(shù)據(jù)、更新、添加、備份、恢復(fù)、和清理等功能，并能監(jiān)控數(shù)據(jù)存取和資源使用。基礎(chǔ)信息管理涉及的對象關(guān)系如圖2所示。

（四）信息共享服務(wù)

信息共享服務(wù)采用web網(wǎng)站、共享文件目錄等方式管理數(shù)據(jù)、監(jiān)測、預(yù)測和預(yù)警等服務(wù)。在平臺運行中，許多用戶同時訪問時不僅需要快速處理大批數(shù)據(jù)，響應(yīng)及時也是必不可少，這與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、帶寬和訪問量等密切相關(guān)。因此需要高效的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來保證響應(yīng)速度可以滿足大量并發(fā)訪問的要求。該系統(tǒng)部署于湖南省氣象局內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器上，通過防火墻NAT技術(shù)[13]轉(zhuǎn)換策略進行地址轉(zhuǎn)化，映射提供外網(wǎng)可訪問地址，通過WEB網(wǎng)址訪問方式，使用戶能夠快捷的查詢、訪問，以及數(shù)據(jù)分析等共享服務(wù)。

（五）頁面刷新和數(shù)據(jù)交互技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)GIS技術(shù)基于B/S架構(gòu)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的檢索和分析，通過Internet提供地理信息發(fā)布、共享和交流協(xié)作，可實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的檢索、查詢、制圖、編輯等功能。為滿足用戶對本平臺數(shù)據(jù)較高實時性的要求，本平臺在頁面刷新和數(shù)據(jù)交互技術(shù)上使用Web[14]最新標準Fetch代替?zhèn)鹘y(tǒng)的ajax，XMLHttpRequest是一個設(shè)計粗糙的API，不符合關(guān)注分離（Separation of Concerns）的原則，配置和調(diào)用方式非?；靵y，基于事件的異步模型也沒有現(xiàn)代的Promise，generator/yield，async/await友好。fetch和XMLHttpRequest相比，主要有以下優(yōu)點：語法簡潔，更加語義化，基于標準Promise實現(xiàn)，支持async/await，同構(gòu)方便，使用isomorphic-fetch。

三、應(yīng)用效果

該平臺自2020年12月在湖南省邵陽市城步縣白云電站業(yè)務(wù)運行以來，期間在湖南市縣級水利局、中小型水庫和水電站得到了廣泛應(yīng)用。系統(tǒng)統(tǒng)籌數(shù)據(jù)，共享信息，實現(xiàn)不同地區(qū)數(shù)據(jù)庫的提取和云端的數(shù)據(jù)分析，屬于統(tǒng)一應(yīng)用管理系統(tǒng)，同時打通平臺和終端的同步、共享，進一步擴大了實時預(yù)報、預(yù)警能力。系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可維護性強，在云端存取和管理數(shù)據(jù)也具有很高的安全性，保證了各級業(yè)務(wù)能夠及時響應(yīng)。目前前端展示平臺提供天氣預(yù)報、綜合預(yù)報、水位預(yù)警、實況統(tǒng)計、雷達衛(wèi)星、臺風(fēng)路徑、圖文產(chǎn)品、三維GIS、專屬服務(wù)、智能分析、組織信息、實時氣象預(yù)警，共12大板塊40多類專業(yè)氣象服務(wù)產(chǎn)品，服務(wù)產(chǎn)品涵蓋未來2小時1KM×1KM的QPF定量降水預(yù)報、未來3天逐3小時5KM×5KM精細化格點降水預(yù)報、未來7天逐日流域面雨量預(yù)報、未來7天逐日入庫流量預(yù)報、水庫水位預(yù)警、氣象預(yù)警、過去10天逐日降水實況、過去24小時逐3小時降水實況、水庫或電站當前水位、汛限水位、入庫流量、出庫流量實況、衛(wèi)星云圖、單站或雷達拼圖、省市縣三級決策氣象服務(wù)產(chǎn)品、精準靶向發(fā)布等服務(wù)產(chǎn)品和功能服務(wù)。該平臺在2021年湖南省累計發(fā)生的10輪暴雨洪水過程，和接連發(fā)生了夏旱、秋旱和冬旱氣象服務(wù)中發(fā)揮了較好的服務(wù)效益，2021年湖南省水旱災(zāi)害防御實現(xiàn)了“零死亡”的好效果，平臺得到省級領(lǐng)導(dǎo)和水利部門及服務(wù)用戶的好評，為湖南省水利部門的防汛抗旱、蓄水保水、發(fā)電增效提供了有力的技術(shù)保障和數(shù)據(jù)支撐。

四、結(jié)束語

該平臺已通過扁平化設(shè)計，形成了“一級部署，多級應(yīng)用”業(yè)務(wù)布局，實現(xiàn)技術(shù)、數(shù)據(jù)、資源在省級氣象部門的統(tǒng)一集約與管理，系統(tǒng)迭代升級方便、節(jié)約系統(tǒng)運維成本，提高工作效率。省級部門加強與用戶的溝通與交流，摸清用戶實際業(yè)務(wù)需求，加強最下游服務(wù)產(chǎn)品的研發(fā)，升級迭代服務(wù)平臺，不斷提高氣象服務(wù)質(zhì)量。同時在實際運行過程種，不斷結(jié)合天氣過程和實際情況，調(diào)整預(yù)報預(yù)警模型參數(shù)，提高預(yù)報精準度。

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