馬琰鋼 鄭偉才 鄧闖

（浙江省氣象服務(wù)中心，浙江杭州 310017）

基于LBS的氣象報警系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

馬琰鋼 鄭偉才 鄧闖

（浙江省氣象服務(wù)中心，浙江杭州 310017）

為使用戶通過移動終端準確、及時地獲取所在位置和所關(guān)心位置的天氣變化情況，研究設(shè)計并實現(xiàn)了一個基于LBS的網(wǎng)氣象報警系統(tǒng)，通過云消息推送，為用戶提供基于位置信息的強降水、極熱極寒、低能見度和冰雹等多個災(zāi)害類別的綜合氣象報警服務(wù)。為保證系統(tǒng)對海量用戶并發(fā)訪問有足夠承載能力和較快響應(yīng)速度，將多種氣象格點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二進制格式進行傳輸和計算，用分布式計算方式進行運算處理，并在整個過程中采用Memcached內(nèi)存管理機制。

氣象報警 云推送 短時臨近預(yù)報 基于位置服務(wù) 風暴追蹤 格點數(shù)據(jù)

1 引言

近年來移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展正在深刻改變著人們的生活方式和各個行業(yè)的發(fā)展模式。與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不同，移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有實時在線及與用戶主動交互的新特性。而隨著現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)體系的建設(shè)，氣象部門制作了大量的基于地理信息的格點化氣象監(jiān)測和預(yù)報產(chǎn)品，可快速實現(xiàn)探測范圍內(nèi)任意經(jīng)緯度的氣象信息檢索。在眾多氣象信息中，公眾對氣象災(zāi)害信息的需求最為迫切，大部分氣象災(zāi)害來臨前，氣象部門都能準確預(yù)測并向公眾發(fā)布預(yù)警信息，但是這些信息往往是針對某一行政區(qū)域的，格式則較為固定[1-3]。公眾不僅需要獲取“面”上的氣象預(yù)警信息，也希望能從“點”上獲取精細化和智能化的綜合氣象報警服務(wù)。將格點數(shù)據(jù)快速檢索技術(shù)與移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相融合，就能實時和主動告知用戶探測范圍內(nèi)任意經(jīng)緯度的天氣變化情況。

2 系統(tǒng)設(shè)計總體原則

氣象報警系統(tǒng)總體設(shè)計思路是，基于WebGIS服務(wù)建立統(tǒng)一的氣象數(shù)據(jù)模型，管理包括降水、溫度、風、能見度和強天氣預(yù)警等在內(nèi)的一系列氣象信息數(shù)據(jù)，并在統(tǒng)一的時空模型下將各類氣象數(shù)據(jù)與用戶定位信息相融合，最終實現(xiàn)基于位置服務(wù)（Location Based Service，LBS）的氣象報警系統(tǒng)。系統(tǒng)旨在移動互聯(lián)網(wǎng)背景下為用戶提供精準的基于位置的短期天氣變化提醒、短時臨近預(yù)報預(yù)警、災(zāi)害防御措施及溫馨提示等氣象報警服務(wù)。

2.1 軟件設(shè)計原則

本系統(tǒng)設(shè)計遵循軟件架構(gòu)設(shè)計的基本原則[4]，基于開發(fā)維護的需要，主要在以下幾方面進行了更多的考慮。

①標準化：數(shù)據(jù)接口統(tǒng)一使用標準SOAP協(xié)議，并對數(shù)據(jù)接口進行雙向加密；

②可靠性：為保證系統(tǒng)的可靠性，數(shù)據(jù)處理服務(wù)器和WEBSERVICE服務(wù)器均采用分布式部署，WEBSERVICE服務(wù)器通過F5進行負載均衡；

③效率性：氣象數(shù)據(jù)種類多及數(shù)據(jù)量大，本系統(tǒng)采用了二進制數(shù)據(jù)處理方式，將Micaps第四類格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二進制格式并壓縮，以此為標準格式在服務(wù)端完成數(shù)據(jù)傳輸、解析和計算等各個數(shù)據(jù)處理流程，并以二進制數(shù)據(jù)格式傳送至客戶端進行解析，以此提高數(shù)據(jù)傳輸解析效率；

④可擴展性：報警閾值及報警要素均可通過后臺進行快速簡單配置，部分后臺處理程序采用Python和C#混合編程，方便二次開發(fā)。

2.2 功能設(shè)計原則

功能設(shè)計原則主要有以下3個方面。

①全面性：涵蓋冰雹、雷雨大風、雷暴、強降水、大風、極熱極寒、低能見度和空氣污染等公眾特別關(guān)心的災(zāi)害類別，發(fā)布方式應(yīng)包括自動發(fā)布和手工發(fā)布；

②準確性：綜合預(yù)測及實況監(jiān)測數(shù)據(jù)，以強降水為例，以10 min滾動更新的1 km定量降水客觀預(yù)報格點數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，輔以5 min區(qū)域自動站的實況監(jiān)測數(shù)據(jù)，得出綜合的強降水報警信息；

③及時性：短臨的強降水災(zāi)害，往往過程短，影響大[5]，從監(jiān)測到客觀預(yù)報，再生成報警信息，往往只有數(shù)十分鐘的防御時間，通過短信、網(wǎng)站提醒等傳統(tǒng)手段，往往在通信上浪費了寶貴的時間。為此，系統(tǒng)通過云推送服務(wù)，直接對移動終端推送提示消息，輔以短信電話等其他手段，確保公眾能在第一時間接收報警信息。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)核心內(nèi)容包括數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)處理程序、安卓及IOS客戶端程序、云消息推送接口。系統(tǒng)使用C#進行氣象報警數(shù)據(jù)邏輯處理，結(jié)合Android及IOS系統(tǒng)的自動定位功能，調(diào)用百度云推送服務(wù)，根據(jù)移動終端綁定的TAG向所有用戶或不同標簽分類的特定用戶群體、單個用戶或基于地理位置推送通知、消息及富媒體，數(shù)據(jù)庫則使用ORACLE 11G高性能數(shù)據(jù)庫如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3.2 數(shù)據(jù)來源

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)一部分來源于浙江省氣象臺短臨預(yù)報預(yù)警平臺生成的風暴追蹤、中氣旋、降水估測和雷電數(shù)據(jù)[6-8]，其中格點數(shù)據(jù)為1 km格距的MICAPS 4類數(shù)據(jù)；另外還使用了部分自動站數(shù)據(jù)，包括溫度、降水、氣溫、能見度和風速等，這些數(shù)據(jù)由浙江省氣象信息網(wǎng)絡(luò)中心進行插值后處理成統(tǒng)一的MICAPS 4類格點數(shù)據(jù)。系統(tǒng)將原始數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一處理后，發(fā)布成WEBSERVICE接口進行統(tǒng)一調(diào)用。

3.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

通過分析，構(gòu)建本系統(tǒng)需要用戶基本信息、各種氣象要素報警閾值、報警用語和報警歷史記錄等內(nèi)容。因此，數(shù)據(jù)庫由用戶表、用戶關(guān)注位置表、報警內(nèi)容模板表和用戶關(guān)注要素表等數(shù)據(jù)表組成。

用戶表主要由用戶注冊信息、最近一次定位經(jīng)緯度、手機號碼和用戶終端唯一碼組成。用戶終端唯一碼則可以和云消息推送服務(wù)器TAG進行綁定，從而可實現(xiàn)單用戶消息推送。用戶關(guān)注位置表主要由經(jīng)緯度信息、通知人和通知人手機號碼等組成，用戶可打開APP，通過地圖選取或輸入地址，設(shè)置關(guān)注地點。

報警內(nèi)容模板表主要由要素類型、報警閾值和報警內(nèi)容等組成，不同要素可以設(shè)置不同閾值及報警提示語。通過幾個主要數(shù)據(jù)表內(nèi)容形成了用戶、關(guān)注點和要素閾值之間的對應(yīng)關(guān)系，是系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計的核心部分。除此之外，還需建立發(fā)送日志、收費策略和用戶類型等其他輔助表。

3.4 系統(tǒng)功能

基于系統(tǒng)設(shè)計的總體原則，突出氣象報警精細化和網(wǎng)格化的特點，主要包含數(shù)據(jù)邏輯處理、用戶定位、手動報警和云消息推送等功能。同時，為了貼合浙江省氣候特點，各要素的報警級別也要在國家標準的基礎(chǔ)上，進行一些微調(diào)。

3.4.1 數(shù)據(jù)邏輯處理及報警閾值

短臨預(yù)報數(shù)據(jù)每10 min更新一次，加上自動站分鐘資料，數(shù)據(jù)量相當巨大。對基礎(chǔ)的格點數(shù)據(jù)，首先通過線性計算，將不在閾值范圍內(nèi)的格點值置空，然后根據(jù)不同的要素特點，與GIS數(shù)據(jù)結(jié)合，計算出鄉(xiāng)鎮(zhèn)級或格點級的災(zāi)害級別，再與關(guān)注點進行比對，如達到預(yù)置的災(zāi)害報警閾值，則通過推送消息或短信等手段對用戶進行報警，并在閥值提升后滾動報警?；練庀笠貓缶拈撝等绫?所示。

表1 氣象報警閾值設(shè)計

3.4.2 用戶定位

本系統(tǒng)的用戶定位信息采集及關(guān)注點設(shè)置功能集成在浙江省氣象服務(wù)中心研發(fā)的“智慧氣象”手機客戶端中。用戶只要打開“智慧氣象”APP，通過簡單操作，就能將自己所在位置及自己所關(guān)心的位置設(shè)為關(guān)注點，后臺經(jīng)過運算，就能對關(guān)注點發(fā)送報警信息?？紤]到用戶隱私，系統(tǒng)并沒有采用實時獲取用戶定位信息的方式獲取用戶經(jīng)緯度，只有用戶打開APP，才記錄用戶最近一次定位經(jīng)緯度信息，用戶也可以通過客戶端設(shè)置，允許后臺實時調(diào)用用戶定位信息。

3.4.3 手動報警

除了可以通過后臺數(shù)據(jù)處理邏輯，對用戶關(guān)注點自動推送報警消息，如果出現(xiàn)重大天氣過程或突發(fā)氣象災(zāi)害，如臺風和強暴雨等，還可以針對不同影響范圍，實現(xiàn)氣象報警信息分區(qū)域手動推送，該功能主要依托移動終端與云推送服務(wù)器不同標簽綁定來實現(xiàn)。在與云服務(wù)器綁定TAG時，除了可以通過終端UUID進行唯一綁定，還可以將用戶定位點所在區(qū)域的省、市、縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和街道等行政區(qū)劃信息作為TAG進行綁定，這樣，如判斷天氣過程會對某一區(qū)域產(chǎn)生影響時，就可以根據(jù)移動終端綁定的TAG向所有用戶或不同標簽分類的特定用戶群體、單個用戶或基于地理位置推送通知、消息及媒體。

3.4.4 云消息推送

系統(tǒng)目前采用百度的云推送服務(wù)推送報警消息，通過客戶端綁定用戶的userid、channelid、TAG，根據(jù)需求對用戶進行組播或單播，后期也可以進行深入研究，搭建自己的云推送服務(wù)器。云推送（Push）是百度開放云向開發(fā)者提供的消息推送服務(wù)；通過利用云端與客戶端之間建立穩(wěn)定和可靠的長鏈接來為開發(fā)者提供向客戶端應(yīng)用推送實時消息服務(wù)。百度云推送服務(wù)支持3種推送類型：通知、消息及富媒體；支持向所有用戶、根據(jù)標簽分類向特定用戶群體、向單個用戶和基于地理位置推送消息；支持更多自定義功能（如自定義內(nèi)容、后續(xù)行為、樣式模板等）；還提供用戶信息及通知消息統(tǒng)計信息，方便開發(fā)者進行后續(xù)開發(fā)及運營。

4 風暴追蹤實例分析

結(jié)合2014年8月18日寧波、臺州一個強對流天氣過程進行分析，假設(shè)在“智慧氣象”手機客戶端中設(shè)置3個關(guān)注點1、2和3，其中，關(guān)注點2在中氣旋前進路線上。首先判斷中氣旋中心點經(jīng)緯度與風暴追蹤線垂直距離，如果距離小于30 km，則氣旋將隨著風暴方向移動。此時通過系統(tǒng)計算，10 min后中氣旋將隨著風暴經(jīng)過關(guān)注點2，此時手機將收到報警推送消息，提醒用戶10 min左右有可能會出現(xiàn)雷雨大風。10 min后，中氣旋隨著風暴移動到關(guān)注點2位置，短時伴有雷雨大風，用戶通過10 min前收到的推送消息，如果采取了一定的防御措施，就可以減少強對流天氣造成的損失。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)旨在利用移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)所具有的實時在線及與用戶主動交互的新特性，整合各類精細化格點數(shù)據(jù)產(chǎn)品，提供精準的基于位置的智能化氣象報警服務(wù)。系統(tǒng)的特色及創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在以下2個方面：①基于位置服務(wù)的氣象報警信息推送；②基于精細化短時臨近預(yù)報數(shù)據(jù)的強對流潛勢預(yù)報預(yù)警。使用本系統(tǒng)后，公眾及專業(yè)用戶能通過移動終端及時獲取探測范圍內(nèi)任意經(jīng)緯度的多要素氣象報警信息，并可隨著用戶位置的實時變化，實時切換報警位置，即使提醒用戶防范氣象災(zāi)害，為氣象防災(zāi)減災(zāi)提供高效、智能化的支撐。

[1]李強.基于GIS的小區(qū)域氣象災(zāi)害精細化預(yù)警系統(tǒng)[J].氣象科技,2014,42(1):89-93.

[2]閻麗鳳.災(zāi)害性天氣監(jiān)測預(yù)警平臺設(shè)計與開發(fā)[J].氣象科技, 2014,42(5):804-809.

[3]王赟.基于Web Service的氣象預(yù)警短信發(fā)布系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)氣象科技[J].2012,40(3):384-387.

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[7]鄒德龍,馮業(yè)榮,梁巧倩,等．0～3小時短時定量降水預(yù)報算法研究熱帶氣象學(xué)報[J].2014,30(2):249-260.

[8]鄭石,王啟威,王冠,等.一次短時暴雨天氣過程及短時臨近預(yù)報分析[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2014(22):226-228.

Design and Development of Meteorological Alarm System Based on LBS

MA Yan-gang,ZHENG Wei-cai,DENG Chuang
(Zhejiang Meteorological Service Center,Hangzhou Zhejiang 310017,China)

In order to let users obtain the accurate and timely weather changes about his location and his concerned location through the mobile terminal,this paper puts forward a meteorological alarm system based on LBS.This system uses cloud push to provide users with comprehensive meteorological alarm service for various disasters such as heavy rainfall,extreme hot and cold,low visibility,hail,etc. In order to ensure the system has enough bearing capability and fast response speed for massive user accesses,a variety of meteorological grid data are converted to binary format for transmission and calculation,the distributed computing method is used for operation and processing,and the Memcached memory management mechanism is used in the whole process.

meteorological alarm;cloud push;nowcasting;LBS;storm tracking;grid data

TP393

A

1008-1739（2015）23-68-4

定稿日期：2015-11-12