李永花

(青海省氣象信息中心，青海西寧 810001)

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山洪災害氣象監(jiān)測預警系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

李永花

(青海省氣象信息中心，青海西寧 810001)

摘要針對山洪災害防治相關的氣象監(jiān)測服務現(xiàn)狀和我國不同地域的山洪災害特點，基于現(xiàn)有的氣象水文和山洪災害防治數(shù)據(jù)實時共享的基礎上，設計并實現(xiàn)了基于氣象監(jiān)測預警預報服務的山洪災害氣象監(jiān)測預警系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用ArcGIS、Spring、PureMVC等技術，實現(xiàn)了基于GIS的氣象水文觀測數(shù)據(jù)的采集、存儲、分析、發(fā)布等功能，為預測山洪災害的發(fā)生、提升山洪災害預警監(jiān)測工作的科技水平提供強有力的技術支撐。

關鍵詞山洪災害；氣象監(jiān)測；預警預報；設計；實現(xiàn)

近年來，受全球整體環(huán)境的影響，我國越來越重視山洪災害防治工作[1]，為了降低山洪災害所導致的人員傷亡，減少經(jīng)濟損失，從根本改善山洪災害防治氣象監(jiān)測落后狀況，政府的相關部門投資建設了大量的雨量站、河道水文站和水庫站，及相應的水文監(jiān)測自動化系統(tǒng)，進行水文數(shù)據(jù)的收集、傳輸和分發(fā)，為分析降水、河道和水庫信息提供了數(shù)據(jù)支撐。

目前，許多學者對國內(nèi)的氣象監(jiān)測預警業(yè)務系統(tǒng)進行了分析[2-3]，但由于氣象和水文資料分散，臺站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)文件格式各不相同，缺乏統(tǒng)一規(guī)范的共享數(shù)據(jù)庫和信息發(fā)布系統(tǒng)，造成基準站和區(qū)域站觀測數(shù)據(jù)無法有效集成，無法為政府、氣象和水利部門提供全面準確的實時和歷史資料，導致相關部門所做出的決策缺乏了一定的科學性[4]。該研究針對山洪災害防治相關的氣象監(jiān)測服務現(xiàn)狀[2-4]，基于現(xiàn)有的氣象水文和山洪災害防治數(shù)據(jù)實時共享的基礎上，設計并實現(xiàn)了基于氣象監(jiān)測預警預報服務的山洪災害氣象監(jiān)測預警系統(tǒng)，為預測山洪災害的發(fā)生、提升山洪災害預警監(jiān)測工作的科技水平提供強有力的技術支撐。

1系統(tǒng)架構分析

該系統(tǒng)需采用先進的、開放的SOA體系結構，整個系統(tǒng)能體現(xiàn)目前成熟、可靠的信息化設計開發(fā)技術。由于該系統(tǒng)的邏輯復雜性及對各種性能的要求，因此需要一個成熟穩(wěn)健的架構和一些與之兼容的技術，共同來達到該系統(tǒng)的預期目標。為此，該系統(tǒng)選用了標準的平臺應用開發(fā)過程，按照高內(nèi)聚、低耦合的原則，從易于控制、易于延展、易于分配資源的角度，可將該系統(tǒng)分為業(yè)務邏輯層、應用表現(xiàn)層、應用服務器、Web服務器[5]，系統(tǒng)架構圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)分層技術架構Fig.1　Framework of system hierarchical technology

1.1Web服務器這部分主要負責通過HTTP協(xié)議，接收并處理來自客戶端瀏覽器的請求，并在WEB服務器上根據(jù)該請求，查找并返回用戶所需要的資源。當如果存在與業(yè)務邏輯相關的請求時，WEB服務器會向應用服務器轉發(fā)該請求，然后應用服務器會以XML、JSON、HTML等方式返回需要的結果。在收到返回的結果后，WEB服務器將得到的內(nèi)容按照HTTP協(xié)議的規(guī)范發(fā)送給客戶端的瀏覽器，并進行最終的解析和展示。

1.2應用服務器這部分主要負責處理邏輯層的中間層，它主要以組件的方式進行封裝，為應用系統(tǒng)提供支持。遵照J2EE 1.7規(guī)范提供一組標準的服務組件，集成了相關的服務，以滿足應用層的需求。為了保證規(guī)則的一致性和統(tǒng)一性，各系統(tǒng)使用這些組件對客戶端進行定制，所有業(yè)務邏輯、實體類定義均被封裝成組件。

1.3應用表現(xiàn)層在應用表現(xiàn)層中，用戶發(fā)來的請求均指向ControlServlet組件，該組件按照Web.xml中的配置信息，將用戶的請求封裝成指定的JavaBean對象，并將其傳至指定名稱的接收器，從而完成相應的文件操作或數(shù)據(jù)庫操作。ControlServlet類作為該架構的核心，在Web.xml中進行配置，并定義了所有頁面的導航。此配置文件表明了該系統(tǒng)的架構，對從前期開發(fā)、到后期的維護及升級均有很大的幫助。

1.4業(yè)務邏輯層它是由Java Web服務配合中間層服務所組成。服務器端主要用于接收客戶端請求，對用戶提交的需求進行收集和分析，并從數(shù)據(jù)源中對數(shù)據(jù)進行檢索和運算，最終將結果數(shù)據(jù)組織成HTML網(wǎng)頁的形式，返回給客戶端瀏覽器，并在頁面上進行解析和顯示[6]。

2系統(tǒng)功能簡介

該系統(tǒng)致力于從氣象數(shù)據(jù)的角度，為山洪災害進行監(jiān)測和預警。根據(jù)對我國山洪災害在不同地域特點的總結，該系統(tǒng)重點從氣象水文數(shù)據(jù)集成及信息共享、監(jiān)測預警分析、監(jiān)測預警系統(tǒng)管理進行需求的劃分，具體的功能結構如圖2所示。

圖 2　系統(tǒng)功能結構Fig.2　Structure of system function

2.1氣象水文數(shù)據(jù)集成該部分功能主要用來建立供山洪災害防治氣象監(jiān)測的共享數(shù)據(jù)庫，包括對水文數(shù)據(jù)的采集和集成兩部分。水文數(shù)據(jù)的采集先要將氣象自動站數(shù)據(jù)文件解碼入庫，包括基本站和區(qū)域站的數(shù)據(jù)文件，基本站的報文到達1次/h，區(qū)域站的報文到達1次/10min[7]。水文數(shù)據(jù)的集成是將采集到的報文從中解析出水文相關的數(shù)據(jù)，并將水文數(shù)據(jù)文件解碼入庫或從其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫轉換導入，然后按照一定的格式和數(shù)據(jù)結構進行入庫。

2.2氣象水文信息共享該模塊主要實現(xiàn)氣象水文信息的共享、氣象自動站信息查詢統(tǒng)計，基于GIS的數(shù)據(jù)分析、水文信息查詢與統(tǒng)計、天氣預報等功能，具體表現(xiàn)為：氣象自動站常規(guī)觀測要素實時數(shù)據(jù)呈現(xiàn)；常用要素查詢和變化趨勢圖；要素按降水、溫度、濕度、風場和地溫分組進行查詢；常用要素按日、旬、月、季度和年統(tǒng)計；要素按降水、溫度、濕度、風場和地溫分組進行統(tǒng)計；水文信息包括雨情、河道和水庫的查詢與統(tǒng)計；GIS填圖、等值線和等值面；天氣預報包括精細化預報、短時臨近、預警信息；查詢和統(tǒng)計結果表格下載和統(tǒng)計圖形本地保存。

2.3監(jiān)測預警分析該功能主要實現(xiàn)實時監(jiān)測氣象數(shù)據(jù)和雨情、水庫和河道相關的實時數(shù)據(jù)，若實時數(shù)據(jù)超過預警閾值，則報警并要求業(yè)務員處理，并在平臺上顯示報警信息，提供處理入口。此外，通過在GIS地圖上用彈出消息框標識出有報警信息提供預警提醒功能，并提供短信分發(fā)報警信息方式通知相關責任人。

2.4監(jiān)測預警系統(tǒng)管理該模塊負責管理整個系統(tǒng)的后臺數(shù)據(jù)，能為系統(tǒng)提供安全控制機制，實現(xiàn)用戶權限管理，完成系統(tǒng)內(nèi)各種基礎數(shù)據(jù)的設置以及各種系統(tǒng)編碼和報警閾值的設置。該系統(tǒng)管理根據(jù)業(yè)務要求，具有以下功能：基于角色實現(xiàn)用戶權限管理和基于地區(qū)實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)訪問控制、完成系統(tǒng)內(nèi)各種基礎數(shù)據(jù)的設置、提供要素報警閾值設置和預警分類設置。

3系統(tǒng)關鍵技術

為了保障該系統(tǒng)的順利實施和穩(wěn)定運行，系統(tǒng)在設計與實現(xiàn)過程中使用了以下關鍵技術。

3.1ArcGIS for Flex該系統(tǒng)將ArcGIS for Flex技術應用于基于地圖圖層的水文數(shù)據(jù)查詢、災害天氣查看、監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示等功能，通過Flex客戶端對該系統(tǒng)的各項數(shù)據(jù)和指標進行查看，采用的集成定位技術確保了數(shù)據(jù)采集的高效性和準確性，同時結合ArcGIS Server或ArcGIS Desktop的強大GIS功能，能夠將移動應用與企業(yè)內(nèi)GIS系統(tǒng)集成，進行數(shù)據(jù)展示、空間分析等，為用戶提供良好的應用體驗。

3.2Spring該系統(tǒng)的應用服務器端主要應用了Spring技術，對平臺上的所有對象元素的生命周期和調(diào)用邏輯進行管理。Spring作為一個開源的Java開發(fā)框架，其核心思想主要包括控制反轉和面向切面編程兩部分，致力于降低企業(yè)級開發(fā)的復雜性。在該系統(tǒng)中，Spring根據(jù)其分層的思想對該系統(tǒng)進行了層次的劃分，分層架構允許使用者使用不同的組件同時為J2EE應用程序開發(fā)提供集成的框架。Spring容器使用JavaBean來完成相應的功能，從一定程度上提高了該系統(tǒng)的開發(fā)效率。

3.3PureMVC該系統(tǒng)根據(jù)其具體需求的復雜度采用了B/S(Browser/Server)結構。其中，在瀏覽器上使用了富媒體客戶端，即Rich Client技術。為了減少應用和視圖之間的依賴，從而降低整個系統(tǒng)的耦合程度，在該客戶端上使用PureMVC框架進行設計和實現(xiàn)。服務器端使用了Spring和Mybatis技術進行調(diào)用和管理；瀏覽器上的富媒體客戶端與服務器端通過BlazeDS和HttpService方式進行數(shù)據(jù)通信。PureMVC框架是在基于模型、視圖和控制器MVC模式建立的一個輕量級的應用框架，目前支持標準和多核這2個版本框架。其中，標準版提供了一種簡單的編碼分離的方法，按照基本的MVC理念設計而成。此外，該系統(tǒng)所使用的多核版本允許多個PureMVC應用運行在同一個虛擬機中[8]。

3.4基于BlazeDS的數(shù)據(jù)通信該系統(tǒng)在應用服務器上使用了BlazeDS技術，該技術是一個基于服務器的Java遠程調(diào)

用和Web消息傳遞技術，主要用于將該系統(tǒng)的后臺Java應用程序和運行在瀏覽器上的Flex應用程序進行相互通信，實現(xiàn)服務器與Flex客戶端的數(shù)據(jù)傳輸，其通信方式主要包括HTTPService、WebService、RemoteObject，當位于客戶端的RPC控件調(diào)用遠程服務時，該控件就會將服務端返回的數(shù)據(jù)保存在一個ActionScript對象中，這樣在程序中就能夠很輕松地獲取想要的數(shù)據(jù)。此外，該系統(tǒng)還將這個技術應用在客戶端認證、服務器端日志、本地化支持、RPC Services服務集中化管理等方面[9]，極大地提高了該系統(tǒng)的完整性。

4總結

該研究針對山洪災害防治相關的氣象監(jiān)測服務現(xiàn)狀和我國不同地域的山洪災害特點，基于現(xiàn)有的氣象水文和山洪災害防治數(shù)據(jù)實時共享的基礎上，設計并實現(xiàn)了基于氣象監(jiān)測預警預報服務的山洪災害氣象監(jiān)測預警系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用ArcGIS、Spring、PureMVC等技術，實現(xiàn)了基于GIS的氣象水文觀測數(shù)據(jù)的采集、存儲、分析、發(fā)布等功能，為第三方系統(tǒng)與該系統(tǒng)的聯(lián)動提供統(tǒng)一的應用接口，實現(xiàn)了氣象水文監(jiān)測預警信息的高度集成共享，為基于山洪地質(zhì)災害防治的氣象水文監(jiān)測預警提供了高效穩(wěn)定的業(yè)務保障能力。該系統(tǒng)的應用為預測山洪災害的發(fā)生、提升山洪災害預警監(jiān)測工作的科技水平提供強有力的技術支撐，有效減少人員傷亡和財產(chǎn)損失，避免過去由于天氣及降雨觀測手段落后、信息傳輸較慢，從而造成不能為抗洪避險及時地發(fā)布預報和警報[10]。

參考文獻

[1] 周世明.關于山洪災害防治措施的思考[J].水利天地， 2014(5):27-29.

[2] 陳琳,齊文新,齊宇.基于云計算的自動氣象監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng)[J].計算機應用,2012,32(5):1415-1417.

[3] 江崟,譚明艷,吳迪.深圳市氣象監(jiān)測綜合業(yè)務平臺的設計與實現(xiàn)[J].廣東氣象,2010,32(3):57-59.

[4] 黃飛龍,何艷麗,黃衛(wèi)東.亞運會比賽現(xiàn)場氣象監(jiān)測系統(tǒng)[J].廣東氣象,2010,32(4):64-66.

[5] 何秉順,楊玉喜,常清睿,等.流動人口集中區(qū)域山洪災害防治對策[J].中國防汛抗旱,2013(1):32-34.

[6] 岳延兵,范敏.基于XML的水文數(shù)據(jù)集成研究[J].山西水利科技,2010(2):55-57.

[7] DURGA S，SWETHA R.Disaster prevention and control management [J].Procedia earth & planetary science,2015,11:516-523.

[8] CHEN G,XIE P,XIONG L,et al.Spatial and temporal prediction of flash floods in ungauged area based on GIS[J].Advances in water resources & hydraulic engineering,2009,1:113-118.

[9] ALFIERI L,THIELEN J,PAPPENBERGER F.Ensemble hydro-meteorological simulation for flash flood early detection in southern Switzerland[J].Journal of hydrology,2012,424/425(5):143-153.

[10] 徐貴,卜繼勘,易桂興.湖南省山洪災害防治對策與措施[J].東北水利水電,2004(1):13-14.

Design and Implementation of Meteorological Monitoring and Early Warning System of Mountain Torrent Disasters

LI Yong-hua

(Meteorological Information Center of Qinghai Province,Xining,Qinghai 810001)

AbstractAccording to the current status of meteorological monitoring service related to mountain torrent disasters and the characteristics of mountain torrent disasters in different areas,meteorological monitoring and early warning system of mountain torrent disasters based on meteorological monitoring and early warning service was designed and implemented on the base of current real-time sharing of the meteorology and hydrology and the control data of mountain torrent disasters.ArcGIS,Spring,PureMVC and other technologies were used to realize the collection,storage,analysis and release of hydrologic meteorological observation data based on GIS,which provided strong technical support for the forecasting of mountain torrent disasters and the enhancement of scientific and technological level for monitoring and early warning work of mountain torrent disasters.

Key wordsMountain torrent disasters; Meteorological monitoring; Early warning; Design; Implementation

作者簡介李永花(1970- )，女，土族，青?；ブ耍呒壒こ處?，從事氣象信息技術應用研究。

收稿日期2016-02-26

中圖分類號S 429

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)08-241-02