陳 亮，苗衛(wèi)東，張?zhí)焓?，魏曉雯，?明

(1.海南省氣象服務中心，海南 ?？?570203；2.海南省南海氣象防災減災重點實驗室，海南 ?？?570203)

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人民對氣象信息的需求日益提高，傳統(tǒng)的分散的業(yè)務氣象系統(tǒng)越來越不能滿足服務需求。因此，信息化、集約化、自動化、可擴展的氣象服務系統(tǒng)是氣象現(xiàn)代化建設的重點和熱點[1-2]。

專業(yè)氣象服務是氣象信息以一定的表現(xiàn)形式給特定行業(yè)或者個人帶來某種利益或滿足感的可供有償轉讓的一種或一系列活動，由產(chǎn)品、渠道、提供方和消費者組成。目前已經(jīng)形成了交通、旅游、電力、保險、農(nóng)業(yè)等行業(yè)的較成熟專業(yè)的服務[3-4]，按照服務的注冊、提供、消費、管理4個過程運行。

傳統(tǒng)的專業(yè)服務系統(tǒng)[5-7]有以下特點：(1)針對某一行業(yè)的需求，隨著業(yè)務發(fā)展，業(yè)務人員要操作的系統(tǒng)越來越多，嚴重影響工作效率；(2)多數(shù)只有服務提供的功能，缺少其他服務過程的功能；(3)科技水平有限，滿足不了用戶的定點、定時、定量的精細化預報需求。近年來，一些專家利用最新技術解決傳統(tǒng)專業(yè)氣象服務系統(tǒng)的問題。丁國香等[8]使用WRF格點數(shù)值預報生成精細化的逐小時旅游預報；樊瑋等[9]將旅游氣象服務全部過程整合到一個系統(tǒng)中，以提升工作效率；張振濤等[10]通過建立MonaRudo模型實現(xiàn)了圖形和描述性文字的自動生成；胡爭光[11]、孫利華等[12]使用GIS和FLEX等技術展示氣象服務產(chǎn)品，提升氣象服務的科技含量。但是，將不同行業(yè)的專業(yè)氣象服務整合到一個系統(tǒng)平臺始終是個空白。

為了解決上述問題，文中引入產(chǎn)品服務系統(tǒng)理論設計了通用性的專業(yè)氣象服務系統(tǒng)體系模型。根據(jù)該模型開發(fā)的系統(tǒng)投入業(yè)務運行后，高效穩(wěn)定地為海南的交通、旅游行業(yè)提供圖文并茂的產(chǎn)品，以提升氣象服務效率。同時系統(tǒng)具備可擴展性，能夠為更多的專業(yè)氣象服務提供技術支撐，實現(xiàn)專業(yè)氣象服務集約化的發(fā)展。

1 產(chǎn)品服務系統(tǒng)理論

產(chǎn)品服務系統(tǒng)(product service system，PPS)是一種在產(chǎn)品制造企業(yè)負責產(chǎn)品全生命周期服務模式下形成的產(chǎn)品與服務高度集成、整體優(yōu)化的新型生產(chǎn)系統(tǒng)，提供無形的服務來提升產(chǎn)品的價值，主要分為3種類型：基于產(chǎn)品的服務、基于功能的服務和基于效果的服務。產(chǎn)品服務系統(tǒng)在可續(xù)發(fā)展中具有重要地位，目前是國際學術廣泛研究和討論的議題之一，主要關注的理論有[13-14]：

(1)產(chǎn)品服務全生命周期的集成管理體系。產(chǎn)品、服務、數(shù)據(jù)、管理等系統(tǒng)的全整合，完成對產(chǎn)品設計、制造、服務的集成。

(2)產(chǎn)品服務組織和過程優(yōu)化。在滿足用戶需求的前提下，設計用戶和企業(yè)“雙贏”的組織機制，對服務過程進行模塊化、標準化、可控化的優(yōu)化。

2 系統(tǒng)模型設計

2.1 模型架構

根據(jù)上述理論，設計了基于產(chǎn)品服務類型的專業(yè)氣象服務系統(tǒng)模型，分為4層架構：用戶層、服務層、產(chǎn)品層和數(shù)據(jù)層(詳見圖1)。數(shù)據(jù)層是存儲基礎數(shù)據(jù)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，為產(chǎn)品層提供氣象、地理、業(yè)務、用戶等基礎數(shù)據(jù)。產(chǎn)品層是產(chǎn)品系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉化、產(chǎn)品制作和產(chǎn)品分發(fā)4個子系統(tǒng)組成，提供產(chǎn)品的設計、制作和分發(fā)功能，向服務層提供不同行業(yè)的實況、預報、預警等產(chǎn)品。服務層由網(wǎng)站、傳真、短信和郵件等多個渠道的服務系統(tǒng)組成，提供服務的注冊、消費、管理等過程。用戶層是操作系統(tǒng)的用戶，分成管理、生產(chǎn)和服務3種角色，有不同的需求和預期。

圖1 專業(yè)氣象產(chǎn)品服務系統(tǒng)模型架構

2.2 產(chǎn)品系統(tǒng)

產(chǎn)品系統(tǒng)采用組件化、模塊化和工作流的設計理念，有利于產(chǎn)品的靈活設計、自動制作、高效分發(fā)。

2.2.1 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)是將最細時空維度數(shù)據(jù)信源從數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)接口和共享文件夾等中自動抓取保存到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。信源主要是：數(shù)值型數(shù)據(jù)，包括自動站實況數(shù)據(jù)，格點預報，氣象Micaps數(shù)據(jù)等；非數(shù)值型數(shù)據(jù)，包括圖片、文檔等文件；大容量數(shù)據(jù)，包括GIS地圖，雷達，衛(wèi)星云圖等數(shù)據(jù)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫分成：氣象庫，包括采集到的實況、格點預報和預警信號等的信源子庫和存放不同行業(yè)的預報和預警等的產(chǎn)品子庫；地理庫，存放各種基礎地圖和相關行業(yè)的矢量、柵格等WebGIS數(shù)據(jù)；業(yè)務庫，存放業(yè)務訂單、監(jiān)測閾值、服務指標、產(chǎn)品模板、系統(tǒng)用戶、工作流程等。其中，結構化數(shù)據(jù)采集后直接以元數(shù)據(jù)格式存放到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，非結構化和大容量數(shù)據(jù)只存放數(shù)據(jù)的路徑、時間、名稱、分類等文件屬性信息，可減少系統(tǒng)的數(shù)據(jù)冗余和存儲壓力。

2.2.2 數(shù)據(jù)轉化子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)轉化子系統(tǒng)是把自動站實況和格點預報等信源進行時空處理后，解釋應用成不同的行業(yè)的定點、定量、定時的專業(yè)服務初級產(chǎn)品，并提供初級產(chǎn)品的質量控制，采用全自動化流程。

實況時空處理是通過自動站與服務對象的地理數(shù)據(jù)進行泰勒多邊形[15]耦合，所得的較大面積的自動站的實況數(shù)據(jù)為該服務對象的實況數(shù)據(jù)，并做質量控制：(1)對應時次自動站實況數(shù)據(jù)出現(xiàn)缺測，用前一時次觀測值替代；(2)如前一時次的觀測值還是缺測，則用數(shù)據(jù)較全的服務對象所在市縣的國家基準站的同一時刻的觀測值替代。

預報時空處理是格點預報的時空處理，通常格點預報時空處理方法有3種：插值法，包括克里金、反距離加權等空間插值算法，但是存在邊界效應[16-17]；關聯(lián)法，包括矩陣關聯(lián)[18]、相識度關聯(lián)[19]等，但存在真實關聯(lián)和“噪聲”關聯(lián)；平滑法，使用附近格點的平均值，但是氣溫、降水等預報效果不佳[20]。文中選擇模糊優(yōu)化控制方法[21]，該方法已經(jīng)在氣象領域應用過[22-23]，分成3個階段：

(1)確定隸屬度函數(shù)，對服務對象的行業(yè)地理數(shù)據(jù)表與格點地理數(shù)據(jù)表并聯(lián)查詢，通過“點、線、面”三種平面空間屬性約束條件來實現(xiàn)格點索引的選取。如果服務對象是一個點，就選取該點最近的格點。如果服務對象是一條線，選取起點、中點和終點對應的最近的3個格點。如果服務對象是一個面，選取3個格點，使它們組成的三角形的面積能夠最大程度覆蓋對應面的面積。

(2)確定規(guī)則集，即從選取索引中快速獲取格點和格點集合的氣象要素值轉化為服務對象的氣象要素值。格點預報有云量、相對濕度、能見度、降水、溫度、風向、風速等7要素的預報值，按照不同的要素和不同的時間分辨率，制定以下的預報方程(規(guī)則集合)，公式如下：

(1)

(2)

式1是格點最小時間方程，即格點預報的最小時間分辨率的方程。云量Cd、相對濕度Rh、能見度Vs的預報選取格點對應要素的平均值，降水Ra取最大極值，風Wd和氣溫Tp取最小和最大極值。

式2是整合時間方程，通過最小時間方程整合成用戶需求的24小時預報產(chǎn)品。云量、相對濕度、能見度選取其包涵的02、08、14、20時4個6小時預報的對應要素預報的平均值，氣溫和風選取極值，降水選取累計值。

(3)設置優(yōu)化方法。通過實況來訂正預報的方法對設置的格點預報轉換規(guī)則進行優(yōu)化控制。首先是訂正值的選擇：從實況庫中調取最新的服務對象的實況數(shù)據(jù)作為訂正指。由于實況是1小時時間分辨率，預報的時間分別率有最小分辨率和24小時，所以用實況來訂正預報需要轉換，其中降水用對應預報時段內的每小時實況的累計值，其他要素用每小時的對應要素的實況值。然后是訂正規(guī)則：如果實況訂正值超過了預報值的范圍，則用對應超過范圍的實況訂正值代替對應的預報值。

2.2.3 產(chǎn)品制作子系統(tǒng)

產(chǎn)品制作子系統(tǒng)提供預報和預警產(chǎn)品的人工編輯、保存界面，也提供對產(chǎn)品的采集數(shù)據(jù)、加載模板、制作流程和分發(fā)策略等配置。

預警產(chǎn)品的制作，通過CWF方法加載相應的模板和數(shù)據(jù)自動生成word文檔，在office插件中進行人工編輯和保存。預報產(chǎn)品的制作，以列表的形式顯示數(shù)據(jù)轉化后的相關行業(yè)的預報數(shù)值，并提供人工編輯、保存功能。

2.2.4 產(chǎn)品分發(fā)子系統(tǒng)

產(chǎn)品分發(fā)子系統(tǒng)將制作好的產(chǎn)品按照一定的規(guī)范[24]向多個渠道的服務系統(tǒng)進行分發(fā)的中間件，分成數(shù)據(jù)和文件2種接口。數(shù)據(jù)接口是指產(chǎn)品系統(tǒng)開放相應的API(通常為數(shù)據(jù)庫接口或者Web Service接口)，服務系統(tǒng)通過請求訪問API，將API中獲取的數(shù)據(jù)解析成服務系統(tǒng)可加載的數(shù)據(jù)結構后向用戶發(fā)送。文件接口模式是通過Email、FTP、網(wǎng)絡共享盤等方式將文檔型產(chǎn)品主動向服務系統(tǒng)進行推送。

2.3 服務系統(tǒng)

服務系統(tǒng)主要是網(wǎng)站、短信、傳真、郵件等渠道系統(tǒng)，提供系統(tǒng)注冊、審核注冊、業(yè)務監(jiān)控、產(chǎn)品獲取和用戶反饋等功能。

網(wǎng)站作為該模型需要自建的渠道，是提供一體化服務、可視化產(chǎn)品的Web系統(tǒng)。系統(tǒng)注冊提交個人資料、系統(tǒng)登錄和需求訂單等信息，以及查詢服務產(chǎn)品簡介。審核注冊是用戶的注冊信息審核和訪問權限分配。業(yè)務監(jiān)控能監(jiān)看整個系統(tǒng)的軟硬件情況、業(yè)務情況。用戶反饋提供服務的評價、建議和問卷調查。產(chǎn)品獲取是通過WebGIS和富客戶端等技術實時展示疊加了氣象和行業(yè)信息的地圖，文檔型產(chǎn)品，以及柱狀、曲線圖等圖形產(chǎn)品。

短信、傳真、郵件等渠道依托早已成熟的社會化系統(tǒng)進行建設，通過產(chǎn)品分發(fā)子系統(tǒng)向上述渠道接口進行產(chǎn)品推送。

3 模型應用

海南省旅游交通氣象服務系統(tǒng)按照上述模型進行設計和開發(fā)建設。

3.1 系統(tǒng)架構和功能

系統(tǒng)采用B/S的技術架構，分成6層，見圖2。

圖2 海南省旅游交通氣象服務系統(tǒng)架構

(1)基礎設施層，是系統(tǒng)高效、穩(wěn)定、安全運行的重要保障，包括網(wǎng)絡設施、硬件設施、軟件設施等；

(2)數(shù)據(jù)存儲層，采用MGDBE和Oracle來存儲和管理，空間數(shù)據(jù)庫是地理庫，實況、氣象、資料、服務產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫是氣象庫，而用戶管理、業(yè)務支撐庫是業(yè)務庫；

(3)數(shù)據(jù)訪問層，提供地理、氣象和業(yè)務數(shù)據(jù)庫的訪問接口；

(4)應用支撐層，以對象形式提供GIS、專題圖制作、指標體系、數(shù)據(jù)轉化、數(shù)據(jù)同步、在線編輯等功能，每個功能為獨立的軟件實體，并以插件機制實現(xiàn)功能的擴展能力；

(5)應用系統(tǒng)層，即產(chǎn)品系統(tǒng)和服務系統(tǒng)，產(chǎn)品系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、產(chǎn)品制作、產(chǎn)品分發(fā)子系統(tǒng)，氣象服務產(chǎn)品共享網(wǎng)站為服務系統(tǒng)；

(6)表現(xiàn)層，也是用戶層，用戶通過不同的設備終端獲得服務。

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)是從CIMISS[25]自動采集全省自動站1小時的全要素實況到實況數(shù)據(jù)庫中，再生成以高速和國道的出入口為劃分全省96條路段和63個景點實況提供給服務系統(tǒng)調用。產(chǎn)品制作子系統(tǒng)是海南省精細化預報制作平臺(見圖3)，提供數(shù)據(jù)轉化和產(chǎn)品制作功能。

圖3 海南省精細化預報制作平臺

平臺通過配置相應行業(yè)的地理信息調用，將5×5 km，逐3小時的格點預報數(shù)據(jù)轉化成“點、線、面”的96條路段、63個景區(qū)和部分港口的逐3小時和逐日的7天預報，并提供預報和預警制作界面。產(chǎn)品分發(fā)子系統(tǒng)向網(wǎng)站、郵件、短信、傳真、客戶端、電視等6種渠道一鍵化分發(fā)，其中網(wǎng)站、短信通過數(shù)據(jù)庫API發(fā)送，郵件、傳真、客戶端和電視等渠道用Email中繼、打印接口、FTP、網(wǎng)絡共享盤等接口發(fā)送。

氣象服務產(chǎn)品共享網(wǎng)站名稱為海南省氣象服務產(chǎn)品共享平臺(見圖4)，提供首頁導航、實況監(jiān)測、災害天氣、精細化預報產(chǎn)品等服務。其中首頁導航提供常規(guī)交通道路、旅游景區(qū)等產(chǎn)品的簡單展示，并提供產(chǎn)品訂閱和用戶登陸注冊功能。實況監(jiān)測、災害天氣、精細化預報產(chǎn)品等頁面，在用戶登錄后，顯示該用戶訂閱的精細化、定制化的實況、預警、預報等產(chǎn)品，同時用戶訂閱的產(chǎn)品頁面還提供用戶反饋、產(chǎn)品配置等功能。日志、用戶、公告和系統(tǒng)管理是后臺管理員登錄后才顯示的頁面，提供審核用戶、產(chǎn)品配置、系統(tǒng)的維護等管理功能。

圖4 海南氣象服務產(chǎn)品共享網(wǎng)

3.2 應用效果

系統(tǒng)投入業(yè)務平穩(wěn)運行了3個月，每天獲取全省600多個自動站1小時的實況數(shù)據(jù)，早晚定時生成路段和景區(qū)等預報7大類約2萬個預報數(shù)據(jù)。

3.2.1 格點預報的解釋應用

系統(tǒng)將格點預報解釋應用于不同的行業(yè)。通過設置行業(yè)對象的地理屬性，系統(tǒng)根據(jù)“鄰近距離最短優(yōu)先”原則和“點、線、面”轉化方法自動生成3小時、6小時和24小時分辨率的不同行業(yè)對象的預報，實現(xiàn)了通用的格點預報的解釋應用。目前正在做轉化后的高速公路預報的檢驗，選取使用高速旁的交通站作為檢驗依據(jù)。系統(tǒng)投入運行3個月以來，對轉化后的高速公路預報中的降水、風、氣溫的預報準確率和格點預報的檢驗結果基本一致，其中氣溫的準確率最高，誤差率在5%以內。

3.2.2 服務的提升

海南省旅游交通氣象服務系統(tǒng)對服務的提升體現(xiàn)在下述4個方面：

(1)預報的精細化。相比其他系統(tǒng)，海南旅游交通系統(tǒng)的預報時間分辨率提高到3小時，空間范圍擴大了2個緯度；

(2)系統(tǒng)效率的提升。系統(tǒng)從原來處理約1 700萬個格點數(shù)據(jù)的半個小時，提升到約4 400萬個格點數(shù)據(jù)的不到5分鐘；

(3)產(chǎn)品的標準化自動化輸出。所有產(chǎn)品都按照相應的規(guī)范自動化輸出，并提供標準化的接口，方便其他系統(tǒng)調用，此外還可以通過一鍵化的發(fā)送，快速向用戶提供服務；

(4)服務的定制化。用戶登錄系統(tǒng)，獲得自己訂閱的服務產(chǎn)品，并可以根據(jù)需求不斷調整定制的產(chǎn)品內容。

4 結束語

闡述了通用的專業(yè)氣象服務系統(tǒng)的模型，并開發(fā)了海南省旅游交通氣象服務系統(tǒng)。經(jīng)過一段時間的業(yè)務運行，系統(tǒng)體現(xiàn)出如下特點：產(chǎn)品精細化。所有產(chǎn)品都是基于高時空分辨率的格點預報按照規(guī)范輸出的電子文檔或者數(shù)據(jù)，并且根據(jù)用戶需求，生成定時、定量、定點的專業(yè)服務產(chǎn)品；業(yè)務自動化。產(chǎn)品系統(tǒng)把不需要人工處理的業(yè)務設計成全自動化，需要人工處理的業(yè)務設計成半自動化；系統(tǒng)集約化。系統(tǒng)采用面向服務結構設計，各個子系統(tǒng)視作服務，實現(xiàn)系統(tǒng)間的整合與集約。此外，數(shù)據(jù)轉化方法可以重用，通過配置不同行業(yè)地理數(shù)據(jù)從而得到不同行業(yè)的專業(yè)預報產(chǎn)品，提升業(yè)務集約化程度；服務定制化。系統(tǒng)動態(tài)管理業(yè)務，產(chǎn)品系統(tǒng)自動生成用戶需求的產(chǎn)品，服務系統(tǒng)通過權限控制，不同用戶獲取自己定制的服務產(chǎn)品。

下一步，該系統(tǒng)將處理更精細化的逐小時逐公里的格點預報，并且根據(jù)業(yè)務發(fā)展不斷生成各項專業(yè)氣象服務產(chǎn)品，提升氣象服務質量。