王鈞立

（重慶市渝北區(qū)氣象局，重慶 401120）

1 智慧氣象平臺(tái)建設(shè)的背景

1.1 智慧氣象平臺(tái)建設(shè)時(shí)代背景

21 世紀(jì)提出的“智慧地球”理念為全球各行各業(yè)的智慧化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[1]?！爸腔鄣厍颉睂?shí)施的目的，是為了賦予交通、能源、醫(yī)療、城市管理等行業(yè)智慧化運(yùn)作的功能，讓科技信息和現(xiàn)實(shí)生活有機(jī)結(jié)合，促進(jìn)世界可持續(xù)地智慧發(fā)展[2]。在智慧體系建設(shè)思潮的指引下，以先進(jìn)科技為支撐的氣象行業(yè)，也在為拓寬氣象服務(wù)探尋一條智慧化發(fā)展的道路。從氣象的觀測(cè)、預(yù)警、預(yù)報(bào)、服務(wù)、社會(huì)管理基本業(yè)務(wù)，到氣象現(xiàn)代化建設(shè)，再到智慧氣象等，都是不斷發(fā)現(xiàn)、深入鉆研、持續(xù)創(chuàng)造的過(guò)程。大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能等新技術(shù)的使用逐漸讓觀測(cè)更加智能、預(yù)報(bào)更加精準(zhǔn)、服務(wù)更加敏捷，實(shí)現(xiàn)氣象行業(yè)的多元化與開(kāi)放性[3]。

重慶市渝北區(qū)氣象局（簡(jiǎn)稱(chēng)：渝北局）為提高城市氣象服務(wù)水平，提高城市防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)能力，提高早中期預(yù)警能力及預(yù)警信息發(fā)布能力，建立災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警機(jī)制，遵循以人為本、因地制宜、可持續(xù)發(fā)展的原則，建成結(jié)構(gòu)合理、技術(shù)先進(jìn)、組織有力、機(jī)制完善的城市氣象防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)和公共氣象服務(wù)體系。根據(jù)渝北局業(yè)務(wù)情況調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在工作流程中存在一些問(wèn)題，對(duì)天氣預(yù)報(bào)、氣象災(zāi)害資料、設(shè)施設(shè)備監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸、氣象預(yù)警以及移動(dòng)辦公等工作產(chǎn)生了直接的影響，未能達(dá)到便捷、高效、協(xié)同、及時(shí)的效果。針對(duì)這些問(wèn)題，建議利用氣象大數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，云計(jì)算作為核心，“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)為支撐，建立智慧氣象平臺(tái)，達(dá)到提高防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)能力，提升渝北局工作效率的目的。

1.2 智慧氣象平臺(tái)產(chǎn)品概述

渝北智慧氣象平臺(tái)模型是一款專(zhuān)為渝北局打造，集轄區(qū)內(nèi)多測(cè)點(diǎn)綜合觀測(cè)、預(yù)報(bào)預(yù)警、公共氣象服務(wù)、移動(dòng)協(xié)同辦公于一體的智慧化業(yè)務(wù)平臺(tái)。它的主要內(nèi)容：以列表、地圖等方式顯示各類(lèi)觀測(cè)站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；對(duì)各類(lèi)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行組合查詢(xún)，并支持導(dǎo)出和打印功能；對(duì)所有觀測(cè)站的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)發(fā)生設(shè)備故障、觀測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定的閾值、觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，自動(dòng)報(bào)警和向指定的人員發(fā)送短信提醒，并對(duì)異常數(shù)據(jù)提供校正、補(bǔ)缺方案和指導(dǎo)；快速瀏覽產(chǎn)品概覽，確保產(chǎn)品信息正確；強(qiáng)大的查詢(xún)統(tǒng)計(jì)功能，并提供數(shù)據(jù)對(duì)比功能，為領(lǐng)導(dǎo)的決策提供數(shù)據(jù)依據(jù)和建議；同時(shí)，平臺(tái)還包括強(qiáng)大的移動(dòng)辦公功能，使領(lǐng)導(dǎo)可以通過(guò)手機(jī)APP 及時(shí)了解各類(lèi)數(shù)據(jù)以及氣象產(chǎn)品，并且可以通過(guò)手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程會(huì)商，實(shí)時(shí)指導(dǎo)工作。

1.3 智慧氣象平臺(tái)產(chǎn)品特色

本平臺(tái)按照每次10 min標(biāo)準(zhǔn)，采集渝北局46個(gè)觀測(cè)站所有數(shù)據(jù)，達(dá)到氣象數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查詢(xún)，使各類(lèi)氣象產(chǎn)品更及時(shí)、更精準(zhǔn)。存儲(chǔ)過(guò)往歷史氣象數(shù)據(jù)，建立渝北局自有氣象數(shù)據(jù)庫(kù)，便于隨時(shí)提取相關(guān)數(shù)據(jù)、文檔及氣象產(chǎn)品，為氣象預(yù)報(bào)、防災(zāi)、減災(zāi)提供可靠、有效數(shù)據(jù)來(lái)源。建立關(guān)聯(lián)預(yù)警計(jì)算模型，通過(guò)單一閾值達(dá)標(biāo)，自動(dòng)計(jì)算其關(guān)聯(lián)項(xiàng)數(shù)據(jù)，達(dá)到從點(diǎn)到面的氣象全方位預(yù)警機(jī)制。防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)相關(guān)單位可以通過(guò)平臺(tái)實(shí)時(shí)觀測(cè)相關(guān)氣象數(shù)據(jù)，在出現(xiàn)突發(fā)、重大氣象災(zāi)害時(shí)，平臺(tái)會(huì)第一時(shí)間在顯示屏全屏閃爍警示。

2 智慧氣象平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)條件

2.1 科技條件

現(xiàn)階段，隨著氣象科技的發(fā)展，在對(duì)大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能等科技的綜合運(yùn)用下，讓氣象業(yè)務(wù)平臺(tái)逐漸升級(jí)為能夠提前感知、研判、分析、決策、處理、自我優(yōu)化和深度學(xué)習(xí)的智慧系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)、服務(wù)、流程全面的智慧化[4-5]。

2.2 與智慧城市體系融合

智慧城市利用數(shù)據(jù)分析和信息技術(shù)來(lái)感知、預(yù)測(cè)、融合城市發(fā)展核心系統(tǒng)的各項(xiàng)關(guān)鍵信息，對(duì)生產(chǎn)建設(shè)、環(huán)境保護(hù)、城市管理、民生安全、公共事業(yè)等行業(yè)的需求進(jìn)行智慧化分析并做出響應(yīng)，創(chuàng)建一個(gè)宜居、暢通、綠色、平安、健康的新型城市。本文所探討的智慧氣象平臺(tái)及其提供的服務(wù)，就是智慧城市體系中重要的組成部分。

2.3 內(nèi)在要求

氣象工作的核心，從本質(zhì)上講，就是對(duì)氣象數(shù)據(jù)的收集、處理、分析、發(fā)布，需要科技的引領(lǐng)和支撐。互聯(lián)網(wǎng)（移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)）、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展為氣象工作邁上新臺(tái)階提供了堅(jiān)實(shí)的科技基礎(chǔ)。推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)與氣象相結(jié)合，從而在氣象領(lǐng)域創(chuàng)造一種新生態(tài)——智慧氣象。

3 智慧氣象平臺(tái)的功能架構(gòu)

3.1 物理構(gòu)架

互聯(lián)網(wǎng)：通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接自動(dòng)氣象站、中心平臺(tái)、信息發(fā)布端。一是構(gòu)建氣象數(shù)據(jù)收集網(wǎng)絡(luò)，利用互聯(lián)網(wǎng)、WIFI、4G/5G，連接自動(dòng)氣象站與中心平臺(tái)，實(shí)時(shí)傳送原始?xì)庀髷?shù)據(jù)。二是利用互聯(lián)網(wǎng)、WIFI、4G/5G 發(fā)布?xì)庀箢A(yù)報(bào)到各個(gè)終端，比如：電視電臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商、短信微信等。三是向國(guó)家、省市、區(qū)縣三級(jí)氣象局傳輸、交換氣象數(shù)據(jù)。

物聯(lián)網(wǎng)：氣象數(shù)據(jù)的收集是氣象工作的重要基礎(chǔ)。能否更多更快更準(zhǔn)地收集原始數(shù)據(jù)，是做好氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的重要前提。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)自動(dòng)氣象站、氣象雷達(dá)等探測(cè)設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造和升級(jí)，以達(dá)到如下要求：一是自動(dòng)化，能自動(dòng)收集相關(guān)氣象數(shù)據(jù)；二是網(wǎng)絡(luò)化，能通過(guò)4G/5G、WIFI、GPS/北斗連接中心平臺(tái)及時(shí)上傳數(shù)據(jù)；三是多功能化，能收集溫度、濕度、風(fēng)力風(fēng)向、降雨量、輻射、圖像等；四是模塊化，根據(jù)不同的任務(wù)相應(yīng)地增減模塊。

大數(shù)據(jù)：大數(shù)據(jù)是氣象服務(wù)不斷創(chuàng)新和完善的重要支撐。氣象大數(shù)據(jù)平臺(tái)是一款集轄區(qū)內(nèi)多測(cè)點(diǎn)綜合觀測(cè)、預(yù)報(bào)預(yù)警、公共氣象服務(wù)、移動(dòng)辦公于一體的智能化業(yè)務(wù)平臺(tái)（圖1）。

人工智能：建立分析處理氣象大數(shù)據(jù)的相關(guān)數(shù)學(xué)模型。

圖1 智慧氣象大數(shù)據(jù)平臺(tái)構(gòu)架Fig.1 Framework of intelligent platform for meteorological big data

3.2 網(wǎng)絡(luò)布局

根據(jù)我國(guó)氣象單位以行政區(qū)劃設(shè)置的實(shí)際，渝北局為全國(guó)三級(jí)氣象網(wǎng)絡(luò)的第三層級(jí)，即端口，負(fù)責(zé)將傳轄區(qū)內(nèi)各自動(dòng)氣象站、觀測(cè)場(chǎng)（站）的氣象數(shù)據(jù)收集、上傳到作為節(jié)點(diǎn)的第二層級(jí)（省、市、州氣象局）和作為中心的第一層級(jí)（國(guó)家氣象局）。渝北局氣象智慧平臺(tái)建設(shè)將圍繞“所司其職、所負(fù)其責(zé)”進(jìn)行布局，避免超標(biāo)建設(shè)、重復(fù)建設(shè)、厲行節(jié)約、提升效率。

3.3 平臺(tái)功能

圖2描述渝北智慧氣象平臺(tái)的主要功能，功能區(qū)位于一級(jí)菜單標(biāo)記處（圖2 紅色虛線(xiàn)框內(nèi)），其中包括：氣象產(chǎn)品、氣象監(jiān)測(cè)、站點(diǎn)信息、預(yù)警功能、在線(xiàn)會(huì)商、智慧農(nóng)業(yè)、大數(shù)據(jù)和綜合管理等功能。當(dāng)點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的功能按鈕，將在頁(yè)面上出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的內(nèi)容。除此之外，在圖2左下角和右上角處，還能分別在衛(wèi)星地圖和2D 平面圖之間進(jìn)行切換（本文均以衛(wèi)星地圖作為背景展示），以及在地圖上進(jìn)行區(qū)域間的放大或縮小。

圖2 智慧氣象大數(shù)據(jù)平臺(tái)功能Fig.2 Functions of intelligent platform for meteorological big data

3.4 預(yù)警系統(tǒng)

預(yù)警系統(tǒng)，是智慧氣象平臺(tái)的重要組成部分。針對(duì)目前不能對(duì)臨近災(zāi)害性天氣及時(shí)實(shí)施預(yù)警的情況，在智慧氣象平臺(tái)上，建立一套能綜合天氣模型和一些閾值判斷模型，基于預(yù)報(bào)員經(jīng)驗(yàn)、客觀降水物理?xiàng)l件等因素，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步分析和計(jì)算，自動(dòng)生成并發(fā)布預(yù)警產(chǎn)品的預(yù)警系統(tǒng)（圖3）。

圖3 預(yù)警系統(tǒng)Fig.3 Early warning system

在預(yù)警系統(tǒng)里，通過(guò)對(duì)閾值進(jìn)行設(shè)定，可以自行啟動(dòng)預(yù)警信號(hào)“預(yù)啟動(dòng)”。系統(tǒng)自動(dòng)推送預(yù)警信號(hào)的流程是：先將信號(hào)推送至值班員手機(jī)，初審后，到達(dá)臺(tái)長(zhǎng)手機(jī)；臺(tái)長(zhǎng)二審后，到達(dá)帶班局領(lǐng)導(dǎo)手機(jī)；局領(lǐng)導(dǎo)三審后，以APP推送、短信等方式發(fā)送到各負(fù)責(zé)人或相關(guān)單位，提高防災(zāi)減災(zāi)能力和效率。例如區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)暴雨、雷電、大霧等災(zāi)害性天氣時(shí)，就能及時(shí)生成并發(fā)布預(yù)警信號(hào)（圖4）。

圖4 預(yù)警信號(hào)Fig.4 Early warning signal

3.5 UPS實(shí)時(shí)監(jiān)控

UPS（Uninterruptible Power System/Uninterruptible Power Supply，即：不間斷電源），是一種蓄電池，在停電之后，用于給業(yè)務(wù)電腦和服務(wù)器設(shè)備提供備用電力。針對(duì)UPS 運(yùn)行不及時(shí)，因而影響預(yù)警信息發(fā)布的情況，實(shí)時(shí)監(jiān)控UPS（圖5），及時(shí)獲取其供電情況，在電量不足能及時(shí)報(bào)警。

圖5 UPS實(shí)時(shí)監(jiān)控Fig.5 UPS real-time monitoring

3.6 氣象數(shù)據(jù)庫(kù)

在評(píng)估災(zāi)害發(fā)生的因素時(shí)，難以及時(shí)、完整地查找該天氣過(guò)程的相關(guān)數(shù)據(jù)，影響了預(yù)警信號(hào)的發(fā)布時(shí)效。因此，建立氣象數(shù)據(jù)庫(kù)，可以隨時(shí)查看和抓取實(shí)時(shí)、歷史氣象數(shù)據(jù)，如：風(fēng)向、風(fēng)速、降水量、氣溫、濕度、氣壓等內(nèi)容（圖6）。同時(shí)，還可以在Micaps（Meteorological Information-Combine Analysis and Process System，即：現(xiàn)代化人機(jī)交互氣象信息處理和天氣預(yù)報(bào)制作系統(tǒng)）、雷達(dá)等平臺(tái)之間進(jìn)行快速切換，同步分析氣象資料，制作預(yù)警信號(hào)，達(dá)到了一個(gè)平臺(tái)多種數(shù)據(jù)共享、共使用的目的。

圖6 數(shù)據(jù)查詢(xún)Fig.6 Data query

3.7 移動(dòng)OA辦公

建立移動(dòng)辦公系統(tǒng)方案，渝北局領(lǐng)導(dǎo)及工作人員可以通過(guò)手機(jī)APP在戶(hù)外隨時(shí)查詢(xún)各類(lèi)數(shù)據(jù)、制作氣象產(chǎn)品、領(lǐng)導(dǎo)審核并發(fā)布。

同時(shí)，在智慧氣象平臺(tái)上還建立了一套氣象應(yīng)急會(huì)商系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)能夠與全區(qū)所有氣象災(zāi)害聯(lián)防單位的視頻會(huì)商，并同步分享相關(guān)資料和傳達(dá)信息。手機(jī)APP 軟件直接連接會(huì)商系統(tǒng)，能有效地解決工作人員不在單位時(shí)的加密會(huì)商。

4 結(jié)語(yǔ)

渝北局智慧氣象平臺(tái)模型的出現(xiàn)，是氣象行業(yè)的一項(xiàng)創(chuàng)新工程，它以氣象大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，云計(jì)算為核心，物聯(lián)網(wǎng)為支撐，“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)為履帶，提高了氣象業(yè)務(wù)的自動(dòng)化、智能化程度，提升了氣象預(yù)警預(yù)報(bào)的及時(shí)性和精準(zhǔn)率，加強(qiáng)了全區(qū)防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)的能力。智慧氣象平臺(tái)的不斷建設(shè)，將繼續(xù)推動(dòng)氣象觀測(cè)、預(yù)警預(yù)報(bào)、公眾服務(wù)、應(yīng)急管理等深度融合，讓社會(huì)、科技與生活，相互交織在一張巨大的智慧網(wǎng)上，為進(jìn)一步擴(kuò)大氣象行業(yè)的影響力和社會(huì)地位做出貢獻(xiàn)[6-7]。