陳 宇，楊 濤，張 皓，席佐聯(lián)，金昭貴，滕萬里，羅 梅

(1.貴州省氣象服務(wù)中心，貴州 貴陽 550001；2.貴陽市氣象局，貴州 貴陽 550001；3.清鎮(zhèn)市氣象局，貴州 清鎮(zhèn) 551400；4.修文縣氣象局，貴州 修文 550200)

1 引言

在全球氣候變暖背景下，近年來頻發(fā)冰雹、干旱、大風(fēng)等極端氣候事件，給我國經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展帶來了巨大考驗，為推進(jìn)“十四五”時期人工影響天氣工作高質(zhì)量發(fā)展，有效發(fā)揮人影在鄉(xiāng)村振興、防災(zāi)減災(zāi)、生態(tài)文明建設(shè)等國家重大戰(zhàn)略實(shí)施和重點(diǎn)領(lǐng)域的保障作用。實(shí)現(xiàn)“科學(xué)作業(yè)、精準(zhǔn)作業(yè)、安全作業(yè)”要求，長期以來，我國各省都組織研發(fā)了適應(yīng)當(dāng)?shù)氐娜斯び绊懱鞖饪茖W(xué)指揮系統(tǒng)，如安徽省[1]“基于新一代天氣雷達(dá)的省級人影業(yè)務(wù)系統(tǒng)，系統(tǒng)能提供不同時效、不同分辨率的業(yè)務(wù)指導(dǎo)產(chǎn)品給市縣級人影作業(yè)指揮人員。吉林省[2]根據(jù)采集micaps氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行資料同化處理來打造人工影響天氣系統(tǒng)。2015年，中國氣象局人工影響天氣中心結(jié)合長期的人工影響天氣業(yè)務(wù)實(shí)踐和科學(xué)研究，提出了我國人工影響天氣“五段”實(shí)時業(yè)務(wù)，廣東省[3]針對人影5段實(shí)時業(yè)務(wù)各階段任務(wù)創(chuàng)建了人影綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

清鎮(zhèn)“一山有四季、十里不同天”屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，位于我國西南喀斯特地貌中心區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，暴雨、冰雹等氣象災(zāi)害多發(fā)。清鎮(zhèn)作為省會貴陽市的“西大門”，處于主要的四條冰雹帶上，在區(qū)域聯(lián)防戰(zhàn)略中居于重要位置，清鎮(zhèn)開展人影工作已有48年，所屬9個鄉(xiāng)鎮(zhèn)布設(shè)有11個人影作業(yè)點(diǎn)，擁有一支55人的人影作業(yè)隊伍，現(xiàn)已對7門高炮、10門火箭進(jìn)行了自動化改造。目前貴州省在人影方面已建設(shè)多個業(yè)務(wù)系統(tǒng)，如：人影物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、安全射界、視頻監(jiān)控等系統(tǒng)，但是隨著人影發(fā)展，信息化程度不斷深化，業(yè)務(wù)系統(tǒng)越來越多，且各業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間權(quán)限、數(shù)據(jù)相互獨(dú)立。在實(shí)際應(yīng)用中，多個系統(tǒng)時存在登錄、操作權(quán)限混亂復(fù)雜、各系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)不能交互與融合，沒有形成完整的流程體系。為更好高質(zhì)量發(fā)展人影事業(yè)，深度融入國家戰(zhàn)略，清鎮(zhèn)采納“威寧模式”經(jīng)驗[4]，依托計算機(jī)技術(shù)，通過人影智能化指揮作業(yè)系統(tǒng)建設(shè)，打造出智能人影綜合業(yè)務(wù)平臺，為人影業(yè)務(wù)、安全管理、科研工作注入智慧元素，進(jìn)一步提高人影作業(yè)的效率和科學(xué)性。

2 系統(tǒng)設(shè)計思路

系統(tǒng)基于B/S架構(gòu)，利用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，如圖 1 所示，該系統(tǒng)利用了 java web 技術(shù)搭建后臺架構(gòu)，整體分為基礎(chǔ)設(shè)施層、系統(tǒng)平臺服務(wù)層、應(yīng)用軟件層。系統(tǒng)以人影業(yè)務(wù)專用數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)支撐，將目前相對孤立的人影指揮、人影物聯(lián)網(wǎng)、安全射界、視頻監(jiān)控等業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行資源整合，以實(shí)現(xiàn)在統(tǒng)一的平臺基礎(chǔ)上構(gòu)建滿足業(yè)務(wù)需求的應(yīng)用系統(tǒng)。系統(tǒng)能分析處理人影作業(yè)需要的各種信息，以及建立人影作業(yè)條件指標(biāo)模型、預(yù)警模型和安全系數(shù)模型標(biāo)準(zhǔn)。并隨著人影業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展和新需求，能夠快速增加應(yīng)用系統(tǒng)。打造出人影智能綜合業(yè)務(wù)平臺，實(shí)現(xiàn)了氣象數(shù)據(jù)可視化分析和展示。

圖1 人影智能指揮系統(tǒng)總體架構(gòu)

3 人影業(yè)務(wù)智能指揮子系統(tǒng)

基于大數(shù)據(jù)平臺構(gòu)建的人影智能指揮系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)從信息采集、作業(yè)計劃、作業(yè)預(yù)案、監(jiān)測預(yù)警、跟蹤指揮、空域申請、作業(yè)實(shí)施、信息上報、作業(yè)評估整個業(yè)務(wù)流程的自動化和智能化，極大提高人影作業(yè)執(zhí)行力，顯著增強(qiáng)人影作業(yè)效率。如圖2所示，其系統(tǒng)外部接口有：CIMISS系統(tǒng)接口、貴州省彈藥物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)管系統(tǒng)接口、貴州省安全射界系統(tǒng)接口、貴州省綜合業(yè)務(wù)管理與信息共享平臺接口、以及其它業(yè)務(wù)系統(tǒng)接口。系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與人影作業(yè)裝備控制系統(tǒng)對接，經(jīng)過系統(tǒng)綜合分析，提供作業(yè)指揮信息，確定作業(yè)參數(shù)，再結(jié)合彈道曲線參數(shù)，安全射界系統(tǒng)最終量化輸出作業(yè)部位和用彈量等參數(shù)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)自動化作業(yè)并進(jìn)行作業(yè)效果評估。

圖2 人影智能指揮系統(tǒng)外部接口

3.1 數(shù)據(jù)獲取及分析

系統(tǒng)數(shù)據(jù)設(shè)計從CIMISS系統(tǒng)中讀?。豪走_(dá)數(shù)據(jù)、衛(wèi)星數(shù)據(jù)、探空數(shù)據(jù)、雨滴譜儀、微波輻射計等特種設(shè)備獲得實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)，用于人影作業(yè)的自動監(jiān)測預(yù)警?；赥ITAN算法實(shí)現(xiàn)對識別到的增雨、防雹區(qū)強(qiáng)回波進(jìn)行跟蹤和外推。實(shí)現(xiàn)更新周期為7～10 min，可外推10 min、0.5 h、1 h的強(qiáng)回波的路徑和參數(shù)的預(yù)報。并可以通過WEB或移動端APP查看最新的雷達(dá)觀測產(chǎn)品的回波、降水量、降水相態(tài)演變情況等信息，實(shí)現(xiàn)對當(dāng)前天氣進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

3.2 監(jiān)測與預(yù)警

智能指揮系統(tǒng)主要是應(yīng)用雷達(dá)、衛(wèi)星、探空資料等進(jìn)行綜合監(jiān)測預(yù)警，對監(jiān)測區(qū)、警戒區(qū)、作業(yè)區(qū)天氣進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。根據(jù)雷達(dá)發(fā)現(xiàn)的作業(yè)目標(biāo)的位置、大小，基于TITAN算法實(shí)現(xiàn)對單體及多單體的識別、追蹤、外推。預(yù)警閾值是按照不同的月份來設(shè)置對單體對反射率因子強(qiáng)度、體積、數(shù)量、最大反射率高度、垂直累積液態(tài)水含量等參數(shù)。一旦雷達(dá)的實(shí)時監(jiān)控產(chǎn)品達(dá)到預(yù)警閥值，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)警范圍、預(yù)警級別，發(fā)出預(yù)警提醒指揮人員進(jìn)行下一步工作事項。在接收到警告后，能迅速通過預(yù)警制作系統(tǒng)選擇落區(qū)模式、區(qū)域模式或全區(qū)模式利用把文本模板制作出預(yù)警，進(jìn)行發(fā)布。預(yù)警信息包括發(fā)布單位、時間、回波強(qiáng)度、速度方向、影響區(qū)域和防御指南，并通過下發(fā)預(yù)警通知及語音播放通知各站點(diǎn)。界面還能對48 h內(nèi)預(yù)警信息及指令進(jìn)行查詢統(tǒng)計(圖3)。

圖3 人影智能指揮業(yè)務(wù)界面

3.3 作業(yè)實(shí)施

作業(yè)實(shí)施指令交互是實(shí)時指揮平臺中最關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，作業(yè)指揮系統(tǒng)以新一代天氣雷達(dá)拼圖數(shù)據(jù)為核心，以地理信息為背景，圖上標(biāo)明各炮站及各農(nóng)業(yè)、水利、城市等重要位置，根據(jù)貴州省基層氣象防災(zāi)減災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)實(shí)施方案和貴陽人影作業(yè)歷史經(jīng)驗利用3個同心圓對應(yīng)的距離來劃分監(jiān)測區(qū)、警戒區(qū)、作業(yè)區(qū)。指揮人員可以對天氣進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并且實(shí)時監(jiān)控到各作業(yè)站點(diǎn)狀態(tài)(共12種)，如離線、待命、作業(yè)中、故障等狀態(tài)。

指揮流程如圖4所示，當(dāng)通過多種監(jiān)測手段分析發(fā)現(xiàn)天氣系統(tǒng)達(dá)到本地化后的增雨、防雹指標(biāo)后，再根據(jù)作業(yè)目標(biāo)的位置、大小，結(jié)合作業(yè)站點(diǎn)的分布，作業(yè)裝備的彈道，安全射界等進(jìn)行綜合分析計算，生成作業(yè)指令信息，信息包含作業(yè)的方位角、俯仰角、用彈量。指揮人員審核通過后將作業(yè)信息指令下發(fā)到炮站作業(yè)控制終端。炮站作業(yè)人員根據(jù)系統(tǒng)及實(shí)際天氣情況進(jìn)行綜合判別后作業(yè)，作業(yè)指令執(zhí)行完成后，自動控制終端向中心回傳作業(yè)完成消息。

圖4 人影業(yè)務(wù)組成和指揮流程

3.4 信息上報

在人影作業(yè)過程中，能夠同時將作業(yè)過程中、空域申請時間、獲得批復(fù)時間、彈藥使用情況、每一枚彈藥的發(fā)射方位、仰角、時間等信息發(fā)送到指揮中心。如有災(zāi)情發(fā)生，炮站人員可以上傳圖片及災(zāi)情信息到系統(tǒng)統(tǒng)計，方面指揮人員查看。

4 綜合管理子系統(tǒng)

綜合管理子系統(tǒng)主要是基于貴州省人影辦以及現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)、安全射界圖、視頻監(jiān)控相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行對接，將現(xiàn)有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)納入本系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。從圖5可以看出，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對作業(yè)站點(diǎn)信息、人員及裝備信息、彈藥種類數(shù)量、彈藥出入庫記錄等多方面進(jìn)行實(shí)時監(jiān)管，對安全檢查相關(guān)工作進(jìn)行全面的信息記錄和便捷的查詢，對相關(guān)安全工作進(jìn)行自動化評估，以實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)管貫穿于整個人影業(yè)務(wù)流程。

圖5 人影綜合管理子系統(tǒng)

4.1 作業(yè)站點(diǎn)及人員管理

系統(tǒng)能對作業(yè)站點(diǎn)及人員的基本信息進(jìn)行管理，具體統(tǒng)計建立炮站基本資料：炮站編號、經(jīng)度、緯度、海拔高度、建站時間、改造情況記錄、年檢記錄、年度配置人數(shù)、設(shè)備履歷表、年度作業(yè)量統(tǒng)計、作業(yè)站點(diǎn)批復(fù)、作業(yè)維修記錄，安全射界角、人員的基本信息等進(jìn)行全面記錄及查詢。

4.2 彈藥、裝備管理

系統(tǒng)建立從市、區(qū)縣、作業(yè)站點(diǎn)的三級彈藥庫，根據(jù)炮彈唯一編碼，接入物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)管系統(tǒng)，對每一枚炮彈進(jìn)行唯一性標(biāo)注，它的型號、數(shù)量、生產(chǎn)廠家，對采購后的炮彈進(jìn)行入庫管理，根據(jù)炮彈唯一性編號詳細(xì)記錄炮彈的使用、調(diào)配和運(yùn)輸軌跡情況。對故障炮彈進(jìn)行標(biāo)記，針對故障開展故障分析和炮彈質(zhì)量問題追溯?？筛鶕?jù)彈藥的采購時間、生產(chǎn)日期和有效期建立質(zhì)保安全預(yù)警閾值，當(dāng)炮彈存儲時間超過有效期后將自動進(jìn)行告警，防止使用過期彈發(fā)生安全事故。

4.3 安全檢查、統(tǒng)計查詢

指揮人員可通過系統(tǒng)創(chuàng)建安全檢查任務(wù)，在線指派檢查人員。檢查人員接收到檢查任務(wù)后根據(jù)任務(wù)要求清單進(jìn)行安全檢查，檢查實(shí)施后通過系統(tǒng)上報安全檢查情況表以及炮站整改情況。系統(tǒng)支持對安全檢查情況的查詢和統(tǒng)計功能，安全管理每周零報告報送，能夠多角度對安全檢查情況進(jìn)行統(tǒng)計分析。如圖 6 所示，系統(tǒng)可以對查詢時段內(nèi)發(fā)布的作業(yè)預(yù)警、作業(yè)指令、作業(yè)申請、彈藥信息、降雹統(tǒng)計等進(jìn)行統(tǒng)計查詢功能。

圖6 人影業(yè)務(wù)各信息統(tǒng)計管理界面

5 “個例庫”科研子系統(tǒng)

人影“個例庫”是在發(fā)生典型天氣過程時，人影作業(yè)后或發(fā)生災(zāi)情后，系統(tǒng)自動將該時間段的所有信息統(tǒng)一打包及進(jìn)行文件長時間存儲。同時在WEB端提供查詢和下載接口，方便省、市、縣各級人影業(yè)務(wù)單位開展研究工作。“個例庫”的設(shè)計是為了便于人影業(yè)務(wù)進(jìn)行指標(biāo)驗證，效果評估，科研等工作。系統(tǒng)能通過氣象產(chǎn)品選擇雷達(dá)、衛(wèi)星產(chǎn)品和各自動站氣象數(shù)據(jù)，圖7界面為一次冰雹天氣過程案例數(shù)據(jù)資料，研究人員可通過手動選取時間段，選定目標(biāo)區(qū)，可以獲得雷達(dá)回波的演變情況，對雷達(dá)數(shù)據(jù)的多種物理量進(jìn)行對比展示，主要包括：回波頂高、過冷水層厚度等，還能查看當(dāng)時預(yù)報預(yù)警、作業(yè)指令、作業(yè)信息等數(shù)據(jù)資料。

圖7 人影“個例庫”數(shù)據(jù)資料查詢界面

6 移動終端app

移動終端APP是作業(yè)炮點(diǎn)與市、縣人影指揮中心實(shí)時進(jìn)行信息交互的應(yīng)用程序，系統(tǒng)設(shè)計適應(yīng)各種安卓智能終端，用戶可以使用平板電腦等各種載體安裝智能終端軟件，支持4G、WLAN網(wǎng)絡(luò)等多種方式接入互聯(lián)網(wǎng)，圖8為移動終端app顯示界面，可以看出移動端app主要功能可包含：雷達(dá)回波顯示、當(dāng)?shù)靥鞖鈱?shí)況、預(yù)警信息、空域申請、作業(yè)信息上報、災(zāi)情上報等功能。根據(jù)接收信息使市、縣指揮中心能實(shí)時了解炮站作業(yè)狀態(tài)，以便于更有效的進(jìn)行作業(yè)指揮和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)市、縣、炮站三級人工影響天氣作業(yè)體系信息化、標(biāo)準(zhǔn)化。

圖8 移動終端app顯示界面

7 系統(tǒng)應(yīng)用個例

圖9為2020年05月16日清鎮(zhèn)市發(fā)生的一次冰雹天氣過程雷達(dá)產(chǎn)品圖，16日03:00，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到畢節(jié)市大方縣有回波生成發(fā)展后會影響清鎮(zhèn)，指揮系統(tǒng)及時自動發(fā)布了藍(lán)色預(yù)警如圖4，具體內(nèi)容為：回波中心最大強(qiáng)度47.5 dBz，回波頂高15.0 km，并以6 km/h向東南移動，并提示要求作業(yè)人員到崗，密切關(guān)注天氣。3:54，回波繼續(xù)發(fā)展，系統(tǒng)對清鎮(zhèn)、修文作業(yè)站點(diǎn)發(fā)布了黃色預(yù)警，畢節(jié)市黔西縣有回波生成發(fā)展，回波中心最大強(qiáng)度49.5 dBz，回波頂高21.0 km，并以31 km/h向東南移動，提示要求作業(yè)人員檢查裝備，準(zhǔn)備彈藥。5:48，此時冰雹回波已經(jīng)進(jìn)入清鎮(zhèn)作業(yè)范圍，系統(tǒng)發(fā)布紅色預(yù)警，并通過數(shù)據(jù)分析生成作業(yè)信息方案與指令，指令由指揮人員審核后對清鎮(zhèn)新店、流長作業(yè)站進(jìn)行空域申請，到5:56空域批復(fù)通過后即刻通過客戶端下發(fā)到新店、流長作業(yè)站進(jìn)行120 s作業(yè)時間指令，作業(yè)完成后由作業(yè)站班長進(jìn)行作業(yè)信息初報。如有降雹發(fā)生也可使用移動端上傳照片。

圖9 2020年05月16日清鎮(zhèn)發(fā)生的一次冰雹天氣過程雷達(dá)產(chǎn)品

8 結(jié)論

(1)系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、安全射界系統(tǒng)、信息上報系統(tǒng)等綜合應(yīng)用到一個系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)指揮和數(shù)據(jù)的上下互通、功能互補(bǔ)。系統(tǒng)基于TITAN算法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)報預(yù)警，自動計算作業(yè)信息，下發(fā)作業(yè)指令，設(shè)定人影作業(yè)的預(yù)期目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)了人影業(yè)務(wù)信息化、智能化。

(2)系統(tǒng)根據(jù)管理者、指揮者、作業(yè)人員工作模式，制定以條件、時間軸為觸發(fā)機(jī)制，建立不同類型響應(yīng)事件，通過系統(tǒng)的每一個節(jié)點(diǎn)信息自動觸發(fā)一個或多個事件服務(wù)流程，利用平臺打造標(biāo)準(zhǔn)化的業(yè)務(wù)流程標(biāo)準(zhǔn)體系，實(shí)現(xiàn)了人影業(yè)務(wù)工作流程標(biāo)準(zhǔn)化。

(3)系統(tǒng)對作業(yè)人員、裝備、彈藥、作業(yè)狀態(tài)、視頻監(jiān)控等安全方面進(jìn)行實(shí)時監(jiān)管，并整個作業(yè)過程都建立了一套安全處置流程。實(shí)現(xiàn)了人影安全監(jiān)管可視化，并貫穿整個業(yè)務(wù)流程。

(4)系統(tǒng)打造了用于科研的數(shù)據(jù)分析平臺，能自動收集典型天氣過程個例產(chǎn)品，對典型天氣過程數(shù)據(jù)提供下載功能，為科研提供數(shù)據(jù)支撐。在實(shí)際應(yīng)用中操作簡單、指揮科學(xué)、信息上報快。具有可推廣性，助力推進(jìn)量清鎮(zhèn)人影業(yè)務(wù)現(xiàn)代化建設(shè)。