康 莊

(1.成都信息工程大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院，成都 610225; 2.河南省商丘市氣象局，河南 商丘 476000)

0 引言

近年來，我國自然災(zāi)害發(fā)生概率較大，給社會經(jīng)濟(jì)造成無法估量的巨大損失[1]。因此需要建立一套有效的防范機(jī)制，在災(zāi)害來臨之前能夠提前作出預(yù)警，使人們及時做好防御和撤離等有效措施。由于自然災(zāi)害種類多，地域分布廣，極易引發(fā)山洪暴發(fā)和山體滑坡等災(zāi)害。氣象預(yù)警監(jiān)測人員通過預(yù)警信息系統(tǒng)及時向當(dāng)?shù)貧庀缶职l(fā)送預(yù)警信息，相關(guān)管理人員立即將接到的預(yù)警信息轉(zhuǎn)發(fā)或通知當(dāng)?shù)厝罕?，并通過電子顯示屏和揚(yáng)聲器播放，使預(yù)警信息迅速遍布各個地方[2]。但是，由于大部分區(qū)域自動氣象站建在農(nóng)村地區(qū)，地域限制導(dǎo)致監(jiān)測站數(shù)量較少，看護(hù)監(jiān)測能力差[3]。

就當(dāng)前情況，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的災(zāi)害防御區(qū)域氣象觀測站服務(wù)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案，該系統(tǒng)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)挖掘方案，結(jié)合人工智能手段，監(jiān)測觀測站服務(wù)數(shù)據(jù)。然而，該系統(tǒng)一旦斷網(wǎng)就無法正常使用，導(dǎo)致數(shù)據(jù)監(jiān)測精度較低；使用基于專家知識決策的災(zāi)害防御區(qū)域氣象觀測站服務(wù)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案，該系統(tǒng)通過監(jiān)督和非監(jiān)督方式實現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)的快速分類，由此進(jìn)行服務(wù)數(shù)據(jù)監(jiān)測。然而，該系統(tǒng)存在分類樣本過多、方式復(fù)雜，可能會產(chǎn)生錯誤信息，導(dǎo)致數(shù)據(jù)監(jiān)測精度較低。面對該情況，提出了災(zāi)害防御區(qū)域氣象觀測站服務(wù)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)災(zāi)害防御區(qū)域氣象災(zāi)害的特點，構(gòu)建觀測站服務(wù)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括災(zāi)害監(jiān)測子系統(tǒng)，預(yù)警子系統(tǒng)和防御子系統(tǒng)三大部分，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

由圖1可以看出，數(shù)據(jù)庫服務(wù)中心作為核心內(nèi)容，能夠?qū)崿F(xiàn)全程自動化的數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲和處理，以及報警和信息發(fā)布等功能。以數(shù)據(jù)庫服務(wù)中心為基礎(chǔ)，依據(jù)監(jiān)測子系統(tǒng)監(jiān)測氣象信號，利用預(yù)警子系統(tǒng)通報氣象信號，通過防御子系統(tǒng)實時記錄和處理預(yù)警信息，為災(zāi)害危險探測引擎提供數(shù)據(jù)支持。利用網(wǎng)絡(luò)GIS服務(wù)器和因特網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，使用戶能夠快速查詢探測信息[4]。

1.1 監(jiān)測子系統(tǒng)

監(jiān)測子系統(tǒng)主要是對氣象信號進(jìn)行實時監(jiān)測，能夠提前預(yù)測災(zāi)害發(fā)生的可能性，在災(zāi)害發(fā)生之前爭取更多的時間來采取相應(yīng)的防范措施[5]。

監(jiān)測子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)測子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由圖2可知，本系統(tǒng)采用現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、無線數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理中心相結(jié)合的方式，利用TS910計量通信系統(tǒng)實時采集降雨、位移、土地變化、氣候變化等參數(shù)的視頻圖像，并通過儀器供電的無線網(wǎng)絡(luò)及時準(zhǔn)確地向中心平臺傳輸數(shù)據(jù)[6]。中心數(shù)據(jù)平臺對返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，實時掌握和顯示現(xiàn)場降雨量及地質(zhì)變化情況，并結(jié)合現(xiàn)場視頻圖像進(jìn)行預(yù)警[7]。

監(jiān)測子系統(tǒng)各個模塊如下所示。

1)森林火災(zāi)監(jiān)測模塊:

該監(jiān)測模塊是對森林防火工作進(jìn)行科學(xué)規(guī)范的信息化管理，能夠及時發(fā)現(xiàn)和報告火災(zāi)隱情[8]。先進(jìn)的數(shù)字化森林監(jiān)控是消除森林火災(zāi)隱患，切實提高森林環(huán)境保護(hù)工作效率和質(zhì)量的重要手段[9]。

2)氣象在線監(jiān)控模塊:

在線氣象監(jiān)測系統(tǒng)可監(jiān)測降雨量、風(fēng)量和光照強(qiáng)度，并將數(shù)據(jù)反饋到有關(guān)部門，用于發(fā)布洪水和臺風(fēng)預(yù)警以及采取相關(guān)措施，以便公眾根據(jù)自然氣象信息及時安排農(nóng)業(yè)、生活和出行以及旅游活動等[10]。

3)地質(zhì)監(jiān)測模塊:

該監(jiān)測模塊能實時采集、傳輸、計算和分析地質(zhì)相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)，實時掌握作業(yè)安全狀況，能夠幫助管理部門分析歷史數(shù)據(jù)變化過程和現(xiàn)狀，以便提早發(fā)現(xiàn)和預(yù)測[11]。一旦位移量或移位速率超過報警邊界值等異常情況下，系統(tǒng)及時發(fā)出預(yù)警信息[12]。

1.2 預(yù)警子系統(tǒng)

針對預(yù)警子系統(tǒng)設(shè)計，需結(jié)合移動通信網(wǎng)絡(luò)部署監(jiān)測網(wǎng)點，并利用預(yù)警信號的方式進(jìn)行及時的通報[13]。預(yù)警子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 預(yù)警子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由圖3可知，依據(jù)氣象觀測站服務(wù)數(shù)據(jù)，將預(yù)警信號分為四個等級，分別是一般、較重、嚴(yán)重和特別嚴(yán)重，將這四種等級用LED指示燈來表示，分別是藍(lán)色、黃色、橙色和紅色[14]。

1.2.1 高溫預(yù)警

當(dāng)炎熱夏季來臨時，經(jīng)常會出現(xiàn)高溫多雨的天氣，需對極端天氣進(jìn)行預(yù)警[15]。當(dāng)連續(xù)三天溫度都高于35 ℃，則系統(tǒng)自動觸發(fā)LED燈，黃燈亮起；當(dāng)24小時內(nèi)溫度超過了35 ℃，則系統(tǒng)自動觸發(fā)LED燈，橙燈亮起；在任意時刻下，溫度超過了40 ℃，則系統(tǒng)自動觸發(fā)LED燈，紅燈亮起。

1.2.2 結(jié)冰預(yù)警

路面結(jié)冰給正常交通帶來較大影響。當(dāng)路面溫度低于0 ℃，并伴有降水，在未來12小時內(nèi)有50%機(jī)會路面結(jié)冰，則系統(tǒng)自動觸發(fā)LED燈，黃燈亮起；當(dāng)路面溫度低于0 ℃，并伴有降水，在未來6小時內(nèi)有50%機(jī)會路面結(jié)冰，則系統(tǒng)自動觸發(fā)LED燈，橙燈亮起；當(dāng)路面溫度低于0 ℃，并伴有降水，在未來2小時內(nèi)有50%機(jī)會路面結(jié)冰，則系統(tǒng)自動觸發(fā)LED燈，紅燈亮起[16]。

1.2.3 雷電預(yù)警

雷電災(zāi)害是一種危險性極大的自然災(zāi)害，極易引發(fā)火災(zāi)或?qū)θ藗兩斐赏{。當(dāng)未來12小時內(nèi)有50%機(jī)會出現(xiàn)雷電活動，則系統(tǒng)自動觸發(fā)LED燈，黃燈亮起；當(dāng)未來6小時內(nèi)有50%機(jī)會出現(xiàn)雷電活動，則系統(tǒng)自動觸發(fā)LED燈，橙燈亮起；當(dāng)未來2小時內(nèi)有50%機(jī)會出現(xiàn)雷電活動，則系統(tǒng)自動觸發(fā)LED燈，紅燈亮起[17]。

1.2.4 干旱預(yù)警

1.3 防御子系統(tǒng)

為了避免該系統(tǒng)在監(jiān)測過程中，受到外界環(huán)境干擾，設(shè)計了防御子系統(tǒng)[19]。該系統(tǒng)主要是由災(zāi)害防御區(qū)域氣象觀測中心站和災(zāi)害危險探測引擎組成的，其中災(zāi)害防御區(qū)域氣象觀測中心站通過實時記錄和處理預(yù)警信息，為災(zāi)害危險探測引擎提供數(shù)據(jù)支持。而災(zāi)害危險探測引擎負(fù)責(zé)結(jié)合移動通信網(wǎng)對數(shù)據(jù)包進(jìn)行捕獲、處理和響應(yīng)。

2 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計

根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)需求，設(shè)計了智能化軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)資料的監(jiān)測、處理、分析與顯示。

2.1 服務(wù)數(shù)據(jù)處理功能

在ArcGIS業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理模塊中，數(shù)據(jù)組織具有特殊性。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動處理，首先要將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成格式，對不合理的數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范、剔除、修正，形成可識別的數(shù)據(jù)類型，然后在ArcGIS中存儲SHAPE文件[20]。最后在不需要復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的情況下，由自動站和區(qū)域自動站采集實時氣象數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換成 SHAPE文件，便于后期利用 ArcGIS進(jìn)行有力的地面統(tǒng)計分析。

服務(wù)數(shù)據(jù)處理流程示意圖，如圖4所示。

圖4 服務(wù)數(shù)據(jù)處理流程示意圖

由圖4可知，將氣象觀測站采集到的實時數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)端，由服務(wù)端每間隔1小時上傳向主機(jī)傳送一次數(shù)據(jù)，傳送的數(shù)據(jù)以文件形式存在服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中。為了減少文件在磁盤中存儲所占用的內(nèi)存，需將文件轉(zhuǎn)換成SQL語句形式存儲到數(shù)據(jù)庫中，同時刪除地理位置、站點名稱和編號信息。

結(jié)果分析:從左至右,樣品依次編號為1-10號,最右列為2000bp的對照Marker,此電泳結(jié)果為A組致病菌的電泳條帶:其中2、3、7、8號分別在515bp處出現(xiàn)特異性條帶,檢測結(jié)果為蠟樣芽孢桿菌特異性基因;6號分別在407bp和515bp處出現(xiàn)特異性條帶,檢測結(jié)果為嗜水氣單胞菌和蠟樣芽孢桿菌特異性基因;所有樣品均在1176bp處出現(xiàn)內(nèi)對照條帶。

2.2 監(jiān)測預(yù)警功能

當(dāng)氣象災(zāi)害發(fā)生時，常伴有雷雨或者冰雹等惡劣天氣狀況。針對氣象災(zāi)害種類多、危害性大的特點，在對監(jiān)測預(yù)警模塊設(shè)計時，臨時文本文件是通過掃描數(shù)據(jù)庫元素在某一時刻的預(yù)設(shè)閾值，篩選出符合預(yù)設(shè)閾值且超出警告值的元素而生成的。調(diào)用不同元素的標(biāo)記符號，按照預(yù)先設(shè)定的指令，啟動音樂報警或短信報警，以實現(xiàn)監(jiān)控報警功能。

監(jiān)測預(yù)警流程如圖5所示。

圖5 監(jiān)測預(yù)警流程設(shè)計

2.3 三維可視化流程設(shè)計

根據(jù)WebSocket通信協(xié)議，通過客戶端向主機(jī)提供服務(wù)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送的移動端進(jìn)行處理，實時反饋結(jié)果至客戶端。待數(shù)據(jù)信息上傳至 Socket服務(wù)器，WebSocket實例將被快速構(gòu)建，借助OnOpen方法將構(gòu)建內(nèi)容進(jìn)行三維可視化展示。

三維可視化流程，如圖6所示。

圖6 三維可視化流程

從圖6可以看出，服務(wù)數(shù)據(jù)是通過調(diào)用方式傳遞到服務(wù)器的，并且在客戶機(jī)輸入和提交服務(wù)數(shù)據(jù)之后進(jìn)行初始化。在客戶機(jī)上點擊“開始”、“暫?！焙汀巴Ｖ埂卑粹o，將數(shù)值模擬計算線程控制的消息發(fā)送到服務(wù)器。同時將計算結(jié)果在客戶端監(jiān)控服務(wù)器上返回，完成加載和可視化繪制，實現(xiàn)客戶端三維動態(tài)可視化的實時計算和顯示。

3 實驗

為了驗證災(zāi)害防御區(qū)域氣象觀測站服務(wù)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計合理性，進(jìn)行實驗驗證分析。

3.1 實際數(shù)據(jù)分析

從觀測站和預(yù)測站兩個服務(wù)端提取災(zāi)害防御區(qū)域氣象觀測站服務(wù)數(shù)據(jù)，得到的自動站觀測資料各要素名稱如表1所示。

表1 觀測資料

3.2 實驗結(jié)果與分析

冷空氣是導(dǎo)致大風(fēng)、雷雨、結(jié)冰等自然災(zāi)害主要因素，冷空氣等級劃分如表2所示。

表2 冷空氣等級劃分

分別使用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、基于專家知識決策和所研究的災(zāi)害防御區(qū)域氣象觀測站服務(wù)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測冷空氣數(shù)據(jù)，監(jiān)測結(jié)果如圖7所示。

圖7 三種系統(tǒng)冷空氣數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果對比分析

由圖7(a)可知，使用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的弱冷空氣、中等強(qiáng)度冷空氣、較強(qiáng)冷空氣溫度變化與實際變化情況一致，而監(jiān)測到的強(qiáng)冷空氣、寒潮溫度變化與實際變化情況不一致。在48 h內(nèi)，強(qiáng)冷空氣降溫幅度在8 ℃之上，未達(dá)到最低溫度值；寒潮降溫幅度小于10 ℃，與標(biāo)準(zhǔn)的大于等于10 ℃相不一致。

由圖7(b)可知，使用專家知識決策監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的弱冷空氣、中等強(qiáng)度冷空氣、較強(qiáng)冷空氣、寒潮溫度變化與實際變化情況一致，而監(jiān)測到的強(qiáng)冷空氣溫度變化與實際變化情況不一致。其中強(qiáng)冷空氣雖然在48 h內(nèi)降溫幅度大于等于8 ℃，但未達(dá)到最低溫度值。

由圖7(c)可知，使用所研究的監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的空氣溫度變化與實際變化情況一致。

通過上述研究結(jié)果可知，所研究的災(zāi)害防御區(qū)域氣象觀測站服務(wù)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果與實際結(jié)果一致，說明該系統(tǒng)監(jiān)測精準(zhǔn)度較高。

4 結(jié)束語

針對災(zāi)害防御區(qū)域氣象影響問題，提出了觀測站服務(wù)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計。以冷空氣監(jiān)測為研究對象進(jìn)行實驗驗證分析，該系統(tǒng)具有精準(zhǔn)監(jiān)測結(jié)果，為氣象災(zāi)害防治提供科學(xué)依據(jù)。

由于研究時間有限，設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)只是基于觀測站資料研究的，只能為監(jiān)測系統(tǒng)提供一個簡單依據(jù)，有關(guān)三維顯示重要內(nèi)容還未涉及。因此，在后續(xù)工作中應(yīng)優(yōu)化以下幾點：

1)在微機(jī)上三維可視化顯示站點天氣數(shù)據(jù)，形成多時段連續(xù)動畫；

2)基于氣象衛(wèi)星云圖和氣象雷達(dá)圖三維疊加顯示氣象數(shù)據(jù)場；

3)用貼圖法實現(xiàn)三維地圖底圖顯示和人機(jī)交互地理定位，三維疊加顯示矢量場氣象數(shù)據(jù)。