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(lái)，我國(guó)自然災(zāi)害發(fā)生概率較大，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成無(wú)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(lái)臨之前能夠提前作出預(yù)警，使人們及時(shí)做好防御和撤離等有效措施。由于自然災(zāi)害種類(lèi)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(cè)人員通過(guò)預(yù)警信息系統(tǒng)及時(shí)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(guò)電子顯示屏和揚(yáng)聲器播放，使預(yù)警信息迅速遍布各個(gè)地方[2]。但是，由于大部分區(qū)域自動(dòng)氣象站建在農(nóng)村地區(qū)，地域限制導(dǎo)致監(jiān)測(cè)站數(shù)量較少，看護(hù)監(jiān)測(cè)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(cè)站服務(wù)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(cè)觀測(cè)站服務(wù)數(shù)據(jù)。然而，該系統(tǒng)一旦斷網(wǎng)就無(wú)法正常使用，導(dǎo)致數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)精度較低；使用基于專(zhuān)家知識(shí)決策的災(zāi)害防御區(qū)域氣象觀測(cè)站服務(wù)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)督和非監(jiān)督方式實(shí)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的快速分類(lèi)，由此進(jìn)行服務(wù)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。然而，該系統(tǒng)存在分類(lèi)樣本過(guò)多、方式復(fù)雜，可能會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤信息，導(dǎo)致數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)精度較低。面對(duì)該情況，提出了災(zāi)害防御區(qū)域氣象觀測(cè)站服務(wù)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)災(zāi)害防御區(qū)域氣象災(zāi)害的特點(diǎn)，構(gòu)建觀測(cè)站服務(wù)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括災(zāi)害監(jiān)測(cè)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(kù)服務(wù)中心作為核心內(nèi)容，能夠?qū)崿F(xiàn)全程自動(dòng)化的數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)和處理，以及報(bào)警和信息發(fā)布等功能。以數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)中心為基礎(chǔ)，依據(jù)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)監(jiān)測(cè)氣象信號(hào)，利用預(yù)警子系統(tǒng)通報(bào)氣象信號(hào)，通過(guò)防御子系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄和處理預(yù)警信息，為災(zāi)害危險(xiǎn)探測(cè)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(hù)能夠快速查詢(xún)探測(cè)信息[4]。

1.1 監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)主要是對(duì)氣象信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠提前預(yù)測(cè)災(zāi)害發(fā)生的可能性，在災(zāi)害發(fā)生之前爭(zhēng)取更多的時(shí)間來(lái)采取相應(yīng)的防范措施[5]。

監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由圖2可知，本系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、無(wú)線(xiàn)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(jì)量通信系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(guò)儀器供電的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)及時(shí)準(zhǔn)確地向中心平臺(tái)傳輸數(shù)據(jù)[6]。中心數(shù)據(jù)平臺(tái)對(duì)返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，實(shí)時(shí)掌握和顯示現(xiàn)場(chǎng)降雨量及地質(zhì)變化情況，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像進(jìn)行預(yù)警[7]。

監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)各個(gè)模塊如下所示。

1)森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)模塊:

該監(jiān)測(cè)模塊是對(duì)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(shí)發(fā)現(xiàn)和報(bào)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(shí)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(xiàn)監(jiān)控模塊:

在線(xiàn)氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)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(mén)，用于發(fā)布洪水和臺(tái)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(shí)安排農(nóng)業(yè)、生活和出行以及旅游活動(dòng)等[10]。

3)地質(zhì)監(jiān)測(cè)模塊:

該監(jiān)測(cè)模塊能實(shí)時(shí)采集、傳輸、計(jì)算和分析地質(zhì)相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)掌握作業(yè)安全狀況，能夠幫助管理部門(mén)分析歷史數(shù)據(jù)變化過(guò)程和現(xiàn)狀，以便提早發(fā)現(xiàn)和預(yù)測(cè)[11]。一旦位移量或移位速率超過(guò)報(bào)警邊界值等異常情況下，系統(tǒng)及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息[12]。

1.2 預(yù)警子系統(tǒng)

針對(duì)預(yù)警子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需結(jié)合移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)部署監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)，并利用預(yù)警信號(hào)的方式進(jìn)行及時(shí)的通報(bào)[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(cè)站服務(wù)數(shù)據(jù)，將預(yù)警信號(hào)分為四個(gè)等級(jí)，分別是一般、較重、嚴(yán)重和特別嚴(yán)重，將這四種等級(jí)用LED指示燈來(lái)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(lái)臨時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)高溫多雨的天氣，需對(duì)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(dòng)觸發(fā)LED燈，黃燈亮起；當(dāng)24小時(shí)內(nèi)溫度超過(guò)了35 ℃，則系統(tǒng)自動(dòng)觸發(fā)LED燈，橙燈亮起；在任意時(shí)刻下，溫度超過(guò)了40 ℃，則系統(tǒng)自動(dòng)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(lái)較大影響。當(dāng)路面溫度低于0 ℃，并伴有降水，在未來(lái)12小時(shí)內(nèi)有50%機(jī)會(huì)路面結(jié)冰，則系統(tǒng)自動(dòng)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(lái)6小時(shí)內(nèi)有50%機(jī)會(huì)路面結(jié)冰，則系統(tǒng)自動(dòng)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(lái)2小時(shí)內(nèi)有50%機(jī)會(huì)路面結(jié)冰，則系統(tǒng)自動(dòng)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(xiǎn)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(lái)12小時(shí)內(nèi)有50%機(jī)會(huì)出現(xiàn)雷電活動(dòng)，則系統(tǒng)自動(dòng)觸發(fā)LED燈，黃燈亮起；當(dāng)未來(lái)6小時(shí)內(nèi)有50%機(jī)會(huì)出現(xiàn)雷電活動(dòng)，則系統(tǒng)自動(dòng)觸發(fā)LED燈，橙燈亮起；當(dāng)未來(lái)2小時(shí)內(nèi)有50%機(jī)會(huì)出現(xiàn)雷電活動(dòng)，則系統(tǒng)自動(dòng)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(cè)過(guò)程中，受到外界環(huán)境干擾，設(shè)計(jì)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(cè)中心站和災(zāi)害危險(xiǎn)探測(cè)引擎組成的，其中災(zāi)害防御區(qū)域氣象觀測(cè)中心站通過(guò)實(shí)時(shí)記錄和處理預(yù)警信息，為災(zāi)害危險(xiǎn)探測(cè)引擎提供數(shù)據(jù)支持。而災(zāi)害危險(xiǎn)探測(cè)引擎負(fù)責(zé)結(jié)合移動(dòng)通信網(wǎng)對(duì)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(jì)

根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需求，設(shè)計(jì)了智能化軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)資料的監(jiān)測(cè)、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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理，首先要將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成格式，對(duì)不合理的數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范、剔除、修正，形成可識(shí)別的數(shù)據(jù)類(lèi)型，然后在ArcGIS中存儲(chǔ)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(dòng)站和區(qū)域自動(dòng)站采集實(shí)時(shí)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(jì)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(cè)站采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)端，由服務(wù)端每間隔1小時(shí)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(kù)中。為了減少文件在磁盤(pán)中存儲(chǔ)所占用的內(nèi)存，需將文件轉(zhuǎn)換成SQL語(yǔ)句形式存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)刪除地理位置、站點(diǎn)名稱(chēng)和編號(hào)信息。

結(jié)果分析:從左至右,樣品依次編號(hào)為1-10號(hào),最右列為2000bp的對(duì)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(hào)分別在515bp處出現(xiàn)特異性條帶,檢測(cè)結(jié)果為蠟樣芽孢桿菌特異性基因;6號(hào)分別在407bp和515bp處出現(xiàn)特異性條帶,檢測(cè)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(duì)照條帶。

2.2 監(jiān)測(cè)預(yù)警功能

當(dāng)氣象災(zāi)害發(fā)生時(shí)，常伴有雷雨或者冰雹等惡劣天氣狀況。針對(duì)氣象災(zāi)害種類(lèi)多、危害性大的特點(diǎn)，在對(duì)監(jiān)測(cè)預(yù)警模塊設(shè)計(jì)時(shí)，臨時(shí)文本文件是通過(guò)掃描數(shù)據(jù)庫(kù)元素在某一時(shí)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(hào)，按照預(yù)先設(shè)定的指令，啟動(dòng)音樂(lè)報(bào)警或短信報(bào)警，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控報(bào)警功能。

監(jiān)測(cè)預(yù)警流程如圖5所示。

圖5 監(jiān)測(cè)預(yù)警流程設(shè)計(jì)

2.3 三維可視化流程設(shè)計(jì)

根據(jù)WebSocket通信協(xié)議，通過(guò)客戶(hù)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(dòng)端進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)反饋結(jié)果至客戶(hù)端。待數(shù)據(jù)信息上傳至 Socket服務(wù)器，WebSocket實(shí)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(guò)調(diào)用方式傳遞到服務(wù)器的，并且在客戶(hù)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(hù)機(jī)上點(diǎn)擊“開(kāi)始”、“暫停”和“停止”按鈕，將數(shù)值模擬計(jì)算線(xiàn)程控制的消息發(fā)送到服務(wù)器。同時(shí)將計(jì)算結(jié)果在客戶(hù)端監(jiān)控服務(wù)器上返回，完成加載和可視化繪制，實(shí)現(xiàn)客戶(hù)端三維動(dòng)態(tài)可視化的實(shí)時(shí)計(jì)算和顯示。

3 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證災(zāi)害防御區(qū)域氣象觀測(cè)站服務(wù)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。

3.1 實(shí)際數(shù)據(jù)分析

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

表1 觀測(cè)資料

3.2 實(shí)驗(yàn)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(jí)劃分如表2所示。

表2 冷空氣等級(jí)劃分

分別使用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、基于專(zhuān)家知識(shí)決策和所研究的災(zāi)害防御區(qū)域氣象觀測(cè)站服務(wù)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)冷空氣數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)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(cè)結(jié)果對(duì)比分析

由圖7(a)可知，使用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)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(shí)際變化情況一致，而監(jiān)測(cè)到的強(qiáng)冷空氣、寒潮溫度變化與實(shí)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(zhuān)家知識(shí)決策監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)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(shí)際變化情況一致，而監(jiān)測(cè)到的強(qiáng)冷空氣溫度變化與實(shí)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(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的空氣溫度變化與實(shí)際變化情況一致。

通過(guò)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(cè)站服務(wù)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果一致，說(shuō)明該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度較高。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)災(zāi)害防御區(qū)域氣象影響問(wèn)題，提出了觀測(cè)站服務(wù)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。以冷空氣監(jiān)測(cè)為研究對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析，該系統(tǒng)具有精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)結(jié)果，為氣象災(zāi)害防治提供科學(xué)依據(jù)。

由于研究時(shí)間有限，設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只是基于觀測(cè)站資料研究的，只能為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供一個(gè)簡(jiǎn)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(diǎn)：

1)在微機(jī)上三維可視化顯示站點(diǎn)天氣數(shù)據(jù)，形成多時(shí)段連續(xù)動(dòng)畫(huà)；

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(chǎng)；

3)用貼圖法實(shí)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(chǎng)氣象數(shù)據(jù)。