基于SWAN的基层人影综合业务系统的研究

刘国强 唐辟如 彭宇翔

(贵州省人工影响天气办公室 贵州 贵阳 550081)

0 引 言

随着我国经济的持续发展和广大人民群众生活水平的不断提升，气象与人民的生活愈发息息相关，近几十年来，人工影响天气作业在省、市、县已成为常规气象业务服务于社会。一方面，社会公众对人工影响天气作业频次、效果的期望不断增强，另一方面，随着信息化技术的发展，市县级人工影响天气部门仍停留在原有的电话式沟通、简单分析和主观操作等方式阶段，严重影响人影作业指挥能力的提高。同时，人工影响天气业务系统存在小、多、散和缺乏标准化的缺点，建设适应基层特点的集约化、智能化、一体化人工影响天气业务系统的需求日渐迫切。

近年来，很多研究学者对建设省级气象服务业务系统进行了一系列相关研究。詹利群等[1]利用启动策略配置，完成了按时自动运行的统计，满足用户对准实时质控后地面气象资料统计值得业务需求。李静等[2]设计了B/S结构基于GIS的山西气象技术装备保障一体化系统。李建等[3]开发了基于webgis技术的公共气象服务业务平台从而实现了气象信息的快速查询。崔新强等[4]开发建成了湖北省气象服务一体化业务平台，实现了业务流程的可视化管理，减少了气象工作者不必要的重复劳动。文献[5-7]为提高专业气象服务产品加工自动化程度，分别研究开发了专业性的气象服务体系。陈晴等[8]利用本地化系统与CIMISS系统的无缝对接实现了气象数据的高效快速可视化。王凯松等[9]设计了基于GIS的气象监测与预警系统。郭庆燕等[10]开发了基于全国综合气象信息共享系统的气象数据服务系统。Speranza等[11]开发并介绍了SIMM地中海地区的综合预报系统。但是这些系统和平台通常仅涉及气象业务体系的某个方面，有些也在系统集成方面进行了一定的研究开发，但大多仅限于单一的某个层级，并没有很好地连接省-市-县不同层级，想要从根本上提升气象业务能力，任何一个层级都不能缺少。

因此，为提升贵州省人工影响天气的业务素养和作业水平，本文在市县级建立快速分析、风暴识别和跟踪预警自动化服务端，向上对接国、省两级人影指挥系统及CIMISS系统，直接获取省级指导产品；横向对接SWAN，依托其数据环境，并基于本地雷达资料、SWAN产品等进行快速分析、风暴识别和跟踪预警；向下做预警自动发布、作业指令发布、试点实现智能化作业，各作业点或外部门通过Web或移动终端设备访问接收预警信息和作业指令，充分体现了系统的科学性、安全性和先进性，首次建立贵州省人工影响气象业务技术体系。

1 系统总体设计

为保障该系统的多用性、同享性和兼容性，系统引入了层次化的设计思路。用户层、应用层和数据层共3大层面共同支撑起整个贵州人工影响(后面简称人影)综合业务系统。其中用户层主要包括省级人影、市县级人影、炮站终端；应用层主要分为服务端和客户端，服务端包括人影服务端和SWAN服务端，客户端包括SWAN客户端和炮站客户端；数据层储存系统的所有数据。系统的数据源由本地的数据库与全国综合气象信息数据共享平台提供，主要包括人影作业数据、短临预报数据和基础地理信息数据等。应用系统的总体框架见图1。

图1 系统总体框架

该系统是一个综合性业务系统，与多方外部系统都有数据通信(见图2)，其中：CMISS、SWAN、小雷达产品系统为本系统提供基础数据和产品；物联网系统、空域系统、作业评估系统与本系统进行对接，保证各系统数据一致性、及时性；一键发布为系统提供产品信息发布渠道。

图2 系统联系

2 系统功能设计

基于SWAN的基层人影综合业务系统主要包括9个功能模块：地图模块、SWAN产品模块、人影产品模块、监测预警模块、空域申请模块、跟踪指挥模块、效果评估模块、决策服务模块、系统管理模块，如图3所示。

图3 基于SWAN的基层人影综合业务系统功能结构

1) 地图模块。进入系统后，系统提供在地图上查看基础信息的功能，主要包括作业信息点、作业数据、作业点禁射区、相关业务数据等，同时提供基础的地图操作方式，主要包括放缩和测距等。

2) SWAN产品模块。该系统可以展示SWAN产品信息，如风暴追踪外推产品、雷达拼图、风暴顶高、垂直液态降水、雷达三维拼图、QPE和QPF等产品。

3) 人影产品模块。人影产品主要包括冰雹识别产品和冰雹概率产品。冰雹识别产品是基于双偏振雷达的冰雹产品查看功能，冰雹概率产品是基于雷达三维拼图资料计算的冰雹概率产品查看功能。

4) 监测预警模块。监测预警主要包括3项功能：(1) 系统自动预警：在进入监测预警功能后，系统后台会自动生成预警信息，将最新的预警作业点在Web端的列表和WEBGIS上进行预警显示。(2) 人工订正预警作业点：可以通过点击地图上的作业点来修改预计作业时间和预警时效。(3) 预警查询：根据预警时间可以进行预警查询，系统将查询的结果在列表和WEBGIS上显示。

5) 空域申请模块。空域申请模块为与空域系统对接信息展示模块，主要包括三个方面的功能：空域申请、空域申请反馈和作业点状态显示。用户可以查看通过本系统向空域系统发送的预警点数据进行空域申请，实际作业点数据通过接口从空域申请系统中反馈到本系统，并且系统通过接口可以查看作业点作业前后的状态信息数据。

6) 跟踪指挥模块。在多普勒雷达或者TWR雷达中查看某个雷达站的数据，同时可以自动计算出每个对应作业点的作业参数(预计作业时候的仰角、作业方向、用弹量)，若对自动计算的作业参数不满意可以进行人工手动订正，确定准确无误后可以将作业点的三参数通过作业指令的方式发送到公众号，然后炮站端公众号即可接收到最新作业指令。与此同时，可以随时查看实时的探空资料和雷达回波信息。

7) 效果评估模块。系统针对已经作业的作业点，提供防雹作业效果评估、增雨效果评估功能，主要包括效果评估列表和作业效果评估分析两个功能。系统根据雷达资料分析防雹作业效果，根据实况数据和个点预报数据计算增雨量和增雨作业效果。

8) 决策服务模块。人影决策产品包括人影作业条件预警报、潜力报、需求报、过程报和人影作业效果分析。可通过系统直接生成人影决策产品，并进行产品签发。

9) 管理模块。系统的管理模块主要包括：(1) 作业点管理：可以查询作业信息，并根据需要导出作业点信息表格。(2) 系统管理：可以修改模块、用户信息和地区信息，并对权限进行设置。

3 系统实现的主要技术

3.1 基于CIMISS的气象数据采集及处理方法

CIMISS气象数据服务接口是基于CIMISS数据环境，面向气象业务和科研，提供统一、标准、丰富的数据访问服务和应用编程接口(API)。对于不同种类的气象数据和气象资料，CIMISS都提供独立的数据访问接口，每种数据接口都提供诸如时间点、经纬度范围、统计时段等接口参数，用户可根据实际业务需要，利用不同的参数检索所需的气象资料数据。通过输入不同的参数，通过后台编程调用CIMISS数据接口获取气象数据和产品，包括气象台站信息、站点资料实况和分段统计、格点预报资料和多类文件数据产品(雷达产品、卫星云图、数值预报产品)等。具体调用方法见表1。

表1 CIMISS接口调用方法

callAPI_to_serializedStr方法获取的数据以序列化的字符串(xml/json/html/text)形式返回，callAPI _to_array方法获取的数据以二维数组的形式返回。

系统主要通过Java语言，接入CIMISS接口获取气象数据，经过数据处理解析过程，转换成统一标准的数据结构接口或服务，按用户的数据请求的数据接口格式或者服务形式在客户端Web页面上渲染呈现。

系统采集数据CIMISS种类很多，主要包括：多普勒雷达基数据、twr小雷达数据、SWAN产品数据、格点预报数据、气象实况数据等，如图4所示。

图4 数据采集及解析处理流程

通过系统统一解析处理计算，输出标准的矢量类和栅格图片类数据，供系统业务或者WEBGIS可视化使用。

3.2 基于HTML5的WEBGIS可视化技术

为保证系统客户端高效渲染气象数据，系统采用基于HTML5和Canvas技术的WEBGIS技术引擎OpenLayers，OpenLayers是一个提供强大地图展示功能和标准OGC规范接口的JavaScript包，可以提供丰富的地图交互功能。系统利用OpenLayers和Echarts，实现对气象数据的显示、交互、图表的再分析等可视化显示。

基于Canvas API和Canvas渲染器，OpenLayers地图引擎实现了气象数据的图层渲染绘制和叠加；对于气象数据中点、线、面的表达，OpenLayers提供了相关标准的对象接口，分别为Point、PolyLine和Polygon。本系统主要实现了4种矢量数据图层：作业炮点图层、预警图层、禁射区图层、相关业务数据图层。对于系统中的SWAN产品、人影产品和卫星云图图层，主要采用Imge图层方式展示产品图片；Imge图层根据图层产品的范围坐标转化为屏幕坐标，显示在WEBGIS地图图层中。

系统的WEBGIS可视化对于Web动态显示提供局部刷新，采用Ajax的HttpRequest请求实现异步数据的请求和GIS的局部更新。

3.3 基于Office Web插件的报告在线生成技术

基于Office Web插件，在Web页面上实现Word报告的生成、编辑、保存，借助本系统平台能很好完成各种决策报告服务报告制作和上传下达。

Office Web插件是一款轻量级的Office插件，不要求服务器端必须安装Office软件，但是要求客户端必须安装Office软件，包括Microsoft Office或者WPS,是一种Web端ocx插件技术，具体调用流程如图5所示。

图5 Office Web调用流程

系统中，通过在线Office技术，在后台预先设定业务报告模板，用户可以在调用模板基础上进行业务服务报告编辑制作，然后保存到服务器中完成报告制作。

4 系统实现结果及性能

4.1 系统实现结果

本文系统引入小雷达观测数据作为分析计算的基础资料，通过省-市-县-作业点四级集约化设计及信息的共享，实现了作业潜力预报、临近预警、跟踪指挥、效果评估、空域申报和安全管理等人影业务分析功能。图6为系统登录界面。

图6 系统登录界面

通过该系统可以随时查询全省人影已审批通过的作业点基本信息(作业点编码、名称、类型和经纬度等)、已作业站点的详细信息(站点名称、作业时间、作业性质、用弹量等)，以及所需的作业装备图、多普勒雷达分布图、twr小雷达分布图和安全射界图等。系统可对已有的资料进行分析，如根据需要生成组合反射率CR拼图、风暴顶高、垂直液态水含量VIL和雷达三维拼图等。系统基于雷达三维拼图资料自动计算冰雹概率，通过卫星云图查看云相态、云顶高度、云顶温度和云顶气压等。进入监测预警功能可以在后台自动生成预警信息，同时将最新的预警作业点在Web端列表和WEBGIS上进行显示，人影部门可根据预警提醒进行空域申请，根据某一地区的基本反射率和探空高度等可计算相应的作业参数，随后通过作业指令将其发送到相应公众号，从而炮站终端公众号可以接收到相应指令，可参考指令进行空域申请和作业。针对已作业的站点，可以提供作业效果评估，主要包括效果评估列表和作业效果评估分析。在一次过程结束后，可在系统中完成本次灾情信息填写，便于后期查询和科研。系统界面部分截图如图7所示。

图7 系统界面部分截图

4.2 性能检验

为检验本文系统性能，分析系统存在的功能BUG和性能缺陷，系统采用黑盒测试、边界测试等方法对系统的功能和性能进行全面测试。

4.2.1系统BUG趋势图

基于SWAN的基层人影综合业务系统进行黑盒功能测试过程中，共对三个版本系统进行了回归测试：即A1-A3为迭代开发版本，BUG版本趋势见图8。

图8 按时间趋势划分BUG

该系统第一阶段从2018年3月8日至3月14日，从图8中可以看出，平均每个版本回归测试的BUG数量基本维持在15个左右。A1共有24个BUG，由于版本A1的一个功能模块在版本A2才第一次测试，因此版本A1的BUG相对A2偏少，而版本A2中的BUG数相对于版本A1出现了明显的增长；版本A3中BUG数呈下降趋势是由于版本A3中有版本A2的BUG验收测试，以及版本A1A2的回归测试。

4.2.2BUG所占功能模块比

为及时发现系统潜在问题，分别从不同模块进行执行测试，从图9中可以看出本文系统问题主要集中在预警指挥、资料分析这两个模块，BUG所占比例分别为27%和22%，系统管理模块最低，为5%。根据BUG所占比例针对问题及时进行修复。

图9 不同模块BUG分布

检验结果表明本文系统具有较好的性能，能较好地实现资料分析、预警指挥、决策服务、业务管理、效果评估等功能。但现系统的可靠性控制不够严密，多数控制是通过页面控制实现的，若页面控制失效，可向数据库插入数据引发错误，以及系统中很多地方使用多语言，由于多语言编码不统一从而导致页面设计和数据设计使用语言编码不一致，出现多语言数据无法显示等问题。下一步工作计划：(1)继续优化系统的可靠性，增加数据模型的逻辑性验证，确保Web页面和后端接口交互一致可靠，保障系统长久稳定运行；(2)进一步优化冰雹概率预报算法，结合贵州当前的山地气候特征和不同地市的地形气象条件差异，展开冰雹算法参数调整，生成地市级空间尺度的冰雹概率预报产品，提高系统服务能力，更好地服务人影作业需求。

5 结 语

建立基于SWAN的基层人影综合业务系统，很大程度地减少了信息传输环节，改进数据传输方式，减少中间环节时延，提升数据应用效率，形成贯穿精细化预报数据获取、产品加工、应用服务各环节的集约、高效的信息流程，全面提升了贵州省人工影响天气作业指挥能力，人影作业精细化和科学化水平也得到显著提升，协调指挥和科学作业水平得到增强，实现人工影响天气工作由扩散型向集约型转变，单一型向综合型转变，形成上下级联动作业的人影气象业务技术体系。