新疆气象防灾减灾服务平台设计与实现

刘兆旭，张永军，马亚伟

（新疆金锋华云气象科技有限公司，乌鲁木齐 830002）

近年来，随着云计算、大数据、人工智能、地理信息等新技术新方法的快速发展和防灾减灾救灾机制的实施，气象水平不断提高，气象网络逐步完善。因此，为提升基层气象防灾减灾能力，亟待开展基层气象防灾减灾平台建设工作［1-6］。

以往针对气象服务平台或系统建设的设计研究较多［7-12］，但是多数研究的系统地理信息地图数据分辨率较低，不能满足指南要求。需采用由国家卫星中心下发的高分辨率卫星遥感影像图为底图制作，需要能够分辨地形地貌、河流水系、植被分布、村庄、道路、街区、建筑设施等的遥感资料。多数平台缺乏气象防灾减灾相关信息的显示功能，缺乏深度的自动站历史实况和灾情数据分析功能，导致在服务过程中难以快速准确地得到需要的数据支持，如日降水历史排位、温度历史排位等，用户体验较差。

为满足现阶段气象防灾减灾业务需求，更好地提升防灾减灾能力，本研究设计开发了新疆气象防灾减灾服务平台。该平台可以实现气象防灾减灾所需相关信息的快速收集、显示、统计与分析，满足智能网格预报制作，提供丰富美观的图表素材、对策建议、产品模板以及方便快捷的服务材料制作环境，具备较为完善的超阈值自动预警功能；能够实现基层防灾减灾基础数据、防灾减灾作战图、规章制度、基层防灾减灾队伍等信息在平台的实时动态监控。

1 平台总体设计

新疆气象防灾减灾服务平台是为满足省级气象环境监测、数据资料综合分析、预报产品制作、防灾决策服务需要的综合性业务管理平台，由气象综合报警系统、产品发布系统、防灾减灾系统、决策服务系统等几个部分组成。平台采用B∕S架构设计开发，后端使用SpringBoot+SpringCloud，前端使用Ant Design of React，编译和发布采用Docker技术体系，各功能子系统都进行分解和微服务化，前后端分离设计，最终实现了整个系统的分布式开发部署。新疆气象防灾减灾服务平台系统总体结构见图1。

图1 新疆气象防灾减灾服务平台系统结构

1.1 体系架构

新疆气象防灾减灾平台体系架构如图2所示，分为5个层级，分别为支撑层、大数据资源层、应用支撑层、业务应用层和用户层。平台建设主要包括首页、数据查询、产品制作发布、预报服务产品和系统管理等模块。用户是系统的服务目标，通过新疆气象决策服务平台对管理员、业务人员、决策人员提供各类信息服务和管理。

图2 新疆气象防灾减灾服务平台架构

1.2 技术架构

客户端采用浏览器模式（PC∕Android∕iOS∕微信）使基层气象防灾减灾数据集成应用系统的易用性更强，不需要安装专用的软件，大量减轻整个系统的维护运行工作。平台的用户数量较多，每次软件的更新迭代都会由于客户操作系统的不同而引起软件的适配差异，当前较好的解决办法是使用B∕S架构。用浏览器作为访问工具，有利于业务人员按角色获取岗位所需的业务数据。系统的结构示意图如图3所示。

图3 新疆气象防灾减灾服务平台结构示意图

2 关键技术

新疆气象防灾减灾服务平台是一个大型综合业务平台，平台涉及多种数据源数据接入、数据库存储、发布渠道和开发语言混合编码，平台涉及多个部门、多种业务，开发复杂度高，在并发性能、响应特性和容错性等方面都有严格要求。

2.1 基于OAuth2的授权、认证和接口权限管理

本系统采用符合OAuth2体系的JWT技术，JWT是为网络应用环境传递基于JSON加密的认证信息的技术标准，以便于各种应用通过传递JWT信息获取资源服务器的资源，JWT传递的token既可以被用于认证也可用于数据加密。平台中的所有微服务部署在Nginx反向代理的后端，Nginx作为代理服务和负载均衡器，所有的应用访问在通过网关时，前置AOP服务层截获需访问资源（类别和内容）、用户和角色（权限、地域、单位、岗位、用户编号等），根据资源的性质判断用户是否具备相应的权限，如果权限匹配就返回资源的内容，权限不匹配就返回其他信息。

2.2 冷热数据采用不同高速缓存技术

气象防灾减灾服务平台单次访问的气象信息规模较大，在数据访问和数据查询统计接口设计中采用了SpringBoot内置的缓存机制，通过调整参数可满足一般的需要；另外，有些热点数据如格点预报数据，数据量庞大（近20 G），用户在一些特殊时段使用频繁，频繁加载和删除无疑很耗时间，在这些时段将数据设置热数据标记，将其以内存数据库的形式驻留在内存，以方便查询和计算，可改善用户体验。

2.3 采用RabbitMQ消息总线协调各个分系统的消息传递

采用分布式设计，各微服务功能独立，微服务相互通信的并发性、可靠性和一致性显得尤为重要，通过采用成熟消息队列机制能满足这些要求，同时可简化设计、统一标准。

2.4 兼容不同数据源的数据（130种）适配层

由于省级数据中心现存两套大数据服务系统CIMISS和天擎，这两套系统目前在并行运行，为保证业务的连续性，基本数据的采集和获取务必要兼容这两套系统。通过大量分析和调研，设计了数据适配层，将2个系统的数据做兼容一致化处理，以实现2种数据源按需切换，既有利于数据的查看和比较，也有利于系统的平稳运行。

2.5 定制化的产品制作模板和流程

各地区在提供产品制作时，关联的气象资料、产品加工模式、审核流程、输出格式等可能有其独特的需要，为此设计了可编辑的流程组件和产品输出模板等工具，使各地区可按要求定制产品制作的模板和流程。

2.6 实时数据自动预警功能

实时监测温度、湿度、雨量、风速等气象要素超限情况，判断是否达到各类天气预警信号相关技术标准，并根据用户、角色、岗位、单位和所在地区信息，自动显示相关预警。

2.7 完善的系统留痕和监控机制

系统留痕如图2所示，在气象防灾减灾决策服务、预警服务、灾害应急救援气象保障服务等方面实现流程监控和关键过程节点留痕。支持留痕数据的列表导出。设置实时监控界面，对接气象预警服务设施和设备，能够实时接收设备的运行状态、网络通信情况数据等，进行状态跟踪和实时监控，设备发生故障时自动标注和主动提醒，能够实现对各子系统的实时动态监控。

3 系统的优点

3.1 GIS技术优势

GIS技术具有分析管理多源空间数据的能力。GIS强大的空间分析功能如叠加分析、缓冲区分析等能为其提供支持。如通过GIS缓冲区分析功能可以识别出明显或潜在的重点防护目标和重大危险源等信息，再结合人口密度、街道、管线、电力线等其他地图数据，使用叠加统计、空间关联分析等基础的空间分析功能，开展风险分析和评估。在风险表达中可以综合使用GIS的可视化技术和图表功能，将风险隐患辨识、分析和评估的结果制作成二维专题图的形式，不仅具有丰富的效果，更便于信息的传递、理解和应用。

通过GIS可以进行地理位置定位，按比例尺查询显示监测地区的周边环境信息，进行地图标绘，制作服务信息专题图。通过GIS的空间查询、空间数据编辑、区域统计等功能，可以对监控点、各类资源进行查询检索和维护管理，保证监测监控的有效性和现势性，全面掌控资源状态，及时更新资源信息。

3.2 模块化设计

采用Docker技术进行系统的模块化分层设计，对系统有灵活的扩展性，对外接口基于开放式标准设计，便于二次开发和后期扩展，如新增加渠道发布则不需对系统做大的调整，只需增加新的渠道建设，根据接口标准方便地融合到系统中。

3.3 系统的应用安全体系设计

应用安全体系架构分为安全层次、安全技术、安全目标3个部分（图4）。作为全方位、整体的网络安全防范架构是分层次的，不同层次反映不同的安全问题。可以将企业安全防范架构的层次划分为物理层安全、网络层安全、传输层安全、应用层安全和用户层安全。由于层次的不同，也需要采用不同的安全技术来针对每层的安全问题进行应对和防护，因而也就产生了如图4所列的种类繁多的安全技术。

图4 应用安全体系架构

4 平台的主要功能

新疆气象防灾减灾平台建设主要包括综合显示、数据查询、预报预警制作发布、产品共享、系统留痕等模块。

4.1 综合显示模块

综合显示模块（图5）是涵盖系统各模块功能的集约化显示区，通过该模块可以直观地获取值班表、危险天气提示、重点关注、自动提醒、超阈值自动报警、灾情舆情监测、区市县信息联动、地理信息、气象观测数据、气象预报数据、气象防灾减灾等相关信息，显示区域具备一定的位置定位、测距、截图功能及数据统计功能。平台接入国家卫星中心下发的高分辨率卫星遥感影像图（能分辨地形地貌、河流水系、植被分布、村庄、道路、街区、建筑设施等），实现基于新疆气象防灾减灾需求的综合信息显示，以行政区边界为基础，依据灾害性天气对本辖区的影响距离不同，进行三级防御区划，其中责任区为本行政区域，警戒区为距责任区50 km范围内的区域，监视区为距责任区100 km的区域；显示叠加中小河流、水库、地灾隐患点、旅游景区、工矿企业等防灾减灾基础数据；叠加气象自动站实况、雷达回波、卫星云图、闪电、危险天气等观测数据的实时动态显示和超阈值提醒；实现天气概况、天气趋势和预报数据的查看。

图5 综合显示模块

4.2 数据查询模块

数据查询模块见图6。该模块基于CIMISS数据库，支持自动站的实况和历史数据快速查询，支持灾害个例、排序极值、实况均平、天数统计和要素统计、预报图片及表格的查询与导出；查询统计气象灾情信息，可直连灾情直报3.0系统；支持中小河流、水库、地灾隐患点、旅游景区、工矿企业等防灾减灾基础数据以及防灾减灾作战图、规章制度、基层防灾减灾队伍等信息数据的统计查询。

图6 数据查询模块

4.3 预报预警制作发布模块

预报预警制作发布模块直接调用新疆气象局现有的预报预警制作、一键式发布模块。该模块包含预警信息制作发布、气象防灾减灾服务产品制作发布、叫应中心3个子模块。预警信息制作发布模块需实现统一输入接口、多种输出接口的功能，数据接口能够与突发事件预警信息发布系统无缝连通，实现气象灾害预警信息，通过手机短信、大喇叭、显示屏、网站、微信、传真等渠道一键式发布。从统一渠道接收到的信息都存储在系统数据库中存档，对接收和处理的过程以日志记录的方式保存，提供页面监控告警。气象防灾减灾产品制作模块可以根据自选素材手动制作决策服务资料，也可设置时间轴、阈值等作为产品制作触发条件，通过预生成、审核、发布三部分自动生成产品。还需具备交互制图功能，可以根据各级气象部门实际需要，定时制作各类实况图表，具有天气符号添加、线条修改等二次编辑功能。叫应中心模块能够为电话叫应服务提供辅助支持，可设置叫应阈值，当发布预警信号或实况超过阈值时，能自动提醒值班人员开展叫应工作。

4.4 决策服务产品制作模块

决策服务产品制作模块见图7。该模块紧贴业务实际，根据各类材料配置模板，包括素材查询、产品制作（定时自动生成、任意时刻手动制作）和一键式发布（包括任务设置、渠道设置、分发时间等功能），还具备交互编辑、交互制图功能，可以根据各级气象部门实际需要，定时制作各类实况及预报图表，具有天气符号添加、线条修改等二次编辑功能。

图7 决策服务产品制作模块

产品制作基于不同模板，可以根据自选素材手动制作决策服务资料，也可设置时间轴、阈值等作为产品制作触发条件通过预生成、审核、发布三部分自动生成产品。

4.5 产品共享模块

产品共享模块直接调用新疆气象局现有的产品管理模块，包括区、市、县三级气象服务产品以及各地规章制度的浏览、产品检索和查看下载等功能。通过对新疆各类决策服务产品的采集、存储、管理、检索、统一、数据交换和归档处理，实现区级、地市州级、县级决策产品的共享、查询统计和下载。可根据实际业务需求创建分类目录，上传相应文档。产品类别可初步分为重要气象情报、预报预警、专项预报、气象信息快报、决策服务总结、灾害性天气过程评估、一周重点提示、其他等类别；同时可以对决策材料进行分类管理、浏览，按照时间、发布单位进行上传、储存、浏览；按照产品类别进行上传、储存、浏览；支持区级每日预报、服务产品的自动上传和显示。

4.6 系统留痕模块

系统留痕模块能够在气象防灾减灾决策服务、预警服务、灾害应急救援气象保障服务等方面实现流程监控和关键过程节点留痕，支持留痕数据的列表导出。设置实时监控界面，对接气象预警服务设施和设备，能够实时接收设备的运行状态、网络通信情况数据等，进行状态跟踪和实时监控，设备发生故障会自动标注和主动提醒，能够实现对各子系统（基层防灾减灾基础数据、防灾减灾作战图、规章制度、基层防灾减灾队伍等信息）在平台的实时动态监控。

5 系统应用实现

新疆气象防灾减灾服务平台主要由防灾减灾决策服务平台、预警发布系统、产品发布系统、短临预警平台、综合观测平台和决策服务平台组成。实现了地市（州）级行政区域内自动站数据的预警制作、综合报警、预警发布、地图制作、灾情数据管理、灾情统计以及防灾减灾数据集管理等功能。

5.1 实际应用案例一

新疆气象台2021年6月4日11：09发布暴雨蓝色预警。预警显示伊犁州、博州、塔城地区、阿勒泰地区、克拉玛依市、石河子市、乌鲁木齐市、巴州、吐鲁番市、哈密市、五家渠市、北屯市24 h内降雨量将达24.1 mm以上，或者已达24.1 mm以上且降雨可能持续。气象防灾减灾服务平台实时发布了预警信号，并及时跟进实况信息，为上述12个地区发布了预警提示。

5.2 实际应用案例二

2021年9月3日南疆西部塔城及博州地区出现冰雹以及闪电预警信号，其中托里县库普乡呼喀拉盖村国家气象观测站的暴雨蓝色预警信号已发布6次。阿克苏市、新和县、托里县的观测站显示降水量超过10 mm。通过气象防灾减灾服务平台显示图可以实时发布预警信号，及时跟进实况信息，气象防灾减灾服务平台也及时发布了各个天气现象的预警提示。

6 小结

随着气象观测网络逐步完善，云计算、大数据、人工智能、地理信息等新技术新方法快速发展，为了更好地服务防灾减灾工作，提高气象现代化水平，提升基层气象防灾减灾能力，本研究开发了新疆气象防灾减灾服务平台。该平台实现了气象防灾减灾所需相关信息的快速收集、显示、统计与分析，提供基于地理信息的数据查询、显示和导出功能。满足智能网格预报制作需求、提供丰富美观的图表素材、对策建议、产品模板以及方便快捷的服务材料制作环境，可设置时间轴、阈值等作为产品制作触发条件自动生成产品，实现智能化决策产品制作。能够在气象防灾减灾决策服务、预警服务、灾害应急救援气象保障服务等方面实现流程监控和关键过程节点留痕；能够对接气象预警发布设施、设备，实时接收设备的运行状态、网络通信情况数据，实现对气象预警发布设施以及整个发布链路进行状态跟踪和实时监控，设备发生故障时能够自动标注和主动提醒；能够实现基层防灾减灾基础数据、防灾减灾作战图、规章制度、基层防灾减灾队伍等信息在平台的实时动态监控。该平台已在新疆气象局推广使用，系统运行稳定，操作简便。