东海区海洋观测预报减灾信息共享技术研究及框架设计

王丽琳，薛佳丽，龚茂珣，肖文军

（国家海洋局东海预报中心，上海　200136）

东海区海洋观测预报减灾信息共享技术研究及框架设计

王丽琳，薛佳丽，龚茂珣，肖文军

（国家海洋局东海预报中心，上海200136）

通过研究设计东海区共享网络、海区观测预报专题地图以及观测数据及预报产品共享工作流程，旨在搭建一套集观测预报数据共享、预报制作共享及平台服务共享于一体的东海区海洋观测预报减灾信息共享平台框架。该平台主要利用数据库及中间件技术实现东海区海洋观测资料及预报产品共享，并通过设计风暴潮预报制作系统，以及计算资源整合方案，实现预报业务的工作模式及资源共享，使预报资源效能发挥最大化；最终基于WebGIS建立一套信息展示共享平台，向共享网络内的专业用户及决策部门发布专题地图、观测数据、预报产品及减灾信息。通过以上研究工作，最终将实现观测预报数据共享--预报制作共享--平台服务共享的一体化、自动化业务流程。

海洋观测；海洋预报；防灾减灾；共享平台

2012年6月，国务院颁布实施了《海洋观测预报管理条例》，条例的出台进一步推动了全国海洋观测预报工作，沿海各省市进一步加大了在海洋观测预报方面的投入，并对海洋观测预报资料的共享提出了更迫切的需求。配套观测预报条例，2014年3月，国家海洋局颁布了《海洋预报业务管理规定》，对海区的各级预报机构职责与任务进行了划分，并明确了各级预报机构的责任海域，为整合各家预报机构的预报产品，避免重复劳动，也迫切需要建立一个预报信息共享平台。

目前，各级海洋预报机构围绕海洋观测预报已建立了各类信息系统，但仍因网络隔离、数据资源分散及标准不统一等一系列问题，亟需一个统一平台来规范信息系统的建设，并对数据资源进行整合共享，以提高各项工作的效率。

1　现状分析

1.1国内外海洋数据共享现状

联合国教科文组织于1960年设立国际海洋学委员会，并于1961年开展“国际海洋学数据和信息交换（IODE）项目”。

目前国际上许多国家都建设有国家海洋数据中心，并面向其各自的国家资料库和全球环境数据传播设施服务。如美国国家海洋数据中心（NODC）（樊妙等，2013）、欧洲海洋数据网络等，其建立的专题数据库和共享平台系统较为全面、综合，且多为公开提供服务（李杰等，2008）。

海洋信息技术是我国海洋科学近年来发展的新兴领域，21世纪是“海洋世纪”，目前提供海洋数据共享服务的机构主要有国家海洋信息中心及其他海区信息中心、国家海洋基础信息网络服务系统、海洋科学数据共享中心、中国南北极数据中心等。目前，国家908专项任务之一“数字海洋”信息基础框架已搭建完成，各类信息中心或数据中心提供的数据服务较为全面，但服务的互操作性及数据可视化应用尚待提高，由于部门和地方的条块分割，科研资源及数据资源的配置有待优化，缺少集成式和分布式结合的海洋数据中心。

因此，在已建立的“数字海洋”框架下，有必要建设海洋环境信息资源共享平台，实现海洋信息资源的共享，开发分布式数据管理系统，并允许在线访问各海洋合作机构的分布式资源，提供更具互操作性的数据服务。

1.2东海区观测预报数据共享现状

网络是数据交换的基础，东海区预警报业务网与观测数据传输网之间物理隔离，预警报产品只有通过人工的方式（刻盘导出/导入）才能将数据转移到目标区域，效率低，耗时长。此外，数据无法自动传递导致了各类业务难以整合，不仅致使信息化服务效果降低，而且造成硬件资源浪费。因此，迫切需要搭建一个网络平台，并建立相应的安全策略，减轻繁琐的人工作业，实现观测和预警报两类数据的融合，为海区范围内的数据共享提供基础环境。

海洋观测数据是预警报产品制作、防灾减灾工作的基础，其规范性、时效性和准确性关系到预警报产品的可靠性及灾害应急工作的顺利开展。目前，东海分局内部已有一套“海区-中心站-海洋站/测点”三级数据传输流程。自《海洋观测预报管理条例》实施以来，海区中心已与各省/市预报机构之间实现了部分的数据共享，但其完整性和时效性还不够，因此，需要进一步加快观测数据共享工作，充分发挥整个东海区内观测数据为预报减灾工作提供数据支撑的作用，实现全海区统一、实时、全面的观测数据共享（吴向荣等，2013）。

在预报制作及产品共享方面，海区与各省、市之间除周会商、台风期间会商及较为成熟的渔业预报产品共享外，几乎没有其它预报产品共享。这种相对孤立的预报产品制作业务一定程度上增加了工作量，阻碍了精细化预报的发展。此外，经调研，在预报服务平台建设方面，各家情况各具特色、参差不齐。因此，迫切需要建成统一的预报参考集成服务及预报信息共享平台，实现海区、省、市之间的预报信息共享。

综上所述，本文需要解决的问题包括：如何在保证数据安全的情况下实现数据的有效交换、在资源分散的情况下如何实现集中与分布管理相结合的各类数据共享、以及如何建立更集中、更综合的可视化共享服务平台。

2　采用的关键技术

2.1共享网络架构及安全策略设计方法

本文设计的共享网络架构及安全策略，实现了数据信息在不同等级网络之间的自动化安全交换，主要基于以下4项原则：

（1） 符合分局《东海区信息共享网络与安全策略技术框架》的要求和规范；

（2） 充分利用东海区现有的观测数据传输网的基础结构，尽量避免线路重复建设；

（3） 网络平台建设尽量不干涉各单位自身的业务系统；

（4） 不同网络之间的数据传输采用单向隔离设备及物理隔离数据交换设备，保证各系统相对独立运行，确保整个网络的安全（张继永等，2010）。

观测数据共享区的特点是“只出不进”，海区中心作为唯一出口，通过单向隔离设备将短期观测数据推送至“综合共享区”；同时，各节点的观测数据文件通过该区域实现传输和共享。

综合共享区的特点是“快进慢出”，有限地向外输出。通过单向隔离设备，综合共享区接收来自各级预报机构的预警报产品，以及来自观测数据共享区的短期观测数据。综合共享区内各级预报机构通过物理隔离数据交换设备，可将需在外网发布的数据摆渡至对外发布区（奚建清等，2011）。

2.2数据共享中间件技术

中间件是基于分布式处理的软件，通过中间件，可实现两个独立程序或系统的连接，本文利用中间件技术实现了观测与预报数据在各预报机构之间的共享同步（张秋波等，2012）。

为实现实时观测数据在综合共享区的安全共享，需建立短时观测数据库，且该短时数据均在海区节点作为唯一出口从观测共享区向综合共享区提供。为此，在海区节点建立同步中间件，实现短时观测数据抽取及数据库同步。

在预报共享工作中，综合共享区的预报产品来自各预报机构的自留区，为提高数据共享处理效率，本文同样设计预报共享中间件，实现综合共享区内各机构节点的预报产品数据库内的数据同步。

2.3系统功能集中管理及同步技术

本文最终实现的可视化系统是“东海区海洋观测预报减灾信息共享平台”的服务窗口，为保证各预报机构的系统独立运行的同时，各项功能保持同步更新，本文设计了一套功能共享中间件，以后台服务形式部署于海区中心及省/市各级节点的Web发布服务器，实现了系统功能及集中管理的同步更新。主要技术方法如下：

功能共享中间件的数据共享交换流程如下图所示，图中A节点代表海区及各省/市的任一节点，B节点代表除A节点外的任一节点。系统在各节点为分布式部署，因此各自相对独立维护系统，一旦任一节点需更新系统功能组件，则生成更新包，其中包含新的版本号、组件更新代码文件以及应存放的路径。该更新包由共享中间件通过共享专线传输至其他节点，其他节点同样通过共享中间件接收该更新包，并解压后将版本号更新至本节点数据库，同时将本地系统的对应组件进行更新。

图1　功能共享中间件的数据共享交换流程图

2.4海洋观测预报信息科学可视化技术

本文设计的“东海区海洋观测预报减灾信息可视化系统”是基于WebGIS建立的海洋地理信息系统，其中展示了本文涵盖的所有共享数据及产品信息，包括空间地理信息数据、时间序列数据及大面数值场等，为更直观、形象地进行可视化展示，本文主要从以下方面开展研究。

（1）系统界面设计方面，整体效果应贴近海洋风格，简洁大方，界面排版突出重点，使得信息查看便捷。

（2）空间数据可视化方面，通过分级设计在不同比例尺展示关键地物信息、观测数据及关键点预报产品，同时，各类信息标注形象、分类清晰。

（3）时间序列数据可视化方面，主要通过数据曲线及表格进行展示。其中，曲线信息丰富，将具参考性的信息涵盖全面，可分析性强；表格数据以最新的数据展示为主，分类明确。

（4）大面数值场可视化方面，主要为数值预报产品，展示形式以不同颜色等级进行渲染的栅格图为主，可实现动态时序播放，同时，通过网格数据抽取算法，可提供任意点的数值曲线展示（黄鑫等，2009）。

3　总体框架

通过海区共享网络与数据安全策略的建立，计算资源共享、预报机构的分工整合、优势互补，逐步建成以海洋观测资料共享、海洋预警报产品与制作共享、以及海洋减灾服务共享为主体的信息共享平台。

该共享平台集海区专题地图资料、观测数据、预报产品、减灾信息于一体，包括“一网一图三共享一系统”六大部分，最终实现“东海区-省/市”范围内的“观测预报数据共享→预报制作共享→平台服务共享”的一体化、自动化业务流程，搭建形成涵盖东海区各级预报机构的一体化信息共享平台框架。

图2　总体框架设计图

4　技术路线

4.1共享网络结构设计

建立东海区共享网络，规划“自留区”、“对外发布区”、“观测数据共享区”、“综合共享区”。其中，“自留区”为各家预报机构目前正在运行的信息系统所在的网络，可根据成熟度逐步迁移至综合共享区；“对外发布区”主要服务于互联网公众用户；“观测数据共享区”用于实现观测数据的传输及共享；“综合共享区”为省/市及东海分局共享信息的网络区域，主要部署各类预报系统，包括高性能计算资源，数据库资源等。

4.2东海区海洋地理信息专题地图制作

整合、制作一张东海区统一的海洋地理信息专题地图，将各类基础地理信息、海洋专题信息、预报参考地理信息等集于一体，实现风格统一、信息多样并全面的专题地图，为东海区各级预报机构的信息平台开发提供基础底图。

东海区观测预报专题地图，主要由行政区划图、遥感图及专题图组成。其中，行政区划图及遥感图包含东海区沿岸陆地及海岛的行政区域划分的地理信息，专题图包含省/市所辖海域的行政区划，养殖区及避灾区等重点保障目标，港口码头、中心渔港、航线、观测及调查设施等重要地物信息。

图3　共享网络结构图

4.3三大共享工作流程

本文论述的三大共享工作包括东海区海洋观测数据共享、预报产品与制作共享、海洋减灾基础数据及产品共享。以下将从这三大共享工作展开研究。

4.3.1东海区海洋观测数据共享

实时观测数据的共享基于原始观测文件，文件的编报遵循现有的国家海洋数据规范，通过国家海洋观测数据网实现省/市海洋预报机构海洋观测数据向海区中心实时传输，海区中心收集汇总后实时下发至省/市海洋预报机构，同时各级预报机构做好实时观测数据的传输监控工作，保障实时观测数据的连续、稳定传输。

原始文件共享基于数据传输网，依托“观测数据传输软件”实现文件的共享，同时由“观测数据共享监控平台”实现对观测数据共享情况的监控。

短时观测数据库共享通过东海预报中心的“短时观测数据抽取中间件”实现从已业务化运行的实时观测数据库（基础库）中抽取短时观测数据并录入至短时观测数据库；通过“短时观测数据库同步中间件”实现对各节点短时观测数据库的同步，各数据库分别服务于各节点的前台显示平台。

图4　实时观测数据共享工作结构图

4.3.2东海区预报产品与制作共享

本部分共享工作包括制作工作模式的共享以及产品的共享。主要通过将预报参考资料、东海区数值计算资源进行整合，并设计统一的预报制作软件，实现海区内各级预报机构的业务工作共享，同时在制作平台上实现产品之间的交流共享。如图5为预报产品共享流程。

主要实现如下4部分的共享工作：

图5　预报产品共享流程

（1）预报参考资料集成

预报参考资料来源广，如各机构网页发布的预报产品及实况资料等，资料较为分散。本部分工作旨在集中存储、管理预报参考资料，且根据预报员需要及个人习惯定制预报参考资料的分类及展示方式，通过网页形式将各类资料进行统一发布。从而加快参考资料的获取及分析，提升预报产品制作效率。

（2）东海区数值计算资源共享

整合和共享东海区高性能计算机资源，用于重要业务化数值预报系统的异地备份。在综合共享区整合海区数值预报用高性能计算机资源的基础上，实现资源的网络互通和远程登录。对高性能计算机用户资源权限、计算任务等级等进行分级管理。并建立应急调配方案，实现故障情况下的远程计算资源统一调配，保证各机构计算任务的稳定运行。

各预报机构对各自重要业务化数值预报系统运行架构和业务化运行脚本、数值预报监控系统等进行修改完善，实现自动判误、远程启动、自动切换的功能，保证重要业务化数值预报系统的正常运行，提高数值预报系统稳定性。

（3）风暴潮预警报释用与产品制作系统共享

本文以风暴潮预警报制作系统的共享为例进行研究，主要实现风暴潮警报单的制作，并对各级预报机构的风暴潮数值预报结果进行管理。

在潮位数值产品处理模块，对天文潮、数值预报增水数据进行计算叠加，并经预报员图形化人工修正预报增水数据后，对照警戒潮位信息自动根据风暴潮警报模板生成并打印风暴潮警报单。

在无数值预报结果或判断数值预报结果偏差较大的情况下，在警报单制作模块实现所见即所得的制作方式。可在地图上各岸段进行点击后进行数值录入和编辑，亦可通过表格录入潮位预报值或警报文字。人工录入的岸段潮位预报值及相关文字经推送后同时存入共享数据库。

在无需人工干预的常规预报期间，实现以上产品的自动推送。

（4）东海区预报产品共享

以全国海洋预报产品数据库建设工作为基础，根据国家规范及要求开展相应工作即可。其中，海区中心汇集各省市机构的预报产品后进行统一分发，从而实现预警报产品的规范化管理和多级共享，保证各级机构的预报产品数据库中存储有国家、海区、省市等各级预报机构的预报产品，为本文共享平台提供预报产品数据基础。

4.3.3东海区海洋减灾基础数据及产品共享

东海区海洋减灾基础数据及产品主要包括东海区沿海高程及警戒潮位核定数据，以及以风暴潮为主的预警报产品。

（1）东海区沿海高程及警戒潮位核定数据集成

以警戒潮位核定岸段划分为依据，在东海区地理信息专题地图建设的基础上，进一步收集东海区内沿海各岸段岸堤高程数据，以及岸堤后方高程数据，并在底图上进行可视化展示。

警戒潮位核定数据是通过收集新、旧警戒潮位核定成果，集成到数据库后，进一步对各岸段警戒潮位进行可视化展示。

（2）东海区风暴潮预警报产品共享

建设风暴潮预警报产品数据库，实现海区、省、市针对各所辖岸段的风暴潮综合预报产品的管理，并在海区中心及各省市进行部署。各级预报机构制作完产品后推送至海区中心，海区中心再进行分发。最终海区各预报机构将获得的全海区的减灾产品进行入库后，用于可视化共享。

4.4东海区海洋观测预报减灾信息可视化系统设计

该系统集成东海区观测数据、预报产品以及减灾产品，并进行可视化展示。各级预报机构分布式管理数据源并进行本地发布，海区中心负责系统功能管理，通过功能共享模块实现系统在各级节点的同步更新。

系统包含展示系统与功能共享中间件两部分，展示系统包括观测数据、海洋预报、防灾减灾、台风专题、系统管理五类信息可视化服务。功能共享中间件实现系统功能与数据的同步更新。系统的功能结构如图6所示，系统功能界面如图7所示。

图6　系统功能结构图

图7　岸段潮位预报曲线效果图

5　结语

本文从“一网一图三共享一系统”6个部分对东海区海洋观测预报减灾信息共享平台框架的设计及技术路线展开研究，主要研究成果如下：

（1）设计了一套海区共享网络结构。共享网络是共享工作的通讯桥梁，本文在保证数据安全及共享通畅的前提下，对网络结构进行了总体设计，提出了四个网络功能区，且在功能区之间建立安全策略，形成了网络结构相对独立，数据交换相对畅通的网络结构。

（2）提出了东海区观测预报专题地图的设计思路。本文主要基于东海分局已有的地图素材，整合观测预报专题地理信息，以形成适于观测预报信息展示的专题地图，可为各类系统提供基础底图。

（3）制定了一系列观测预报减灾资源共享的工作流程。基于各级机构之间打通的网络结构，通过研究设计数据共享中间件、产品格式规范等，达到原始资料的共享目的；同时，通过整合预报及减灾数据资源、高性能计算资源，促进海区各级预报机构之间优势互补，从而达到提升业务工作效率的目的。

（4）设计了一套东海区海洋观测预报减灾信息可视化系统。本文基于前文各项数据产品的共享成果，开展信息集成和可视化系统设计，将专题地图、观测数据、预报及减灾产品等进行集成及分类展示，从而为各类共享成果提供了一个综合的展示平台，为防灾减灾工作提供了更实时、便捷、直观的辅助决策手段。

综上所述，本文研究建立的东海区海洋观测预报减灾信息共享平台框架，为各类海洋观测预报业务工作的信息化搭建了一个基础平台，在此基础上，将有效实现海区各级预报机构之间的资源共享及规范统一，降低信息化资源开发的冗余，以及提升观测预报业务工作效率，对海洋信息化共享工作具有一定的示范意义。

目前，本文的设计框架与技术路线已应用于“东海区海洋观测预报减灾信息共享平台”项目的建设，其详细设计方案已完成，即将投入建设。

樊妙，章任群，金继业，2013.美国海洋测绘数据的共享和管理及对我国的启示.海洋通报，32（3）：246-250.

黄鑫，2009.基于网格的海洋环境信息可视化服务技术研究.青岛：中国海洋大学.

李杰，2008.海洋数据共享平台关键技术研究与开发.天津：天津大学.

吴向荣，李郅明，余肖翰，等，2013.海洋观测预报业务多源异构数据与信息集成分析.海洋通报，32（2）：221-226.

奚建清，熊智，黄昱兆，等，2011.基于安全隔离的数据单向传输设备设计与实现.保密科学技术，8：64-67.

张继永，2010.网络隔离技术与信息安全.中国信息界，（9）：25-26.

张秋波，2012.海洋观测系统集成中间件设计与实现.青岛：中国海洋大学.

（本文编辑：袁泽轶）

Technology research and design on the sharing framework of observation,forecasting and disaster reduction information in the East China Sea

WANG Li-lin,XUE Jia-li,GONG Mao-xun,XIAO Wen-jun

（East China Sea Marine Forecast Center of SOA,Shanghai 200136,China）

The design of the East China Sea Sharing Network,thematic map on the observation and forecasting,and the sharing work flow on observation data and forecast products are researched,aiming to build a set of sharing framework, including observation data and forecast products,forecast producing and information platform service.The platform mainly uses database and middleware to realize the sharing of observation data and forecast products,and through the design of storm surge forecasting system and computing resource integration scheme,to build the work mode and realize the sharing of resources,moreover,to make the most use of forecasting resources.Finally,based on WebGIS,by means of building a set of information sharing platform,it realizes the publication of thematic map,observation data,forecasting products and disaster reduction information.Though the whole research,an integrated and automatic sharing work flow of observation data-forecast producing-platform service is eventually achieved in the paper.

marine observation;marine forecasting;disaster prevention and mitigation;sharing platform

P457.8

A

1001-6932（2016）04-0449-08

10.11840/j.issn.1001-6392.2016.04.013

2015-04-16；

2015-06-29

王丽琳 （1979-），女，硕士，高级工程师，主要从事海洋信息技术研究。电子邮箱：wanglilin@@eastsea.gov.cn。

薛佳丽，硕士，工程师。电子邮箱：xuejiali@eastsea.gov.cn。