湖南省水旱灾害防御气象服务平台的设计与实现

罗红梅 陈玉贵 李浩 黄泽群

摘 要：为了贯彻落实习近平总书记提出的防灾减灾救灾新理念，有效提升水旱灾害防御能力，建设湖南省水旱灾害防御气象服务平台。该平台基于湖南省气象局“天擎”大数据中心，充分整合“气象+水利+水文”数据，采用JAVA、Python、HTML+CSS等跨平台开发语言，B/S、SOA、“云+端”架构，虚谷、StarRocks 2.0数据库研发，针对湖南省、市、县水利部门、中小型水库和电站的本地化业务需求，提供基于位置的流域和集雨区的面雨量预报、气象预报预警、来水预报、水位预报、入库流量预报和精准靶向预警信息发布等综合服务，有效提升湖南省防洪调度、安全度汛、发电增效提供技术保障和数据支撑。

关键词：水旱灾害 数据源 多源数据整合 信息共享

中图分类号：F127文献标识码：A

文章编号：1004-4914（2023）09-127-03

引言

据统计湖南省已建成并运行的水库共13737座，约占全国水库总数的1/7，居全国首位。湖南省是气象灾害频发重发的省份之一[1]，每年因暴雨、干旱、台风影响等造成的经济损失达到上千万。过去虽然建设了很多气象服务平台[2-5]，但其功能相对分散，操作较为复杂，效率较低，容易出现数据丢失或异常情况[6]。近年来，随着互联网、大数据、智能化等新技术的不断发展，不断推动各行业科技产业的进步，如今，伴随气象事业的发展，多源、高密度、精细化的气象观测数据及和产品对数据收集、分析、处理、记录和共享等提出了新的要求[7-10]，在湖南省，各种业务系统小分散、大体量的现象比较突出，需要一个统一的平台进行集约化整合，用户进行业务预报、预警、决策需要一个统一的数据环境来提供数据支持和服务[11-13]。为切实提升湖南省水旱灾害防御、防汛抗旱、水库安全度汛等工作效能，充分发挥水利与气象部门优势，贯彻落实湖南省气象局和湖南省水利厅共同签署的战略合作协议内容，建设了湖南省水旱灾害防御气象服务平台。该平台充分融合“气象+水文+水利”部门数据，无缝对接湖南省气象业务系统、天擎大数据中心、突发事件应急精准靶向发布系统，为湖南省市县水利部门、中小型水库和电站提供基于位置的水文气象监测预报预警服务。本文重点阐述该系统的架构设计、功能设计、性能设计、安全性设计及实现的关键技术和应用效果。

一、系统设计与实现

（一）系统设计

在统一的数据环境下，该平台构建了湖南省气象部门数据和产品信息的共享体系，主要提供流域和集水区的定位降雨预报，针对湖南省水利部门、中小型水库和电站的本地业务需求， 同时提供准确的天气预报预警、来水预报、水位预报、来水流量预报等服务，为湖南省防汛调度、安全度汛、提高发电效率提供技术支撑和数据支持。

（二）架构设计

平台选用“云+端”技术架构[8]，采取“云端部署、终端服务”的模式建设，云端统一部署在湖南省气象局“天擎”大数据中心，终端为服务对象，按照数据采集处理、数据建模分析、模型计算分析、产品制作加工、产品服务应用为流程，以集约化、可扩展为原则搭建；新建应用服务与现有业务平台融合集成、标准化设计与开发，服务产品统一存储在云平台数据库中，提供标准化接口和统一出口[9]，该系统主要包括：平台客户端、API服务、业务层、运行支持层、数据层、数据库和运行环境。（1）平台的客户端主要包含湖南省、市、县水利部门和气象局、中小型水库和电站用户。其中气象局用户主要是服务产品的发布、订正与系统初始化配置与运行维护，其他用户为服务对象，主要通过WEB网页的形式进行访问。（2）业务层提供系统访问的API服务，包含资源查询、降水数据管理、数据库管理、项目信息管理、用户及权限管理等。（3）运行支持层主要是系统依托于气象内网，提供HTTP方式访问。（4）服务应用层实现业务流程与服务，包含面雨量、流量、来水量、气象数据、站点数据、报文产品、报警设置、风云卫星切片、格点数据转换、雷达数据转换等实现。（5）数据层属于平台的底层，包含数据库数据、系统缓存数据、系统静态资源文件等。其主要用于空间数据的存储、备份及数据的安全，为整个服务平台提供数据保障。（6）为了对运维数据和预报产品进行高效、准确、统一化管理，同时也为了提高其访问速度，该平台包括2个数据库。一个是云平台的虚谷数据库，另一个是Doris数据库。虚谷数据库具有支持跨平台、支持多字符集、权限隔离的安全机制、身份验证、自主访问控制、基于标记的强制访问控制、数据库审计、存储加密等特点，是一款高性能、高安全、高可靠的数据库；Doris数据库，它具有在线表结构变更、两层分区、列式存储，高压缩比，多种索引、高基数精准去重等特性，可快速访问和加速查询。（7）運行环境：系统运行于虚拟机中，部署1台虚拟机，包含服务站点、模型算法服务等。

（三）功能设计

根据业务需求及服务流程，对数据进行统一的整合。该平台主要功能有：信息收集与处理、数据存储与管理、信息共享服务和模型算法服务，建立了包含实况监测、综合预报、预警提醒、图文产品、专属服务、智能分析和三维GIS七大功能模块。（1）实况监测主要是通过接入流域内国家气象站、区域气象站的降水实况数据，对不同时间不同气象站的面雨量数据进行查询、筛选、统计，基于站点值插值绘制色斑图在地图上展示。（2）综合预报主要是提供市内水库集雨区的降水预报、来水预报，提供降水累计预报和降水分段预报，并将预报数据与GIS结合，通过色斑图及格点值在地图上显示。（3）预警提醒主要是提供突发预警信号展示和提醒，对关注的水库水位情况进行超阈值报警。（4）图文产品主要是发布多种气象要素图文产品，针对账号所属地区提供省、市、县三级针对性气象服务报文产品。（5）专属服务主要是提供按区域范围、按特定人员两种方式发布重要信息的功能，用于对特定灾害的提醒以及重要通知的传达。（6）智能分析主要是提供历史预报信息和历史实况信息的统计展示，与同期数据进行对比，为当地降水情况进行辅助研判。（7）三维GIS主要是通过区域内DEM高程数据，对地形进行渲染，通过三维地图效果直观展示区域范围地形情况、设施分布、降水分布等信息，提供模拟巡航飞行功能。

（四）系统性能设计

系统性能设计是系统设计过程中的一个必要环节，它在系统架构设计中也非常重要。系统通过转换机构把输入的物流和信息流转变为输出的物流和信息流的各种参数值，主要包括响应时间设计、系统并发数设计、稳定性与可靠性、可扩展性和可维护性设计、实用性与简便性设计及自动运行模式设计。（1）响应时间：系统投入运行后，保持7×24小时稳定运行；用户的操作响应需要得到保证，一般操作响应小于1秒；复杂查询响应小于3秒，特殊操作可适当延长。（2）系统并发数：系统支持并发用户数不小于190个。（3）稳定性与可靠性：无论是硬件系统还是软件系统都必须具有一定的可靠性，因此发布平台的计算机设备应选用中高档次的服务器来满足要求。（4）可擴展性与可维护性：系统应具有较好的可扩展性，为应用系统的进一步扩充和升级提供方便。系统一旦投入运行就不能间断，除了要求收发软件本身具有良好的维护性外，还应当拥有在离线维护环境，不影响正常业务的情况下进行软件维护。（5）实用性与简便性：系统需要多部门共同使用，在充分考虑系统实用性的同时，要注重信息发布的效率，满足不同用户可以简单快速的完成信息处理与发布工作，系统采用预置固定模板、设置固定参数等方式提升发布效率。（6）自动运行模式：软件为不间断自动运行模式，即除有必要的少量配置文件需要修改外，日常的业务均由系统按照参数配置自动运行，勿需人工干预。维护人员仅在系统报警提示的情况下，进行非正常情况的人工干预或故障维修。所有的故障状态和信息系统都将自动记录和存储，便于事后的故障对策和分析之用。

（五）系统安全设计

本系统作为7×24连续运行的大型数据库系统，安全管理具有极其重要的意义。本系统数据库安全设计原则是基于最小特权的原则，此原则授予用户具有完成其任务的所必须的最小的特权，而不应具有更多的特权。数据库安全性分为如下几个层次：安全规章制度、物理安全性、操作系统安全性、数据库系统安全性、数据安全性。系统使用防火墙和入侵检测来防止攻击。同时，从应用层面登录系统数据库时，需要通过手机验证码进行验证，以防止隐私的泄露。平台系统不仅对每次观察到的数据进行记录、处理和存储，对其进行加密，而且对删除或误删除的数据进行一定天数的恢复，以保证数据安全。

二、关键技术

（一）数据源获取

该服务平台采用的气象资料和水文水利数据来源于湖南省气象局“天擎”大数据中心，平台采用“云+端”业务模式，以“天擎”大数据中心为云，并且由“端”实现与用户交互的功能，包括后端管理（系统数据管理、系统产品管理、系统业务监控管理）和前端应用（系统网页服务应用）。通过用户操作，对“云”发送请求，后续操作由“云”完成（如数据存储、产品加工、业务应用等），并将数据返回给“端”，两者由湖南省气象局“天擎”大数据云平台标准接口连接。

（二）多源数据整合

该系统需整合气象数据、预警信息、水文信息等多源数据资料[13]，其中气象预报资料主要来源于湖南省气象局“天擎”大数据云平台；突发事件预警信息主要来源于湖南省级突发预警信息发布业务平台[12]，采用标准接口获取和处理；水文和水利数据主要来源于湖南省气象局与湖南省水利厅通过协议搭建的共享数据库[14]。所有的信息均是基于用户位置，获取精准的服务信息。系统对原始数据筛选和处理，从而减少其运行过程中的数据处理量。基于数据的共享与同步，系统根据用户的位置实时整合不同地区的数据以进行分析和展示。随着数据量的增多且用户每天都要进行数据的读取、处理，将数据从分布在各地的数据库取出然后在云端进行计算和存储，可以有效的节约计算资源和提高计算效率。

（三）数据存储与管理

数据以文件和数据库相结合的方式协作存取和管理，采用虚谷、StarRocks 2.0数据库，提升系统访问速度，系统服务采用标准化设计，方便迭代升级。根据应用服务中对象关系不同的特点，采用不同的存取方式。系统数据库基础对象关系搭建的关键是如何有效联结用户、流域、水库等对象，数据库基础信息主要涉及用户、流域、行政区、水库、水文站、集雨区等，其中：流域与用户之间为一多对应、行政区和用户之间为一多对应、用户和水库之间为多多对应、水库和水文站之间为一一对应、水库和集雨区之间为一多对应关系。本平台通过对不同对象建立基础信息表和关联表等方式，建立对象间联系。采用科学有效的管理模式为用户提供统一、全方位的数据检索和服务。具有导入历史数据、更新、添加、备份、恢复、和清理等功能，并能监控数据存取和资源使用。基础信息管理涉及的对象关系如图2所示。

（四）信息共享服务

信息共享服务采用web网站、共享文件目录等方式管理数据、监测、预测和预警等服务。在平台运行中，许多用户同时访问时不仅需要快速处理大批数据，响应及时也是必不可少，这与网络协议、带宽和访问量等密切相关。因此需要高效的网络技术来保证响应速度可以满足大量并发访问的要求。该系统部署于湖南省气象局内网服务器上，通过防火墙NAT技术[13]转换策略进行地址转化，映射提供外网可访问地址，通过WEB网址访问方式，使用户能够快捷的查询、访问，以及数据分析等共享服务。

（五）页面刷新和数据交互技术

网络GIS技术基于B/S架构实现数据的检索和分析，通过Internet提供地理信息发布、共享和交流协作，可实现空间数据的检索、查询、制图、编辑等功能。为满足用户对本平台数据较高实时性的要求，本平台在页面刷新和数据交互技术上使用Web[14]最新标准Fetch代替传统的ajax，XMLHttpRequest是一个设计粗糙的API，不符合关注分离（Separation of Concerns）的原则，配置和调用方式非常混乱，基于事件的异步模型也没有现代的Promise，generator/yield，async/await友好。fetch和XMLHttpRequest相比，主要有以下优点：语法简洁，更加语义化，基于标准Promise实现，支持async/await，同构方便，使用isomorphic-fetch。

三、应用效果

该平台自2020年12月在湖南省邵阳市城步县白云电站业务运行以来，期间在湖南市县级水利局、中小型水库和水电站得到了广泛应用。系统统筹数据，共享信息，实现不同地区数据库的提取和云端的数据分析，属于统一应用管理系统，同时打通平台和终端的同步、共享，进一步扩大了实时预报、预警能力。系统运行稳定，可维护性强，在云端存取和管理数据也具有很高的安全性，保证了各级业务能够及时响应。目前前端展示平台提供天气预报、综合预报、水位预警、实况统计、雷達卫星、台风路径、图文产品、三维GIS、专属服务、智能分析、组织信息、实时气象预警，共12大板块40多类专业气象服务产品，服务产品涵盖未来2小时1KM×1KM的QPF定量降水预报、未来3天逐3小时5KM×5KM精细化格点降水预报、未来7天逐日流域面雨量预报、未来7天逐日入库流量预报、水库水位预警、气象预警、过去10天逐日降水实况、过去24小时逐3小时降水实况、水库或电站当前水位、汛限水位、入库流量、出库流量实况、卫星云图、单站或雷达拼图、省市县三级决策气象服务产品、精准靶向发布等服务产品和功能服务。该平台在2021年湖南省累计发生的10轮暴雨洪水过程，和接连发生了夏旱、秋旱和冬旱气象服务中发挥了较好的服务效益，2021年湖南省水旱灾害防御实现了“零死亡”的好效果，平台得到省级领导和水利部门及服务用户的好评，为湖南省水利部门的防汛抗旱、蓄水保水、发电增效提供了有力的技术保障和数据支撑。

四、结束语

该平台已通过扁平化设计，形成了“一级部署，多级应用”业务布局，实现技术、数据、资源在省级气象部门的统一集约与管理，系统迭代升级方便、节约系统运维成本，提高工作效率。省级部门加强与用户的沟通与交流，摸清用户实际业务需求，加强最下游服务产品的研发，升级迭代服务平台，不断提高气象服务质量。同时在实际运行过程种，不断结合天气过程和实际情况，调整预报预警模型参数，提高预报精准度。

参考文献：

[1] 罗红梅，周峰，陈湘华.湖南省气象灾害预警信息发布业务平台的设计及应用[J].科技创新导报，2015，12（12）：23-24.

[2] 杨有林，陈海波，王建林，等.宁夏智能化综合气象业务服务共享管理平台设计与实现[J].气象，2018，44（07）：961-968.

[3] 张志强，张强，胡星，等.国家气象业务内网设计与实现[J].安徽农业科学，2016，44（06）：224-227.

[4] 李新庆，卫建国，单新兰，等.宁夏气象业务内网的功能与实现[J].干旱气象，2017，35（06）：1077-1083.

[5] 王会品，王洪祥，孙悦程，等.基于ArcCIS的大连气象内网业务平台设计与实现[J].湖北农业科学，2018，57（11）：111-112.

[6] 詹利群，任晓炜，黄志，等.广西气象业务内网功能设计与实现[J].气象研究与应用，2019，40（01）：71-76.

[7] 熊安元，赵芳，王颖，等.全国综合气象信息共享系统的设计与实现[J].应用气象学报，2015，26（04）：500-512.

[8] 厐丽丽，邹煜，陈健，等.云”+“端”技术模式在山洪灾害预警防御的应用与实践[J].中国防汛抗旱，2020，30（Z1）：21-24.

[9] 钟艳雯，尹新怀，朱亮，等.湖南省气象业务内网平台的设计与实现[J].湖北农业科学，2020，59（20）：155-158.

[10] 罗红梅，刘瑞琪，郭海峰，等.基于政务云与气象内网的突发事件预警信息发布业务系统部署方法研究及应用[J].安防科技，2021，12（32）：59-60.

[11] 白艳萍.浅谈防火墙技术在气象信息网络种的应用[J].电脑知识与技术，2020，16（27）：61-62.

[12] 吴文玉，翟菁，霍彦峰.省级环境气象业务系统关键技术[J].计算机系统应用，2020，29（09）：75-80.

[13] 裘峰，李子豪，任宇程，等.贵州省基于云计算的山洪灾害建成预警管理系统设计及应用[J].中国防汛抗旱，2019，29（03）：12-15.

[14] 魏佳楠，吴勇，林华剑，等.基于的自然资源“一张图”管理信息系统设计与实现[J].计算机应用与软件，2020，37（09）：20-26.