鐵路交通氣象服務系統的設計與開發

薛 冰,鹿業濤,渠寒花

(中國氣象局公共氣象服務中心，北京， 100081)

0 引言

我國的氣象災害種類較多，分布地域較為廣泛，發生的頻率較高，對我國所造成的損失在所有自然災害總損失中的比重較大，由高溫、大風、暴雨及其他氣象因素引發的洪澇、泥石流、山體滑坡等鐵路交通衍生、次生災害較為嚴重。通過氣象與鐵路部門的緊密合作，加強鐵路交通氣象監測和預報預警服務系統建設，及時有效的發布精細化鐵路交通氣象信息，為鐵路交通部門積極應對災害性天氣氣候事件，合理制定防災減災應急策略提供參考，提高我國鐵路交通業的災害防御水平。

1 系統設計

1.1 系統結構設計

鐵路交通氣象服務系統基于WebGIS技術，采用B/S架構，在服務器端分析處理鐵路交通致災氣象因子所涉及的數據，包括臺風實況、雷達圖、衛星云圖、大風、降水等氣象監測數據，臺風預報、降水預報、大風預報等氣象預報數據，和地質災害、沙塵暴、暴雨（雪）預警等氣象預警數據。以電子地圖為基礎，動態疊加鐵路交通行業數據，在采用Flex技術構建的WebGIS 富互聯網應用端為用戶實時顯示鐵路交通沿線、各級鐵路站點的氣象實況監測和預報預警信息，為鐵路交通決策提供氣象信息支撐。本系統主要包含數據存儲子系統、數據處理子系統和富客戶端Web服務子系統等三個子系統。

1.1.1 數據存儲子系統

數據存儲子系統按照統一的規范存儲管理本系統的各類靜態和動態數據，包括基礎地理信息數據、鐵路交通行業信息，和臺風、雷達圖、衛星云圖、風雨監測及預報、特殊天氣預警等數據。采用數據文件和數據庫表相結合的存儲模式，兼顧數據的存儲性能、容量擴展性、可用性、可管理性等方面的要求，通過數據訪問接口提供數據的存取服務。

1.1.2 數據處理子系統

鐵路交通氣象服務系統主要處理基礎地理信息數據、鐵路交通行業數據和氣象信息數據。

通過對基礎地理信息數據的處理，生成滿足本系統業務所需的WebGIS富客戶端電子背景地圖，該電子地圖采用金字塔瓦片方式組織。數據處理子系統對需要發布的地理信息背景數據進行切片預處理，將全國范圍的矢量或柵格地圖以空間方式切片，生成一系列不同放大級別的瓦片圖片，按照一定的規則進行命名和分級分類存儲。

根據交通路線和鐵路站點等屬性特征，對鐵路交通行業數據進行處理，以不同的顯示級別要求組織數據的聚合形態，生成具有特定信息的矢量數據集。

通過數據訪問接口實時讀取氣象預報預警數據和實況監測數據，對這些多源多格式數據進行數據解析，應用GIS組件的空間分析功能，進行空間地理要素和時間要素的分析、空間插值計算、投影變換和顏色渲染，加工生成矢量、柵格圖等形式的氣象服務產品和產品的索引。數據處理子系統還包含對雷達外推產品數據的處理，雷達外推產品由美國國家大氣研究中心(NCAR)基于雷達觀測體系開發的風暴識別、跟蹤、分析和預報系統TITAN(thunderstorm identification tracking analysis and nowcasting)生成。

1.1.3 富客戶端Web服務子系統

富客戶端Web服務子系統以互聯網應用技術為基礎，結合緩存技術，實現多源異構的鐵路交通氣象服務產品的動態發布、WebGIS背景地圖的發布、鐵路交通行業數據的發布，和富客戶端產品展示及用戶交互。

1.2 技術路線

鐵路交通氣象服務系統以文件存儲系統和Oracle數據庫作為服務產品加工的數據來源，應用ArcGIS Engine的嵌入式GIS組件庫和工具庫進行二次開發，在服務器端守護進程的動態調度下，實現對氣象數據的離散點插值、空間分析、等值線分析、區域填充、邊界裁切和產品生成等過程。在web服務端構建基于Flex技術的WebGIS產品可視化和用戶交互核心框架，作為本系統的底層支撐，實現WebGIS基礎功能，包括地圖加載、地圖縮放和漫游、定位及測量、位置標注等，在此基礎上解析json業務數據和xml業務描述信息，實現產品展示和人工交互的業務邏輯。本系統的總體技術架構圖如圖1所示。

圖1 鐵路交通氣象服務系統總體技術架構圖

1.3 關鍵技術

1.3.1 靜態和動態數據緩存技術

大量數據的網絡傳輸和空間信息的實時處理成為影響WebGIS系統性能的關鍵因素，應用緩存技術能夠有效的提高系統的性能。對于基礎地理信息數據、鐵路交通行業數據等靜態數據，在服務器端應用緩存技術進行緩存處理，發布預處理好的數據緩沖切片，避免對原始數據進行即時渲染和裁切，同時減少冗余數據的傳輸；在富客戶端只獲取當前瀏覽器視角范圍內的瓦片背景地圖和鐵路基礎信息，并進行客戶端緩沖以節約網絡資源。對于動態變化的氣象數據，應用服務器端緩存動態刷新機制和數據資源時間戳標識，減少客戶端與服務器端之間的數據交換和客戶端對服務器端的依賴性，提高良好的用戶體驗。

1.3.2 鐵路沿線氣象數據反演的動態分段技術

鐵路沿線氣象數據反演的動態分段技術是一種線性特征的動態分段技術，主要采用鐵路干線、鐵路路段和事件來實現對線性特征的描述，鐵路干線用來表述主要的鐵路交通線路，鐵路路段用來表述鐵路干線中的一部分，事件用來表述氣象數據反演結果中所應具有的三個重要屬性：氣象要素類型、鐵路路段歸屬和時間屬性。其中氣象要素類型描述鐵路路段所受到的天氣影響情況，包括暴雨（雪）、沙塵暴、大風、降水、地質災害等，并根據不同的等級按照圖例中相應的顏色進行著色；鐵路路段歸屬描述路段在全國鐵路局的屬地化情況；時間屬性描述天氣過程對鐵路路段產生影響的時間分布情況。

1.3.3 Flex富客戶端基礎框架和產品展示技術

本系統應用Flex構建交互性很強的富客戶端用戶服務基礎框架，建立背景地圖引擎組件和用戶交互功能組件。富客戶端運行時環境承載通過http協議發布的MXML和ActionScript編譯生成的swf應用程序，集成桌面應用豐富的用戶交互性和傳統Web應用靈活的部署一致性，結合豐富的數據模型，動態解析json矢量業務數據、xml配置描述數據，調用css樣式表實現個性化的樣式效果，創建良好的服務產品展示和用戶交互效果。

2 系統實現

2.1 富客戶端主界面

鐵路交通氣象服務系統富客戶端由工具欄、主顯示區、功能按鈕入口三大部分組成。工具欄提供系統地圖縮放、漫游、測距和圖層管理等基礎功能，功能按鈕入口有臺風查詢、雷達外推、衛星云圖、雷達圖、大風監測、降水監測、降水預報、地質災害、沙塵暴、大風預報、暴風（雪）等十一類產品。富客戶端主界面如圖2所示。

圖2 富客戶端主界面圖

2.2 臺風查詢

臺風查詢提供臺風列表供用戶快速檢索。用戶選擇某個臺風后顯示臺風及相關信息，當鼠標移動到臺風實況定位點時，顯示臺風基本信息（定位時間、經緯度、中心附近最大風速、中心最低氣壓、移速、移向等）和臺風預報路徑，用戶可結合地圖上標注的24小時、48小時警戒線位置為自己的決策目標做出合適判斷。

2.3 雷達圖與雷達外推

雷達圖包含基本反射率和一小時降水兩種產品要素，可按全國雷達拼圖、各鐵路局拼圖和單站雷達圖等不同類型，以單張或動畫播放方式展示。富客戶端可根據主顯示區視角范圍自動為各鐵路局用戶展示相應放大級別的雷達圖。

雷達外推產品包含降水量、降水率、風暴質量、回波頂高、風暴體積等要素，本系統重點關注風暴外推的演變過程，外推頻次為每十分鐘一次，可通過主顯示區根據風暴外推結果查看其發展和演變過程。

2.4 衛星云圖

富客戶端系統通過單張查看或動畫播放的方式，展示最近12小時的風云氣象衛星紅外彩色云圖，云圖的覆蓋范圍為60E-145E和6N-60N。

2.5 大風、降水監測及預報和地質災害、暴雨（雪）預報

大風監測功能主要有：1）地圖右上角為風情實況功能列表，提供全國和各省范圍內的過去1 小時，6 小時，12 小時，24小時城市極大風速排行，默認顯示全國范圍內所選時間段的前十個極大風速城市；2）雙向關聯風情排行和地域顯示，鼠標點擊某個城市站點后，顯示最近12 小時的整點極大風速風向觀測曲線圖。大風預報功能模塊提供最新的未來24小時大風降溫預報圖。

降水監測功能主要有：1）地圖右上角為降雨降雪監測功能列表，提供各城市過去6 小時，12小時，24 小時，48小時，72小時的累計降雨量排行，默認顯示全國范圍內所選時間段的前十個累計降雨量最大城市；2）雙向關聯降水監測排行和地域顯示，鼠標點擊某個城市站點后，顯示最近12 小時的整點降水觀測曲線圖；3）提供全國范圍內的降水落區圖。降水預報提供未來24、48、72小時的降水預報產品，以落區圖形式繪制。

地質災害預報、沙塵暴預報和暴雨（雪）預報的功能與上述功能類似，均使用Micaps14類的預報產品數據，在富客戶端上進行矢量數據描繪，同時提供相應的預報預警文字說明。

3 結束語

鐵路交通氣象服務系統是在認真分析鐵路交通業務對氣象服務需求的基礎上設計和實現的。本系統以WebGIS 富客戶端為載體，通過對數據的分析處理，集成并展現鐵路交通氣象服務產品，在產品分級顯示上著重考慮了各鐵路局視角和全國視角的簡便切換。本系統主要具有以下特點：

1）實現了臺風路徑、彩色衛星云圖、雷達圖等氣象服務產品與背景地圖的疊加顯示。

2）實現了大風、暴雨（雪）、地質災害和沙塵暴等氣象災害預警信息的集成發布。

3）集成顯示鐵路交通線路、各級鐵路站點和各鐵路局管轄范圍內的雷達拼圖，并提供雷達外推產品展示。

4）系統綜合運用數據緩存技術和Flex富客戶端開發技術，在服務器端和客戶端合理分擔計算資源，并提高系統運行效率，增強用戶體驗。

基于以上特征而構建的鐵路交通氣象服務系統綜合分析處理臺風、衛星云圖、雷達圖、風雨監測、預報預警等多源氣象信息，和基礎地理信息數據、鐵路交通行業數據，并應用到鐵路交通行業氣象服務業務中，使目標用戶及時了解天氣過程對鐵路交通的影響，為提高鐵路交通風險防范能力和經濟效益提供了具有一定應用價值的氣象服務支撐系統。

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