東海區海洋觀測預報減災信息共享技術研究及框架設計

王麗琳，薛佳麗，龔茂珣，肖文軍

（國家海洋局東海預報中心，上海　200136）

東海區海洋觀測預報減災信息共享技術研究及框架設計

王麗琳，薛佳麗，龔茂珣，肖文軍

（國家海洋局東海預報中心，上海200136）

通過研究設計東海區共享網絡、海區觀測預報專題地圖以及觀測數據及預報產品共享工作流程，旨在搭建一套集觀測預報數據共享、預報制作共享及平臺服務共享于一體的東海區海洋觀測預報減災信息共享平臺框架。該平臺主要利用數據庫及中間件技術實現東海區海洋觀測資料及預報產品共享，并通過設計風暴潮預報制作系統，以及計算資源整合方案，實現預報業務的工作模式及資源共享，使預報資源效能發揮最大化；最終基于WebGIS建立一套信息展示共享平臺，向共享網絡內的專業用戶及決策部門發布專題地圖、觀測數據、預報產品及減災信息。通過以上研究工作，最終將實現觀測預報數據共享--預報制作共享--平臺服務共享的一體化、自動化業務流程。

海洋觀測；海洋預報；防災減災；共享平臺

2012年6月，國務院頒布實施了《海洋觀測預報管理條例》，條例的出臺進一步推動了全國海洋觀測預報工作，沿海各省市進一步加大了在海洋觀測預報方面的投入，并對海洋觀測預報資料的共享提出了更迫切的需求。配套觀測預報條例，2014年3月，國家海洋局頒布了《海洋預報業務管理規定》，對海區的各級預報機構職責與任務進行了劃分，并明確了各級預報機構的責任海域，為整合各家預報機構的預報產品，避免重復勞動，也迫切需要建立一個預報信息共享平臺。

目前，各級海洋預報機構圍繞海洋觀測預報已建立了各類信息系統，但仍因網絡隔離、數據資源分散及標準不統一等一系列問題，亟需一個統一平臺來規范信息系統的建設，并對數據資源進行整合共享，以提高各項工作的效率。

1　現狀分析

1.1國內外海洋數據共享現狀

聯合國教科文組織于1960年設立國際海洋學委員會，并于1961年開展“國際海洋學數據和信息交換（IODE）項目”。

目前國際上許多國家都建設有國家海洋數據中心，并面向其各自的國家資料庫和全球環境數據傳播設施服務。如美國國家海洋數據中心（NODC）（樊妙等，2013）、歐洲海洋數據網絡等，其建立的專題數據庫和共享平臺系統較為全面、綜合，且多為公開提供服務（李杰等，2008）。

海洋信息技術是我國海洋科學近年來發展的新興領域，21世紀是“海洋世紀”，目前提供海洋數據共享服務的機構主要有國家海洋信息中心及其他海區信息中心、國家海洋基礎信息網絡服務系統、海洋科學數據共享中心、中國南北極數據中心等。目前，國家908專項任務之一“數字海洋”信息基礎框架已搭建完成，各類信息中心或數據中心提供的數據服務較為全面，但服務的互操作性及數據可視化應用尚待提高，由于部門和地方的條塊分割，科研資源及數據資源的配置有待優化，缺少集成式和分布式結合的海洋數據中心。

因此，在已建立的“數字海洋”框架下，有必要建設海洋環境信息資源共享平臺，實現海洋信息資源的共享，開發分布式數據管理系統，并允許在線訪問各海洋合作機構的分布式資源，提供更具互操作性的數據服務。

1.2東海區觀測預報數據共享現狀

網絡是數據交換的基礎，東海區預警報業務網與觀測數據傳輸網之間物理隔離，預警報產品只有通過人工的方式（刻盤導出/導入）才能將數據轉移到目標區域，效率低，耗時長。此外，數據無法自動傳遞導致了各類業務難以整合，不僅致使信息化服務效果降低，而且造成硬件資源浪費。因此，迫切需要搭建一個網絡平臺，并建立相應的安全策略，減輕繁瑣的人工作業，實現觀測和預警報兩類數據的融合，為海區范圍內的數據共享提供基礎環境。

海洋觀測數據是預警報產品制作、防災減災工作的基礎，其規范性、時效性和準確性關系到預警報產品的可靠性及災害應急工作的順利開展。目前，東海分局內部已有一套“海區-中心站-海洋站/測點”三級數據傳輸流程。自《海洋觀測預報管理條例》實施以來，海區中心已與各省/市預報機構之間實現了部分的數據共享，但其完整性和時效性還不夠，因此，需要進一步加快觀測數據共享工作，充分發揮整個東海區內觀測數據為預報減災工作提供數據支撐的作用，實現全海區統一、實時、全面的觀測數據共享（吳向榮等，2013）。

在預報制作及產品共享方面，海區與各省、市之間除周會商、臺風期間會商及較為成熟的漁業預報產品共享外，幾乎沒有其它預報產品共享。這種相對孤立的預報產品制作業務一定程度上增加了工作量，阻礙了精細化預報的發展。此外，經調研，在預報服務平臺建設方面，各家情況各具特色、參差不齊。因此，迫切需要建成統一的預報參考集成服務及預報信息共享平臺，實現海區、省、市之間的預報信息共享。

綜上所述，本文需要解決的問題包括：如何在保證數據安全的情況下實現數據的有效交換、在資源分散的情況下如何實現集中與分布管理相結合的各類數據共享、以及如何建立更集中、更綜合的可視化共享服務平臺。

2　采用的關鍵技術

2.1共享網絡架構及安全策略設計方法

本文設計的共享網絡架構及安全策略，實現了數據信息在不同等級網絡之間的自動化安全交換，主要基于以下4項原則：

（1） 符合分局《東海區信息共享網絡與安全策略技術框架》的要求和規范；

（2） 充分利用東海區現有的觀測數據傳輸網的基礎結構，盡量避免線路重復建設；

（3） 網絡平臺建設盡量不干涉各單位自身的業務系統；

（4） 不同網絡之間的數據傳輸采用單向隔離設備及物理隔離數據交換設備，保證各系統相對獨立運行，確保整個網絡的安全（張繼永等，2010）。

觀測數據共享區的特點是“只出不進”，海區中心作為唯一出口，通過單向隔離設備將短期觀測數據推送至“綜合共享區”；同時，各節點的觀測數據文件通過該區域實現傳輸和共享。

綜合共享區的特點是“快進慢出”，有限地向外輸出。通過單向隔離設備，綜合共享區接收來自各級預報機構的預警報產品，以及來自觀測數據共享區的短期觀測數據。綜合共享區內各級預報機構通過物理隔離數據交換設備，可將需在外網發布的數據擺渡至對外發布區（奚建清等，2011）。

2.2數據共享中間件技術

中間件是基于分布式處理的軟件，通過中間件，可實現兩個獨立程序或系統的連接，本文利用中間件技術實現了觀測與預報數據在各預報機構之間的共享同步（張秋波等，2012）。

為實現實時觀測數據在綜合共享區的安全共享，需建立短時觀測數據庫，且該短時數據均在海區節點作為唯一出口從觀測共享區向綜合共享區提供。為此，在海區節點建立同步中間件，實現短時觀測數據抽取及數據庫同步。

在預報共享工作中，綜合共享區的預報產品來自各預報機構的自留區，為提高數據共享處理效率，本文同樣設計預報共享中間件，實現綜合共享區內各機構節點的預報產品數據庫內的數據同步。

2.3系統功能集中管理及同步技術

本文最終實現的可視化系統是“東海區海洋觀測預報減災信息共享平臺”的服務窗口，為保證各預報機構的系統獨立運行的同時，各項功能保持同步更新，本文設計了一套功能共享中間件，以后臺服務形式部署于海區中心及省/市各級節點的Web發布服務器，實現了系統功能及集中管理的同步更新。主要技術方法如下：

功能共享中間件的數據共享交換流程如下圖所示，圖中A節點代表海區及各省/市的任一節點，B節點代表除A節點外的任一節點。系統在各節點為分布式部署，因此各自相對獨立維護系統，一旦任一節點需更新系統功能組件，則生成更新包，其中包含新的版本號、組件更新代碼文件以及應存放的路徑。該更新包由共享中間件通過共享專線傳輸至其他節點，其他節點同樣通過共享中間件接收該更新包，并解壓后將版本號更新至本節點數據庫，同時將本地系統的對應組件進行更新。

圖1　功能共享中間件的數據共享交換流程圖

2.4海洋觀測預報信息科學可視化技術

本文設計的“東海區海洋觀測預報減災信息可視化系統”是基于WebGIS建立的海洋地理信息系統，其中展示了本文涵蓋的所有共享數據及產品信息，包括空間地理信息數據、時間序列數據及大面數值場等，為更直觀、形象地進行可視化展示，本文主要從以下方面開展研究。

（1）系統界面設計方面，整體效果應貼近海洋風格，簡潔大方，界面排版突出重點，使得信息查看便捷。

（2）空間數據可視化方面，通過分級設計在不同比例尺展示關鍵地物信息、觀測數據及關鍵點預報產品，同時，各類信息標注形象、分類清晰。

（3）時間序列數據可視化方面，主要通過數據曲線及表格進行展示。其中，曲線信息豐富，將具參考性的信息涵蓋全面，可分析性強；表格數據以最新的數據展示為主，分類明確。

（4）大面數值場可視化方面，主要為數值預報產品，展示形式以不同顏色等級進行渲染的柵格圖為主，可實現動態時序播放，同時，通過網格數據抽取算法，可提供任意點的數值曲線展示（黃鑫等，2009）。

3　總體框架

通過海區共享網絡與數據安全策略的建立，計算資源共享、預報機構的分工整合、優勢互補，逐步建成以海洋觀測資料共享、海洋預警報產品與制作共享、以及海洋減災服務共享為主體的信息共享平臺。

該共享平臺集海區專題地圖資料、觀測數據、預報產品、減災信息于一體，包括“一網一圖三共享一系統”六大部分，最終實現“東海區-省/市”范圍內的“觀測預報數據共享→預報制作共享→平臺服務共享”的一體化、自動化業務流程，搭建形成涵蓋東海區各級預報機構的一體化信息共享平臺框架。

圖2　總體框架設計圖

4　技術路線

4.1共享網絡結構設計

建立東海區共享網絡，規劃“自留區”、“對外發布區”、“觀測數據共享區”、“綜合共享區”。其中，“自留區”為各家預報機構目前正在運行的信息系統所在的網絡，可根據成熟度逐步遷移至綜合共享區；“對外發布區”主要服務于互聯網公眾用戶；“觀測數據共享區”用于實現觀測數據的傳輸及共享；“綜合共享區”為省/市及東海分局共享信息的網絡區域，主要部署各類預報系統，包括高性能計算資源，數據庫資源等。

4.2東海區海洋地理信息專題地圖制作

整合、制作一張東海區統一的海洋地理信息專題地圖，將各類基礎地理信息、海洋專題信息、預報參考地理信息等集于一體，實現風格統一、信息多樣并全面的專題地圖，為東海區各級預報機構的信息平臺開發提供基礎底圖。

東海區觀測預報專題地圖，主要由行政區劃圖、遙感圖及專題圖組成。其中，行政區劃圖及遙感圖包含東海區沿岸陸地及海島的行政區域劃分的地理信息，專題圖包含省/市所轄海域的行政區劃，養殖區及避災區等重點保障目標，港口碼頭、中心漁港、航線、觀測及調查設施等重要地物信息。

圖3　共享網絡結構圖

4.3三大共享工作流程

本文論述的三大共享工作包括東海區海洋觀測數據共享、預報產品與制作共享、海洋減災基礎數據及產品共享。以下將從這三大共享工作展開研究。

4.3.1東海區海洋觀測數據共享

實時觀測數據的共享基于原始觀測文件，文件的編報遵循現有的國家海洋數據規范，通過國家海洋觀測數據網實現省/市海洋預報機構海洋觀測數據向海區中心實時傳輸，海區中心收集匯總后實時下發至省/市海洋預報機構，同時各級預報機構做好實時觀測數據的傳輸監控工作，保障實時觀測數據的連續、穩定傳輸。

原始文件共享基于數據傳輸網，依托“觀測數據傳輸軟件”實現文件的共享，同時由“觀測數據共享監控平臺”實現對觀測數據共享情況的監控。

短時觀測數據庫共享通過東海預報中心的“短時觀測數據抽取中間件”實現從已業務化運行的實時觀測數據庫（基礎庫）中抽取短時觀測數據并錄入至短時觀測數據庫；通過“短時觀測數據庫同步中間件”實現對各節點短時觀測數據庫的同步，各數據庫分別服務于各節點的前臺顯示平臺。

圖4　實時觀測數據共享工作結構圖

4.3.2東海區預報產品與制作共享

本部分共享工作包括制作工作模式的共享以及產品的共享。主要通過將預報參考資料、東海區數值計算資源進行整合，并設計統一的預報制作軟件，實現海區內各級預報機構的業務工作共享，同時在制作平臺上實現產品之間的交流共享。如圖5為預報產品共享流程。

主要實現如下4部分的共享工作：

圖5　預報產品共享流程

（1）預報參考資料集成

預報參考資料來源廣，如各機構網頁發布的預報產品及實況資料等，資料較為分散。本部分工作旨在集中存儲、管理預報參考資料，且根據預報員需要及個人習慣定制預報參考資料的分類及展示方式，通過網頁形式將各類資料進行統一發布。從而加快參考資料的獲取及分析，提升預報產品制作效率。

（2）東海區數值計算資源共享

整合和共享東海區高性能計算機資源，用于重要業務化數值預報系統的異地備份。在綜合共享區整合海區數值預報用高性能計算機資源的基礎上，實現資源的網絡互通和遠程登錄。對高性能計算機用戶資源權限、計算任務等級等進行分級管理。并建立應急調配方案，實現故障情況下的遠程計算資源統一調配，保證各機構計算任務的穩定運行。

各預報機構對各自重要業務化數值預報系統運行架構和業務化運行腳本、數值預報監控系統等進行修改完善，實現自動判誤、遠程啟動、自動切換的功能，保證重要業務化數值預報系統的正常運行，提高數值預報系統穩定性。

（3）風暴潮預警報釋用與產品制作系統共享

本文以風暴潮預警報制作系統的共享為例進行研究，主要實現風暴潮警報單的制作，并對各級預報機構的風暴潮數值預報結果進行管理。

在潮位數值產品處理模塊，對天文潮、數值預報增水數據進行計算疊加，并經預報員圖形化人工修正預報增水數據后，對照警戒潮位信息自動根據風暴潮警報模板生成并打印風暴潮警報單。

在無數值預報結果或判斷數值預報結果偏差較大的情況下，在警報單制作模塊實現所見即所得的制作方式。可在地圖上各岸段進行點擊后進行數值錄入和編輯，亦可通過表格錄入潮位預報值或警報文字。人工錄入的岸段潮位預報值及相關文字經推送后同時存入共享數據庫。

在無需人工干預的常規預報期間，實現以上產品的自動推送。

（4）東海區預報產品共享

以全國海洋預報產品數據庫建設工作為基礎，根據國家規范及要求開展相應工作即可。其中，海區中心匯集各省市機構的預報產品后進行統一分發，從而實現預警報產品的規范化管理和多級共享，保證各級機構的預報產品數據庫中存儲有國家、海區、省市等各級預報機構的預報產品，為本文共享平臺提供預報產品數據基礎。

4.3.3東海區海洋減災基礎數據及產品共享

東海區海洋減災基礎數據及產品主要包括東海區沿海高程及警戒潮位核定數據，以及以風暴潮為主的預警報產品。

（1）東海區沿海高程及警戒潮位核定數據集成

以警戒潮位核定岸段劃分為依據，在東海區地理信息專題地圖建設的基礎上，進一步收集東海區內沿海各岸段岸堤高程數據，以及岸堤后方高程數據，并在底圖上進行可視化展示。

警戒潮位核定數據是通過收集新、舊警戒潮位核定成果，集成到數據庫后，進一步對各岸段警戒潮位進行可視化展示。

（2）東海區風暴潮預警報產品共享

建設風暴潮預警報產品數據庫，實現海區、省、市針對各所轄岸段的風暴潮綜合預報產品的管理，并在海區中心及各省市進行部署。各級預報機構制作完產品后推送至海區中心，海區中心再進行分發。最終海區各預報機構將獲得的全海區的減災產品進行入庫后，用于可視化共享。

4.4東海區海洋觀測預報減災信息可視化系統設計

該系統集成東海區觀測數據、預報產品以及減災產品，并進行可視化展示。各級預報機構分布式管理數據源并進行本地發布，海區中心負責系統功能管理，通過功能共享模塊實現系統在各級節點的同步更新。

系統包含展示系統與功能共享中間件兩部分，展示系統包括觀測數據、海洋預報、防災減災、臺風專題、系統管理五類信息可視化服務。功能共享中間件實現系統功能與數據的同步更新。系統的功能結構如圖6所示，系統功能界面如圖7所示。

圖6　系統功能結構圖

圖7　岸段潮位預報曲線效果圖

5　結語

本文從“一網一圖三共享一系統”6個部分對東海區海洋觀測預報減災信息共享平臺框架的設計及技術路線展開研究，主要研究成果如下：

（1）設計了一套海區共享網絡結構。共享網絡是共享工作的通訊橋梁，本文在保證數據安全及共享通暢的前提下，對網絡結構進行了總體設計，提出了四個網絡功能區，且在功能區之間建立安全策略，形成了網絡結構相對獨立，數據交換相對暢通的網絡結構。

（2）提出了東海區觀測預報專題地圖的設計思路。本文主要基于東海分局已有的地圖素材，整合觀測預報專題地理信息，以形成適于觀測預報信息展示的專題地圖，可為各類系統提供基礎底圖。

（3）制定了一系列觀測預報減災資源共享的工作流程。基于各級機構之間打通的網絡結構，通過研究設計數據共享中間件、產品格式規范等，達到原始資料的共享目的；同時，通過整合預報及減災數據資源、高性能計算資源，促進海區各級預報機構之間優勢互補，從而達到提升業務工作效率的目的。

（4）設計了一套東海區海洋觀測預報減災信息可視化系統。本文基于前文各項數據產品的共享成果，開展信息集成和可視化系統設計，將專題地圖、觀測數據、預報及減災產品等進行集成及分類展示，從而為各類共享成果提供了一個綜合的展示平臺，為防災減災工作提供了更實時、便捷、直觀的輔助決策手段。

綜上所述，本文研究建立的東海區海洋觀測預報減災信息共享平臺框架，為各類海洋觀測預報業務工作的信息化搭建了一個基礎平臺，在此基礎上，將有效實現海區各級預報機構之間的資源共享及規范統一，降低信息化資源開發的冗余，以及提升觀測預報業務工作效率，對海洋信息化共享工作具有一定的示范意義。

目前，本文的設計框架與技術路線已應用于“東海區海洋觀測預報減災信息共享平臺”項目的建設，其詳細設計方案已完成，即將投入建設。

樊妙，章任群，金繼業，2013.美國海洋測繪數據的共享和管理及對我國的啟示.海洋通報，32（3）：246-250.

黃鑫，2009.基于網格的海洋環境信息可視化服務技術研究.青島：中國海洋大學.

李杰，2008.海洋數據共享平臺關鍵技術研究與開發.天津：天津大學.

吳向榮，李郅明，余肖翰，等，2013.海洋觀測預報業務多源異構數據與信息集成分析.海洋通報，32（2）：221-226.

奚建清，熊智，黃昱兆，等，2011.基于安全隔離的數據單向傳輸設備設計與實現.保密科學技術，8：64-67.

張繼永，2010.網絡隔離技術與信息安全.中國信息界，（9）：25-26.

張秋波，2012.海洋觀測系統集成中間件設計與實現.青島：中國海洋大學.

（本文編輯：袁澤軼）

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

王麗琳 （1979-），女，碩士，高級工程師，主要從事海洋信息技術研究。電子郵箱：wanglilin@@eastsea.gov.cn。

薛佳麗，碩士，工程師。電子郵箱：xuejiali@eastsea.gov.cn。