浙江省水文氣象服務業務系統設計與實現*

陸明 張玨 張瑋瑋* 朱占云

(1.浙江省氣象局,浙江 杭州 310002;2.浙江省氣象服務中心,浙江 杭州 310017)

0 引 言

近年來隨著氣象科技水平的提高和專業氣象服務的發展,水文氣象服務在業務范圍、服務深度等方面不斷得到拓展,在專業氣象服務中占據了越來越重要的地位。

目前浙江省水文氣象服務主要包括省內6大水庫流域內月、季、年氣候概況,水庫流域旬、月、季雨量預報服務,0～15 d內水庫流域客觀化面雨量預報服務等內容,服務內容涵蓋各主要水庫不同需求時段的實況概況和預報等內容,服務廣度、深度都有突破,服務產品繁多而雜亂。與此同時,人工制作產品仍然是水文氣象服務的主流,為了提高服務質量，業務人員往往需要通過各種途徑來獲取最新氣象信息,缺乏一個集查詢、預報和服務產品生成等功能于一體的業務服務系統,只能依賴傳統的水庫服務制作流程,以致于無法滿足日益增加的業務需求,工作效率及準確率都大打折扣,嚴重制約了水文氣象服務的持續健康發展。

本文基于業務痛點設計與開發了面向專業氣象服務業務人員日常服務的水文氣象服務業務系統。業務人員可實時、便捷地獲取水庫流域內各個模式的雨量預報信息、實時面雨量信息及其他相關信息,并實現流域中長期氣候概況的自動生成,為水文評估、水文服務提供了統一的業務環境,提高了水文氣象服務工作的實效性、準確性和規范性,為水庫用戶的防災減災提供了科學有力的保障。

1 系統架構和功能設計

1.1 系統開發及運行環境

浙江省水文氣象服務業務系統基于Microsoft Visual Studio平臺利用C#語言和C/S架構進行開發,利用Photoshop圖形處理軟件進行界面設計。后臺使用了SQL Server作為信息產品數據庫,配合FORTRAN語言實現水庫流域客觀化面雨量產品和雨量評估產品的制作和統計。系統服務器端由基于Win2008的Web服務器、數據庫服務器、數據備份服務器組成,可根據系統負載情況動態增加,實現各類氣象數據資料的整合入庫和加工處理;客戶端主要面向業務人員,要求設備具備.NET 4.0運行環境。安全方面,對核心數據區的數據庫服務器和綜合服務網站服務器采用訪問控制增強技術和網絡安全技術,實施網絡入侵檢測并設置安全通道,對網絡資源訪問或與網絡服務進行安全保護。整個平臺軟件采用模塊化程序設計,層次清楚,兼容性強。

1.2 總體架構

系統在開發模式上采用基于C/S的應用層、技術支撐層、數據層、基礎軟件層及基礎設施層5層體系結構。

應用層統一集成各個處理功能,直接和業務數據進行交互,滿足所有用戶對系統的使用要求;技術支撐層包括系統的開發框架、第三方功能組件、通信協議等;數據層為系統中各種數據提供存儲服務,主要包含系統配置庫、水文信息庫、氣象資料庫、氣候資料庫及地理數據庫;基礎軟件層包括軟件開發包、數據庫、運行所需的應用軟件;基礎設施層為系統提供各種運行所需的硬件環境,包括主機及存儲設備,為系統最終的實現及運行提供基礎硬件環境支撐,系統總體開發結構如圖1所示。

1.3 功能設計

水文氣象業務服務系統是面向一線業務人員的日常業務系統,確定了整體框架后,通過對功能和流程的分析,將整個系統平臺分為短臨監控、客觀化面雨量預報、預報服務制作、面雨量預報效果評估、系統管理等5大功能模塊。模塊設計上以簡化水庫服務材料制作流程、提高工作效率為基本原則,實現服務材料的一鍵式制作、預覽、保存、發布(圖2)。

圖2 浙江省水文氣象業務服務系統模塊示意圖

短臨監控模塊:由ArcGIS地圖及水庫水雨情分析兩部分構成,方便業務人員在強降水過程中及時響應開展服務。通過接入實時更新的水庫實況面雨量和水庫實時水位,實現30 min更新一次PUP模式未來6 h面雨量預報(汛期15 min更新一次),1 h更新一次ZJINCA模式未來12 h面雨量預報,以及3 h更新一次ZJWARRS模式未來24 h面雨量預報。同時,模塊提供基于GIS地圖的水庫雨情查詢、簡要統計信息智能化顯示、面雨量趨勢分析等功能。

客觀服務產品模塊:提供基于GIS技術的郵票圖、地圖分布、中期降水趨勢3大功能。通過對各水庫基于行政區域、水庫類型等進行分類,接入OCF、ECMWF、JMA、GFS、GRAPES等多家數值預報資料,為專業預報員開展全省水庫中短期面雨量預報提供決策參考。

氣象預報服務模塊:以簡化水庫服務材料制作流程、提高工作效率為基本原則,實現服務材料的一鍵式制作、預覽、保存、發布。

預報評估模塊:針對ECF、JMA、GFS、GRAPES及OCF模式對各個水庫的逐24 h客觀面雨量預報開展實時評估,提供評估指標查詢,可將圖像及數據結果輸出至Word文檔,滿足臨時服務的需要。

系統管理模塊:針對整個平臺的用戶信息、水庫信息、數據信息的基本維護進行配置。用戶授權基于RBAC(Role-Based Access Control)角色訪問控制模型,可對系統用戶進行分類并配置相應模塊權限。

2 系統界面及技術實現

2.1 系統界面設計

系統界面秉持簡潔直觀、布局合理、美觀協調、簡單易用的基本原則,按照Windows界面規范(即包含“菜單條、工具欄、工具廂、狀態欄、滾動條及右鍵快捷菜單”的標準格式)，利用Photoshop來進行設計開發。用戶交互界面主要以WPF頁面為主,各頁面按照模塊、部件、功能單元進行分類組織。頁面布局采用左右分欄的設計方式,左側為控制面板,右側為功能展示欄,控制面板可折疊到最左側,同時右側功能欄可占據下方全部面積,以方便功能展示的可用面積最大化。用戶交互界面如圖3所示。

圖3 用戶交互界面示意圖

2.2 數據庫設計

系統入庫產品數據由水庫基礎信息、基礎服務數據、中間服務數據、文件服務材料數據等構成。基于SQL Server數據庫,實現歷史水文數據、不同時段的客觀化面雨量預報數據、中長期預報、服務文檔產品等數據的整合入庫存儲,并允許跨庫、跨表的聯合查詢,最終結合相應算法得出分析處理結果。針對水文氣象服務系統需求及功能實現過程中對數據的要求，設計出4個子庫近40張數據表,產品數據庫結構如圖4所示。

圖4 產品數據庫結構圖

其中,水庫基礎信息子庫存儲了水文站信息、流域內氣象站信息、集水區域數據、流域內地理信息數據及水庫經緯度水位等基本信息。

基礎服務數據子庫包含多水庫流域多模式多時間尺度的面雨量歷史及預報評估類產品、面雨量實況及水位信息、雙周天氣趨勢預測產品與氣候統計信息。

中間服務數據子庫包含水庫過程雨量預報,旬、月、季、年、汛期及枯水期等時間尺度水庫雨量預測數據,雙周雨量預報數據等。

文件服務材料子庫包含不定期服務材料、水庫短期天氣預報、雙周天氣預報、旬、月、季、年及汛期等時間尺度短期氣候預測和各類氣象總結、關鍵期天氣服務等專業服務人員加工制作的近20種專業氣象服務產品。

2.3 安全設計

為保障系統安全,對關鍵的業務數據如用戶密碼、數據庫連接字符串等信息進行加密,用戶密碼使用MD5算法進行加密,數據庫連接字符串使用DES對稱加密算法進行加密。數據庫安全方面,數據庫操作采取授權限制,對表一級及其以上級別的數據庫操作授權不對應用服務器開放,通過權限配置使各用戶對業務表有不同的操作權限,如統計分析子系統對統計相關的表只有讀取權限,而不能進行修改、新增、刪除操作。同時開發中杜絕SQL拼接,在WEB API層過濾用戶輸入來防止SQL注入和腳本,通過系統配置Filter來過濾全局的表單參數(包括URL傳參),用戶請求后,先通過Filter攔截請求,獲取用戶所有提交的參數判斷是否包含非法字符串,若發現存在非法字符串,直接跳轉到非法訪問提醒頁面。系統容災方面,同時備份文件目錄和數據庫,文件備份只針對工作目錄,采用文件壓縮的方式備份,年度目錄和歷史目錄每年備份一次;數據庫備份分為全量備份和增量備份,全量備份每周一次,增量備份每天一次,歷史庫的備份每月一次,備份方式采用全量備份方式。數據庫的恢復可通過執行數據庫恢復命令實現。

2.4 關鍵技術

用戶權限分級:由于系統面向省級不同單位業務人員和部分市級業務人員,每種用戶服務對象不同,其所能訪問的數據和模塊也不同,因此需要建立對用戶權限訪問的管理機制。該系統用戶授權基于RBAC模型通過角色的方式將權限授予用戶,而不是直接將權限授予用戶。在用戶訪問系統時,系統根據數據庫中用戶角色字段控制用戶對數據的訪問,保障數據的安全。同時限制用戶賬戶多次登錄嘗試請求次數,超過一定次數(可靈活配置),便鎖定該賬戶,防止系統被暴力破解,有效提升安全性。

郵票圖設計:以水庫點填色的方式設計了郵票圖,模塊提供多模式對比、預報調整分析及單模式形勢演變3部分。郵票圖上每個圓點代表一個水庫,其中大點為大型水庫,小點為中型水庫,圓點所在位置為該水庫大壩站所在的地理位置,同時隱去水庫名稱、雨量值等干擾分析全省庫區降水演變的信息,采用江河流域常用雨量級劃分標準,根據水庫雨量值進行填色(圖5)。

圖5 水庫流域降水預報郵票圖展示

3 業務化情況與效果

該系統自2018年7月開始投入使用,在2019年2月18—22日的湯浦水庫年度首次泄洪服務中,業務人員17日便開始跟進,利用該系統每日為水庫用戶制作延伸期水庫雨量預測,直至其關閘完成泄洪。在該次泄洪工作中,充分發揮了氣象科技服務的支撐作用,幫助庫方及時掌握過程天氣變化趨勢，并及時調整泄洪方案,做到科學合理調度。隨后,2月26日值班人員利用平臺多模式決策系統,又較準確地預測出庫區未來10 d降水過程,并進行跟蹤訂正。在精確的氣象預報信息服務支撐下,湯浦水庫于3月4—5日順利完成第二次開閘泄洪。準確及時的水文氣象預報服務得到用戶極大肯定。

4 結 語

1)整合了浙江省水庫基本信息數據。將省內服務對象水庫基本信息(水庫名稱、簡稱、水庫類型、水庫功能、大壩站經緯信息、所屬市、縣(市、區)、集水面積、庫容、汛限水位、正常水位及壩頂高程等)、水庫集水區域電子地圖、流域內格點化地理信息數據及流域內氣象站地理信息數據、流域內水文站地理信息數據進行整合，并分別建庫存儲,同時設立名片庫,實現了實時調用任意水庫地理信息數據進行服務產品制作。

2)開發的“標簽頁式”材料制作以及“一鍵式”發布等功能大大簡化了預報員提取素材的流程,可自動統計輸出雨量、雨日、氣溫統計值,并與常年對比分析。通過切換“分布圖”標簽頁,自動調取氣象站降水和氣溫數據,生成相應水庫流域降水和氣溫形勢圖至Word文檔,保證了每部分內容的科學性和嚴謹性,避免低級錯誤的產生,顯著提升預報員工作效率。

3)系統以水文氣象業務上下游需求為紐帶,通過模塊間的有機融合,實現了水文氣象業務的一體化“無縫銜接”,體現了氣象業務組織“一體化、集約化、精細化”。通過配置用戶角色類型實現了系統的省、市兩級業務人員共用,縮短了查看資料的時間,加快了材料類產品的發布速度。

4)系統有效整合了現有省級各單位的氣象信息產品,將多源頭獲取的產品統一預處理后進行分類入庫,簡化了提取、加工、生成水文氣象服務產品的中間過程,有助于提高各類氣象信息的利用率和傳播速度,為水文氣象高效開展服務提供了基礎平臺。