畢節市氣象災害預警調度系統的設計與實現

肖 楠, 田 蘭

(1.成都信息工程大學軟件工程學院,四川 成都 610225;2.貴州省畢節市氣象局,貴州 畢節 551700)

0 引言

災害的潛在性、突發性和復雜性導致災害的成因各不相同,復雜多變的氣象環境給社會生產、人類活動和生命財產帶來了巨大威脅。畢節市位于貴州省西北部,屬于亞熱帶季風濕潤氣候,由于夏季風不穩定,降水受季風影響明顯,因此畢節市頻繁發生洪澇、暴雨和泥石流等自然災害[1-3]。近些年,由于網絡、信息管理和數據存儲等技術基礎設施的快速發展和實施,數據量出現了爆炸式增長,在面對多類型、分布廣、多來源的氣象數據和地理數據時,畢節市縣兩級氣象部門對服務產品的存儲比較分散凌亂、對數據處理和分類操作切合度不高。同時在氣象服務工作中,災害預警的監測主要依賴值班人員人為跟進,當發生災害后只能通過人工撥打電話進行呼叫,這會導致叫應出錯。因此,建立一個能夠在災害發生前自動化監測預警,災害發生后自動通知相關部門采取措施的集約化氣象服務可視化系統尤為重要。

以B/S架構為應用框架,利用分布式數據存儲技術對地理數據和氣象數據進行存儲和計算,結合GIS技術和可視化技術,實現氣象數據實時監測與顯示,并通過設置自定義規則來動態配置氣象災害閾值,實現適應不同時間、不同氣候的自動化監測預警功能。同時,采用IVR技術完成應用系統與電話之間的通信,在能夠自動且不占線的同時撥入多部分機號進行通話的情況下,實現智能化精準叫應。該系統自投入試運行以來,不僅成為畢節市氣象部門監測災害性天氣、提高預警預報能力的有力支撐,而且提高了市縣之間的聯動性,有效地分工協作,實現了精準統一的指揮調度。

1 系統關鍵技術

1.1 分布式數據存儲技術

在面對多類型、分布廣、多來源的氣象數據和地理數據時,畢節市縣兩級氣象部門對服務產品的存儲較分散凌亂,氣象災害監測預警指揮調度系統針對這一問題采用了分布式數據存儲技術。分布式存儲是指按照一定的規則將數據拆分成多個獨立單元分散存儲到多臺獨立的物理主機上。該技術基于多源異構的數據集成方法,把從CIMISS、FTP、共享文件夾等多種途徑中導入的數據按照數據格式(結構化、非結構化、半結構化、站點、格點)、氣象要素(地面、雷達、衛星)、監測對象(地面觀測資料、數值預報)等多種分類方式劃分為若干個相對獨立且密切聯系的數據集合,并存儲到多臺獨立的物理節點上[4]。

由于單個數據節點的存儲容量有限,因此在進行數據分布式存儲前需要對目標存儲數據進行評估。具體做法是:根據每個監測點每天產生的數據推算出總的數據量,并采用數據拆分算法進行數據近似均等拆分,使每個主機完成數據的最佳存儲。

1.2 基于規則的氣象災害預警模型

基于規則的氣象災害預警模型,是指根據用戶創建的自定義氣象規則建立氣象災害與氣象觀測數據之間的映射關系,嵌入到應用程序中的規則引擎從業務數據庫和規則庫中讀取相關數據之后進行匹配,一旦達到或超過所設置的報警閾值,則通過閃爍、語音播報、電話等方式進行提醒,以實現自動化監測預報的目的。

氣象預警規則是對氣象災害的致災因子滿足何種條件下會觸發報警的邏輯描述。在整個模型實現規則推理的過程中引入謂詞邏輯,將所有氣象災害術語中抽象出來的對象—屬性—值之間的三元關系轉換為同一形式邏輯范式,是規則形成的基礎。屬于二值邏輯的謂詞邏輯,在復雜多變的氣象領域具有唯一性,消除了表述氣象災害術語中存在的歧義[5-6]。

定義1 一階謂詞邏輯。定義x是導致災害發生的致災因子,f(x)為致災因子的命題函數,z為災害種類,對任意的災害種類z都有z?{z1,z2,…,zn},其中zi表示該災害種類的災害等級。鑒于氣象規則的定義可能存在模糊邊界,如“積雪厚度可能影響交通”。針對這一問題,本模型將隸屬函數和一階謂詞邏輯相結合,設隸屬函數θ(x)→[0,1],把模糊邏輯清晰化。zi用一階謂詞邏輯可表示為:

其中,θ(x)需要根據實際情況進行設定,y1和y2為某個致災因子的閾值范圍。式(1)利用合式復合命題,將2個或2個以上的一階謂詞邏輯通過邏輯詞連接。

以暴雪災害為例,根據積雪厚度和降雨量的強弱程度,將暴雪災害劃分為4個子類,暴雪災害?{藍色預警,黃色預警,橙色預警,紅色預警},其中暴雪的積雪厚度與其對交通的因影響程度成正比關系。對于暴雪預警來說,該積雪厚度不存在上限,下限為3 mm,以10 mm為分界線。暴雪橙色預警可用一階謂詞邏輯表示為

其中,x表示積雪厚度,y表示此刻6小時降雨量。

定義2 謂詞公式。對于規則性的語義描述,謂詞演算通常使用蘊涵符號(→)連接一階謂詞形成謂詞公式,蘊涵符號的前半部分為規則的執行條件,后半部分為規則的執行結果。定義m為氣象要素到達閾值之后所觸發的報警形式,對任意的報警形式m都有m?{m1,m2,…,mn},設P(zi)和Q(m)為分別是執行條件和執行結果的謂詞。一條氣象災害預警規則可以表示為

以暴雪橙色預警為例,當積雪厚度和降雨量到達所設定的閾值時,便會觸發以閃爍、語音播報、彈出提示框等多種方式進行提示的報警行為。設報警形式?{橙色閃爍,語音播報,彈出提示框:“發布橙色預警公告”}。由式(2)可知暴雪橙色預警閾值的大小,則激活觸發暴雪橙色預警的報警行為的氣象預警規則可表示為

該模型使用J2EE技術框架體系,業務人員通過在瀏覽器中輸入關鍵詞和配置參數實現對氣象規則的邏輯建立。后臺接收到Ajax請求后對傳來的自定義規則進行語義解析,利用中文分詞、歸一化處理等語義分析技術結合邏輯轉換規則生成邏輯表示,并建立以謂詞邏輯為基礎的氣象規則庫,以便規則引擎進行訪問。

規則引擎是氣象災害規則庫工程化的關鍵步驟,能作為獨立組件嵌入在應用程序中。按照功能分為規則收集器、工作存儲區和推理引擎3個模塊。本模型采用OWL API、Jena推理機對規則引擎進行設計。由圖1可見,該模型以先期構建的氣象災害規則庫作為輸入,存儲于系統業務數據庫中的觀測數據作為引擎驅動。根據氣象資料推送頻率,工作存儲區定期提取氣象觀測數據,為邏輯推理模塊提供匹配事實,觸發規則引擎從規則庫中讀取規則并傳遞給規則收集器。推理引擎取出規則收集器和工作存儲區中的數據,采用模式匹配算法依次進行迭代匹配。匹配成功的規則加入議程,基于沖突消解處理策略按優先級順序執行結果。

圖1 規則引擎工作機制

1.3 基于IVR技術的叫應模型

IVR技術即交互式語音應答,將計算機數字語音處理技術與語言處理技術結合,允許計算機通過電話來監測和播放語音信息,實現應用系統與電話之間的通信。該技術結合計算機和語音電話各自的優點,將保存在計算機中的數據通過電話來達到信息的傳輸和獲取,成功完成了全自動的電話服務,極大提高了呼叫質量。

在當前的氣象服務中,災害發生時主要依賴值班人員人為跟進,人工撥打電話叫應相關部門展開救援,這樣增大了操作人員的工作強度,辦事效率低。針對這一問題,本系統采用了基于IVR技術的叫應模型。當值班人員收到報警裝置的提示后,該模型基于IVR技術將規則庫中的叫應內容翻譯為語音信息,通過電話接口自動向某級氣象部門撥打電話。利用錄音功能,使叫應任務記錄留痕,方便業務單位根據需要收集信息。此外,服務器采用多用戶分發模式,各級氣象部門擁有各自的叫應內容、叫應對象信息和歷史叫應記錄等相關信息,通過消息推送功能,依據不同的報警提示開展市、縣兩級氣象部門分工協作,實現了市縣單位間工作協同和工作量分流。

2 總體設計

2.1 總體框架設計

畢節市氣象災害監測預警指揮調度系統使用B/S結構框架進行搭建,采用了Spring MVC技術架構,同時通過建立基于規則的災害天氣預警模型和利用IVR技術進行精準叫應,實現了實時監測數據和自動化報警,為市縣兩級用戶在防災減災問題上提供了數據和決策支持。如圖2所示,該系統采用了結構分層的設計思想,將整個系統框架分為4層,由上至下分別為表示層、應用層、數據層和基礎設施層[7-8]。

圖2 系統總體架構圖

表示層:災害預警系統各功能的訪問接口,為用戶提供人機交互界面,滿足市縣兩級用戶操作系統實現業務的需求。其實現技術框架采用MVC模式,通過業務管理控制中心來接收前端用戶的操作請求,調用相應業務模型處理用戶的請求,最終由業務控制中心調用相應的視圖模型展示數據,并提供數據信息查詢、可視化顯示數據和自動監測預警等功能,直觀可視地將系統數據及運行狀況集中展示給用戶。

應用層:系統業務邏輯功能實現層,主要負責處理該氣象災害監測預警系統的各項基礎業務,包括實時監測、三個叫應、預報預警、產品服務、資料查詢、手機應用、系統管理7大功能。利用氣象GIS技術在地圖上疊加降水、氣溫、雷達、衛星云圖等綜合氣象要素展示和服務產品展示,并且通過對氣象災害閾值的動態配置以及利用IVR技術精準叫應,實現精準統一的指揮調度。

數據層:系統的核心支撐層,該層由各類數據抽取服務、數據處理以及數據存儲模塊組成,為系統上層應用提供運行的各類基礎數據。利用CIMISS、FTP服務器等多種技術方法獲取數據源,并將收集到的結構化數據、半結構化數據、非結構化數據和實時數據進行格式轉化和數據清洗,轉化為系統可以直接使用的業務數據,最后存儲到關系數據庫MySQL數據庫、分布式數據庫PostgreSQL和postGis數據庫以及分布式文件系統HDFS中,方便數據的使用與查詢,提高數據的檢索效率。同時,通過PGpool負載均衡中間件來實現 PostgreSQL集群搭建,使用Redis作為分布式的高速存儲緩存,以提高響應速度,提高了存儲系統的容錯和可用性。

基礎設施層:基礎設施層位于系統的最下層,主要為系統正常運行提供基礎資源,包括各種氣象監測設備、數據采集設備和網絡設備。軟硬件基礎設施層采集的地理數據信息和氣象數據信息,用于數據層。

2.2 總體業務流程

針對當前氣象服務平臺存在的一些問題,設計了畢節市氣象災害監測預警指揮調度系統的業務流程,通過全國綜合氣象信息共享系統(CIMISS)、FTP服務器等途徑獲取基礎數據,運用分布式數據存儲技術將數據分散存儲到系統的服務產品庫和系統業務數據庫,在氣象數據環境下建立災害天氣報警規則庫,通過自定義設置規則和模式匹配算法,動態計算被監測氣象數據與規則的匹配度,解決了氣象災害閾值不可動態配置的問題;當達到報警條件時觸發三個叫應模塊,實現市縣單位間工作協同和工作量分流。總體業務流程如圖3所示。

圖3 總體業務流程圖

2.3 功能模塊設計

基于上述架構描述,結合畢節市氣象災害監測預警的需求,對畢節市氣象災害監測預警指揮調度系統進行搭建。如圖4所示,平臺主要包含7大功能模塊,分別為實時監測、三個叫應、預報預警、產品服務、資料查詢、手機應用以及系統管理。這7大功能模塊又由多個功能組合而成。

圖4 系統功能設計圖

3 系統實現

闡述實時監測、三個叫應和預報預警3大核心模塊的實現。

3.1 實時監測子系統

一般來說,對災害性天氣的識別不能只憑借一種氣象要素來定奪,有時還需要同時對多種要素進行疊加來分析判斷。該子系統融合了天氣、雷達、衛星云圖、農情實景等各類氣象要素,同時結合水庫、學校、旅行景點、地質災害隱患點等重點防汛區域的地理信息,將這些氣象要素與地理信息與GIS進行疊加顯示。利用GIS技術結合多維度信息集成、信息可視化和空間分析等技術,將現實世界里地理要素的空間位置和空間關鍵展示出來,對重點防汛區域可以進行隨時訪問和在線瀏覽,并且矢量地圖、地形圖、影像地圖之間可以自由切換顯示圖像和數據。同時,該子系統以任務驅動動態計算,實時監測災害發生的時間、地點、觀測值變化等信息,關注災害性天氣從即將發生到結束的整個過程,為指揮調度提供有力支撐和數據依據。實時監測界面圖如圖5所示。

圖5 實時監測界面

3.2 預警預報子系統

該子系統為用戶提供一個可規則編制的交互界面,將收集的氣象災害數據劃分成不同的指標,通過配置氣象災害與氣象數據的映射關系,將氣象要素數據歸類梳理,保證生成規則的規范性。預警預報子系統處理的對象是監控設備傳送到業務數據庫的實時氣象數據流,根據氣象資料推送頻率,基于規則的災害預警模型將實時數據流與用戶自定義規則進行匹配,通過逐一比對動態計算出被監測數據是否超出預先設置的氣象閾值。當氣象災害規則引擎推理出氣象觀測數據超出閾值范圍時,激活規則中的執行操作,后臺自動調用JAVA編寫的API程序進行數據存儲,用于以文本作為基礎數據對接信息提醒和語音提醒。同時,該系統通過建立顯示控件與推測結果的注冊關系表,利用控件數據綁定操作,使得推測結果綁定到觸發實時報警的相應顯示控件中,實現氣象自動化預警[10]。

與此同時,該系統借助空間分析、雷達回波圖、天氣分析圖等地理信息工具,結合氣象預報資料,實現氣象災害靜態數據向動態圖形產品的可視化提醒展示,便于值班人員根據不同類型的提醒啟動叫應任務,解決了以往值班人員在開展叫應工作中缺乏氣象數據參考的問題,使氣象服務更加精細化。基于這套模型,該子系統實現了氣象災害智能化規則配置、氣象災害規則自動檢測,為“三個叫應”核心服務提供輔助支持。規則配置界面如圖6所示。

圖6 規則配置界面

3.3 “三個叫應”子系統

該系統基于IVR技術的叫應模型完成了“1市+多縣”的兩級通信,并且通過市縣安裝電話語音盒,方便汛期指揮調度和工作問責追蹤。當系統發出報警提示后,值班人員在叫應界面中勾選叫應內容和叫應對象,并點擊電話圖標,系統發送數據包向服務器請求空閑座席,并向客戶端返回座席IP、通迅信息等相關參數。基于IVR技術的叫應模型會將所選的叫應內容轉換自動語音信息,由后臺語音聯動程序處理語音內容,最后根據參數連接客戶端的語音接口,自動與叫應對象實現通話,觸發多氣象部門協同工作,解決了人工撥號易出錯的問題,提高了工作效率,達到了系統自動受理的目的。同時,該系統能根據系統資源的實時運行情況和呼叫時間序列,進行自反饋學習,動態地調整后續呼叫,實現不占線地撥出多部分機號進行通話。另外,該系統對叫應的聯系人進行管理、配置叫應規則等功能,實現了服務可記錄、可追蹤、可查詢,解決了在汛期值班員能夠精準智能化叫應。縣級用戶三個叫應工作界面圖如圖7所示。

圖7 縣級用戶三個叫應工作界面

4 結束語

由于畢節市有復雜的地理環境,洪澇、干旱、泥石流等自然災害頻繁發生。為了應對極端天氣對畢節市的影響,需要對其進行準確的、科學的氣象災害影響評估,快速啟動應急響應,并發布預報預警信息。

畢節市氣象災害監測預警指揮調度系統可以提高氣象災害快速預警和響應能力,為政府部門的應急指揮決策提供技術支持服務。系統支持自動站、雷達、云圖、臺風、預警信息、降雪、水位、地質災害等多種氣象要素與GIS進行疊加綜合顯示和分析,通過動態計算配置出適應不同時間、不同空間的氣象災害閾值,解決了手動撥號易出錯的問題,不僅減輕了值班人員工作壓力,還提供了一個跨層級、跨部門的工作紐帶平臺,實現精準統一的指揮調度。