甘志强，黄 斌，匡昌武，李大君

(海南省气象探测中心，海南 海口 570203)

0 引 言

目前，气象业务中对海洋气象的监测手段比较单一，多通过投放海洋气象浮标来获取相关气象水文信息。海洋气象浮标是布设在特定海域用于获取海上气象水文观测资料的大型综合性观测设备，可以在各种复杂的海洋环境中提供长期、连续、实时、可靠的海洋气象观测数据，是海洋观测技术中最可靠、最有效、最重要的手段之一[1]。通过提供气压、温度、湿度、风向、风速、海水温盐度、浪高、海水流向、流速等海上气象水文观测资料，增强对海上灾害性天气和气候变化的预测预警能力[2-4]，同时，浮标观测的风、温、浪、水质等气象水文信息，具有长期性、连续性、实时性和多学科性，对海洋气象业务和科学研究具有非常重要的意义。

按照中国气象局南海海洋气象业务发展专项规划及十九大报告中建设海洋强国的要求，为加强南海海洋气象监测预警、预测预报和气象服务工作，海南省气象局相继在南海海域布设了5套海洋气象浮标(简称气象浮标)，包括1套10米气象浮标和4套6米气象浮标，完成对南海相关空白监测区气象信息资料的探测收集工作。然而，由于浮标气象观测业务没有陆地地面观测业务成熟，且气象浮标布放数量少、布放点稀疏、工作方式特殊及运行环境条件极其恶劣复杂[5]等原因，亟需提高对浮标运行状态的监测，以提高宝贵海洋气象资料的利用效率。

海南省气象浮标实际应用情况，浮标在海上运行，位置、安全情况、电源工况、传感器的有效性等状态信息，对恶劣海洋环境下浮标能否安全有效地工作具有极为重要的意义，对浮标的日常巡检、维护、大修、布放回收也具有重要指导意义，而这些重要状态信息完全依靠人工远程主动监控往往不能百分百地及时准确洞察，并可能由此造成不必要的损失。因此，针对现有浮标监测手段过于简单，数据处理手段有待进一步提高的情况，在现有技术条件下，开发一套浮标状态、数据安全监测系统，实时接收海洋气象浮标数据，实现对浮标海上运行状态信息的有效监测和综合预警，保证浮标稳定可靠运行及方便业务人员了解浮标工作状态、获取相关气象信息。

1 总体设计方案

1.1 系统设计目标及要求

目前，海南省海洋气象浮标主要实现对所布放海域气象水文信息的实时观测，并把观测数据通过北斗卫星通信系统发送至岸基数据处理中心，数据处理中心完成对浮标数据的处理和入库工作[6]。根据气象浮标实际使用情况，业务人员不能实时、直观地掌握浮标工作状态及观测信息，多通过数据分析被动了解浮标的工作状态，是否移位，是否存在安全隐患及采集数据是否完整，无法实现对浮标运行状态的全面监控及综合预警。

为方便业务人员全面掌握浮标的工作状态，完成对浮标气象数据和浮标状态信息的实时监测，系统具体实现目标如下：

(1)实时接收海洋浮标气象数据，并友好实时分类显示；

(2)实现对浮标海上运行位置、安全情况、综合预警等浮标安全信息的有效监测；

(3)实现对浮标运行状态、电源工况、传感器的有效性、数据时效性的实时监测等；

(4)实现对浮标历史数据的查询与交互；

(5)提供相关数据接口，方便其他系统调用。

1.2 系统总体设计方案

根据海南省海洋气象浮标安全监控的实际工作和业务需求，系统设计以GIS技术、SSH技术、数据库技术等为基础，通过构建海洋浮标数据库，完成对浮标数据的整理、分类归档等；分析处理浮标回传数据包，提取浮标运行状态信息、气象水文数据信息；通过研制并集成浮标运行监测、信息展示、数据检索、数据交换等内容，建设B/S架构模式的监控系统，实时监测浮标气象数据和浮标状态信息，实现对浮标运行安全状况的实时监测和综合预警，为浮标日常工作、安全、维护等提供快速准确的参考信息，同时为海洋气象业务提供实时可靠的基础数据。

2 系统组成及功能

该设计基于GIS技术、SSH技术、数据库技术，采用C/S和B/S相结合[7]的方式，在功能上主要包括报文处理和网页数据监控显示两大模块。报文处理模块采用C/S模式进行接收数据处理，通过建立浮标观测信息库，将北斗终端接收的原始观测数据信息进行解析，建立各类信息处理的分类数据表，并将各类信息进行分类存储及显示；网页数据监控显示以B/S方式为业务人员提供各浮标运行实况、观测数据等多种信息的在线实时查询显示和状态安全信息的综合预警[8-9]。

2.1 系统的组成结构

采用目前最为流行的SSH框架技术搭建系统的总体架构，该框架总体采用了层次化设计思想，以实现不同层次间的相互独立性，保障系统的高度稳定性、实用性和可扩展性。

虽然比较文学有一定的难度，但是，因为它特有的开放的视野和比较的意识，的确能帮助选修华文和文学课程以及双文化课程的学生们有效地阅读，多元地思考，从而提升他们从不同文化场域进行文学欣赏和理性思考的能力。

第一层是应用层，信息化应用的软件实现及表现层。该层建立在浮标监控平台框架之上，与具体应用需求相结合，开发并集成运行检测模块、数据显示模块、数据查询模块、数据交换模块、系统管理模块等系统子模块，用户通过操作相关模块功能便能快捷方便地查看用户所需展示信息。

第二层是浮标监控平台框架层，该框架层基于SSH框架，并整合了Shiro技术，通过Shiro技术可以帮助完成：认证、授权、加密、会话管理、缓存等[10-11]。用户通过用户名和密码登录，即可使用根据其权限所配置的应用子模块，为用户提供人性化的应用界面和用户界面整体布局，同时通过集成Java Mail实现出现浮标预警时发送邮件给指定联系人来达到实时发送浮标预警的目的。

第三层是综合数据库层，该层提供了整个系统的数据支撑服务，提供系统数据库、业务数据库与GIS数据库等系统相关数据支撑服务层，所有业务逻辑控制与应用系统模块功能开发均依赖该层。

第四层是运行环境层，是应用开发与集成的支撑框架层，负责提供信息系统基础、通用、专业的业务协同运行支持以及相关数据的专业处理及应用功能，是信息系统运行的硬件平台核心。

在上述四层结构之外，还必须建立相应的信息化技术标准、规范与信息组织保障和安全体系，保证信息有序，防止信息管理混乱，以充分地利用各种信息，使信息化建设和运作有章可循，达到系统安全性能的要求。系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构

2.2 系统的功能结构

为满足用户使用需求和人性化设计，设计成集成浮标信息、地理信息、数据显示、数据处理等为一体的综合浮标信息监控系统，实现对浮标运行状态监测、数据显示、信息检索、数据交换与系统管理等功能。整个检测显示系统界面共由5部分组成，具体功能框架如图2所示。

(1)运行监测：该模块主要实现对浮标工作状态的实时监控，当工作状态发生异常时在界面上以合理的方式做出警示并发送相关浮标预警信息至指定E-mail用户。

(2)数据显示：该模块主要包括浮标位置信息显示、运行状态信息显示及浮标气象水文信息显示三部分。通过GIS地图实时显示当前所有浮标所处位置，当浮标位置发生变动时，显示相关信息告知用户；显示浮标运行状态，当运行状态发生改变或超过阈值时，通过系统预警信息告知用户；通过图表实现对浮标当前监测的气象与水文信息分类实时显示，方便用户直观了解浮标采集信息。

(3)信息检索：该模块主要实现对浮标信息库中浮标历史数据的查询及检索。用户可根据选定浮标号、起始时间与结束时间，对系统数据库中数据进行查询筛选并列表显示。

图2 系统主要功能框图

(5)系统管理：根据用户权限对系统服务资源、用户权限分配、系统日志审查等系统功能进行管理。

3 系统设计与实现

3.1 数据库设计

为确保系统高效稳定的运转，必须有较完善的系统应用软件和优良的数据库作支撑[11-13]。对于运行软件的性能主要是通过合理的软硬件配置来实现，而影响数据库的性能的方面则很多，但是归根到底包括两个方面，即后台的数据库参数配置和业务数据库的访问性能，因此在数据库设计时要有高效的业务数据库访问性能和合理的后台参数配置。

3.1.1 设计思路

该系统数据库设计遵循“数据和应用分离”的基本原则，所有数据资源集中管理、集中维护，分布使用[13]。系统数据、业务数据、GIS数据分开存储，GIS数据和系统数据、业务数据之间通过相关特征进行关联和体现，实现数据间的相互关联。

建立关系型数据库存储系统数据与业务数据，数据之间通过规则表和关系表实现相互关联、约束及数据的互访[14-16]；GIS数据通过ArcGIS制作平台制作符合实际需要的离线地图，并发布在地图服务端供浮标监控系统调用。

3.1.2 数据库实现

系统数据库设计使用Oracle数据库，主要分为三个部分：系统数据库、业务数据库及GIS数据库。其中系统数据库设计遵照系统业务需求，对服务资源表、系统权限管理表、系统用户管理表、系统日志表等分别进行设计，满足后台数据参数的分开管理[12,17]；系统业务数据库由信息中心提供，系统通过接入该浮标接收数据库提供对本系统数据支持，系统数据库访问得到业务数据库提供业务数据后，对数据进行分类解析并存储；GIS数据库从系统设计出发，通过ArcGIS制作符合系统需求的地图，并通过ArcGIS Server服务对制作好的地图进行切片或调用ArcGIS Server发布出来的WMS服务供系统进行调用。

3.2 系统实现

为满足用户使用需求和人性化设计，整个监测显示系统界面共由5部分组成，设计成集成浮标信息、地理信息、数据显示、数据处理等为一体的综合浮标信息监控系统。系统界面如图3所示。

图3 系统界面

区域1所示为WebGIS展示区，该区域显示浮标当前所处位置与特征量，点击该区域某一代表浮标站的图标后，区域2、3、4联动显示该浮标当前状态、报警与观测信息，同时该浮标图标的样式发生改变，以提示用户当前平台界面显示的信息为该浮标站的监测信息。点击其他浮标图标时清除上一浮标的点击样式。当浮标相对设计基准点发生移动时，GIS地图上显示浮标与浮标设计基准点之间的方位与距离，当浮标运行状态发生预警情况，图标闪烁或变色以提醒维护人员及时查看浮标目前的安全状况。

区域2所示为浮标当前工作状态信息，包括浮标号、电压、方位、锚灯状态与采集系统内部剩余空间量，该区域信息为提供浮标工作状态，使维护人员能及时掌握浮标的工作状态。

区域3为浮标安全状态报警区，主要针对的是浮标回传信息对浮标体的舱门、舱盖、舱进水和浮标相对基准点位移情况，当浮标存在位移(当位移超过1 000 m时，即显示浮标存在位移)或舱进水等危险状况时，该栏标以红色字提示该处浮标存在异常，并且浮标体地图区域对应的浮标体图案出现闪烁，以提醒业务人员浮标出现安全隐患。

区域4展示所选浮标最新的观测数据，如风(平均风速、风向、最大风速、最大风速出现时间、极大风速、极大风速出现时间)，波浪(最大波高、有效波高、平均波高)，综合气象要素(所有气象要素采集信息)与具体要素信息(气压、气温、湿度、能见度)等。

区域5表示功能选项，默认显示实时数据状态，当需要查询历史数据时点击数据查询页面，用户可通过选择起止时间和浮标站号查询所选浮标的相关历史采集信息。

点击“导出数据”，可将当前界面显示或查询到的数据导出至excel中；点击“打印”，打印当前浏览器页面中所示内容。

4 结束语

南海海洋气象浮标观测站安全监控系统的研发，实现了对海洋气象浮标运行状态及采集信息的有效监测，对海洋气象观测业务的开展具有重要的指导意义。通过对浮标运行情况的全面监测，业务人员能随时直观获取浮标观测数据及运行状态，必要时还可为相关人员提供浮标状态报警信息，确保浮标在海上的安全稳定运行，同时为浮标的维护、布放等重要活动提供重要的数据支撑。通过系统的研制，浮标数据得到分类整理、存放，确保珍贵海洋气象观测资料得到有效的利用、保存，系统后期可通过扩展实现对海洋观测站如船舶站、海岛站等气象监测系统的接入和融合，以实现对南海海洋气象观测站网的有效监测，为海洋气象预报服务提供有效、系统的数据支撑。