气象灾害监测预警及应急服务辅助决策系统

25气象信息综合决策系统课程论文 题 目 气象灾害监测预警及应急服务辅助决策系统 姓名学号 尤东林20121336045 刘昌云20121336005 王 尧 20121336003 专 业 自动化任课教师 侯健敏 二一五年十一月三十日摘要 本项目的研究目的就是充分利用气象部门现有的监测、通讯网络资源，丰富的历史资料,加快决策服务系统的建设，建立气象灾害预警应急气象服务系统，提高对气象灾害，尤其是对重大和突发性气象灾害的监测预警和应急服务能力，特别提高对各级党政领导和部门的应急决策服务能力和水平，为江苏经济社会可持续发展和提高减灾防灾能力，提供更可靠的气象服务和保障。 本文着重阐述了基于 C/S 和 B/S 混合架构的气象灾害监测预警及应急服务辅助决策系统的构建及其采用的关键技术，通过采用 UML 用例图和活动图的分析方法分析了系统需求，设计了系统总体方案、系统数据库 E-R 模型和系统总体功能包构架图；用 SQL Server 2008 构建了系统数据库，设计了气象实时观测要素表、热带气旋数据库表、预报产品数据库表、预警信号数据库表和灾情汇总数据库表，处理了大量的不同数据源的气象数据；利用 Surfer9.0 中的克里金插值法实现了温度、雨量和霜冻等气象数据的等值线图绘制功能；采用 VB6.0 和 VC+6.0开发语言完成基于 C/S 的气象信息采集功能模块和决策气象服务系统设计，实现了实时、历史气象信息的查询统计、入库等功能；采用 Windows Server 2008 +IIS 7.0 搭建了气象服务网站，通过 ASP+JSP 混合编程技术实现了气象服务网站功能模块，主要包括气象灾害预警信号发布监控模块、热带气旋查询模块、常规气象资料查询模块、非常规气象资料查询模块和气象服务专网等功能模块。 系统提供的产品应用在气象服务网站，满足了决策业务和科研人员的基本需求，并通过江苏气象广域网在江苏各级气象部门得到了广泛的应用和推广。通过该系统可以大大提高决策气象服务产品制作业务的工作效率，进一步推动了江苏气象服务业务朝着自动化、科技化方面发展。 关键词：监测预警，应急服务，辅助决策系统，UML，SQL Server 2008，IIS 7.0 目录 第一章 绪论 . . .4 1.1研究背景. . .41.2论文的主要内容及其组织结构 . . . 4第二章 系统需求分析 . . . . . 62.1 用户需求. . . . . . .62.2 数据及数据库需求. . . .62.3系统功能需求 . . 6 2.3.1 气象信息数据采集 . . 7 2.3.2 决策气象服务. . 9 2.3.3 气象网站服务 . . 10 2.3.4 系统管理 .102.4系统性能需求 . .12第三章 系统设计 . . .133.1 系统目标 . . 133.2 系统设计原则 . . 133.3 系统总体设计 . .143.4 数据库设计 . .16 3.4.1 数据库概念设计 . . 163.4.2 数据库表设计 . . 173.5 决策算法模型. .213.6 人机界面. .223.6.1 网站主页.223.6.2 软件主页.23第四章 总结与展望 . . . . .244.1总结 . . . 244.2 展望. . . 24参考文献 . . . . . .25 第一章 绪论 1.1 研究背景 近百年来地球气侯正经历以全球变暖为特征的显著变化，在全球气候变暖这个大背景下，频繁发生极端天气气候事件，尤其是突发性的气象灾害时常发生，且影响范围广、灾害损失大，对社会生产和人民生命财产安全都造成了严重威胁。 我国自然灾害多，发生频繁，其中气象灾害占自然灾害的百分之七十以上。据统计我国每年因气象灾害造成的直接经济损失达到国民生产总值的 3%至6%，气象作为基础科学的重要领域在防灾抗灾方面起到重要的作用。中华人民共和国气象法明确指出“气象事业是经济建设、国防建设、社会发展和人民生活的基础性公益事业。”因此，减轻气象灾害是我国社会经济持续发展的一项必不可少的工作。 我国大部分地区位于季风区，是个典型的季风气候国家，气候要素变化明显，气象灾害种类多、范围广、频率高、危害重。20世纪80年代以来，受全球变暖影响，中国气候趋于不稳定，极端气象事件频繁发生。近年来，我国气象灾害的异常性、突发性、局地性十分突出，极端气象事件多发，旱涝灾害相连，灾害分布广、单点强度大，泥石流、山体滑坡等次生灾害重，造成人员伤亡和经济损失严重。 我国气象灾害防御条例第八条提出：“国家鼓励开展气象灾害防御的科学技术研究”。减轻气象灾害是一项系统工程，它包括对自然灾害的监测、预报、评估与综合管理等。而监测、预报是减灾的一个重要环节，准确的监测、预报对防灾减灾起到重要的指导作用，对作好决策指挥、更好的抗灾、救灾产生重要影响。因此开展气象灾害监测、预警是十分必要的。 江苏属亚热带和暖温带地区，气候温和，雨量适中,具有寒暑变化显着、四季分明的特征，全省年平均气温为13-16,春季升温西部快于东部，东西相差47天；秋季降温中慢于北部，南北相差36天。全年日照时数（绝对日照）平均为20002600小时，0的日照时数平均为18002240小时；日照百分率（相对日照）介于4859之间。全省各地日照时数以夏季最多，冬季最少，各占全年的290328、20.121.3。由于受季风气候影响，江苏降水充沛，年降水量724-1210毫米,但地区差异明显，东部多于西部，南部多于北部,全省年蒸发力为9001050毫米，因受海洋潮湿气流影响，蒸发力明显自东向西递增。全省年平均风速为3.5米秒，江苏灾害气象主要有干旱、雨涝、热带风暴（台风）、霜冻、冰雹等。 因此，建立集气象监测信息采集、气象灾害信息传输、气象灾害信息分析与加工处理为一体的江苏区级气象灾害监测预警及应急服务服务辅助决策系统，实现本区范围气象灾害的准确定位和应急响应的快速部署、统一指挥、统一协调以及跨地区、跨部门之间的联动，使气象防灾减灾工作有力进行，为当地政府和相关部门提供有效及时的应急气象服务，为保障江苏社会经济发展和人民群众生命财产保驾护航。 1.2 论文的主要内容及其组织结构 (1) 论文的主要研究内容 由于目前江苏气象局在决策服务业务中缺乏一个较为完整的业务系统，气象决策服务业务作为江苏气象对各级政府决策层提供服务的一个窗口，在重大气象灾害期间或政府重大活动中，为了给决策者及时、高效的提供气象服务，需要一个辅助决策支撑平台。 通过对江苏现行气象决策服务业务状况分析，并根据其业务发展的需求，完成系统各功能模块设计，采用较为先进的 ASP 和 JSP 网站开发技术、VC+6.0 和VB6.0 面向对象开发技术，以及数据库技术和 WEB 服务技术来构建一个基于C/S+B/S 的气象灾害监测预警及应急服务的辅助决策系统平台，实现常规气象资料（温度、雨量、霜冻等资料）和非常规气象资料（云图、雷达拼图等）的采集、处理和入库，以及历史常规气象资料统计分析和图形化处理等功能；搭建基于Windows Server 2008 +IIS 7.0 气象服务网站；采用 ASP+JSP 混合编程技术实现气象灾害预警信号发布监控、气象资料查询统计、气象预报产品和服务产品查询等功能。(2) 论文的组织结构 本论文一共分为四章，具体内容安排如下： 第一章 绪论。对论文的研究背景以及论文的主要研究内容进行介绍。第二章 系统需求分析。对气象灾害监测预警及应急服务辅助决策系统的需求进行分析，从系统背景介绍、用户需求、数据需求、系统功能需求和系统性能需求等方面进行详细的分析。第三章 系统总体设计。介绍系统目标、系统设计原则和系统结构，详细介绍系统数据库结构的设计。第四章 总结与展望。对系统进行总结与展望。 第二章 系统需求分析 分析用户的要求，可通过用例图分析方法明确系统需要实现的任务和目标，并保证系统要实现的功能及其质量。通常采用问卷调查法、人物访谈法或实地调研法等方式手段总结出用户的最终需求，再经过对业务系统进行用例图分析法和系统流程分析，最终用描述性语言把系统需求总结出来。 2.1 用户需求 气象灾害监测预警及应急服务辅助决策系统主要用户分如下几类：区级用户：包括区级预报员、科技服务人员和业务管理者，他们需要了解具体的气象信息和服务情况，包括温度、雨量、云图、预警信号与应急等实况资料和新闻，以及发布的预报产品、服务产品等。 市级用户：包括市级预报员、科技服务人员和业务管理者，他们需要了解区级发布的预报预警应急和服务产品等发布情况。 决策者：审核服务产品，了解区级、市级发布的预报预警应急和服务产品等发布情况。 系统管理员：业务系统的最高管理者，负责管理应用系统和数据库的安全配置和数据备份管理，以及用户信息、系统相关性能的管理等。这样可以保证系 2.2 数据及数据库需求本系统旨在为江苏气象部门业务管理人员提供全区气象灾害监测预警与应急服务的智能平台，数据支持需有新的自动站观测资料、中国气象局下发的卫星云图资料、本地雷达资料、本地预警信号与应急发布情况，预报产品、决策气象服务产品以及通过多渠道收集的热带气旋资料等。考虑到气象信息资料量大、种类较多、属性复杂，实时性要求高，对自动站观测资料、预警信号与应急发布内容、热带气旋资料、预报产品、决策气象服务产品等常规气象信息资料采取数据库存储方式便于管理和应用，对卫星云图、雷达拼图等量大的、不需长久保存的图像资料采取文件形式存储方式，节省数据库系统的开销，也便于用户随时、高效调用。2.3 系统功能需求 气象资料种类多、量大，且各类资料格式不统一，给使用者带来很大不便，为了更好的整合这些信息并最终实现一个智能化的、一致性的、友好的用户平台，为决策服务人员提供及时、快捷的应用平台，为决策者提供一个快速获取气象实时信息、决策服务产品及预报产品等资料的窗口，系统采取基于 C/S+B/S 混合模式架构，可以很好的满足不同人员的需求。系统资源的整合不仅能够提高业务人员的工作效率，也规范了决策服务产品制作的一致性、权威性，对最终输出的产品进行统一包装和展示，也体现了决策服务产品的有效性和权威性。下面采用 UML 建模技术对系统总体功能进行用例分析，并在此基础上，通过活动图对主要用例的业务和功能进一步分析和描述。系统总体用例图如图 2-1 所示。 图2-1 系统总体用例图2.3.1 气象信息数据采集 实时、定时的获取不同类型和渠道的气象信息数据；检查信息的完整性、一致性；对不同的气象信息进行解码、入库等。气象信息数据采集用例图以及活动图分别如图 2-2、图 2-3 示。图2-1 气象信息数据采集用例图图2-2 气象信息数据采集业务活动图2.3.2 决策气象服务图2-4 服务产品制作活动图决策值班员根据天气形势和各个服务对象要求不定时进行服务产品制作，产品内容主要有天气预报描述、对历史气象资料的分类分时段分析统计、服务建议等。其业务活动图如图 2-4所示 2.3.3 气象网站服务针对一般 Web 用户提供气象网站服务共享功能。网站内容应含：气象信息和服务产品，包括温度、雨量、云图等不同类别的实时气象信息、区市级预报和服务产品等。网站通过江苏气象广域网进行共享。气象服务网站业务活动图如图2-5 所示。图2-5气象服务网站活动图2.3.4 系统管理系统管理包括整个操作系统维护（安全维护和运行环境设置）、数据库管理和用户角色、权限的管理等。数据库管理包括数据库账户的添加、数据库表的变更和整体数据库的备份与恢复。其业务活动图见图 2-6。图2-6数据库管理业务活动图用户管理包括用户的添加、删除和锁定，以及用户信息的变更。其业务活动图见图2-7。图2-7 用户管理业务活动图2.4 系统性能需求结合以上的系统功能需求，系统性能需求如下：完整性：保证系统的运行正常，从气象数据采集、处理、入库到产品输出等能够很好的完成。可维护性：系统内各功能模块之间相互独立，可任意组装、升级。具备友好并且充分灵活的人机界面，开放、灵活、直观的输入输出方式，操作便利。合理性：采用规范的系统接口，能够实现系统各模块间数据传输及时无误，系统接口设计合理。先进性：系统应具有较强的实用性、动态性、可扩展性及技术的先进性。2.5 本章小结本章从用户需求、系统功能需求和性能需求三方面分析了气象灾害监测预警及应急服务辅助决策系统的需求情况，对系统功能需求采用软件开发的方法进行了详细的系统需求分析，并采取 UML 用例图和活动图的分析方法，简单明了，对接下来的系统设计会很有帮助。 第三章 系统设计本项目采用科学研究、技术创新、系统开发与实施相结合的一体化路线，理论研究与工程实践相统一，立足于解决项目的关键和核心技术，满足当前气象灾害监测预警及应急服务系统建设的需要，在引领和推动相关技术领域发展的同时，提倡技术的实用性和使用性，即提升研究领域内的技术品质和科技能力，保证研究的纵深性和层次度，也实现技术的本原回归为民所用。综合应用卫星、雷达、自动气象站等各种探测资料，建立影响江苏的气象灾害监测预警系统，提高对各种气象灾害的预警时效，为各级政府防灾减灾决策指挥提供科学依据和咨询意见。广泛调研、搜集整理气象灾情资料，建立气象灾害数据库，开发应急服务系统，为气象灾害预案和气象应急决策制定提供参考对象和决策支持。3.1系统目标此系统将自动、快速、实时地收集、分析和处理自动气象站、非常规气象加密观测等资料和灾情信息，并进行统计客观分析和多维综合显示，通过采用数据库、Web Server等技术实现对气象预警信号和灾害自动监测、报警，实现决策服务人员对气象灾害的监视。气象灾害监测预警及应急服务辅助决策系统设计成 C/S+ B/S 构架，采用 C/S 模式实现实时气象信息资料的自动采集入库和决策服务系统功能的实现；采用 B/S 模式实现气象服务网站功能，主要实现了气象灾害预警信号发布监控模块、江苏热带气旋查询模块、实时气象资料查询模块、历史气象资料查询模块、气象服务产品查询模块、网站维护模块等功能。 3.2系统设计原则系统设计采用基于 C/S+B/S 混合构架的方式，基于 C/S 方式实现气象信息资料的采集、处理、入库，基于 B/S 方式实现气象服务信息的共享。采用 VB6.0(Microsoft Visual Basic6.0 )、ASP、JAVA 技术，建立实时监测预警系统，实现预警信号发布和灾情实况实时入库与预警。采用 SYBASE 或 SQL SERVER 数据库技术构建系统数据库。采用 VC+6.0(Microsoft Visual C+ 6.0)和VB6.0 开发系统后台保障系统。采用 Visual Inter Dev 或 Macromedia Dreamweaver MX 作为气象服务网站开发工具。在系统平台的开发过程中，利用 VB 的 API 函数进行可视化编程工具的扩展和延伸，直接对显示缓存操作的函数进行图像处理、扩展 VB 的图像处理功能，将矢量格式的空间地图数据和气象观测台站记录的降水大风等数据可视化的关键技术性问题给出了具体的解决方法，并达到了提高程序的执行效率和开发效率的目的。采用多语言（VB 6.0、VC+ 6.0）混合编程技术进行项目的开发，充分发挥不同开发语言的优势。运用核心显示程序调用动态链接例程库的技术方法，实现程序优化、高效执行，降低对硬件环境的要求，提高程序的兼容性。系统地建设未涉及到多个部门，是一个复杂的系统工程。本系统的设计既要满足气象决策服务人员对气象信息查询统计的业务需求，也要考虑其它地市气象局和领导者的需求，以及将来根据业务拓展系统的发展和升级需求，因此本系统尽可能的采用成熟的平台产品和体系架构，有效地利用现有的硬件、软件、网络等资源。因此在系统建设过程中，应遵循以下原则：(1)系统的标准化与开放性原则；(2)系统的实用性和适应性原则；(3)系统的先进性与拓展性原则；(4)系统的稳定性与安全性原则；(5)系统的完整性原则；(6)系统的易用性原则； 3.3系统总体设计系统体系结构采用C/S+ B/S 混合结构，由服务器（应用服务+数据库服务）、数据采集终端和客户端组成。客户端实现用户界面，它提供了一个可视化接口，用来显示信息；数据采集终端实现基本气象资料及各种类型的灾害灾情资料进行标准化处理和转化，将资料输入数据库中，或形成标准格式的数据文件，同时提供数据库数据与数据文件之间的资料相互转换。应用服务器提供数据接口针对用户程序的调用命令及参数，在用户许可的授权内处理用户调用，并将处理结果返回给系统或直接提供给用户。客户端模块建立在数据接口模块的基础上，包括气象灾害监测及灾害图形显示等功能。系统软件接口采用软件行业标准，保证互操作性。所有软件和相关技术开发均采用国际流行的开放性、组件式的设计架构，利用 COM/DCOM（Distributed Component Object Model，分布式组件对象模型）、COBRA（Common Object Request Broker Architecture，公共对象请求代理体系结构）等技术实现软件的互操作性。COM 是微软公司提出的分布式组件对象模型标准，支持在局域网、广域网甚至 Internet 上不同计算机的对象之间的通讯。DCOM 位于应用程序的组件之间。COM 平台效率比较高，同时它有一系列相应的开发工具支持，应用开发相对简单。COBRA 是由 OMG 组织制订的一种标准的面向对象应用程序体系规范。其由对象请求代理 ORB、对象服务和应用接口等部分组成。基于 ORB，客户可以透明的调用服务对象提供的方法。CORBA1.1 定义了接口定义语言（IDL）和应用编程接口（API），从而通过实现对象请求代理（ORB）来激活客户/服务器的交互。CORBA2.0 定义了如何跨越不同的 ORB 提供者而进行通讯。总之CORBA的特点是大而全，互操作性和开放性非常好。系统接口采用 Web Services，实现系统间的服务共享。Web 服务是一种可以用来解决跨网络应用集成问题的开发模式，该技术的采用可以整合多个信息系统，实现系统间的数据透明访问，和跨平台操作。从技术角度来讲，Web 服务实现了最广泛的应用软件集成，弥补了传统软件开发模型的限制。气象灾害监测预警及应急服务辅助决策系统的数据访问流程图如图 3-1 所示。图3-1 数据访问流程图图3-2 系统数据访问流程图根据前面系统需求分析划分系统功能模块，气象灾害监测预警与应急服务辅助决策系统所需要的各个业务功能模块组成的系统总体功能构架和系统总体功能包结构设计分别如图 3-3 和图 3-4 所示。图 3-3系统总体功能构架图图3-4 系统总体功能包架构图3.4数据库设计3.4.1数据库概念设计(1)数据库实体对象在前面系统数据库的需求分析基础上，规划出本系统数据库的主要实体对象分别为“气象观测数据”、“热带气旋”、“预警信号”、“灾情数据”、“台站基本信息”、“预报产品”、“用户”。(2) 数据库E-R (3) 模型设计E-R方法是一种用来在数据库设计过程中表示数据库系统结构的方法，它的中心思想使用实体、实体的属性和实体间的关系来表示数据库系统的结构。在 E-R 模型图中，用方框表示实体，用菱形表示联系，用椭圆表示属性。根据前面需求分析结果，气象灾害监测预警及应急服务辅助决策系统数据库基本 E-R 图如图 3-5 所示。图3-5系统数据库基本E-R 图3.4.2数据库表设计采用XML技术分析研究了江苏主要气象灾害情况和预警信号发布规定，对气象灾害预警信号和灾情进行分析、定义和划分；根据前面数据库 E-R 模型，分别对气象实时观测要素表、热带气旋数据、气象灾害预警信号、灾情数据、预报产品和用户等数据库表进行设计。（1）气象实时观测要素表的设计气象实时观测要素主要包括雨量、温度、风等常规气象要素，其表结构如表3-1 所示。表3-1气象实时观测要素表 （2）热带气旋数据表的设计通过对热带气旋统计分析，表中应包含：基本定位资料、热带气旋过程雨量、热带气旋过程大风、热带气旋中心气压、登陆地名称等信息以及热带气旋过程雨量和大风资料。具体表结构分别如表 3-2、表 3-3 所示。表 3-2 热带气旋数据表 表3-3 热带气旋过程雨量、大风资料表（3）预报产品表的设计把每天预报名发布的预报产品定时入库。广播稿数据库表如表3-4 所示。表3-4 广播稿数据库表（4）预警信号数据表的的设计预警信号由名称、图标、标准和防御指南组成，分为台风、暴雨、寒潮、大风、高温、干旱、雷电、冰雹、霜冻、大雾、霾、道路结冰等，级别依据气象灾害可能造成的危害程度、紧急程度和发展态势一般划分为四级：级（特别严重）、级（严重）、级（较重）、级（一般），依次用红色、橙色、黄色和蓝色表示，同时以中英文标识。预警信号数据库表主要包括：警报内容表：包括信号名称、信号等级、警报内容等字段，其表结构如表3-5 所示。 表 3-5 警报内容表（5）灾情汇总数据表的设计灾情汇总数据库表主要记录在灾害性天气发生期间，各地上报的灾情和预报服务情况。其表结构如3-6所示。表3-6灾情汇总数据库表（6）气象观测台站表的设计台站基本资料：记录相关气象台站、经纬度、海拔高度及区站号等信息。其表结构如表 3-7 所示。表3-7台站基本资料表（7）用户表的设计用户表应包括用户名、性别、电话、权限、登录日期、时间和 IP 地址等字段，其表结构如表 3-8 所示。 3-8 用户表3.5 决策算法模型根据数据库，气象预报已经拥有的数据，历史记录在此基础之上合理运用决策算法模型，计算出气象灾害的类别和危害程度。选取相应的减灾防灾手段，趋利避害，减少损失或者是损失减小到最小。1. 灾害类别系数：泥石流，台风，洪水,暴雨等灾害不同，系数大小不同（01）。2. 灾害烈度系数：系数大小由烈度大小决定（01）。3. 预计持续时间：系数大小由时间长短决定（01）。4. 人所处地点安全系数：系数大小由地点是否安全决定（01）。5. 最终安全系数：综合各情况计算后得出（=0）。6. 灾害预警建议：由最终安全系数得出（1.建议立即远离2.建议待在安全地点做好防护工作3.小心预防即可4.安全）。 3-9决策算法模型3.6 人机界面.3.6.1 网站主页由最初设计，设计得出网站如下图所示。 3-10网站主页3.6.2 软件主页.软件主页设计如下图，该界面清楚，友好，简单易操作，容易掌握和学习使用。 3-11软件主页第四章总结与展望 4.1 总结 江苏是一个灾害多发的地区。在频繁发生的自然灾害中，每年都给全区国民经济造成巨大损失。随着社会的发展，人们生活质量的提高，对气象服务的需求也越来越高，地方党政领导部门对气象工作也越来越重视，为了进一步加强我区气象防灾减灾能力建设，对重大气象灾害进行有效的监测预警，提高应急服务能力，开发研究江苏气象灾害监测预警与应急服务辅助决策系统是很有必要的。 本文通过分析研究江苏气象灾害监测预警与应急服务现状、进展，以及存在的不足，阐明了开发本系统的重要性和必要性；根据软件工程的相关知识,通过对不同用户的功能需求进行分析，确定并设计了江苏气象灾害监测预警与应急服务辅助决策系统的各个功能模块；通过分析系统各功能模块实