铁路交通气象服务系统的设计与开发

薛 冰,鹿业涛,渠寒花

(中国气象局公共气象服务中心，北京， 100081)

0 引言

我国的气象灾害种类较多，分布地域较为广泛，发生的频率较高，对我国所造成的损失在所有自然灾害总损失中的比重较大，由高温、大风、暴雨及其他气象因素引发的洪涝、泥石流、山体滑坡等铁路交通衍生、次生灾害较为严重。通过气象与铁路部门的紧密合作，加强铁路交通气象监测和预报预警服务系统建设，及时有效的发布精细化铁路交通气象信息，为铁路交通部门积极应对灾害性天气气候事件，合理制定防灾减灾应急策略提供参考，提高我国铁路交通业的灾害防御水平。

1 系统设计

1.1 系统结构设计

铁路交通气象服务系统基于WebGIS技术，采用B/S架构，在服务器端分析处理铁路交通致灾气象因子所涉及的数据，包括台风实况、雷达图、卫星云图、大风、降水等气象监测数据，台风预报、降水预报、大风预报等气象预报数据，和地质灾害、沙尘暴、暴雨（雪）预警等气象预警数据。以电子地图为基础，动态叠加铁路交通行业数据，在采用Flex技术构建的WebGIS 富互联网应用端为用户实时显示铁路交通沿线、各级铁路站点的气象实况监测和预报预警信息，为铁路交通决策提供气象信息支撑。本系统主要包含数据存储子系统、数据处理子系统和富客户端Web服务子系统等三个子系统。

1.1.1 数据存储子系统

数据存储子系统按照统一的规范存储管理本系统的各类静态和动态数据，包括基础地理信息数据、铁路交通行业信息，和台风、雷达图、卫星云图、风雨监测及预报、特殊天气预警等数据。采用数据文件和数据库表相结合的存储模式，兼顾数据的存储性能、容量扩展性、可用性、可管理性等方面的要求，通过数据访问接口提供数据的存取服务。

1.1.2 数据处理子系统

铁路交通气象服务系统主要处理基础地理信息数据、铁路交通行业数据和气象信息数据。

通过对基础地理信息数据的处理，生成满足本系统业务所需的WebGIS富客户端电子背景地图，该电子地图采用金字塔瓦片方式组织。数据处理子系统对需要发布的地理信息背景数据进行切片预处理，将全国范围的矢量或栅格地图以空间方式切片，生成一系列不同放大级别的瓦片图片，按照一定的规则进行命名和分级分类存储。

根据交通路线和铁路站点等属性特征，对铁路交通行业数据进行处理，以不同的显示级别要求组织数据的聚合形态，生成具有特定信息的矢量数据集。

通过数据访问接口实时读取气象预报预警数据和实况监测数据，对这些多源多格式数据进行数据解析，应用GIS组件的空间分析功能，进行空间地理要素和时间要素的分析、空间插值计算、投影变换和颜色渲染，加工生成矢量、栅格图等形式的气象服务产品和产品的索引。数据处理子系统还包含对雷达外推产品数据的处理，雷达外推产品由美国国家大气研究中心(NCAR)基于雷达观测体系开发的风暴识别、跟踪、分析和预报系统TITAN(thunderstorm identification tracking analysis and nowcasting)生成。

1.1.3 富客户端Web服务子系统

富客户端Web服务子系统以互联网应用技术为基础，结合缓存技术，实现多源异构的铁路交通气象服务产品的动态发布、WebGIS背景地图的发布、铁路交通行业数据的发布，和富客户端产品展示及用户交互。

1.2 技术路线

铁路交通气象服务系统以文件存储系统和Oracle数据库作为服务产品加工的数据来源，应用ArcGIS Engine的嵌入式GIS组件库和工具库进行二次开发，在服务器端守护进程的动态调度下，实现对气象数据的离散点插值、空间分析、等值线分析、区域填充、边界裁切和产品生成等过程。在web服务端构建基于Flex技术的WebGIS产品可视化和用户交互核心框架，作为本系统的底层支撑，实现WebGIS基础功能，包括地图加载、地图缩放和漫游、定位及测量、位置标注等，在此基础上解析json业务数据和xml业务描述信息，实现产品展示和人工交互的业务逻辑。本系统的总体技术架构图如图1所示。

图1 铁路交通气象服务系统总体技术架构图

1.3 关键技术

1.3.1 静态和动态数据缓存技术

大量数据的网络传输和空间信息的实时处理成为影响WebGIS系统性能的关键因素，应用缓存技术能够有效的提高系统的性能。对于基础地理信息数据、铁路交通行业数据等静态数据，在服务器端应用缓存技术进行缓存处理，发布预处理好的数据缓冲切片，避免对原始数据进行即时渲染和裁切，同时减少冗余数据的传输；在富客户端只获取当前浏览器视角范围内的瓦片背景地图和铁路基础信息，并进行客户端缓冲以节约网络资源。对于动态变化的气象数据，应用服务器端缓存动态刷新机制和数据资源时间戳标识，减少客户端与服务器端之间的数据交换和客户端对服务器端的依赖性，提高良好的用户体验。

1.3.2 铁路沿线气象数据反演的动态分段技术

铁路沿线气象数据反演的动态分段技术是一种线性特征的动态分段技术，主要采用铁路干线、铁路路段和事件来实现对线性特征的描述，铁路干线用来表述主要的铁路交通线路，铁路路段用来表述铁路干线中的一部分，事件用来表述气象数据反演结果中所应具有的三个重要属性：气象要素类型、铁路路段归属和时间属性。其中气象要素类型描述铁路路段所受到的天气影响情况，包括暴雨（雪）、沙尘暴、大风、降水、地质灾害等，并根据不同的等级按照图例中相应的颜色进行着色；铁路路段归属描述路段在全国铁路局的属地化情况；时间属性描述天气过程对铁路路段产生影响的时间分布情况。

1.3.3 Flex富客户端基础框架和产品展示技术

本系统应用Flex构建交互性很强的富客户端用户服务基础框架，建立背景地图引擎组件和用户交互功能组件。富客户端运行时环境承载通过http协议发布的MXML和ActionScript编译生成的swf应用程序，集成桌面应用丰富的用户交互性和传统Web应用灵活的部署一致性，结合丰富的数据模型，动态解析json矢量业务数据、xml配置描述数据，调用css样式表实现个性化的样式效果，创建良好的服务产品展示和用户交互效果。

2 系统实现

2.1 富客户端主界面

铁路交通气象服务系统富客户端由工具栏、主显示区、功能按钮入口三大部分组成。工具栏提供系统地图缩放、漫游、测距和图层管理等基础功能，功能按钮入口有台风查询、雷达外推、卫星云图、雷达图、大风监测、降水监测、降水预报、地质灾害、沙尘暴、大风预报、暴风（雪）等十一类产品。富客户端主界面如图2所示。

图2 富客户端主界面图

2.2 台风查询

台风查询提供台风列表供用户快速检索。用户选择某个台风后显示台风及相关信息，当鼠标移动到台风实况定位点时，显示台风基本信息（定位时间、经纬度、中心附近最大风速、中心最低气压、移速、移向等）和台风预报路径，用户可结合地图上标注的24小时、48小时警戒线位置为自己的决策目标做出合适判断。

2.3 雷达图与雷达外推

雷达图包含基本反射率和一小时降水两种产品要素，可按全国雷达拼图、各铁路局拼图和单站雷达图等不同类型，以单张或动画播放方式展示。富客户端可根据主显示区视角范围自动为各铁路局用户展示相应放大级别的雷达图。

雷达外推产品包含降水量、降水率、风暴质量、回波顶高、风暴体积等要素，本系统重点关注风暴外推的演变过程，外推频次为每十分钟一次，可通过主显示区根据风暴外推结果查看其发展和演变过程。

2.4 卫星云图

富客户端系统通过单张查看或动画播放的方式，展示最近12小时的风云气象卫星红外彩色云图，云图的覆盖范围为60E-145E和6N-60N。

2.5 大风、降水监测及预报和地质灾害、暴雨（雪）预报

大风监测功能主要有：1）地图右上角为风情实况功能列表，提供全国和各省范围内的过去1 小时，6 小时，12 小时，24小时城市极大风速排行，默认显示全国范围内所选时间段的前十个极大风速城市；2）双向关联风情排行和地域显示，鼠标点击某个城市站点后，显示最近12 小时的整点极大风速风向观测曲线图。大风预报功能模块提供最新的未来24小时大风降温预报图。

降水监测功能主要有：1）地图右上角为降雨降雪监测功能列表，提供各城市过去6 小时，12小时，24 小时，48小时，72小时的累计降雨量排行，默认显示全国范围内所选时间段的前十个累计降雨量最大城市；2）双向关联降水监测排行和地域显示，鼠标点击某个城市站点后，显示最近12 小时的整点降水观测曲线图；3）提供全国范围内的降水落区图。降水预报提供未来24、48、72小时的降水预报产品，以落区图形式绘制。

地质灾害预报、沙尘暴预报和暴雨（雪）预报的功能与上述功能类似，均使用Micaps14类的预报产品数据，在富客户端上进行矢量数据描绘，同时提供相应的预报预警文字说明。

3 结束语

铁路交通气象服务系统是在认真分析铁路交通业务对气象服务需求的基础上设计和实现的。本系统以WebGIS 富客户端为载体，通过对数据的分析处理，集成并展现铁路交通气象服务产品，在产品分级显示上着重考虑了各铁路局视角和全国视角的简便切换。本系统主要具有以下特点：

1）实现了台风路径、彩色卫星云图、雷达图等气象服务产品与背景地图的叠加显示。

2）实现了大风、暴雨（雪）、地质灾害和沙尘暴等气象灾害预警信息的集成发布。

3）集成显示铁路交通线路、各级铁路站点和各铁路局管辖范围内的雷达拼图，并提供雷达外推产品展示。

4）系统综合运用数据缓存技术和Flex富客户端开发技术，在服务器端和客户端合理分担计算资源，并提高系统运行效率，增强用户体验。

基于以上特征而构建的铁路交通气象服务系统综合分析处理台风、卫星云图、雷达图、风雨监测、预报预警等多源气象信息，和基础地理信息数据、铁路交通行业数据，并应用到铁路交通行业气象服务业务中，使目标用户及时了解天气过程对铁路交通的影响，为提高铁路交通风险防范能力和经济效益提供了具有一定应用价值的气象服务支撑系统。

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