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  • ISSN 1007-6336
  • CN 21-1168/X

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海冰预警监测综合信息服务平台设计与实现

许宁 袁帅 史文奇 宋丽娜 马玉贤 陈元 杨永俊 刘雪琴 陈伟斌

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海冰预警监测综合信息服务平台设计与实现

    作者简介: 许宁(1983-), 女, 河北卢龙人, 主要研究方向为工程海冰学, E-mail:nxu@nmemc.org.cn;
    通讯作者: 袁帅(1979-), 男, 辽宁本溪人, 主要研究方向为冰区生态环境监测与海冰灾害防范, E-mail:syuan@nmemc.org.cn
  • 基金项目: 海洋公益性科研行业专项(201505019);国家自然科学基金面上项目(41676087)
  • 中图分类号: P731.15;X84

Design and implementation of the comprehensive information service platform for early warning and monitoring of sea ice disasters

  • 摘要: 冰情及其险情等海冰信息产品的制作与发送是海冰监测工作的重要内容。海冰是渤海及北黄海海域的重要海洋灾害之一,依据政府职能部门、用海企业、社会公众、科研人员等用户对海冰监测信息产品的需求,对海冰预警监测综合信息服务平台建设方案进行研究。通过构建海冰预警监测综合信息服务平台,实现冰情和灾情数据查询、分析、动态显示与发布,以及海冰灾害风险分析与事故应急响应等主要功能,进而实现海上石油平台、滨海核电、高值养殖等典型涉海用户的冰情监测与风险信息的动态管理,以及相关行政区域的灾情信息传送。
  • 图 1  系统架构

    Figure 1.  Assumption diagram of system architecture

    图 2  服务平台功能

    Figure 2.  Functional structure diagram of service platform

    图 3  服务平台信息处理流程

    Figure 3.  Information processing procedure of service platform

    图 4  数据查询功能

    Figure 4.  Data query function

    图 5  模拟险情数据动态展示

    Figure 5.  Dynamic display of simulated sea ice risk condition

    图 6  模拟冰情、险情数据的发布

    Figure 6.  Publish of simulated sea ice and risk condition

    图 7  滨海核电冷源取水口海冰动力堆积风险模拟(冰厚0.3 m,平均尺寸20 m2,冰密集度为60%)

    Figure 7.  Sea ice risk simulation of coastal nuclear power by accumulation (ice thickness 0.3 m, average size 20 m2, ice concentration 60%)

    图 8  《重大风险报告》触发式生成与发送(模拟数据)

    Figure 8.  Generation and transmission of major risk report (simulation data)

    表 1  海冰预警监测信息产品需求分析

    Table 1.  Demand analysis of sea ice early warning and monitoring information products

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出版历程
  • 收稿日期:  2018-07-28
  • 录用日期:  2018-12-27
  • 刊出日期:  2020-06-01

海冰预警监测综合信息服务平台设计与实现

    作者简介:许宁(1983-), 女, 河北卢龙人, 主要研究方向为工程海冰学, E-mail:nxu@nmemc.org.cn
    通讯作者: 袁帅(1979-), 男, 辽宁本溪人, 主要研究方向为冰区生态环境监测与海冰灾害防范, E-mail:syuan@nmemc.org.cn
  • 1. 国家海洋环境监测中心, 辽宁 大连 116023
  • 2. 国家海洋局近岸海域生态环境重点实验室, 辽宁 大连 116023
基金项目: 海洋公益性科研行业专项(201505019);国家自然科学基金面上项目(41676087)

摘要: 冰情及其险情等海冰信息产品的制作与发送是海冰监测工作的重要内容。海冰是渤海及北黄海海域的重要海洋灾害之一,依据政府职能部门、用海企业、社会公众、科研人员等用户对海冰监测信息产品的需求,对海冰预警监测综合信息服务平台建设方案进行研究。通过构建海冰预警监测综合信息服务平台,实现冰情和灾情数据查询、分析、动态显示与发布,以及海冰灾害风险分析与事故应急响应等主要功能,进而实现海上石油平台、滨海核电、高值养殖等典型涉海用户的冰情监测与风险信息的动态管理,以及相关行政区域的灾情信息传送。

English Abstract

  • 海冰覆盖了我国约1/5的大陆海岸线,每年冬季渤海和黄海北部的冰期可达3~4个月[1-2]。一直以来,海冰对我国北方的海洋经济生产发展起着显著制约作用[3-6],曾经发生过海上平台被海冰推倒的灾难性事故;港口封冻、码头被破坏、船舶被海冰撞沉、损毁或围困,海上交通受阻常有发生;海冰上岸推倒民房,威胁沿岸居民生活安全;自2010年至今水产养殖受灾面积年均4万公顷。针对海冰引起灾害事故和风险隐患问题,我国已经开展了海冰灾害风险管理与防范工作:一方面开展海冰监测、预警报工作,建立海冰观测预报体系,并已经逐步开始为实际生产生活提供海冰信息产品[7-9];一方面建立海冰灾害调查、区划、排查与风险评估的技术体系[10-12],依托国家专项工作和科研业务项目,制定了一系列包含海冰在内的海洋灾害相关技术规程与标准,如已经发布实施《海冰灾害风险评估和区划技术导则》[13],已经试行的《沿海大型工程海洋灾害风险排查技术规程》和准备立项的《沿海产业园区和大型工程海洋灾害风险评估技术导则》。

    针对我国海冰的冰情信息及其风险状况的动态发布有特殊需求。首先,从海冰灾害风险防范方面考虑,虽然海冰属于缓发性海洋动力灾害,但是区域海冰冰情发展迅速,且风险具有显著的积累性,海洋开发形式丰富决定了风险类型多样化[14-21],因此,无论从海洋管理部门风险监管、涉海用户应急处置和公众知悉的角度,都需要了解掌握冰情及风险的动态状况。同时,从气候变化的区域响应影响研究角度考虑,由于我国海冰监测数据时空序列较为完备,符合《国家应对气候变化规划(2014—2020年)》中“建立长序列、高精度的历史数据库和综合性、多源式的观测平台,重点推进气候变化事实”的基本要求,因此也有必要进行历史数据的管理和最新数据的动态发布。

    目前,国际上冰情及风险信息产品的动态发布平台主要是B/S网页界面,直接提供不同时空尺度信息。全球尺度的冰情信息,如世界天气信息服务网WMO(world meteorological organization,),欧洲太空宇航局ESA(esa-cci.nersc.no)、美国冰雪数据中心NSIDC(nsidc.org)、美国NASA(modis.gsfc.nasa.gov)、加拿大政府网(www.canada.ca);局部海域冰情,如阿拉斯加海洋观测系统支持的Historical Sea Ice Atlas(seaiceatlas.snap.uaf.edu)、美国阿拉斯加大学地球物理所海冰组(seaice.alaska.edu)、Baltic海冰服务网(www.bsis-ice.de)、丹麦气象所DMI(www.dml.dk)、芬兰气象所(en.ilmatieteenlaitos.fi);冰情服务保障,如海事(瑞典www.sjofartsverket.se)、渔业等方面。相对于国际上其他高纬度有冰海域开发活动,渤海开发历史和活动类别非常丰富,对海冰冰情和预警信息产品发布的需求更为显著和复杂。国内的海冰产品主要是国家海洋环境预报中心制作的冰情预报产品(www.nmefc.cn/haibing/zhoudetail.aspx)、国家卫星海洋应用中心发布的海冰遥感监测影像(www.nsoas.org.cn/product.rsmproduct.jsp)、国家海洋预报台发布的定制化海洋灾害警报短信,也有为中海油等涉海用户提供的海冰观测预报产品。

    海冰监测网络体系急需逐步推进以灾害防范需求为导向的海冰监测信息处理与综合服务技术及平台。现有海冰监测工作多局限于常规的海冰监测与资料积累,在区域海冰灾害损失评估、灾害风险评判和应急监测等方面难以满足需求,矛盾较突出。海冰灾情评估体系的业务运转对监测内容和数据处理技术能力提出了新的要求。实现历史积累与动态监测的冰情、险情及其对应关系数据的及时获取、快速传输、准实时处理与形象表达需要一个集成多种技术方法的监测数据处理和应用节点,及高效服务平台。

    构建海冰预警监测综合信息服务平台,实现对于特定海域典型海洋经济体的海冰预警监测信息的综合管理,能够实现海冰灾害风险防范和重要海洋经济目标实时风险监控,进而为我国海冰灾害风险管理提供技术支撑。

    • 建立海冰预警监测综合信息服务平台的首要问题,是要明确海冰信息产品的服务对象及其具体需求,进而用于指导相关数据的收集、功能模块的开发、信息产品的制作和发布。经多年海冰监测、服务经验和用户调研,汇总海冰预警监测信息产品需求分析如表 1所示。

      表 1  海冰预警监测信息产品需求分析

      Table 1.  Demand analysis of sea ice early warning and monitoring information products

    • 收集冰情、环境、海冰灾害等历史资料,包括近70 a整体冰情数据和海冰灾害案例,近30 a海冰观测站、沿海气象站、海上工程站等实测冰情和环境数据。

      面向产业、政府和民众等服务目标,收集整理有冰海域大型港口、海上油气平台、滨海核电等主要产业,以及沿海行政区的所在空间数据和属性数据,如工程位置、海岸线(起止经纬度、长度)、经济产值等资料。

    • 海冰风险预警指标和模型是观测冰情数据转化为风险产品的关键环节和核心内容。风险预警包括海区和经济体两种目标。其中针对海区的预警指标和模型可以参考“海冰预警综合”,技术相对比较成熟。针对不同经济体的预警指标和模型的研究和应用程度不平衡,本系统引入当前较为成熟的石油平台的研究成果,正在研发中的核电冷源、高值养殖等预警指标与模型也将逐步应用于服务平台之中。

    • 目前,海冰观测站、沿海气象站均有每日观测并发布的数据,可用于冰情及环境数据库的更新和每日风险状况评价产品的制作。同时,在有冰海域的典型海上石油平台、滨海核电和重要港口等位置,均布有海冰及环境观测系统,可保证冬季现场观测数据的传输入库和发布。另外,本研究针对现场底栖贝类和池塘养殖等高值养殖经济产业目标区域,开展冬季定期现场冰情调查,将实测冰情环境、水质等要素数据及时入库,研发了针对池塘养殖的剖面式水温测量和无线传输系统,已实现现场观测多层水温数据实时传输。以上保证了海冰预警信息服务平台数据的内容全面以及动态更新。

    • 建立冰区石油平台、核电冷源和渔业养殖的海冰监测集成信息平台。最大限度的发挥典型海洋经济体海冰监测信息的集成与传送作用,实现局地海域监测冰情的辐射、多点海域监测冰情的互补。重点解决监测冰情的质量控制、数据集成与远程传输技术,通过冰情、险情等相关关系的静态/动态数据库构建,进而实现冰区环境数据综合管理、工程海域局地冰情准实时传送和特定经济体海冰风险状况动态发布的综合信息服务的功能。

    • 本系统以B/S结构为主、C/S结构为辅,二者相结合的应用管理平台,其中B/S结构以面向对象结构的JAVA为开发语言,以html/JSP/Servlet/ JavaScript等WEB开发技术为支撑[22-23],C/S结构以面向对象的Micros Visual C#2010版本为开发语言,二者均结合大容量关系型数据库—My SQL或者Oracle,实现冰情信息和险情信息的管理、查询和预警工作。

    • 本系统采用多层体系结构,共分为五层,包括:信息发布层、综合应用层、业务支撑层、数据资源层和基础平台层,如图 1所示。

      图  1  系统架构

      Figure 1.  Assumption diagram of system architecture

      系统总体架构建筑在层次模型之上,底层是基础平台层,是支持系统运行的必要的系统硬件、软件平台;数据资源层包含了本系统的所有基础数据库;业务支撑层,是支持系统运行的必要的支撑中间件;综合应用层实现海冰预警监测综合信息服务的业务功能,信息发布层面向用海企业、地方管理部门、业务体系、社会公众和科研人员等。标准规范体系、信息安全体系是本系统建设、运行的必要保障。

      在标准规范体系、安全防护体系的框架内和系统支撑平台上建立海冰预警监测的冰情信息和险情信息发布系统,通过数据集中统一管理,在数据库平台、WEB应用平台、工作流引擎和中间件构成的运行平台基础上本系统,各种终端用户通过统一门户来登录到各个应用系统。

    • 从信息平台软件系统的角度而言,本系统包括GPRS传送、FTP传输、远程控制和信息服务平台功能,如图 2所示。其中,信息平台主要提供主要包括冰情数据服务、海冰信息产品、其他冰情产品。

      图  2  服务平台功能

      Figure 2.  Functional structure diagram of service platform

      (1) 冰情数据服务

      包括对冰情信息进行动态采集、传输、录入、质量控制、显示查询、初步分析等。冰情原始信息采集工作主要分为两部分:现场专项定点信息的采集和公开冰情信息的录入,即包括实时和准实时两种方式。现场专项定点包括代表性海冰监测站(如鲅鱼圈雷达海冰观测站)、典型涉海用户(如代表性的海上石油平台、滨海核电、和高值养殖);官方冰情信息包括卫星监测海冰信息等。建立相应数据库,实现涉海用户和代表性监测站点的基本信息、空间属性信息的入库。通过引入地理信息系统,实现不同时空尺度的第一手冰情信息展示与管理,这样可以有效地提高冰情信息的利用效率。

      (2) 海冰信息产品

      即实时的冰情信息产品和风险信息产品的制作与发布。通过对承灾体(经济体或区域)的空间属性的查询、分析、定位、可能影响分析,将信息发布给相关管理与应急处置人员。其中,冰情风险信息是在冰情原始信息采集工作基础上,通过引入海冰预警方法,利用模型评价结果和专家小组评估,动态分析判断服务目标的风险状况及风险等级。通过与行政区社会经济要素和海上功能区等信息的叠加,为政府相应职能部门对重点目标(经济体和区域)海冰风险信息的实时监管和处置策略提供直接依据。

      (3) 其他冰情产品(海冰风险事件辅助决策)

      包括风险事件的相关资料,如风险案例、情景模拟、专家库、法规资料等,为日后高效应急提供经验。通过对冰情原始信息、海冰风险信息和辅助决策功能的分析,保证了从海冰监测信息从采集、挖掘利用到管理支撑发挥作用,从而实现了冰情信息管理从监测到预警应用的扩展。海冰风险事件辅助决策,通过灾害案例的汇总分析和极端险情的模拟预测,给相关管理人员提供应急处置建议,争取实现智能辅助决策。

    • 系统信息处理流程如图 3所示。

      图  3  服务平台信息处理流程

      Figure 3.  Information processing procedure of service platform

    • 研究人员、企业安全管理和设计人员、政府管理部门等不同用户对冰情和险情数据的需求各不相同。根据时间、要素、站点为查询条件,提供冰情和险情的查询、初步分析和数据下载(图 4)。

      图  4  数据查询功能

      Figure 4.  Data query function

    • 根据用户的选择地点和要素,可以查询并获取最新的冰情和险情信息。与地理信息图进行叠加,形象的标识出不同位置和范围的冰情要素。特别是将冰情信息和风险信息与有冰海域的功能区划图进行叠加,可以直观的表明海冰及其风险状况可能对海洋环境和政府管理的影响(图 5)。

      图  5  模拟险情数据动态展示

      Figure 5.  Dynamic display of simulated sea ice risk condition

    • 现场关键定点的冰情和险情数据上报实现了海洋监管部门与原位监测点之间的数字化沟通和现代化办公,大大提高了海洋信息化的效率,增加了现场监测特别是风险实况发布的透明度,保证了海洋监管部门对海冰灾害风险及其对各大经济产业、地方政府和民众影响的实时监控,反过来也有利于企业、民众对海洋监管部门的监督,是一种双赢。

      图  6  模拟冰情、险情数据的发布

      Figure 6.  Publish of simulated sea ice and risk condition

    • 不同的经济体或承灾体的海冰风险机理、影响要素都不尽相同,目前尚无简单直接的分析方法,需要综合理论分析、历史数据综合、专家经验分析等方法综合在一起,方能得到合理的风险分析结果。选定某种冰情(如典型冰况和极端冰况),开展不同经济体的各类典型风险模式的分析。

      图  7  滨海核电冷源取水口海冰动力堆积风险模拟(冰厚0.3 m,平均尺寸20 m2,冰密集度为60%)

      Figure 7.  Sea ice risk simulation of coastal nuclear power by accumulation (ice thickness 0.3 m, average size 20 m2, ice concentration 60%)

    • 一旦监测或分析到严重冰情和海冰风险预警信息,系统自动给出危险源周边影响半径范围内有哪些敏感目标等资源,并以邮件等形式为企业和政府等相关用户发送供风险实况,为应急决策者提供决策支持。

      图  8  《重大风险报告》触发式生成与发送(模拟数据)

      Figure 8.  Generation and transmission of major risk report (simulation data)

    • (1) 构建海冰预警监测信息平台首先需要明确海冰信息产品的服务对象及其具体需求,获取冰情环境及服务目标基础数据,研制海冰风险预警指标和模型,并实现海冰现场监测与数据传输。

      (2) 海冰预警监测信息平台可以实现冰情和险情数据分析查询、冰情和险情数据动态显示功能,现场冰情和险情数据的发布、海冰预警风险分析、事故预警响应等功能。

      (3) 采用B/S模式设计和开发了海冰预警监测综合信息服务平台,可以提高对海冰监测信息发布和灾害风险评估的效率,为管理部门、涉海用户等服务对象提供海冰灾害应对处置策略的辅助决策信息。伴随着各类经济体、各站位的冰情监测信息化建设程度和海冰风险评估技术的发展,海冰预警监测综合信息服务平台将会在北方海洋安全保障工作中有更大的应用前景。

参考文献 (23)

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