一站多能理念下的验潮站建设实践

王青颜，周涛，胡悦洋，魏子丰，薛献运

（1.海南省海洋监测预报中心，海口 570206；2.中电科国海信通科技（海南）有限公司，海口 570203）

海洋观测是海洋防灾减灾和海洋预报预警中的一项基础性工作[1]，海南省海洋观测站于1959年开始建设，采用传统建设理念，观测内容主要为风速、风向、气温、相对湿度、气压、降水量等气象要素及表层水温、表层盐度、潮位等水文要素。验潮站外观设计按照《国家海洋局海洋观测设施标准化设计导则》执行。随着海洋经济的快速发展，传统验潮站建设模式已难以满足新的时代需要。传统验潮站没有水质监测井，观测要素不够全面，空间资源利用不够充分，因此建设一站多能的海洋观测站势在必行。朱志恩[2]和王怀利等[3]对验潮站建设设计进行过有益的探讨；刘望华等[4]和林航[5]分别对简易验潮站和长期验潮站的建设进行了深入透彻的研究。在海洋灾害智能预警方面，马荣华等[6]在广州成功建设了广州市海洋综合观测系统和风暴潮风险评估与预警系统；陈周等[7]探索建立了海南省风暴潮预警综合管理平台；吴玲娟等[8]深入研究建设了山东省海洋灾害观测预警系统；韩华等[9]则将海洋综合观测平台和海洋灾害智能预警进行了结合；王丽琳等[10]针对东海区的海洋观测预报减灾信息共享技术体系进行了研究，搭建了一套集海洋观测数据和预报产品制作于一体的平台。但就如何建设一站多能的长期海洋观测站点，尚无相关报道和经验可循。根据《国家海洋局关于印发“一站多能”海洋（中心）站“十三五”实施方案的通知》，按照一站多能的建设理念，海南省海洋监测预报中心于2016 年在海南岛沿岸建设了5 个长期验潮站，分别位于文昌铺前老渔港码头前沿海域、文昌翁田银石滩近岸海域、万宁港北港口门附近海域、澄迈马村港二期防波堤前沿海域和昌江海尾核电码头前沿海域。本文介绍了验潮站建设的相关实践经验，以期为未来的一站多能验潮站建设提供借鉴和参考。

1 验潮站外观设计

本文引用的设计参数及建设数据来源于海南岛5个验潮站建设工程，且通过专家验收，其中3个位于当地旅游开发规划区内。文昌铺前验潮站位于铺前镇码头，根据规划铺前镇将依托铺前骑楼老街，打造历史文化名镇和琼北全域旅游示范区；文昌翁田验潮站位于银石滩公园，属海边沙滩观光垂钓区；万宁港北港验潮站位于万宁港北港口门处，范围内规划建设“和乐龙舟渔家小镇”。

按照当地政府旅游景观设计要求，5 个站点采用了“天圆地方”的中国传统设计构思，整个建筑外观采用下部方形样式，上部圆球形，外观造型独特，优美灵动，与周边景观有机融合（图1）。

图1 翁田验潮站和铺前验潮站

2 科普教育基地

以海洋灾害为科普主题，建设海洋科普意识教育基地，打造海南省海洋科普宣传教育示范点。展厅以“海洋灾害”“海洋环境监测预报”为主题，由新型超媒体技术支撑，破除传统以展板为主的展馆展示形式，运用触控一体机、多媒体等超媒体技术，用更直观、更多元的展示形式，打造多元化科普展示馆。

主要内容为：利用验潮站引桥进行观景式栈道改造；观测站楼体外观铺陈海洋生物彩绘；验潮站三楼科普文化展厅配套多媒体科普设备，营造海洋空间氛围，使展馆进入公众可参与交互式的新时代，引发观众浓厚的兴趣，从而达到科普目的。

3 水质在线监测

按照原国家海洋局“监测观测一片海”的建设思路，实施“一站多能”建设，5 个站点均布设了验潮井、温盐井及水质监测井（图2）。

图2 验潮站平、立面图

验潮井筒、温盐井筒及水质监测井筒均通过钢结构抱箍固定于墩台的工程桩上，验潮井筒采用Φ1 000 mm 钢管，壁厚16 mm，底部设置消波漏斗，漏斗孔径为75 mm；温盐井筒及水质监测井筒采用Φ400 mm 钢管，壁厚14 mm，极端高、低水位之间设置三通与外部水体连通，三通内径50 mm，间距0.4 m 布置。井筒采用分段拼接型式，各分段之间采用法兰连接，便于后期维修。

4 验潮站观测预警综合管理指挥决策平台设计

观测预警综合管理指挥决策平台是集数据收集、处理、传输、应用于一体的综合业务平台，可满足观测数据实时采集及预报预警产品实时发布等服务保障需求。

根据海南省海洋灾害预警体系建设实际，结合海洋监测预报中心业务需求，以一站多能理念下的验潮站建设实践为目标，打通各观测站点、各级指挥决策部门和普通民众之间的信息壁垒，实现系统间数据的交互与共享。验潮站观测预警综合管理指挥决策平台的设计与应用遵循分阶段、可配置、可扩展、跨平台和安全可靠原则，采用面向服务的四层结构设计，对海洋观测数据进行报文采集、传输、解析、入库等操作，使海洋观测数据以直观的图文方式展示，并将相关产品快速推送至灾害应急指挥决策部门，为海洋预报预警、防灾减灾和应急管理提供数据支撑和决策依据。

一站多能理念下的验潮站观测预警综合管理指挥决策平台按照“智能硬件+综合平台”理念进行设计，主要内容包括：（1）利用观测站点外墙建设LED 显示屏，滚动播放非涉密实时观测数据及每日发布的预警报产品；（2）在验潮站屋顶建设一套带声光报警功能的警戒潮位标志物（亮化式警示柱），利用现场采集数据进行四色警戒潮位报警，通过高清摄像系统，把灾害现场潮位及周边淹没情况及时反馈到指挥决策中心，探索建立政府应急指挥与群众避险自救相结合的防灾减灾机制，完善灾害预警体系；（3）利用现有的“海南海洋监测预报”公众号，以可视化图表方式实时展示各个验潮站站点的日高低潮位潮时、降水量、风速、风向、气温、湿度等数据，提升了海洋防灾减灾和便民服务能力。根据潮位四色预警报模型和系统潮位实时监测数据相结合分析研判，自动推送潮位预警消息服务，供社会大众和渔民等用户订阅，并实时接收系统推送的潮位监测预警预报信息。

4.1 系统总体设计

4.1.1 总体架构设计

验潮站观测预警综合管理指挥决策平台架构采用“六横三纵”理念搭建。系统架构图如图3所示。

图3 系统架构图

横向六层架构主要包括：感知层、传输层、数据层、支撑层、应用层和服务层。

（1）感知层：构建验潮站的感知系统，通过接入验潮站物联网设备，与可视化GIS 中台相结合，获取验潮站的海洋监测实时动态和静态数据。

（2）传输层：为了搭建稳定、安全和快速的一体化传输网络，构建“互联网+验潮站”模式。采用数据专线、VPDN、北斗卫星等多种传输方式传输物联网传感器数据。

（3）数据层：按照国家数据库建设要求、海南省信息化建设和管理条例，依托海南省电子政务云，建设观测预警综合管理大数据中心，建立物联网采集数据库和业务基础数据库。

（4）支撑层：云计算中心和大数据管理由海南省电子政务云提供，中台服务层提供GIS 中台、数据中台和物联网中台，实现GIS 地图开发和物联网采集数据接入（图4）。

图4 验潮站观测预警综合管理指挥决策平台的系统网络拓扑图

（5）应用层：围绕监控中心、后台管理和H5移动端三大系统，形成纵向、横向和对外的验潮站观测预警综合管理指挥决策平台。

（6）服务层：为防灾减灾主管部门、海洋观测预报部门、应急主管部门、社会大众等，提供视频监控、当日监测数据、预报预警产品信息等各种服务。

纵向三层架构主要包括：运维管控体系、安全保障体系和标准规范体系。

（1）运维管控体系：采用故障管理、配置管理、存储管理、资源管理、系统监控等技术，对系统及各类应用进行运维管理。

（2）安全保障体系：采用身份认证、加解密、访问控制、病毒防护、入侵检测、漏洞扫描等技术，提供对验潮站观测预警综合管理指挥决策平台的安全保证。

（3）标准规范体系：按照国家、地方、行业和软件开发标准体系要求进行数据管理，为系统高效运行提供重要保障，各类设备、技术和服务的标准化将有利于验潮站观测预警综合管理指挥决策平台的模块化、自动化和易扩展性。

4.1.2 数据库设计

平台数据库主要包括物联网采集数据和业务基础数据两部分。物联网采集数据库主要储存潮位、降水量、气温、湿度、风速、风向和视频监控等传感器数据；业务基础数据库主要包括模型库、方法库、预警库、预警产品库、设备管理库、潮汐表库和GIS 库等业务基础库。数据库建设主要是实现海洋监测预报预警数据的一致性、可维护性、可管理性、数据完整性、数据备份性。

4.1.3 系统功能设计

验潮站观测预警综合管理指挥决策平台由监控中心、后台管理和H5 移动端三大部分组成（图5）。监控中心部分包括GIS 地图、视频监控、当日监测数据、四色警戒潮位报警管理、潮位预警曲线、降水量曲线、风速曲线、温度曲线、物联网设备状态、预报预警产品、指挥决策管理功能，实现对物联网设备采集的数据进行可视化图表展示，以及可视化分析，为海洋预报、防灾减灾和应急管理指挥决策提供数据支撑和决策依据。后台管理部分包括数据采集、观测数据管理、警戒潮位预警管理、数据质控、数据处理、设备管理、系统管理等功能模块。H5 移动端主要包括视频监控、当日监测数据、潮位预警信息、预报预警产品等功能。

图5 系统功能架构

4.2 关键技术

4.2.1 GIS中台

面向多图源、海量规模空间应用和高性能的GIS 中台，为解决GIS 地图开发领域的多图源、大数据量、高性能、高效率等问题提供了平台能力，并结合验潮站观测预警综合管理指挥决策平台的业务需求，定制化开发GIS 开发领域应用模型，形成海洋监测预报预警、防灾减灾“强基工程”科技底座，在验潮站观测预警综合管理指挥决策平台中实战应用效果突出，平台可服务于重要应用场景。

GIS 中台已实现服务私有化部署功能，积累高精度海图和卫星陆图各一套，解决了系统GIS地图图源缺失的问题。GIS 中台提供地图矢量数据接入、管理和地图服务发布功能，以其强大的空间分析和管理能力，实现空间数据管理、信息查询、模型结果可视化（图6）。

图6 GIS中台的数据处理流程图

4.2.2 物联网中台

物联网中台具备高性能、高吞吐量、高扩展性等特性，支持百万物联网设备链接，同时支持自定义扩展功能，采用netty作为通信层组件，支持插件化开发集成。物联网中台连接多个同时在线链接，解决了物联网设备的数据传输解析问题（图7）。

图7 物联网中台架构图

物联网中台的核心特性：（1）支持多种厂家设备的统一连接管理和多协议适配(MQTT 等主流协议)；（2）具有灵活的规则引擎；（3）设备地理位置可在可视化大屏展示；（4）引入TDengine 时序数据库超级表设计概念，每个设备一张表，每类设备一个超级表。

4.3 系统功能应用

4.3.1 主要功能应用

（1）监控中心验潮站观测预警综合管理指挥决策平台的监控中心首页如图8 所示。GIS 地图功能提供了潮位监测、视频监控和设备点位的地图标注功能，可在GIS 地图上直观看到各个监测站点和物联网设备位置信息。视频监控功能提供了实时查看各个站点的视频监控画面。在海洋灾害影响期间，可把灾害现场潮位及周边淹没情况及时反馈到指挥决策中心，为防灾减灾指挥提供数据支撑及决策依据。当日观测数据功能可用于对各个观测站点前端设备采集的潮位、降水量、风速、风向、气温、湿度等数据进行管理，采用实时展示方式进行展示。四色警戒潮位报警管理功能用于预警记录和预警指令下发。在台风影响期间，各个站点潮位值达到不同预警级别（蓝色、黄色、橙色、红色）的临界值时，记录相应预警值，为台风复盘提供数据依据；针对不同预警级别，下发预警指令到前端声光报警设备进行报警（图9）。潮位预警曲线功能可根据各个站点监测潮位数据，提供天文潮、实时潮位、实际增水三项潮位预警曲线数据项，构建潮位预警曲线模型，形成天文潮、实时潮位、实际增水三条不同预警曲线，实现对潮位预警的实时监测和预警监控。降水量曲线功能提供了按照地区和实际的可视化图表展示，可根据不同潮位监测站点进行切换。风速曲线功能提供了各个观测站点的实时风速，主要提取每小时的平均风速，用于监测24 h内的风速变化趋势。温度曲线功能提供了各个观测站点的实时温度，主要提取每小时的平均气温，用于监测24 h 内的气温变化趋势。物联网设备状态功能可实时查看每台物联网设备的在线、离线、故障等运行状态，对物联网设备进行在线监控，当判断物联网设备运行在危险状态时及时报警。监控中心支持在线进行不同预警报产品的条件查询，同时支持可视化图层展示验潮站非涉密实时观测数据。此外，监控中心平台还可以播放每日发布的预警报产品。在台风等高影响天气系统影响期间，高清摄像系统可以把灾害现场的潮位及周边淹没情况及时反馈到指挥决策中心，结合验潮站的实时观测数据以及海洋预警报产品为应急指挥决策提供数据支撑。探索建立政府应急指挥与群众避险自救相结合的防灾减灾机制，完善灾害预警体系。

图9 四色警戒潮位报警管理

（2）后台管理

数据采集功能支持接入物联网传感器采集数据。观测数据管理功能可实现对观测数据动态管理，支持自定义查询所需数据（图10）。观测预警管理主要包括预警记录和预警指令下发等功能，预警记录主要对不同预警级别记录潮位监测设备产生的预警值，预警指令下发主要针对前端设备，控制预警设备进行不同级别颜色显示（图11）。数据质控功能可导入最新的潮汐表进行管理，按照行业规定格式进行数据和质量控制（图12）。数据处理功能用于观测数据的解析入库，应用大数据分析及数据整理等方式进行数据解析处理入库。设备管理功能用于设备信息维护和设备状态监控。系统管理包括菜单管理、角色管理、用户管理、字典管理、定时任务和系统日志等功能。

图10 观测数据管理

图11 观测预警管理

（3）H5移动端

视频监控功能可使用户实时查看各个站点的视频监控画面。在海洋灾害影响期间，提供直观实时的视频监控画面，了解灾害现场潮位及周边淹没情况。当日监测数据功能，提供了各个验潮位站点前端设备采集的实时观测数据。潮位报警管理功能提供了验潮站的潮位预警信息，在台风等自然灾害影响期间，可实时关注潮位报警信息（图13）。预报预警产品功能提供了潮位预警信息的风暴潮预警等预警报产品。

图13 潮位报警管理

5 结语

一站多能理念下的验潮站建设实践是顺应海南省海洋防灾减灾管理需求，同时也是满足不同用户使用需求的良好解决方案。海南省海洋监测预报中心将一站多能的建设理念在海南岛沿海新建成的5 个长期验潮站成功落地，在验潮站外观设计、验潮站传统观测功能外延等方面进行了新的尝试，使得验潮站在完成海洋观监测主体任务的基础上增加了海洋灾害预警功能、海洋预报功能及海洋灾害科普宣传功能，在更好地服务周边群众的同时可及时将灾害现场的信息反馈到指挥决策中心，有助于建立政府应急指挥与群众避险自救相结合的防灾减灾机制，进一步完善灾害预警监测体系，为全国海洋观测站点建设提供示范。