基于Python的高速公路大霧預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)

彭芳 齊大鵬 吉廷艷

摘要：系統(tǒng)結(jié)合前期研究成果及本地?cái)?shù)據(jù)環(huán)境進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，利用Python語(yǔ)言及相關(guān)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了氣象站點(diǎn)、交通站點(diǎn)觀測(cè)資料的合并及插值到高速路段，自動(dòng)生成圖片和文字產(chǎn)品，也實(shí)現(xiàn)數(shù)值預(yù)報(bào)格點(diǎn)超到高速公路的插值。采用Python+Django設(shè)計(jì)WEB系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行展示，方便用戶通過(guò)網(wǎng)頁(yè)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行瀏覽。

關(guān)鍵字：Python;高速公路;大霧;預(yù)警

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）28-0085-02

貴州屬于低緯高原山區(qū)，地形地貌復(fù)雜，天氣氣候多變，大霧天氣頻發(fā)，對(duì)高速公路交通運(yùn)輸存在嚴(yán)重隱患，因大霧造成高速公路重大交通事故屢有發(fā)生，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)造成重大損失。貴州的大霧天氣和氣候特征，已經(jīng)有較多的學(xué)者進(jìn)行了研究[1-6]。在交通氣象服務(wù)方面，王紅麗[7]指出人們最關(guān)注的氣象印章有道路結(jié)冰、霧和霾、強(qiáng)降雨、積雪其他省份地區(qū)氣象服務(wù)工作已經(jīng)開(kāi)展或陸續(xù)開(kāi)展，田華[8]通過(guò)問(wèn)卷形式對(duì)氣象、交通、公安等多部門(mén)公路交通決策氣象服務(wù)關(guān)注的氣象要素、產(chǎn)品類型和時(shí)段、服務(wù)改進(jìn)方向等需求進(jìn)行了調(diào)研指出監(jiān)測(cè)類產(chǎn)品對(duì)低能見(jiàn)度、道路積雪要素最為關(guān)注，預(yù)報(bào)類產(chǎn)品對(duì)雨雪和大霧要素最為關(guān)注;王慕華[9]設(shè)計(jì)面向公眾出行的公路交通氣象服務(wù)系統(tǒng);吳陽(yáng)軍[10]雨雪霧等不利氣象條件導(dǎo)致了公路設(shè)施損毀、交通延誤、交通事故、環(huán)境污染等問(wèn)題，增加了出行成本。為保障貴州高速公路交通安全運(yùn)輸，有必要開(kāi)發(fā)高速公路大霧預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)，為高速公路安全管理提供技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)建設(shè)結(jié)合本地?cái)?shù)據(jù)環(huán)境進(jìn)行開(kāi)展，主要分?jǐn)?shù)據(jù)分析模塊、WEB服務(wù)兩部分，其中WEB服務(wù)包括WEB設(shè)計(jì)及后臺(tái)部署相關(guān)內(nèi)容。

系統(tǒng)由python語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，需要在python環(huán)境下運(yùn)行，python版本為3.6以上。系統(tǒng)依賴庫(kù)信息如表1所示。

2 數(shù)據(jù)分析

大霧觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)能見(jiàn)度觀測(cè)儀進(jìn)行觀測(cè)，目前氣象部門(mén)收集到的能見(jiàn)度數(shù)據(jù)有氣象觀測(cè)站、交通站和交通部門(mén)共享數(shù)據(jù)，都為站點(diǎn)格式資料，數(shù)據(jù)通常用來(lái)作為大霧監(jiān)測(cè)預(yù)警。大霧預(yù)報(bào)依賴前期研究成果，通過(guò)判定天氣形勢(shì)、地面高空氣象要素值，結(jié)合數(shù)值預(yù)報(bào)進(jìn)行計(jì)算，資料為格點(diǎn)格式資料，數(shù)據(jù)用來(lái)做大霧預(yù)報(bào)用。系統(tǒng)主要分為站點(diǎn)資料處理和格點(diǎn)資料處理。數(shù)據(jù)都統(tǒng)一入庫(kù)到內(nèi)部數(shù)據(jù)cimiss數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)接口形式獲取。

高速公路數(shù)據(jù)為shp格式數(shù)據(jù)，需要將能見(jiàn)度數(shù)據(jù)插值到高速路段上，以便能夠在圖形系統(tǒng)上直觀反映。

2.1 大霧監(jiān)測(cè)預(yù)警

按照時(shí)間參數(shù)獲取三類實(shí)況觀測(cè)數(shù)據(jù)，將三類數(shù)據(jù)合并為統(tǒng)一格式產(chǎn)品，按照大霧預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)將能見(jiàn)度分為小于100、100-200、200-500、大于500四個(gè)等級(jí)，結(jié)合高速路段信息進(jìn)行插值計(jì)算，不同等級(jí)的能見(jiàn)度通過(guò)metpy.interpolate.interpolate_to_points插值到高速路段上，最后根據(jù)插值后的路段信息進(jìn)行填色處理，同時(shí)將有霧的路段信息輸出保存為文本文件，按照指定文件名格式進(jìn)行存儲(chǔ)供前端顯示。如圖1。

2.2 大霧預(yù)報(bào)

大霧預(yù)報(bào)采用格點(diǎn)預(yù)報(bào)插值到高速路段的方式。目前氣象上的數(shù)值預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)都是格點(diǎn)數(shù)據(jù)，本文采用高分辨率數(shù)據(jù)空間分辨率達(dá)12.5km，時(shí)間分辨率達(dá)3小時(shí)。根據(jù)前期研究結(jié)果，通過(guò)提取最新時(shí)次數(shù)值預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)地面要素，地面相對(duì)濕度（或溫度露點(diǎn)差）、10分鐘平均風(fēng)速、氣溫、3小時(shí)變溫、24小時(shí)變溫。前期研究結(jié)果將貴州大霧分為輻射霧和鋒面霧，對(duì)應(yīng)不同的指標(biāo)進(jìn)行分類并分析計(jì)算，通過(guò)metpy.interpolate.interpolate_to_points插值到高速路段上，最終形成鋒面霧、輻射霧以及無(wú)霧的圖片產(chǎn)品，同時(shí)生成對(duì)應(yīng)的大霧信息文件，按照指定文件名格式進(jìn)行存儲(chǔ)。

3 WEB設(shè)計(jì)

WEB端采用Python+Django框架設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)后臺(tái)管理、預(yù)報(bào)員登錄、預(yù)報(bào)員大霧類型選取、訪問(wèn)信息記錄、圖片瀏覽等功能。

3.1 模型Models

Django模型Models主要包括3個(gè)模型，Users、FlogType、VisitInfo，分別記錄用戶信息、大霧類型、訪問(wèn)信息，實(shí)現(xiàn)用戶管理，大霧類型判斷，網(wǎng)站流量信息記錄等功能。用戶信息為預(yù)報(bào)員用戶，預(yù)報(bào)員需要登錄后提交大霧類型并記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)，以便其他用戶能夠直接流量對(duì)應(yīng)大霧預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。

3.2 路徑URLS

URL路徑配置，配置index、picurl、login、logout、savetype、image六個(gè)路徑，分別對(duì)應(yīng)首頁(yè)、圖片檢索、登錄、登出、保存大霧類型、圖片路徑，其中index、login、logout不帶參數(shù)即可訪問(wèn)。picurl為圖片檢索，必須帶指定參數(shù)才能返回正確信息;savetype必須登錄后帶正確參數(shù)才能入庫(kù)保存大霧類型，圖片路徑對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的絕對(duì)路徑地址。

3.3 視圖函數(shù)Views，

首頁(yè)，調(diào)用base.html生成頁(yè)面，頁(yè)面如圖2。

圖片檢索，采用get方式傳遞參數(shù)，根據(jù)接收參數(shù)返回圖片url以及對(duì)應(yīng)的大霧信息，統(tǒng)一生成json格式供前端解析。訪問(wèn)前首先記錄訪問(wèn)信息進(jìn)入模型數(shù)據(jù)庫(kù)。

登錄，采用post方式登錄，用戶提供用戶名密碼，驗(yàn)證后才能登錄并保存session，登錄后具有大霧類型提交權(quán)限。退出登錄，同時(shí)清除session。

保存大霧類型，根據(jù)session狀態(tài)判斷是否登錄，沒(méi)有登錄的返回未登錄信息。大霧類型提交根據(jù)時(shí)間選擇框進(jìn)行提交，提交的大霧類型為對(duì)應(yīng)時(shí)間的下一次大霧預(yù)報(bào)類型。參數(shù)通過(guò)get方式獲取，根據(jù)model的flogtype類型提取訪問(wèn)信息并存儲(chǔ)，返回類型為json格式。

4 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)利用Python語(yǔ)言結(jié)合目前實(shí)際需要以及特定的數(shù)據(jù)環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了多觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一，將站點(diǎn)、格點(diǎn)數(shù)據(jù)插值到高速路段并采用Python+cartopy繪圖符合使用習(xí)慣，圖形直觀明了。同時(shí)系統(tǒng)采用預(yù)報(bào)員判斷大霧類型提交數(shù)據(jù)庫(kù)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了大霧的預(yù)報(bào)。大霧預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)，結(jié)合前期對(duì)大霧的研究成果，將成果展示給行業(yè)用戶，實(shí)現(xiàn)大霧監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)一體化，不僅給決策部門(mén)提供了參考依據(jù)，還提升了工作效率。

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【通聯(lián)編輯：李雅琪】