風(fēng)暴潮警戒潮位電子標(biāo)識(shí)技術(shù)應(yīng)用示范

呂富良，王立鵬，王志勇，馮立達(dá)，劉曉飛，姜萬(wàn)鈞，劉愛(ài)超，王 磊，鄭金金

(1.國(guó)家海洋局 北海預(yù)報(bào)中心，山東 青島 266061;2.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061)

我國(guó)大陸海岸線北起中朝邊境的鴨綠江口，經(jīng)沿海十余個(gè)省(市、自治區(qū))，到中越邊境的北侖河口，全長(zhǎng)約18 000 km。每年沿海所發(fā)生的風(fēng)暴潮增水，經(jīng)常給沿海地區(qū)的人民生命和財(cái)產(chǎn)造成巨大損失。風(fēng)暴潮災(zāi)害位居海洋災(zāi)害之首位，世界上絕大多數(shù)因強(qiáng)風(fēng)暴引起的特大海岸災(zāi)害都是由風(fēng)暴潮造成的[1-2]。風(fēng)暴潮是由熱帶氣旋、溫帶天氣系統(tǒng)、海上颮線等風(fēng)暴過(guò)境所伴隨的強(qiáng)風(fēng)和氣壓驟變而引起的局部海面振蕩或非周期性異常升高(降低)現(xiàn)象。風(fēng)暴潮中局部海面振蕩或非周期異常升高現(xiàn)象稱之為風(fēng)暴增水[3]。風(fēng)暴潮警戒潮位值是防護(hù)區(qū)沿岸可能出現(xiàn)險(xiǎn)情或潮災(zāi)，需進(jìn)入戒備或救災(zāi)狀態(tài)的潮位既定值[4]。風(fēng)暴增水到一定程度達(dá)到或超過(guò)風(fēng)暴潮警戒潮位值就會(huì)產(chǎn)生漫堤、漫灘等海水侵灌現(xiàn)象，對(duì)沿岸建設(shè)造成極大破壞。

我國(guó)各級(jí)海洋預(yù)報(bào)部門(mén)對(duì)沿海風(fēng)暴潮開(kāi)展了大量觀測(cè)、預(yù)報(bào)和防災(zāi)減災(zāi)研究[2，4-8]。開(kāi)展全國(guó)主要岸段風(fēng)暴潮警戒潮位標(biāo)識(shí)建設(shè)工作(圖1)，在沿海重點(diǎn)岸段或人口密集區(qū)設(shè)立警戒潮位標(biāo)識(shí)(標(biāo)志物)，直觀地提醒涉海人員、濱海游客及時(shí)了解潮汐動(dòng)態(tài)，對(duì)預(yù)防人員溺水，減少海水漫堤、漫灘等海洋災(zāi)害造成的損失，具有十分重要的意義[9-11]。

圖1 固定式風(fēng)暴潮警戒潮位標(biāo)識(shí)示例Fig.1 Photographs showing the traditional fixed markers for the warning water level of storm surge

目前在各地普遍建設(shè)使用的警戒潮位標(biāo)識(shí)一般為固定式，大多依靠港口碼頭、海上堤壩等海邊固定標(biāo)志物，在其墻體側(cè)面進(jìn)行涂刷或鑲嵌建設(shè)，尚處于初步標(biāo)識(shí)直觀警示階段，這種風(fēng)暴潮警戒潮位標(biāo)識(shí)由于長(zhǎng)期處在海邊，受外界環(huán)境的影響較大。風(fēng)暴潮真正來(lái)臨時(shí)，往往伴隨著狂風(fēng)巨浪，受近岸海浪折射影響，岸邊的實(shí)際潮位瞬間起伏巨大，即使在背風(fēng)背浪的港灣內(nèi)，受海浪的涌動(dòng)影響，水面也會(huì)瞬間超越多級(jí)警戒潮位標(biāo)識(shí)，因此有時(shí)海面達(dá)到的級(jí)別不是真正的警戒潮位級(jí)別，這通常與預(yù)報(bào)部門(mén)實(shí)際發(fā)布的潮位警戒級(jí)別不符。而且發(fā)生風(fēng)暴潮時(shí)，海邊風(fēng)急浪高，在這種惡劣天氣，市民不可能冒著生命危險(xiǎn)到海邊觀看警戒潮位標(biāo)識(shí)，這樣警戒潮位標(biāo)識(shí)就失去了意義。另外，警戒潮位標(biāo)識(shí)帶在海邊長(zhǎng)期受到海霧、大浪侵蝕，標(biāo)識(shí)會(huì)逐漸變色或剝落，使標(biāo)識(shí)殘缺不全，需要重新核定高程、涂刷等定期維護(hù)。

為了使警戒潮位標(biāo)識(shí)在風(fēng)暴潮來(lái)臨時(shí)真正發(fā)揮其警戒作用，長(zhǎng)期有效地為當(dāng)?shù)胤罏?zāi)減災(zāi)提供幫助，本文提出了風(fēng)暴潮警戒潮位電子標(biāo)識(shí)建設(shè)方案。風(fēng)暴潮警戒潮位電子標(biāo)識(shí)可以克服固定式風(fēng)暴潮警戒潮位標(biāo)識(shí)的諸多不足，不用考慮多次選址、高程基準(zhǔn)引測(cè)等問(wèn)題。其設(shè)計(jì)思路為將當(dāng)?shù)貙?shí)時(shí)潮汐觀測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)定的警戒潮位值進(jìn)行比較，判定達(dá)到的警戒潮位級(jí)別，將實(shí)時(shí)潮位、預(yù)報(bào)潮位和警戒潮位級(jí)別(即風(fēng)暴潮警戒潮位電子標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)組成)，通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)發(fā)送至室外LED 電子屏或異地計(jì)算機(jī)上顯示。這樣可以準(zhǔn)確直觀地顯示風(fēng)暴潮警戒潮位實(shí)況，更好地為公眾和有關(guān)部門(mén)提供風(fēng)暴潮災(zāi)害警示作用。目前該項(xiàng)技術(shù)已在青島奧帆中心海濱進(jìn)行了示范應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守、實(shí)時(shí)提醒、動(dòng)態(tài)展示潮位變化趨勢(shì)的功能，克服了固定式警戒潮位標(biāo)識(shí)的諸多弊端，應(yīng)用效果良好。

1 風(fēng)暴潮警戒潮位電子標(biāo)識(shí)系統(tǒng)組成

風(fēng)暴潮警戒潮位電子標(biāo)識(shí)系統(tǒng)主要由發(fā)布與控制系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)三部分子系統(tǒng)組成(表1)。風(fēng)暴潮警戒潮位電子標(biāo)識(shí)集成在發(fā)布與控制系統(tǒng)內(nèi)完成，首先要確定防護(hù)區(qū)的位置、獲取臨近海洋站點(diǎn)的信息和既定警戒潮位值。通過(guò)算法對(duì)該防護(hù)區(qū)的實(shí)時(shí)潮位值和發(fā)布的天文潮預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行警戒級(jí)別判定，最終集成風(fēng)暴潮警戒潮位電子標(biāo)識(shí)。集成的風(fēng)暴潮警戒潮位電子標(biāo)識(shí)利用公共通訊網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)傳輸至防護(hù)區(qū)進(jìn)行顯示，達(dá)到對(duì)外提供警戒提醒目的。

表1 風(fēng)暴潮警戒潮位電子標(biāo)識(shí)系統(tǒng)構(gòu)成Table 1 Composition of the electronic marker system of storm surge warning water level

1.1 警戒潮位電子標(biāo)識(shí)集成

警戒潮位電子標(biāo)識(shí)根據(jù)選定的防護(hù)區(qū)位置、潮位等相關(guān)信息集成。所使用的實(shí)時(shí)潮位數(shù)據(jù)直接從海洋站數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取，它反映的是當(dāng)時(shí)海面的實(shí)際高度。海洋站獲取的潮位數(shù)據(jù)必須按照“1985國(guó)家高程基準(zhǔn)”從國(guó)家二等以上高程水準(zhǔn)點(diǎn)引測(cè)所得，水準(zhǔn)點(diǎn)的高程采用正常高程系統(tǒng)。

各防護(hù)區(qū)域潮汐天文潮預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)不盡相同，是有關(guān)部門(mén)公開(kāi)發(fā)布的數(shù)據(jù)。根據(jù)所在防護(hù)區(qū)域選取接近當(dāng)?shù)氐某蔽惶煳某鳖A(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，先期錄入到發(fā)布系統(tǒng)對(duì)應(yīng)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，以備需要時(shí)調(diào)取繪制成日潮位變化曲線。

警戒潮位級(jí)別按風(fēng)暴潮增水幅度分為藍(lán)色、黃色、橙色和紅色四個(gè)等級(jí)[2]。警戒潮位核定應(yīng)以潮位資料為基礎(chǔ)，以潮災(zāi)發(fā)生規(guī)律為依據(jù)，滿足潮災(zāi)防御要求，警戒潮位值由當(dāng)?shù)乜h或縣以上人民政府頒布實(shí)施[2]，一旦確定就不能隨意更改。選定的警戒潮位值需先期錄入到發(fā)布與控制系統(tǒng)對(duì)應(yīng)站點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)中。如青島南部海域警戒潮位核定岸段級(jí)別分別是藍(lán)色470 cm、黃色485 cm、橙色500 cm、紅色515 cm，各級(jí)級(jí)差為15 cm，對(duì)應(yīng)潮高基準(zhǔn)面是小麥島海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站所使用的基準(zhǔn)面。

1.2 發(fā)布與控制系統(tǒng)

發(fā)布與控制系統(tǒng)設(shè)置在海洋站或海區(qū)中心，主要包括站點(diǎn)警戒潮位自動(dòng)比對(duì)報(bào)警、潮位整合展示、室外警戒潮位電子標(biāo)識(shí)顯示控制等數(shù)據(jù)處理模塊，實(shí)現(xiàn)潮位站點(diǎn)信息管理、站點(diǎn)列表、實(shí)時(shí)潮位展示、警戒潮位值預(yù)設(shè)、發(fā)送時(shí)間間隔控制、站點(diǎn)觀測(cè)狀態(tài)監(jiān)控等功能(圖2)，還能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)預(yù)設(shè)選擇、一站多點(diǎn)和多站多點(diǎn)發(fā)布等后續(xù)擴(kuò)展功能。

圖2 室內(nèi)發(fā)布系統(tǒng)界面Fig.2 Interface of the indoor release system

1.3 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要包括合成數(shù)據(jù)信息發(fā)布和數(shù)據(jù)傳輸兩部分:①?gòu)膶I(yè)海洋站或海區(qū)中心數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)取相應(yīng)站點(diǎn)的實(shí)時(shí)潮位數(shù)據(jù)合成發(fā)布信息，在局域網(wǎng)內(nèi)部完成以保證數(shù)據(jù)安全;②將合成的產(chǎn)品按一定的間隔頻率通過(guò)移動(dòng)基站或有線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到室外電子屏接收裝置，進(jìn)行內(nèi)網(wǎng)到外網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸。

1.4 電子產(chǎn)品顯示系統(tǒng)

顯示系統(tǒng)主要由接收裝置、顯示屏和電源系統(tǒng)組成，室內(nèi)或室外均可安裝。在室外的電子屏附近可以配以文字圖片展板，對(duì)警戒潮位等專業(yè)術(shù)語(yǔ)進(jìn)行科普說(shuō)明，以方便市民更好理解警戒潮位電子標(biāo)識(shí)的內(nèi)容。室內(nèi)的電子屏根據(jù)工作場(chǎng)地、功能需求，既可以懸掛于墻上，也可以直接用電腦顯示器代替。

警戒潮位標(biāo)識(shí)帶位于坐標(biāo)系Y軸對(duì)應(yīng)高程位置保持不變，按低到高分別為藍(lán)、黃、橙、紅四色。潮汐天文潮預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)曲線由每日的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)相應(yīng)時(shí)間繪制完成，作為潮汐日變化曲線。實(shí)時(shí)潮位數(shù)據(jù)根據(jù)實(shí)際時(shí)間在日變化曲線相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)上進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)記，顯示當(dāng)前潮位位置。

電子標(biāo)識(shí)產(chǎn)品所包括的實(shí)時(shí)潮位數(shù)據(jù)、潮汐天文潮預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)和警戒潮位值顯示于同一坐標(biāo)系(圖3)，以潮高起算的零面作為潮高基準(zhǔn)面的原點(diǎn)。

圖3 風(fēng)暴潮警戒潮位電子標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)Fig.3 Design of the electronic marker system of storm surge warning water level

未發(fā)生風(fēng)暴潮時(shí)，在天文潮預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)曲線上僅動(dòng)態(tài)標(biāo)記實(shí)時(shí)潮位數(shù)據(jù)，警戒潮位各級(jí)別低亮度顯示(圖4)。當(dāng)發(fā)生風(fēng)暴潮且產(chǎn)生増水進(jìn)入警戒時(shí)，電子屏除了在潮汐日變化曲線上實(shí)時(shí)顯示潮位數(shù)據(jù)外，對(duì)應(yīng)警戒潮位標(biāo)識(shí)帶遂即高亮頻閃。例如，實(shí)時(shí)潮位達(dá)到藍(lán)色警戒潮位值時(shí)，則高亮顯示藍(lán)色標(biāo)識(shí);當(dāng)達(dá)到紅色是警戒潮位時(shí)，則高亮顯示紅色標(biāo)識(shí)，同時(shí)突出顯示“現(xiàn)在進(jìn)入某色警戒”，從而提醒有關(guān)部門(mén)或涉海人員進(jìn)行防范，由此達(dá)到警示作用。

圖4 室外LED 電子屏顯示示例Fig.4 A screenshot of the outdoor LED electronic screen display

警戒潮位電子標(biāo)識(shí)更新頻率可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。例如，在無(wú)風(fēng)暴潮時(shí)，最長(zhǎng)間隔可設(shè)置每1 h更新一次;有風(fēng)暴潮時(shí)，可根據(jù)需要重新設(shè)置時(shí)間間隔，最小時(shí)間間隔為1 min。

2 風(fēng)暴潮警戒潮位電子標(biāo)識(shí)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

組成風(fēng)暴潮警戒潮位電子標(biāo)識(shí)的數(shù)據(jù)必須準(zhǔn)確、高程基準(zhǔn)統(tǒng)一、時(shí)間同步，因此有2個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)節(jié)點(diǎn)分別為:①發(fā)布與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和警戒潮位判別算法;②傳輸系統(tǒng)的安全穩(wěn)定傳輸。

2.1 發(fā)布與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和警戒潮位判別算法實(shí)現(xiàn)

警戒潮位電子標(biāo)識(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)主要由發(fā)布與控制系統(tǒng)完成，是整套系統(tǒng)的核心。根據(jù)用戶需求，按預(yù)定的時(shí)間間隔，從潮位觀測(cè)的站點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)讀取潮位實(shí)時(shí)記錄(圖5)。

圖5 風(fēng)暴潮警戒潮位判定流程Fig.5 Flow chart for determining the warning water level of storm surge

將獲取的潮位數(shù)據(jù)標(biāo)記在當(dāng)日天文潮預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)曲線對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)上，同時(shí)顯示預(yù)報(bào)潮位和警戒潮位。警戒潮位判別算法是將實(shí)際觀測(cè)潮位值與預(yù)設(shè)警戒潮位值由低而高進(jìn)行判斷比較。若某一時(shí)刻潮位達(dá)到警戒標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別時(shí)，相應(yīng)警戒潮位級(jí)別標(biāo)識(shí)帶高亮顯示，否則低亮顯示。

2.2 傳輸系統(tǒng)保證安全穩(wěn)定傳輸

為提高傳輸效率，并保證潮位觀測(cè)數(shù)據(jù)的安全性，采取直接將電子標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)結(jié)果轉(zhuǎn)化為可視化圖片的方式進(jìn)行傳輸(圖6)。系統(tǒng)根據(jù)用戶終端LED 顯示設(shè)備的最佳分辨率等技術(shù)指標(biāo)，按設(shè)定時(shí)間形成警戒潮位電子標(biāo)識(shí)可視化圖片，經(jīng)過(guò)安全網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)酵饩W(wǎng)電腦，然后利用終端控制器廠家提供的SDK 開(kāi)發(fā)包，并進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，形成新的電子標(biāo)識(shí)可視化圖片數(shù)據(jù)包，上傳至云端服務(wù)器。顯示系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收裝置利用4G 路由器和運(yùn)營(yíng)商提供的4G 流量卡與云端服務(wù)器連接，由云端服務(wù)器接收數(shù)據(jù)包并進(jìn)行解碼，然后通過(guò)HMDI端口將顯示畫(huà)面發(fā)送到顯示設(shè)備完成產(chǎn)品顯示。

圖6 發(fā)布接收流程Fig.6 Flow-process diagram of release and receive

3 電子標(biāo)識(shí)技術(shù)示范與應(yīng)用

根據(jù)上述技術(shù)方案，2019年11月第一套風(fēng)暴潮警戒潮位電子標(biāo)識(shí)在青島奧帆中心建設(shè)安裝，并進(jìn)行示范應(yīng)用。發(fā)布與控制系統(tǒng)建設(shè)在國(guó)家海洋局北海預(yù)報(bào)中心，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)通過(guò)4G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，顯示系統(tǒng)采用戶外LED 屏幕直觀顯示實(shí)時(shí)潮位在預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)曲線上的位置，并向用戶展示潮位的當(dāng)前高度、提示應(yīng)該采取何種措施防護(hù)。建成至今運(yùn)行正常，取得了良好的效果。

為讓社會(huì)公眾了解警戒潮位標(biāo)識(shí)內(nèi)容及其意義，我們?cè)陔娮訕?biāo)識(shí)下方配套建設(shè)了警戒潮位說(shuō)明牌，對(duì)警戒潮位、風(fēng)暴潮災(zāi)害等相關(guān)知識(shí)進(jìn)行解釋和宣傳(圖7)。在后續(xù)建設(shè)中可進(jìn)一步對(duì)依托的支架、用電以及避雷等進(jìn)行完善，對(duì)顯示內(nèi)容、顯示方式及安全防護(hù)等進(jìn)行提升。

圖7 風(fēng)暴潮警戒潮位電子標(biāo)識(shí)在青島奧帆中心的室外示范應(yīng)用Fig.7 Demonstration and application of the electronic marker system of storm surge warning water level at the Qingdao Olympic Sailing Center

應(yīng)用示范一年來(lái)，經(jīng)鄰近涉海單位和部分途徑的游客反饋，普遍認(rèn)為該警戒潮位電子標(biāo)識(shí)顯示直觀明了，對(duì)建設(shè)生產(chǎn)和觀光游覽具有重要意義。

4 展 望

因?yàn)殡娮訕?biāo)識(shí)無(wú)需引測(cè)高程，也不需要考慮海岸地質(zhì)、環(huán)境等問(wèn)題，因此選址、建設(shè)比較靈活和實(shí)用。經(jīng)有關(guān)部門(mén)許可后，可以在漁港碼頭、旅游景點(diǎn)、交通道路、車站廣場(chǎng)等場(chǎng)所建設(shè)，或直接傳輸?shù)揭延械腖ED 大屏幕進(jìn)行顯示，也可以接入到有關(guān)單位會(huì)商室、辦公室等任何需要的地方，甚至可以制作成手機(jī)App來(lái)使用。無(wú)需到海邊就可以通過(guò)警戒潮位電子標(biāo)識(shí)觀察到實(shí)際潮位達(dá)到或即將達(dá)到的警戒級(jí)別，并根據(jù)日天文潮預(yù)報(bào)潮位曲線變化趨勢(shì)粗略研判增水幅度和持續(xù)時(shí)間，這無(wú)疑會(huì)給有關(guān)部門(mén)和公眾帶來(lái)極大的便利。

準(zhǔn)確可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù)，是海洋預(yù)報(bào)部門(mén)發(fā)布風(fēng)暴預(yù)警報(bào)的重要參考，也是各級(jí)政府防潮減災(zāi)指揮決策的依據(jù)[12]。目前我國(guó)沿海各部門(mén)共建有約300余座帶有潮汐觀測(cè)的海洋監(jiān)測(cè)站，為當(dāng)?shù)胤罏?zāi)減災(zāi)提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)支撐。因電子標(biāo)識(shí)制作方便，所以可以充分利用現(xiàn)有海洋站資源，在電子標(biāo)識(shí)產(chǎn)品上增加海水溫度、海浪等水文要素，滿足不同用戶需求。產(chǎn)品既可以在內(nèi)網(wǎng)上直接顯示，也可經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)绞彝怆娮悠辽巷@示。

這種實(shí)時(shí)潮位聯(lián)動(dòng)電子標(biāo)識(shí)，建設(shè)方便、安全可靠，強(qiáng)化了海洋觀測(cè)體系建設(shè)。需要時(shí)可以開(kāi)啟使用，沒(méi)有風(fēng)暴潮預(yù)警時(shí)既可以關(guān)閉，又可以提供潮位實(shí)況，真正為市民提供有用信息，為社會(huì)降低風(fēng)暴潮災(zāi)害防御成本，提高災(zāi)害防御能力。該項(xiàng)技術(shù)不僅適用于海洋，也可進(jìn)一步推廣，應(yīng)用于河流和湖泊的水位預(yù)警。