氣象資料實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用研究

王立俊，李晉峰，程洪濤，鄭虹暉

(1.海南省氣象信息中心，海南 海口 570203；2.海南省氣象服務(wù)中心，海南 海口 570203)

0 引 言

近年來，氣象信息化、現(xiàn)代化發(fā)展迅速，氣象資料的種類和數(shù)據(jù)量呈指數(shù)型增長，氣象資料傳輸?shù)臅r(shí)效性和正確性要求也越來越高，這就需要穩(wěn)定可靠的信息傳輸系統(tǒng)以及資料共享服務(wù)系統(tǒng)[1-2]，而省級氣象信息中心作為氣象數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹修D(zhuǎn)站和地區(qū)重要數(shù)據(jù)的存儲中心，需要保障氣象資料傳輸以及共享的安全性和可靠性。目前，國家氣象局正式將CIMISS系統(tǒng)投入運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了國-省氣象資料的傳輸和共享，但各省仍需要為省-市(縣)氣象資料的傳輸和共享建立完善的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)警氣象資料的缺發(fā)情況，盡早采取有效的解決方法，才能高效、及時(shí)地保障氣象業(yè)務(wù)工作中對氣象資料的需求。

本省氣象信息中心的氣象資料監(jiān)控軟件種類繁多，例如區(qū)域站、雨量站和浮標(biāo)站由不同的監(jiān)控軟件傳輸；同時(shí)，也承擔(dān)著向各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供各類氣象資料的任務(wù)，例如：海南省氣象局網(wǎng)站、海南省信息服務(wù)網(wǎng)、市縣氣象綜合一體化平臺，三防部門的互聯(lián)網(wǎng)+防災(zāi)減災(zāi)信息平臺等。若某種數(shù)據(jù)在某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，將會引起大面積數(shù)據(jù)顯示缺失，因而需要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的監(jiān)控和預(yù)警。

針對上述問題，設(shè)計(jì)和研發(fā)了一套集站點(diǎn)管理、預(yù)警時(shí)效管理、短信預(yù)警等功能的氣象資料實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了氣象資料的實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)發(fā)生異常時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)用戶設(shè)置的預(yù)警時(shí)效配置，通過網(wǎng)頁、短信形式分級分類向值班人員發(fā)送預(yù)警，讓值班人員盡早解決故障。

1 相關(guān)技術(shù)

1.1 氣象信息傳輸業(yè)務(wù)流程

海南省的氣象信息傳輸業(yè)務(wù)流程是以市縣-省-國家形式收發(fā)。首先，省內(nèi)各市縣氣象局通過氣象業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)，以FTP的形式將各類氣象資料(地面、高空常規(guī)觀測資料)發(fā)送到省級報(bào)文處理服務(wù)器，經(jīng)收集處理后，由省級報(bào)文處理系統(tǒng)分發(fā)給CIMISS系統(tǒng)的CTS模塊，由該模塊將資料上傳到國家氣象信息中心。整個市縣-省-國家資料傳輸過程中，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常，都會影響傳輸質(zhì)量。其次，一些重要的氣象共享資料是通過Micaps和Cmacast系統(tǒng)接收的，目前省級仍無有效的監(jiān)控和處理機(jī)制，經(jīng)常因異常故障而無法提供最新的資料，影響了其他業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)[3]。

因此，為了更好地保障氣象資料的傳輸質(zhì)量和為天氣預(yù)報(bào)、氣象服務(wù)提供實(shí)時(shí)、有效的數(shù)據(jù)服務(wù)，研究并開發(fā)了一套省級氣象資料實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)控系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的信息傳輸過程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)信息傳輸過程

1.2 SSJ框架

SSJ框架是目前主流的輕量級J2EE軟件架構(gòu)，根據(jù)Struts2、Spring和JPA三者的應(yīng)用特性整合而成，其基本架構(gòu)如圖1所示。其中，Struts2為表現(xiàn)層，是所有業(yè)務(wù)邏輯的最終展現(xiàn)層，充當(dāng)邏輯層的客戶端，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；Spring為業(yè)務(wù)邏輯層，負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)對象轉(zhuǎn)換傳遞、業(yè)務(wù)邏輯組織及事務(wù)控制等工作，由spring framework實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)beans間的依賴關(guān)系管理和運(yùn)行時(shí)的注入和事務(wù)控制等功能；JPA為數(shù)據(jù)持久層，負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的持久化存儲，采用O/R Mapping技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

圖2 SSJ工作流程

Struts2是基于MVC(model-view-controller)開發(fā)模式的開源Web層應(yīng)用框架，主要采用Servlet和JSP技術(shù)實(shí)現(xiàn)，具有很高的可配置性[3-4]。Spring是Open Source開發(fā)的一個多層J2EE框架，為企業(yè)提供了一種輕量級的業(yè)務(wù)解決方案，通過簡單的配置，可以實(shí)現(xiàn)“快速裝配式企業(yè)組件”，在此基礎(chǔ)上，Spring提供了包括多種持久化數(shù)據(jù)庫，聲明式事務(wù)管理和Web Services遠(yuǎn)程訪問業(yè)務(wù)邏輯的解決方案。JPA是一個易于使用、伸縮性強(qiáng)的ORM規(guī)范，通過Java 5中的注釋和對象/關(guān)系映射，實(shí)現(xiàn)操控對象即操作數(shù)據(jù)庫的目的，為數(shù)據(jù)持久化提供了更簡單、易用的編程方式。相對于傳統(tǒng)的通過JDBC和SQL手工操作數(shù)據(jù)，使用JPA，可以不用自行處理對象在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的持久化[5]。

通過SHJ這三種框架的優(yōu)化組合實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)分層解耦，一方面使系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展能力和可維護(hù)性，另一方面有利于項(xiàng)目組各角色的明確分工，提高開發(fā)效率，縮短系統(tǒng)開發(fā)周期。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

由于氣象資料類型眾多和格式不一，而本省信息中心的監(jiān)控軟件繁多，又要給其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)分發(fā)氣象資料，為了更好地保障氣象資料的傳輸質(zhì)量和滿足氣象業(yè)務(wù)服務(wù)對資料的要求，在對比其他省份已有的資料監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上[6-12]，結(jié)合本省的特殊性，分析、總結(jié)出本省氣象資料監(jiān)控預(yù)警的工作流程，設(shè)計(jì)了整個系統(tǒng)的工作流程，如圖3所示。

根據(jù)資料監(jiān)控預(yù)警的特點(diǎn)，系統(tǒng)旨在將各類資料的監(jiān)控行為逐一集中到一個平臺上，并對逾限未到的資料進(jìn)行分級分類預(yù)警，主要分為兩部分：系統(tǒng)啟動后，會自動加載當(dāng)前的監(jiān)控和預(yù)警配置信息，加載完畢后啟動監(jiān)控線程，實(shí)時(shí)對各類資料進(jìn)行監(jiān)控，若監(jiān)控到異常發(fā)生，則啟動預(yù)警功能(無論預(yù)警與否，監(jiān)控是不中斷的)；當(dāng)監(jiān)控到有異常發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)會根據(jù)之前加載的預(yù)警配置信息，啟動網(wǎng)頁和短信預(yù)警。其中，網(wǎng)頁預(yù)警是以聲音告警，滾動條顯示異常信息，短信預(yù)警則是根據(jù)短信設(shè)置信息，對異常信息進(jìn)行分級分類，然后自動編輯短信信息，發(fā)送給相應(yīng)的值班人員和領(lǐng)導(dǎo)。

根據(jù)上述分析所得的系統(tǒng)工作流程，并結(jié)合實(shí)際的業(yè)務(wù)需求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體架構(gòu)和功能模塊。考慮到業(yè)務(wù)化運(yùn)行，系統(tǒng)架構(gòu)中應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器相互獨(dú)立，兩者通過氣象內(nèi)網(wǎng)相互通信，并有熱備份機(jī)，定時(shí)備份，以便發(fā)生故障時(shí)，能快速地切換到備用服務(wù)器，保障業(yè)務(wù)不中斷。

圖3 系統(tǒng)工作流程

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)組成如圖4所示，主要有6個功能模塊。

圖4 系統(tǒng)組成

用戶信息管理模塊主要負(fù)責(zé)為管理人員提供系統(tǒng)用戶的添加、刪除、修改和分配權(quán)限等操作，不同權(quán)限的系統(tǒng)用戶的訪問級別不同，目前劃分為普通用戶、值班用戶和超級管理員三類角色。普通用戶是給市縣臺站使用，只能查看監(jiān)控和預(yù)警信息，值班用戶是給運(yùn)控科值班人員使用，除了查看外，還能對預(yù)警信息進(jìn)行處理，而超級管理員是負(fù)責(zé)保障系統(tǒng)的正常使用，能使用系統(tǒng)的所有功能。

站點(diǎn)信息管理模塊主要提供對國家站、區(qū)域站、雨量站、土壤水分站和GPSMET等站點(diǎn)的信息管理，可以通過判定站點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)和預(yù)警屬性，確定是否對該站點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控預(yù)警。如果某站點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)異常，則把該站點(diǎn)從監(jiān)控列表中移除，避免不必要的預(yù)警。由于省級監(jiān)控的各類站點(diǎn)較多，本模塊還提供批量導(dǎo)入功能，能快速地更新監(jiān)控列表。

預(yù)警時(shí)效管理模塊主要提供對監(jiān)控列表中的各類資料的預(yù)警時(shí)效進(jìn)行配置，預(yù)警時(shí)效包括狀態(tài)時(shí)效、網(wǎng)頁預(yù)警時(shí)效和短信預(yù)警時(shí)效。狀態(tài)時(shí)效是指對資料的接收狀態(tài)進(jìn)行時(shí)效監(jiān)控；網(wǎng)頁預(yù)警時(shí)效是指資料逾限后，觸發(fā)網(wǎng)頁預(yù)警行為的時(shí)效；短信預(yù)警時(shí)效是指資料逾限后，觸發(fā)短信預(yù)警行為的時(shí)效。網(wǎng)頁和短信預(yù)警時(shí)效的數(shù)值大于或等于狀態(tài)時(shí)效的數(shù)值。預(yù)警列表是根據(jù)監(jiān)控列表和預(yù)警配置信息生成的。

圖片信息管理模塊主要提供對各類雷達(dá)圖及衛(wèi)星云圖等圖片的信息管理，可以通過設(shè)置圖片的運(yùn)行狀態(tài)和預(yù)警屬性，確定是否對該圖片進(jìn)行監(jiān)控預(yù)警，如果某種圖片的運(yùn)行狀態(tài)異常(雷達(dá)基數(shù)據(jù)、雷達(dá)產(chǎn)品或云圖)，則需把該類圖片從監(jiān)控列表中移除，避免不必要的預(yù)警。

短信設(shè)置管理模塊主要提供設(shè)置短信預(yù)警信息的功能，可以對短信接收人進(jìn)行分類設(shè)置，并結(jié)合監(jiān)控列表和預(yù)警配置信息，生成短信預(yù)警列表，實(shí)現(xiàn)對資料的分級分類預(yù)警。

預(yù)警信息處理模塊主要為值班人員提供對已產(chǎn)生的預(yù)警信息進(jìn)行處理的功能，值班人員查看預(yù)警信息后，采取有效的措施去處理預(yù)警信息，若是處理成功，則由值班人員設(shè)置該預(yù)警信息的處理狀態(tài)，使該預(yù)警信息失效。

2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器是分離的。主從數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之間定時(shí)備份系統(tǒng)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫選用Oracle[13]，采用集中式數(shù)據(jù)管理。主從應(yīng)用服務(wù)器的應(yīng)用配置環(huán)境是相同的，使用負(fù)載均衡[14]來保證應(yīng)用服務(wù)器的性能，應(yīng)用服務(wù)器容器使用Apache Tomcat[15]。系統(tǒng)應(yīng)用是基于多層組件式B/S架構(gòu)和Struts2、Spring、JPA框架，采用Java語言實(shí)現(xiàn)，具有良好的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。

系統(tǒng)的監(jiān)控首頁如圖5所示，功能菜單在左邊側(cè)欄，系統(tǒng)用戶點(diǎn)擊相應(yīng)的功能，即可進(jìn)入相應(yīng)的功能頁面；右邊欄是監(jiān)控及預(yù)警信息的展示頁面，主要包括三部分：以列表的形式顯示當(dāng)前時(shí)次各類自動站(國家站、區(qū)域站、雨量站)等的接收統(tǒng)計(jì)信息；以列表的形式顯示當(dāng)前時(shí)次各類云圖、雷達(dá)產(chǎn)品圖的接收統(tǒng)計(jì)情況；以滾動條的形式顯示截止當(dāng)前時(shí)次最新的未處理預(yù)警信息。當(dāng)后臺監(jiān)控到預(yù)警信息時(shí)，網(wǎng)頁會自動發(fā)出聲音告警提醒值班人員，并在首頁滾動顯示未處理的預(yù)警信息，值班人員查看未處理預(yù)警信息后，采取有效的解決措施，處理完后，將預(yù)警信息的狀態(tài)設(shè)置成已處理。

圖5 監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)首頁

系統(tǒng)還提供預(yù)警時(shí)效的設(shè)置，可根據(jù)業(yè)務(wù)需要，靈活調(diào)整預(yù)警時(shí)效，包括前文提到的狀態(tài)時(shí)效、網(wǎng)頁預(yù)警時(shí)效和短信預(yù)警時(shí)效。如圖6所示，通過設(shè)置不同類型的報(bào)文的預(yù)警時(shí)效，完成對報(bào)文的分級分類監(jiān)控和預(yù)警。例如：某個時(shí)次后臺監(jiān)控到預(yù)警信息時(shí)，除了網(wǎng)頁的聲音告警外，系統(tǒng)還會根據(jù)當(dāng)前的預(yù)警信息，自動生成預(yù)警短信，發(fā)送給相應(yīng)的值班人員和領(lǐng)導(dǎo)，預(yù)警短信示例如下所示：

若某個時(shí)次的區(qū)域站個別站點(diǎn)數(shù)據(jù)接收不正常，則短信的編輯內(nèi)容為：“您好！觀測時(shí)次為2017-04-08 10:20:00，區(qū)域站站號為M1001、M1002數(shù)據(jù)不正常，請及時(shí)處理，謝謝！。”

若某個時(shí)次的雷達(dá)或云圖圖片接收不正常，則短信的編輯內(nèi)容為：“您好！觀測時(shí)次為2017-04-07 22:09:21，三亞多普勒雷達(dá)圖的75公里基本反射率數(shù)據(jù)不正常，請及時(shí)處理，謝謝！。”

圖6 預(yù)警時(shí)效設(shè)置頁面

3 結(jié)束語

針對省級氣象信息中心在氣象資料實(shí)時(shí)監(jiān)控方面存在的監(jiān)控軟件眾多、監(jiān)控任務(wù)繁雜等問題，在對比、參考其他省份已有資料監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，并結(jié)合本省氣象資料的監(jiān)控特點(diǎn)，總結(jié)出符合本省的氣象資料監(jiān)控流程，設(shè)計(jì)、研發(fā)了一套集站點(diǎn)管理、預(yù)警時(shí)效管理、短信預(yù)警等功能的氣象資料實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)控系統(tǒng)。當(dāng)異常發(fā)生后，系統(tǒng)能快速向值班人員預(yù)警，有效地保障氣象資料的傳輸質(zhì)量并提供及時(shí)、高效的氣象服務(wù)。試運(yùn)行結(jié)果表明，系統(tǒng)各個功能模塊運(yùn)行穩(wěn)定。未來系統(tǒng)將會接入更多類型的氣象資料和提供更多的預(yù)警方式，以更有效地監(jiān)控、預(yù)警氣象資料。

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