基于移動客戶端的氣象預警預報系統設計與實現

邱忠洋 付林 吳晶璐 陳宏波

摘要：如何及時、高效地將氣象預報預警信息推送給決策用戶和公眾，為解決這一多元化的需求，常州市氣象局組建團隊研發了氣象預警預報移動客戶端（Andriod/IOS），作為典型的“互聯網+氣象”項目，主要從綜合氣象數據庫設計、GIS服務、Mybatis框架、預警推送、實時預報、防災減災、專項服務等方面為決策提供依據。結合預報、預警、服務等氣象業務需求，有效地對現有氣象信息資源進行整合，并依托GIS系統對現有數據進行管理展示。客戶端具備強大的氣象信息數據處理和分析能力，實現對氣象數據采集、處理、制作、服務管理的一體化。

關鍵詞：移動客戶端；“互聯網+氣象”；預警；預報；GIS；Mybatis框架

中圖分類號：TP399 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2018）08-0108-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.08.027

Design and Implementation of Weather Warning and Forecasting System

Based on Mobile Client

QIU Zhong-yang1，FU ling2，WU Jing-lu1，CHEN Hong-bo1

（1.Changzhou Meteorological Bureau，Changzhou 213022，Jiangsu，China；

2.Shenzhen Kwantler Technology Co.，Ltd.，Shenzhen 518072，Guangdong，China）

Abstract： How to send weather forecasting and early warning information to users timely and effective，in order to solve the diverse needs，the Changzhou Meteorological Bureau set up a team to research and development of meteorological warning of mobile client （Andriod/IOS），As a typical “Internet + weather” project，it provide the basis for decision-making mainly include the comprehensive meteorological database design，GIS service，the framework of Mybatis，the warning signal push，real-time forecasting，disaster prevention and mitigation，special services and other aspects. Combined with meteorological business requirements such as forecast，warning and service，the existing meteorological information resources can be effectively integrated，and the existing data can be managed and displayed on the basis of GIS system. The client has great ability in meteorological information data processing and analysis，realize the integration of meteorological data acquisition，processing，production，service management.

Key words： mobile client； “Internet + weather”； pre-warning； forecast； GIS； the framework of Mybatis

隨著移動互聯網技術的快速發展，智能化的終端應用不斷普及并全方位運用到各個領域，氣象領域也不例外。同時，近年來中國極端天氣事件頻繁，呈現多災害并發、點多面廣的特點，因此如何及時、高效、準確地將預警預報信息推送至決策機構和公眾以降低因災害帶來的損失，成為政府及各應急部門工作中的重點[1]。在此環境下，政府與公眾對移動氣象信息服務需求與日俱增，因此將氣象服務以移動互聯的方式呈現于決策機構和公眾面前顯得十分迫切。常州市氣象局“氣預警預報移動客戶端系統”，是一個典型的“互聯網+氣象”的項目，該App可有效突破傳統信息發布方式的瓶頸，大大拓展氣象信息服務的傳輸渠道，提升信息推送效率，對于促進常州市民有效應對災害性天氣的能力提升有著不可估量的作用，其社會效益、政治效益明顯。同時決策服務App的開發可以集聚大量用戶，為常州市氣象部門未來專業氣象服務的拓展奠定了堅實基礎，有助于挖掘氣象信息服務的經濟效益潛力。

國外學者對移動互聯網與氣象結合方面的研究比較早，應用的領域也比較豐富，如Crowley在Android平臺上開發了SpaceWeather軟件工具用于展示空間天氣數據。中國雖然已經開始建設移動氣象服務，但實際應用還不成熟[2]。常州市“氣預警預報移動客戶端系統”的建設，將有助于整合利用常州市氣象局已有的各類基礎數據資源，并對市氣象局現有業務成果進行改造，增加移動數據接口，供公眾、行業用戶、行業指導部門下載使用，可進一步擴大常州市氣象局的預報、預警和實況監測的信息推送能力，為政府和各行業應對氣候變化和天氣災害所做的決策提供及時可靠的依據。

在此背景下，本研究闡述了氣預警預報移動客戶端系統的設計與應用，以Oracle數據庫為依托構建了綜合數據庫、采用多線程的方式對氣象資料進行入庫處理，使用輕量級框架提供服務，融合GIS技術在地圖上展示各類氣象要素數據，設計了兩套技術方案，分別對于Android和IOS進行設計和研發。

1 系統相關技術

1.1 多線程入庫技術

App所使用到的相關氣象數據必須要導入到數據庫中并提供調用服務，而相關報文以txt形式存在并以通過路由或其他方式進行傳遞。由于報文種類多樣化，數據量極大，使用傳統的單線程操作方式不僅效率低下而且會影響平臺的實時展示。針對這些問題，系統將采用多線程的操作方式進行解析入庫。在多線程處理數據的過程中，一方面會需要使用線程同步機制，即處理數據的各線程依賴掃描主線程，需要掃描線程提供消息進行喚醒調用，而其他的線程則是處于等待狀態；另一方面當共享資源被多個線程爭相使用時，又用到線程互斥機制，即任何時候最多只允許一個線程使用資源，其他要使用該資源的線程必須處于等待狀態，直到占用資源的線程釋放了該資源[3]。

多線程的創建主要從新建線程對象開始，通過線程Start（）方法開始線程操作，線程就緒完畢，則等待CPU分配時鐘片進入運行狀態，若線程發生阻塞，則當前線程進入阻塞狀態，等待阻塞結束，重新回到線程就緒狀態等待CPU分配時鐘片，否則線程結束。具體多線程運作方式如圖1所示。

1.2 Oracle數據庫

Oracle數據庫產品是當前數據庫技術的典型代表，它不僅具備常規的數據庫功能，還包含了與數據庫對應的開發工具和應用客戶端。Oracle數據庫既非純的面向對象的數據庫也非純的關系數據庫，它是兩者的結合，因此叫做“對象關系數據庫”。

Oralce具有以下特點[4]：①對象/關系模型。Oracle不僅能夠處理普通的表結構信息，而且還能夠處理文本、視頻、圖形和空間對象等新型數據類型。②動態可伸縮性。Oracle采用了高級網絡技術，提高共享池和連接管理器來提高系統的可拓展性，能滿足目前數據庫及數據倉庫應用的需要。③可用性和易用性。Oracle提供了靈活多樣的數據分區功能，可以按照數據的類型和數據的取值以及表的結構進行分區。④可管理性和數據安全功能。Oracle提供了自動備份和恢復功能，對分布式操作系統的提供了支持而且還加強了對SQL并行運行的效率。⑤支持多平臺。網絡結構往往含有多個平臺，Oracle兼容性較強，適用于所有操作系統平臺。⑥提供結構化查詢語句。當前支撐移動客戶端的數據庫需要具備強大存儲能力，數據吞吐量需要達到一定的量級，由于客戶端支持多種移動數倍，這就需要數據庫的兼容性能完善，支持windows、linux、unix等常規操作系統等。基于上述原因系統選擇Oracle數據庫作為后臺數據支撐，部分結構如圖2所示。

1.3 GIS技術

地理信息系統（GIS）是一門集計算機科學、信息學、地理學等多門學科為一體的新科學，是由計算機系統、地理數據和用戶組成的。它是一種特定的十分重要的空間信息系統，在計算機硬、軟件系統支持下，對整個與地球表面有關地理分布數據進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統。通過GIS技術可以將具有控件內涵的數據按照實際的需要準確、真實、圖文并茂的展示出來。目前，GIS技術在各行各業的使用已經趨于潮流化。

GIS主要由以下四個方面特性[5]：①計算機系統的支持是GIS的重要特性，GIS的實際應用則表現為計算機軟件上的圖層數據展示，而其內涵在于地理數據中所包含的一些用于分析的要素信息。②GIS操作的是實體地理數據。以GIS技術為依據的信息系統與其他信息系統的最大的區別在于操作的對象是實體的地理數據。③GIS系統具備數據采集、數據管理、數據分析和數據輸出展示多種地理信息的能力，還可以對空間數據進行動態展示。通過已有的數據分析模擬的方式對未來的數據進行預測和估計，實現對地理過程的動態化模擬和決策支持。④GIS技術有開源的GIS服務和商業GIS服務，但開源GIS服務提供的功能有限，且數據不可編輯，而商業GIS服務提供較好的數據服務，支持對數據的編輯修改等。

GIS的應用不斷普及，GIS給業務人員帶來的便捷也是不言而喻，就該系統而言，在城鎮精細化預報及預警信息發布功能上，則是要求選用普通ArcGIS Engine服務。而在臺風路徑、臨近降水等功能模塊則是選用了第三方開源GIS工具進行處理。結合該系統的應用需求則采用了綜合GIS服務（圖3）。

1.4 Mybatis框架提供API服務

Mybatis 是一款優秀的持久層框架，它支持定制化SQL、存儲過程以及高級映射。該框架避免了幾乎所有的JDBC代碼和手動設置參數以及獲取結果集。MyBatis可以使用簡單的XML或注解來配置和映射原生信息，將接口和Java的POJOs（Plain Old Java Objects，普通的Java對象）映射成數據庫中的記錄。Mybatis功能框架主要分為三層[6]：①API接口層：提供給外部使用的接口API，開發人員通過這些本地API來操縱數據庫。接口層接收到調用請求就會調用數據處理層來完成具體的數據處理。②數據處理層：負責具體的SQL查找、SQL解析、SQL執行和執行結果映射處理等，主要目的是根據調用的請求完成一次數據庫操作。③基礎支撐層：負責最基礎的功能支撐，包括連接管理、事務管理、配置加載和緩存處理，這些都是共用的東西，將其抽取出來作為最基礎的組件，為上層的數據處理層提供最基礎的支撐。

考慮到App服務器使用的可擴展性、高效性、兼容性、通用性。選擇Mybatis作為系統開發的ORM框架，框架結構如圖4所示。

1.5 開發語言及相關環境

J2EE（Java 2 Platform，EntERPrise Edition）是一種利用Java 2平臺來簡化企業解決方案的開發、部署和管理相關復雜問題的體系結構，是一個基于組件的體系結構，定義了一套標準來簡化多層分布式企業應用程序的開發，同時定義了一套標準化的組件，并為這些組件提供了完整的服務。

J2EE體系架構將表示邏輯、業務邏輯與數據邏輯相分離，使系統的并行操作、網絡計算能力大為提高，系統的整體性能得以優化，并采用先進的軟件分層設計思想，支持基于框架的開發，降低開發難度和成本，同時降低組件的耦合度，極大地增強軟件的可維護性、可擴展性，滿足大型管理信息系統的要求。

開放語言方面中心服務端采用基于J2EE規范的Java技術，支持JDK1.6以上版本，采用流行的Spring+Struts+mybatis架構及分層體系結構，前端采用Html＼JavaScript＼XML＼CSS＼JSON等頁面技術和規范，構建安全、穩定、高效、簡單實用的中心服務端應用。客戶端支持兩個版本分別為Android、IOS，IOS基于Xcode 8及IOS 10的環境開發，Android基于JDK1.6及Android 4.0的環境開發[7]。

網絡通信及數據傳輸方面采用3G、4G或其他無線技術，數據傳輸采用加密方式，保障信息的安全通信。與其他系統的對接采用安全規范的接口技術，數據格式采用JSON和XML，基于安全規范的制定統一控制接口，重要數據實現加密，支持異構系統、目錄、FTP站點等手動或自動獲取數據。

2 系統設計與實現

系統設計主要包括業務架構設計、技術架構設計、數據處理平臺的設計，其最終目的是讓系統能夠正常業務化運行。

2.1 業務架構分析

預警預報系統客戶端采用了多元化的設計模式，以移動互聯網的方式將氣象預報、預警、實況信息、統計信息、重要天氣、鄉鎮預報、氣候統計、專家用圖等服務產品整合到移動終端中。系統集約化、規范化、流程化管理將全面覆蓋和整合業務數據資源和功能能性需求，以實現“掌上氣象臺”為最終目標。系統主要有七大模塊組成主要包括實況監測、氣象預報、生活氣象、氣候統計、專家用圖、用戶反饋以及配置服務模塊[8]，如圖5所示。

1）實況監測模塊：可以監測天氣實況、雷達圖像、衛星云圖、預警信息、臺風路徑等。

2）氣象預報模塊：可以查詢到預報內容、鄉鎮預報、臨近降水預報、重要天氣報告、氣象專報（春運服務、太湖藍藻、防汛服務等）及氣候評價等相關內容。

3）生活氣象模塊：可以查詢到生活指數及農歷節氣相關信息。

4）氣候統計模塊：包含了對歷年來常州氣象數據的研究統計，包括對歷年降水、氣溫、大風、梅雨等要素的分析統計。

5）專家用圖模塊：為天氣預報人員提供了手機在線參考依據。

6）用戶反饋模塊：提供了App與用戶之間的互動窗口，包括了隨手拍及災害性天氣上傳。

7）配置服務模塊：包括了一些推送設置、好友推薦等功能。

通過App首頁可以實現隨時隨地查詢常州當前天氣實況信息（包括氣溫、雨量、風向風速、濕度、能見度）、預警信息、七天預報、空氣質量、生活指數等相關信息。App力求為用戶提供準確、權威、實時、全面的氣象服務信息服務，為專業用戶、決策用戶提供氣象輔助決策數據服務，同時兼顧公眾用戶需求，為出行、戶外工作計劃等提供可靠的天氣信息服務。

重點闡述監測預報相關模塊的內容，在這兩個模塊中監測包括了實況、雷達、云圖、臺風等相關內容；預報包括了預警、短期、旬報、重要天氣、氣候評價、天氣專報、鄉鎮精細化預報、回波預測等相關內容（圖6）。

2.2 技術架構流程分析

在客戶端系統的研究過程中，使用分層的監控系統框架。通常情況下框架分為5層：物理感知層、接入層、中間件層、服務平臺層和應用層。最底層的物理感知層主要由無線傳感器節點組成，它們負責采集氣象監測數據，并將數據轉發給接入層網關設備，繼而網關設備通過多種網絡連接方式（GPRS/3G/4G）將數據再次轉發給中間件層的實時數據處理平臺，通過中間件對監測數據的實時接收、解析、處理與存儲服務，服務平臺層可以利用這些數據提供諸多種類的數據服務，最終可以開發跨平臺的數據監控客戶端對監測數據進行實時的分析和應用。本研究中重點考慮上三層，數據庫層、服務平臺層和應用層[9]，如圖7所示，展示出了氣象無線傳感網監控系統的分層框架。

1）數據庫層：建設綜合氣象數據庫，由于目前氣象臺所使用數據為文本等多種類型的數據格式，需要將這些文件做成一個產品數據庫（圖8），存儲氣象監測、預報、預警等基礎數據，農業氣象數據、林業氣象數據、環境氣象數據等其他相關數據。

2）服務平臺層：建設中心服務端系統，實現氣象信息的采集、處理、存儲、產品制作、監測報警及發布管理。實現多種應用的統一管理，簡單維護，高效運行和靈活配置。為建立統一的業務運行平臺提供數據支撐與技術支持。①具備數據處理功能，將所有的業務上的計算、數據的處理、邏輯的判斷都整合在后臺中心服務器，降低對客戶端的負載壓力。②產品的制作功能，針對App的需求所提出的多種氣象產品，對產品的軟件化的實現將放置在后臺中心服務器實現。包括預報產品、生活指數、雷達云圖、預警信息、區域站統計、天氣實況等。③多方位推送，將氣象預警信息、氣象服務信息、交通信息等相關的信息推送至手機客戶端。

3）應用層：建設手機客戶端系統，實現基于GIS的各類生活氣象服務、氣象預警接收、氣象災害防御信息服務等的查詢和展示。客戶端支持Android、IOS兩個版本。

2.3 數據處理平臺多線程設計

客戶端系統數據經過解析、質控后則將數據錄入到數據庫中。入庫系統采用了多線程的操作方式，主要包括了主線程、讀寫線程、解析線程以及入庫線程，主線程主要進行數據報文文件的預處理及掃描定時器的設定，并啟動誤寫線程，讀寫線程被啟動后，則進行數據文件的讀取，文件辨別，接著進行文件分類，分類完畢則進入解析線程，解析線程則是對文件進行讀取截取字段，提取各個要素值，接著調用各種質控方法對數據進行質控控制數據分析，并劃分數據等級，最后則是調用入庫線程，執行寫的操作并寫日志保存，最終則是將結果逐級向主線程反饋[10]（圖9）。

2.4 系統其它相關設計要求

系統基于多方面考慮對整體的框架做了如下幾點設計要求：

1）統一管理模式、應用軟件和傳輸信息，實現網絡信息統一、標準統一、接口統一。

2）網絡安全，信息保密，穩定可靠，高效運行。將網絡安全、信息保密放在首位，確保網絡和系統穩定性和可靠性、高效性和信息保密性。

3）系統支持，包括Android和IOS兩種，設備類似于iPhone 5s、iPhone 6/6s、Samsung等。

4）服務更新不間斷原則，便捷地數據傳遞更新服務，高效的信息服務引擎，保證信息24小時不間斷在線連接；服務器定時自動推送，地理位置精確到區、縣；完全無需用戶干涉。一次安裝，終身自動使用。

5）設計模塊化及可拓展性，以功能塊為單位進行程序設計，降低程序復雜度，使程序設計、調試和維護等操作簡單化；系統應具備可擴展性，可以在未來添加新功能或修改完善現有功能。

6）安全性原則，安全性原則包括物理安全、網絡安全、應用安全、數據安全、管理安全。支持數據的熱備份，保障系統的穩定安全運行，防止數據丟失[11]。

3 系統展示及應用

軟件展示方面，主要展示3個核心模塊：首頁、實況監測以及天氣預報模塊。與客戶端系統相匹配的還有一套后臺管理的Web網站，用于維護和統計客戶端數據。

3.1 首頁

顯示當前時間地名、溫度、濕度、風向、風速、日出、日落、能見度，實況更新時間、天氣背景、歷史今天，當有新的重要天氣、氣象專報發布時，均顯示為藍色圖標，沒有默認是白色圖標；當有預警發布時，首頁會顯示預警圖標；未來7 d預報信息，空氣質量以及生活指數等；點擊語音圖標能進行語音播報，點擊左側上方圖標會打菜單，點擊右側上方圖標則顯示一些自動站信息，如圖10所示。

3.2 實況監測

包括常州、金壇、溧陽3個基本站點的氣溫數據、降水、能見度、氣壓、相對濕度、風速風向等模塊數據以及色斑圖（圖11）。根據選擇不同地區得到不同的衛星云圖，雷達圖像、臺風路徑、生成動態變化的圖像，并且進行播放。左上角點擊分享可以將截圖分享到微博、QQ、微信以及微信朋友圈等。

3.3 天氣預報

主要顯示短期預報、一周天氣預報、旬報等3個模塊（圖12），讓用戶對天氣情況了如指掌。鄉鎮精細化預報主要顯示了一些常州市周邊鄉鎮的天氣情況，點擊天氣圖標可以顯示該地區的一些實況信息，包括最低溫最高溫、風速風向、濕度以及發布時間等信息。預報還包括臨近降水預報以及其它的氣象服務報告。

3.4 接口管理

通過對接口管理可以方便實現對專業用戶、決策用戶及普通用戶權限的劃分。同時添加接口認證的方式可以實現對黑白名單用戶的控制，只有在系統中賦予了API權限的用戶才可以對接口進行使用。系統的安全性能得到了很好的控制。

3.5 應用統計

管理員可以看到各個接口的使用次數的柱狀圖，并且可以看到接口認證中的不同用戶的接口使用餅圖，可以根據這些統計數據知道用戶常用的功能或數據，從而挖掘用戶的喜好，為未來的客戶端的改進提供服務。該功能也迎合了人工智能大數據對數據的剖析要求。

4 結語

由于氣象條件的變化直接影響到生活中的方方面面，因此深入研究氣象與人們的生活，提供氣象預報預警服務，是城市經濟和社會發展的需要，也是氣象部門的重要責任。做好氣象服務和保障工作，對于確保人們生活出行正常進行具有重要意義。系統提出了實現“掌上氣象臺”的最終目標，結合先進的J2EE平臺架構，跨平臺部署，實現多級多節點分布式部署，并能夠支持第三方整合接入。在數據整合方面豐富了移動客戶端決策輔助材料，涵蓋春運服務、太湖藍藻、防汛服務、夏收夏種、秋收秋種、重要天氣、氣候評價等諸多方面，以此建設的集約化服務產品采集平臺可供氣象臺進行文件產品的集約化管理。氣象服務手段的移動化，氣象信息發布的便捷化對社會經濟以及防災減災有極其重要的意義。

就目前而言系統處于應用階段，還有很多不足和需要改進的地方。尤其是在海量數據處理和展示的模式上，未來將采用數據挖掘以及人工智能等方面的研究成果應用到氣象服務中來，結合成“互聯網+氣象+人工智能”的全新提法并投入應用。

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