綜合型氣象科普信息互動服務平臺開發及應用

歐善國，梁 進

(1.廣州市氣象學會，廣東 廣州 511430；2.華南理工大學 自動化科學與工程學院，廣東 廣州 510640)

0 引 言

普及氣象科學知識，提高全民氣象科學素質，是提高全民科學素質的重要內容和必然要求，也是實施國家創新驅動發展戰略的必然要求[1]。近年來，國內氣象科普推廣工作的廣度和深度不斷加強。但是，氣象科普工作在實踐中仍存在一些不足，譬如，宣傳形式單一、缺乏互動性等等，不能滿足社會經濟發展和公眾日益增長的需求。網絡化和信息化的氣象科普相對傳統科普具有數字化、多媒體、實時性、快速性、全球性、交互性等獨特優勢[2-4]。無論是信息傳遞速度，還是信息輸入和輸出渠道，便捷的網絡都讓傳統方式為之折服。利用網絡資源優勢促進科普推廣與傳播是一種現代工作方式[5-7]。氣象科普要著重發揮信息系統的交互性優勢，因為交互性的引入，可以使人們對氣象知識和氣象活動產生好奇的興趣，激發了解和探索的本能，讓用戶在強烈參與感下積極地汲取相應信息[8]。

該文以廣州市氣象學會網站為例，從氣象科普信息與互動服務平臺總體功能需求、系統架構、關鍵技術與應用模塊以及部署實施工作等方面，深入探討氣象科普信息與互動服務平臺建設方案，通過典型應用場景與效果，充分說明所設計開發的氣象科普服務信息平臺的適用性和推廣價值。

1 系統功能需求

氣象科普服務信息服務平臺需要長期可靠地向公眾推送氣象科普信息，提供在線互動，因此，從信息內容、在線互動過程、信息采集、信息安全與用戶權限等四個基礎方面，具備如下功能：

1.1 信息管理與發布功能

氣象信息包括天氣預報、氣象新聞、科普知識、氣象人文、科普視頻等，需要分門別類地組織、發布和管理這些信息。而這些信息具有碎片化、多來源的特點，信息的采集、編輯、管理和發布需要有完整的內容管理系統來實現。

根據網站頁面的基本關聯結構，氣象科普服務信息系統主要按照欄目分類科普信息內容，即每個欄目將管理某一主題的信息內容，欄目之間還可以建立分層與嵌套關系，通過綁定欄目列表和內容頁面，在首頁形成樹形導航欄結構，可以讓訪問者以首頁為入口，瀏覽整個網站內容。同時，科普知識文章的編輯可以基于欄目管理各自的編輯內容，經過審核后可以推送到前臺頁面。因此，該平臺首先需要建立欄目管理、信息管理、頁面HTML+CSS模板、多媒體文件管理與播放配置等功能，并具備科普頁面內容在線編輯、審核、發布和信息反饋等后臺管理功能，各類功能間的聯系如圖1所示。

1.2 科普活動的在線互動與過程管理功能

在線互動是平臺的重要功能，可以實現科普活動的組織發起、過程管理和效果評價等全流程管理，氣象科普工作者和活動參與者之間通過在線互動平臺，建立直接的交互過程，可以提高科普活動工作的組織效率和參與便捷性，能夠很好地調動各方面人員對科普活動的積極性。因此，綜合氣象科普活動在線交互的流程，主要功能流程如圖2所示。典型應用包括科普基地參觀預約、氣象專家講座預約、氣象知識競賽、氣象作品比賽、問卷調查、科普活動報名等。

圖2 氣象科普活動在線交互功能的基本流程示意圖

1.3 可擴展的Web信息采集與數據管理

氣象科普服務需要通過采集公眾反饋信息來創新服務內容和方式[9]，因此，在平臺的使用過程中需要定制各類Web頁面的表單(form)，用于公眾提交反饋數據。系統管理員可以操作數據庫，定義采集信息存儲到數據庫的表結構，設計和應用頁面表單的數據項及其與數據庫表字段的對應關系，建立數據的完整性檢驗機制，配置數據存取的權限，從而實現兼容性強、擴展性好的Web信息采集表單定制功能，提高信息服務平臺的靈活性和適應性。如圖3所示，表單定制與數據存儲以及數據管理的關系，與后續的權限管理功能相結合。

圖3 表單定制與數據存儲管理功能關系示意圖

1.4 網站信息安全保障功能

跟所有B/S架構的信息服務系統一樣[10]，由于服務器接入到互聯網，保障系統的信息安全是一項重要功能。基于一般性的信息系統安全機制，除了提供服務器入網安全措施，包括防火墻(Firewall)、病毒防護等，還需要具有靜態網頁的防篡改、動態網頁SQL注入、腳本嵌入、交互數據加密與授權訪問、操作日志管理審計等安全功能，限于篇幅，不詳敘述，如圖4所示。

圖4 平臺信息安全的功能需求

1.5 用戶角色和系統操作權限管理

氣象科普服務信息平臺用戶很多，包括在內容管理系統中進行后臺操作的用戶和訪問網頁參與信息交互的前臺用戶，前一類用戶負責安裝配置系統功能，人員權限管理，在線編輯頁面內容以及管理數據庫等操作，后一類用戶主要是各類會員的操作權限，如氣象學會會員查看學會通知和文件，科普會員在線申請參加科普活動，提交活動資料等，因此，平臺需要具有系統角色定義、配置和管理功能。角色權限與系統操作模塊相對應，不同角色可以獲得不同的操作權限，參與不同的氣象科普服務在線業務。兩類用戶角色及操作權限如圖5和圖6所示。

圖 5 平臺系統管理和維護操作的角色分類

圖6 平臺系統管理前臺用戶角色分類

2 系統總體框架設計和關鍵技術

根據氣象科普服務信息平臺的功能需求，系統實施框架采用B/S架構和Web2.0技術，針對交互式網站的安全標準，在網頁管理和發布機制、Web表單數據提交和處理、敏感數據加密傳送等模塊上開發了一些關鍵技術，提高信息平臺的可靠性和安全性。

2.1 系統總體架構

系統網絡拓撲結構包括用戶端(Client/Browser)和服務端(Server)。其中，客戶端利用瀏覽器通過互聯網訪問服務器的指定頁面，服務端采用數據庫存儲氣象科普數據與信息，響應用戶端的訪問請求，將信息頁面的HTML腳本推送給客戶端，客戶端瀏覽器解析顯示頁面，或者服務端接受客戶端通過Web表單提交的數據，檢查數據的完整性和合法性，保存到數據庫。該平臺采用的網絡服務框架如圖7所示。

圖7 氣象科普服務信息平臺網絡拓撲結構示意圖

其次，系統服務軟件平臺由數據庫(MySQL)、服務語言(PHP)[11]、服務引擎(Apache)等組成，運行環境為Microsoft Windows Server 2008及其以上版本。根據完備性、可靠性、可維護性、可拓展性的開發原則[12]，遵循信息安全保障服務標準，確保信息系統開發規范和運行安全，在系統數據邏輯結構上分為基礎設施層、數據存儲層、技術開發層、應用處理層四個層次，平臺的總體框架見圖8，具有標準與規范體系和維護與保障體系。

圖8 平臺的總體框架設計示意圖

Web服務基礎設施層是信息服務平臺開發和運行必須的軟硬件部分，包括服務器硬件和操作系統、網絡通訊設備與軟件、數據庫管理系統及其通信接口。服務軟件層是信息服務平臺開發信息服務應用功能必須的軟件環境，包括數據庫、服務引擎與服務代碼開發工具。數據管理層主要包括氣象科普知識圖文庫、氣象用戶信息數據庫和互動管理數據庫，按照數據庫設計的關系模式保存各類數據，支持Web遠程管理。開發技術層通過業務流程分析、Web遠程操作數據庫、任務調度和服務代碼調試，利用系統數據開發服務功能模塊。應用處理層主要根據業務邏輯，響應客戶端的頁面訪問請求，讀取頁面圖文內容，根據頁面模板編排頁面，或者產生交互表單，實現內容查詢、數據采集與用戶信息管理等功能。采用PHP動態頁面技術進行編寫，具有數據查詢、數據數據處理、頁面展示等功能，具有可移植性和獨立應用性[13]。

2.2 系統關鍵技術

該系統在開發和實現部署中除了采用B/S三層結構和Web2.0技術(包括HTML 5.0，JQuery，SQL，PHP動態頁面技術，Session并發控制等)之外，在業務邏輯處理、信息安全和數據庫操作方面采用了如下關鍵技術：

2.2.1 基于MVC模型的動態網頁架構技術

MVC[14](model view controller，即模型-視圖-控制器)作為B/S架構服務系統開發的經典框架，將業務邏輯、數據、頁面顯示分離的方法組織服務代碼，易于實現分散的業務邏輯聚集到整體的功能模塊，在改進和個性化定制界面及用戶交互的同時，不需要重新編寫業務邏輯，對于采用動態網頁實現信息服務平臺的開發工作，具有重要的應用價值。將業務數據和業務邏輯以及內容顯示映射到圖形化用戶界面中，體現完整的邏輯關系，采用此類技術設計動態頁面的功能結構，具有優越性。

2.2.2 表單數據的交互式可逆加密技術

在訪問用戶通過頁面表單提交各類數據時[15]，由于涉及到用戶賬號與密碼、SQL數據操作腳本、服務程序代碼等敏感數據或文本，需要加密傳送，而出于系統建設和維護成本的考慮，又不宜采用加密插件或SSL等技術，特別是為了支持手機端同步訪問，需要在通信通道加密技術的基礎上，增加應用層的文本加密功能，在表單頁面發送數據前采用Javascript腳本函數將用戶數據轉換成密文，服務端收到密文后還原數據，進行后續的業務處理。在此主要設計和開發了一種交互式加密方法，即通過服務端和客戶端的隨機數列交互產生一組密文掩碼，可以由服務端控制密文還原方法，從而實現一種服務端控制的輕量型加密技術，應用于實際系統。

2.2.3 數據庫遠程管理維護技術

出于系統信息安全的需要，信息服務平臺的數據庫維護需要在嚴格權限管理下進行操作[16]。因此，主要采用MySQL數據庫的Web遠程管理接口和服務模塊，通過配置數據庫用戶操作頁面，實現不同級別的數據定義、查詢和插刪改操作，產生完備的操作日志，用于系統安全審計。

3 平臺的主要功能模塊

廣州市氣象科普服務信息平臺從網站功能結構上分為前臺信息發布與交互、后臺信息管理兩大模塊功能。

3.1 前臺信息發布與交互模塊

3.1.1 新聞熱點欄目

包括氣象新聞動態、微談天氣、科普活動公告通知等，用于發布各類氣象新聞、學會通知、氣象科普活動公告等。

3.1.2 氣象科普欄目

包括科普知識、氣象人文、綜觀天下、安全知識、物候觀測、科普基地、活動報名、專家講座，提供有關氣象科普知識和人文知識、氣象儀器知識、物候觀測知識、安全知識，以及科普基地參觀預約、活動報名、邀請科普團隊進校園等。

3.1.3 互動社區欄目

包括知識競賽、作品比賽、每日競答、問卷調查、作品分享、隨手拍圖、互問互答、網站建議等，用于實現科普服務在線互動。用戶可以通過臺式電腦或手機端訪問頁面內容。

3.1.4 賞云分享欄目

該欄目是一類專題欄目，包括云像集、云知識、互動區、俱樂部，主要用于向公眾采集優美氣象云圖，分享云像作品，圖文并茂地分享各類云知識，建立活動區和俱樂部，開展氣象云知識普及工作與趣味性活動。

3.2 后臺信息管理模塊

后臺信息管理模塊是系統維護、信息更新、信息管理和安全監管的操作平臺。根據網站操作權限如管理員、欄目負責和編輯等配置用戶，負責完成相應的平臺內容管理和科普活動組織、資料統計與結果評價分析工作。

4 平臺實踐應用情況

本平臺為中小學生提供豐富的氣象科普內容，并開展多學科融合、線上線下相結合的校園氣象科技教育活動，成為廣州市氣象科普教育基地的補充和延續。平臺已經運行了近6年，累計訪問量達到了360萬人次左右，年均60多萬人次，科普宣傳范圍廣，社會效益顯著。平臺發表氣象科普文章3 000余篇，高清的氣象科普視頻和科普游戲50多個，舉辦線上競賽20多次，參賽中小學生3萬余人次。平臺有兩個品牌線上活動：(1)廣州市氣象與生活科普知識實踐活動。該活動已舉辦4年，學生參加人數2016年共有6 000多人，2017年8 000多人，2018年9 903人，2019年7 745人，活動規模大，影響力大。(2)廣州市氣象科普創客教育活動。活動全面貫徹《新一代人工智能發展規劃》精神，活動包括電腦繪畫、電子報刊、電子板報、Scratch電腦游戲編程、App Inventor手機游戲編程、Scratch電腦動畫等多個比賽項目。該活動已舉辦3年，收獲學生作品1 500多個。2018年教育部等九部門印發《關于印發中小學生減負措施的通知》，規定：“限制競賽評優活動。不得組織學生參加社會上未經教育行政部門審批的評優、推優及競賽活動。”但是，鑒于上述兩項活動的成功舉辦，活動有特色和創新性，社會效益顯著，廣州市教育局批準在2019年由廣州市青少年科技教育協會和廣州市氣象學會聯合舉辦，共同推動這兩項活動發展成為全市性青少年科技活動項目，對氣象科普覆蓋廣州市、輻射全國具有示范引領作用。2018年廣州市氣象學會網站開展了面向中小學老師和學生問卷調查活動，共計發放問卷2 319份，學生認為參加平臺氣象科普活動對個人學習或視野有“有促進”與“明顯促進”的人數高達85.46%，更有93.6%老師認為利用平臺開展校園氣象科普活動對培養學生科學素養效果為“相當明顯”或“比較明顯”，說明該平臺在中小學科技教育中發揮著重要作用。

此外，信息系統的安全性高，沒有發生過任何網站信息泄露、頁面篡改與數據攻擊等事故。

5 平臺設計創新點

該平臺具有信息量大、互動性強的特點，其中的互動功能及管理功能具有眾多創新性，在全國氣象科普平臺獨樹一幟，獲得多個創新大獎。如：廣州市氣象與生活科普知識實踐活動線上初賽采取線上20分鐘回答50道題的形式進行，活動允許學生分段時間來完成競賽，每次所花的時間和看過的試題在下次繼續答題中都自動減去，極大地方便學生利用碎片化時間參與活動，大大提高學生參與活動的熱情。比賽結束后，各題的正確率，學校班級、年級、全校的答題情況分析和排名情況等大數據分析結果一鍵式就可以自動獲取，有利于氣象科普工作者和教育工作者開展精準的氣象科技教育質量評估。競賽試卷的快速便捷選題制作等功能，給氣象科普工作者開展知識競賽活動提供極大的方便，因此全國至今只有廣州氣象部門連續4年開展這么大規模的知識競賽活動。又如開展的廣州市氣象科普創客教育活動，學生參與各類別競賽的作品均通過網站上傳提交，參與活動形式簡便；作品永久性地在廣州市氣象學會網站分享，既提高了創作者的自豪感和榮譽感，又提供了平臺讓大家互相學習借鑒，發揮持續影響作用，特別是氣象游戲編程作品線上分享同樂更是全國氣象部門的首創。評審專家可在線上直接評審作品打分，系統自動匯總各評委評分進行排名，極大地提高了評審效率。

6 結束語

氣象事業是國家科技型、基礎性社會公益事業，蘊含著豐富的科普資源。氣象科普工作的信息化是氣象事業科學發展及實現氣象現代化的必然要求和重要標志。

該文提出的綜合性氣象科普服務信息服務平臺在系統功能上具有代表性，在應用服務上具有創新性和多樣化特色，很好地滿足了用戶需求，為氣象科普工作提供了較完備的信息交流途徑，活躍了用戶，是一類值得推廣的技術平臺。