一種氣象數據共享接口系統的設計與實現

尹常紅 胡雅超 袁文波 涂明

摘要：隨著氣象部門與各行業部門間合作逐漸深入，氣象信息對外服務越來越普遍，各行業部門對精細化氣象服務提出了更高要求。在對當前氣象數據共享服務需求分析基礎上，基于數據庫相關技術，設計一種通用氣象數據共享接口系統，實現氣象部門與各行業部門數據共享共用。系統接口設計靈活，使用便捷，為推進部門合作和信息共享具有一定意義。

關鍵詞：氣象數據;行業數據;數據共享;接口系統

1 引言

隨著科技進步和經濟社會發展，社會公眾和各行業部門對氣象服務的需求日益凸顯。氣象信息對外服務越來越普遍，大量的氣象數據被挖掘和分析，服務于社會。氣象服務領域遍布交通、農業、能化、旅游、水利、環保、物流等各行業，氣象服務業開放程度和市場化進程日益深化，社會用戶及公眾對服務數據種類、數據服務手段和數據服務的多形式化表現的要求越來越高，可預見的未來還會更高，對氣象服務的需求度還會隨著預報技術的發展同步增長。

氣象數據的共享服務是氣象業務和氣象科研的重要工作，近年來國家和省級氣象部門都開展了一些相關的氣象數據共享和信息應用的研究工作，其中中國氣象局主導建設的全國綜合氣象信息共享平臺（CIMISS）建成了氣象系統內標準統一應用規范的基礎氣象數據庫，CIMISS包括實時觀測數據、歷史數據和業務產品等14 大類，初步實現了各類氣象數據的統一規劃、分布存儲和共享共用。CIMISS在一定程度上解決了氣象數據共享應用，尤其是行業內部應用的問題，但是在行業共享應用還有待進一步深入。

以武漢為例，隨著氣象與水務、環保、農業、交管、綜治等各行業間合作的加強，氣象數據加工存儲與行業間共享需求日益增長。在氣象數據應用服務中，對于海量數據存儲、高速數據交換以及并發訪問、多樣性數據處理、數據挖掘應用等需求也需要進一步研究解決，氣象業務服務發展急需基礎數據資源環境的可靠支撐。為了實現武漢市氣象部門與外部門的數據應用共享，建立了氣象數據中心，數據中心采集各類氣象數據和部分其他部門數據，基于該數據中心，武漢國家基本氣象觀測站開發了一套氣象數據共享接口應用系統，充分利用已有數據環境和業務成果，推動氣象與行業數據互聯互通、共享共用、高效利用。

2.系統設計概述

2.1設計原則

在系統設計中，遵循以下原則。

可擴展性原則：系統具備性能的可擴展性，當系統數據量和訪問量增大，系統服務能力不能滿足性能要求時，支持通過平臺水平擴展增加系統的業務處理能力。同時功能、模塊支持外部可配置，以適應不同的應用環境，通過配置實現軟件的安裝和升級過程。

安全性原則：支持授權和身份認證，確保授權和身份認證有效性。在認證方式中，需要支持加密的用戶名/密碼認證，可以查看重置密碼歷史。支持數據安全性，在不同系統之間的數據傳輸，能夠保證數據在傳輸過程中接收與發送的一致性，以及數據交換的準確性和及時性。

規范性原則：數據共享接口系統的設計中，必須嚴格遵循軟件工程規范化原則，在不同的設計階段都需要進行相應的設計評審，結合評審意見完成相關的設計文檔，將規范化的管理和控制貫穿整個設計過程。在系統開發中，需要遵循業務技術規范，氣象數據字段定義必須與CIMISS一致，其他行業數據依照行業標準。

可維護性原則：系統支持對運維平臺所有模塊進行管理，能夠主動識別所有模塊的軟件版本、部署主機，能夠實時監測各模塊的關鍵進程運行狀態。同時對于涉及系統運行的相關參數的配置和修改，開發方便直觀的人機交互界面，便于用戶操作。系統出現異常中斷時，重新啟動方便快捷。

2.2系統總體架構

氣象數據共享接口系統開發和實現滿足了武漢市行業部門與氣象部門數據交換需求，系統設計為四層結構：自下而上依次為數據存儲層、數據訪問層、業務邏輯層、數據表示層，系統總體架構見圖1。

數據存儲層：該結構層主要對武漢全市氣象部門的各種氣象觀測數據和由各業務單位制作的服務產品以及其他業務系統生成的數據信息進行存儲，作為基礎數據支撐，提供數據共享接口系統對外共享的數據來源，同時存儲系統運行參數和用戶權限等系統數據。

數據訪問層：該結構層主要實現對各類數據進行分類操作，作為承上啟下的功能層，訪問層設計開發了一些視圖、存儲過程以及數據調用方法等，便于協同開發和共享調用。同時在該層中還對部分中間過程編譯為DLL文件進行加密存儲，提高應用安全。

業務邏輯層：該結構層主要使用訪問層中預先開發保存的數據操作方法、視圖、過程等，同時對基礎數據根據既定規則進行相關組合并用，然后以更加抽象和直觀的方式將處理之后的數據結果推送至最上層即數據表示層。

數據表示層：該結構層主要進行數據的可視化展示，提供Web服務，數據表示層同時也定義用戶可見信息和內容，包括各類氣象監測數據和預報服務產品，系統運行中的告警信息和數據訪問的統計信息等。

2.3系統運行環境

武漢市氣象數據共享接口管理系統為B/S架構，后臺采用C#語言開發，前端采用html5語言實現，前后端完全分離。數據庫系統為Oracle 11g，數據庫服務器運行Linux操作系統，前端應用服務器運行Windows Server 2016操作系統。數據采集和處理使用Windows服務，隨著系統啟動自動開啟采集和數據處理服務。

3 系統設計與實現

3.1接口技術

武漢市氣象數據共享接口管理系統設計功能較多，本文只討論數據接口部分的設計思路和相關技術。系統設計在數據接口中引入了Web Service技術，通過構建Web Service，其他行業部門能方便地獲取氣象數據，數據主要以JSON格式返回。

3.1.1 Web Services

Web Services通過相關的系列標準協議提供數據服務，支持網絡中不同主機之間的交互，保證不同平臺上應用服務的互操作性。此外Web Service可以獨立于開發平臺以完整的形式描述所有的信息數據，解決傳統情況下兩個平臺之間數據共享時的再集成問題。在本系統開發中采用Web Service技術，實現不同實現平臺和軟件之間的數據通信，在API和WEB服務和開發中發揮作用。

3.1.2 JSON數據交換

在網絡上傳輸數據時最常用的格式有兩種：XML和JSON。XML作為一種數據信息標記語言，在對數據信息進行標記時具有結構化的特點。相比于XML，JSON則是一種更加輕量級的數據交換格式，可讀性好，易于快速編寫，可在不同平臺之間兼容性較高，進行數據交換時可以完全獨立于語言文本格式。JSON數據格式簡單，體積小，占用帶寬小，易于解析，易于維護。基于以上優勢，本系統在設計中選擇JSON作為數據交換格式。

3.1.3 ODBC數據庫接口

ODBC技術為異質數據庫的訪問提供了統一的數據接口。ODBC提供了讓應用程序僅僅通過一組通用代碼就能訪問不同的DBMS，通過ODBC驅動程序動態鏈接庫，將特定的開放式數據庫連接的數據源和另一個應用程序相連接。本系統在開發中通過ORACLE數據庫與現有系統完成良好對接，采集程序通過CIMISS、水務局提供的數據接口采集數據入庫，而數據查詢功能和其他業務系統（如氣象水務數據共享平臺）能夠方便地調用數據。系統Web服務對數據的訪問均通過ODBC進行數據連接。

3.1.4 Quartz.net技術

系統通過Quartz實現數據的定時采集，加工處理。Quartz是一個作業調度系統，可以與任何其他軟件系統集成或一起使用，負責在執行預處理程序時執行（或通知）其他軟件組件確定（調度）時間到達。Quartz非常靈活，可以單獨使用或一起使用，組件使用輕便，設置/配置較少，可以“開箱即用”，且容錯性好，可以在保留（記住）預定作業。

3.1.5 緩存技術

系統設計中使用的緩存技術包括客戶端緩存和服務器緩存。客戶端緩存主要是緩存較大數據，避免與服務器反復交互增加帶寬消耗，主要包括衛星云圖和雷達產品的本地緩存。服務器緩存主要是緩存經常需要調用的數據，包括整點實況、智能網格預報、短臨預報等，避免反復讀取數據，增加服務器性能的消耗。當用戶請求數據訪問時，系統將優先與速度更快的緩存進行交互，命中緩存后可以極大提升相應時效和用戶體驗。

3.2數據接口設計

3.2.1系統數據庫設計

系統數據庫設計主要包括數據庫管理功能、數據庫訪問功能、數據庫存儲結構設計、數據信息流程設計、數據庫接口設計、系統安全設計等。設計中采用了相關的數據庫管理技術，使用了靈活的庫表結構設計，實現對行業和氣象數據有針對性的加工存儲以及對共享接口系統的特定信息的管理等功能。數據庫表設計圍繞和服務于數據共享接口，主要包括：逐小時數據、逐日數據、接口管理、接口調用數據、系統管理等。數據信息流程設計如圖2。

3.2.2數據表結構

根據數據庫存儲數據的要求，系統設計了系列數據表，主要包括業務數據類，用戶管理類和系統功能類。比如業務數據類建立了整點數據表、逐日數據表、預報服務產品表等，用戶管理類建立了服務用戶表、系統用戶表、角色表、角色權限表、用戶角色表等，系統功能類建立了接口表、接口權限表、功能權限表、告警閾值表等。業務類數據表的字段定義與CIMISS數據表一致，具有規范性。

本系統的設計中，與接口相關的數據表主要有對外服務用戶表（t_UserJk）、用戶接口權限表（t_UserJK）、接口表（t_JK）等。對外服務用戶表（t_UserJk）用于存儲對外服務的用戶信息，如武漢水務局，綜合治理辦公室等;接口表（t_JK）主要用于對幾口的基本信息進行管理;用戶接口權限表（t_UserJK）則存儲對外接口用戶能夠調取接口的相關權限信息。相關表結構見表1。

3.3 接口調用實例

接口管理系統設計了較為完整和靈活的配置功能，在接口管理業務系統中配置好用戶信息、用戶接口權限等，通過接口地址獲取所需要的氣象數據，以JSON格式返回。

例如，配置好綜治辦用戶的接口賬戶信息、接口權限信息以及相關的數據信息，如圖3所示，訪問接口地址返回所需數據。比如綜治辦用戶需要通過數據接口方式查看2020年12月1日22時武漢市部分區域自帶氣象站觀測到的小時降水、氣溫、風向風速等歷史數據，接口格式為：http：//IP：8001/jk/hour.ashx？ywtype=getHourSkInfo&loginName=用戶名&pwd=密碼&time=時間。

圖4為瀏覽器訪問的歷史觀測數據的返回信息，返回信息包括站名（STATIONNAME）、站號（STATIONNUM）、區縣（COUNTY）、經緯度（LONGITUDE、LATITUDE）、小時降水量（PRE_1H）、氣溫（TEM）、十分鐘平均風向（WIN_D_AVG_10MI）、十分鐘平均風速（WIN_S_AVG_10MI）等。

再如水務局用戶根據數據訪問需求和數據訪問權限，需要獲取武漢市全市區域自動氣象站最新的整點實時降水量，在系統管理后臺配置后，可以通過接口方式返回JSON格式數據，返回數據要素包括站名、站號、區域、經緯度和小時降水量等，見圖5。

4 結束語

在數據融合與共享的大環境下，氣象部門與其他行業部門交換共享的數據日益增多，相關的系統建設和技術開發也百花齊放。本文提出的氣象數據共享接口系統的設計思路能夠在相關業務開發中參考和借鑒。建設氣象數據共享接口系統，在氣象部門與其他行業部門之間開啟了便捷的數據通道，能夠顯著提高數據交換的及時性和數據使用的完整性，為推進部門合作信息共享提供穩定高效的數據環境，為大城市開展精細化氣象服務和跨學科科學研究提供有力的數據支撐。

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【通聯編輯：梁書】