海南省氣象業務內網設計與實現

鄭虹暉，王立俊*，趙 冰，王雙雙，劉驥超

(1.海南省氣象信息中心，海南 海口 570203;2.海南省南海氣象防災減災重點實驗室，海南 海口 570203)

0 引 言

2012年以來，由國家氣象信息中心牽頭，各省氣象部門陸續開展氣象業務內網的建設工作。張志強等人研發的國家氣象業務內網，涵蓋探測、預報、氣候等6大核心欄目，近100個子模塊和近2 000余中業務產品，是一個氣象產品展示與服務和業務管理信息共享服務的國家級氣象服務平臺[1]，廣東、廣西、寧夏、湖北等省氣象局率先開展基于CIMISS為數據支撐的業務內網建設工作，均取得一定的示范作用[2-5]。

隨著海南省氣象業務的快速發展和CIMISS系統[6-7]的全國業務化，內、外部業務單位對氣象資料及業務產品的共享服務和綜合顯示的需求日益迫切。目前，海南省存在氣象業務系統建設整體規劃一致性不夠，各業務系統之間的數據格式和流向不統一，業務流程中間節點冗雜，數據使用效率較低等問題，導致各業務單位的系統集約化力度不夠，信息化資源重復建設，嚴重影響了海南氣象數據的共享服務。為解決上述問題，借鑒國家氣象信息中心及其他省氣象局建設業務內網系統的成功經驗，結合海南省氣象業務的實際需求，依照全國氣象信息化發展的標準化、集約化、信息化的總要求，海南省氣象局搭建以CIMISS系統和本地業務綜合數據庫為數據支撐環境的海南省氣象業務內網，形成國省兩級互補，實現氣象數據和業務產品集約共享，為省、市、縣三級業務和管理人員提供一站式訪問服務，也為政府、軍隊等單位提供氣象服務。

1 總體設計

海南氣象業務內網系統以物理服務器(主節點)+虛擬服務器(備節點)為硬件支撐，使用CIMISS系統和本地業務綜合數據庫，采用MVC分層設計模式[8-9]和Browser/Server設計架構[10-11]，基于天地圖API[12-13]的Web GIS可視化技術和SSH開發框架[14-16]，實現氣象觀測數據及業務產品的實時展示，滿足省市縣氣象部門及政府、軍隊相關人員對氣象數據的業務需求。

平臺總體架構如圖1所示。

圖1 系統總體架構

平臺遵循氣象信息標注化體系和信息安全與保障體系的要求，采用三層體系架構：數據源支撐層、數據處理與服務層和Web應用層。數據源支撐層用于存儲、管理氣象元數據、地面、土壤水分等結構化數據和雷達、云圖等非結構化數據，為Web應用層的綜合顯示提供數據支撐；數據處理與服務層負責各類氣象觀測、預報預警等數據的采集、處理和入庫，另外，還提供氣象數據監控、發布及門戶可視化管理等服務；Web應用層用于與前端用戶進行交互，通過Web GIS、圖表等頁面插件完成氣象觀測、預報預警、臺風等數據的實時展示。

1.1 系統業務流程

系統業務流程主要分為資料查詢展示、資料共享服務、內部業務管理和三維圖形展示四大部分，實現氣象觀測、預報預警和業務產品等數據的實時采集、共享和綜合顯示。

(1)資料查詢展示：按照十四大類氣象資料的分類要求，通過資源編目統一對觀測業務、預報預警及臺風路徑等數據及產品進行管理，實現上述數據及產品在系統中采集、加工及綜合顯示。

(2)資料共享服務：通過門戶頁面，按照業務數據及產品的特點，按照欄目、類型、時次等方式，通過Word及PDF文檔、PNG和JPG圖片、Web GIS等格式綜合顯示和在線預覽各類業務數據及產品的詳細內容。

(3)內部業務管理：通過內網系統管理后臺對各業務單位的管理規定及業務質量等文件進行管理，建立省高效、透明的信息機制。，實現定期發布各類業務質量統計結果和為內、外部單位人員提供業務數據及產品的使用說明。

(4)三維圖形展示：使用專業攝像設備對海南省20個臺站風貌進行拍攝，收集、處理拍攝所得的各臺站原始素材，系統通過圖像處理算法對原始素材進行校正、合成，輸出360度臺站全景三維效果圖，實現全省20個臺站風貌的三維全景展示。

1.2 系統數據流程

內網系統的數據來源為CIMISS系統(提供MUSIC數據接口)和本地業務綜合數據庫(提供本地數據接口及產品存儲歸檔目錄)，涉及到的數據類型主要有地理數據、氣象觀測數據、預報預警產品、系統公告信息等。在系統數據流程中，后臺數據處理節點分別采用MUSIC數據接口、天地圖API接口、產品庫WebService數據接口和FTP協議接口等方式來采集、處理及加工數據，大致分為如下幾種場景：

(1)調用MUSIC數據接口獲取CIMISS系統中實時觀測數據，在綜合觀測頁面中展示。

(2)調用天地圖API接口獲取海南省地圖矢量數據，疊加實況觀測、預報預警等數據，在系統門戶頁面中展示。

(3)調用本地產品庫WebService數據接口和FTP協議接口將其他氣象數據和業務產品采集至本地業務綜合數據庫，在系統門戶頁面中進行展示。

2 關鍵技術

2.1 氣象數據收集、處理及加工

該文設計的系統通過收集、處理及加工各類觀測數據和業務產品，并綜合顯示在內網門戶頁面。整個數據流轉環節分為數據采集及處理、數據計算及成圖和數據管理三個部分。

圖2 數據收集、處理流程

(1)數據采集及處理子模塊是觀測數據及業務產品進入到數據庫的一個渠道，其中包括數據采集和數據處理兩個部分，如圖2所示。對于無需解析的多普勒或封風廓線雷達、FY2G云圖等非結構化數據，通過非結構化數據程序采集后，按氣象分類標準直接歸檔至數據共享目錄，存儲路徑寫入本地業務特色數據庫。對于需要解析的本地特有觀測及其他再加工的結構化數據，通過結構化數據程序采集、解析后寫入本地業務特色數據庫。

(2)數據計算及成圖子模塊是數據進入到數據庫后根據業務需求進行計算和成圖，其中包括數據統計計算和數據成圖兩個部分。對于需要做歷史統計數據，通過數據計算后，計算成果直接進入數據庫。對于需要成圖的數據，通過數據成圖后進入數據庫，其中圖片文件是在文件服務器上存儲，數據存儲其業務關系和文件名索引。

(3)數據管理子模塊是后臺定時對臨時數據、無效數據、超時數據進行清理，充分保證服務器的空間可用性。

2.2 天地圖

“天地圖”是國家測繪地理信息局建設的地理信息綜合服務網站，網站集成了來自國家、省、市(縣)各級測繪地理信息部門，以及相關政府部門、企事業單位、社會團體、公眾的地理信息公共服務資源，向各類用戶提供權威、標準、統一的在線地理信息綜合服務[12]。

各類行業用戶可以通過“天地圖”門戶網站進行基于地理位置的信息瀏覽、查詢、搜索、量算，以及路線規劃等各類應用；開發人員可以利用“天地圖”提供的API服務接口調用地理信息服務，并利用編程接口將“天地圖”的地圖服務資源嵌入到已有的各類應用系統(網站)中。各企業和單位基于“天地圖”的技術服務開展各類增值服務與應用，從而有效緩解地理信息資源開發利用中技術難度大、建設成本高、動態更新難等突出問題[12]。

天地圖容納了覆蓋了全球范圍1∶1 000 000矢量數據和500米分辨率衛星遙感影像，覆蓋全國范圍的1∶25萬公眾版地圖數據，導航電子地圖數據還有15米分辨率的衛星遙感影像以及2.5米分辨率的衛星遙感影像，覆蓋全國300多個地級以及地級以上城市0.6米分辨率的衛星遙感影像等地理信息數據，是目前中國區域內數據資源最全的地理信息服務網站[13]。

2.3 SSH框架

該文設計的海南省氣象業務內網的開發架構采用SSH框架技術，使用瀏覽器/服務端Browser/Server模式來跨平臺展示實時觀測、氣象預報預警等數據及產品。SSH框架是由Struts 2、Spring和Hibernate組成的，屬于主流的輕量級J2EE軟件開發架構。采用該框架開發應用，能較好地對應用功能模塊分層、解耦，簡化系統開發的復雜度，縮短系統開發時間，使系統具備良好的可拓展性和可移植性。

其中，Struts 2是以Webwork為核心的邏輯控制器，采用攔截器機制來響應前端用戶提交的Web請求，將Servlet與業務邏輯控制器分離[14]。Spring是屬于輕量級的Java Web框架，通過配置文件及事務管理機制，可靈活管理多種數據庫，提供多元化的業務邏輯[15]。Hibernate采用O/R Mapping技術，通過配置XML文件或Annotation注解為Java對象和各類數據庫中的表結構建立一種或多種映射關系，操控對象即操作數據庫[16]。

3 功能設計

海南氣象業務內網主要分為首頁、綜合觀測、臺風路徑、預報預警、氣象服務、臺站展示、業務管理和系統管理8個功能模塊，如圖3所示。

圖3 系統功能組成

(1)首頁。

首頁是各類信息的綜合展示，系統提供各功能模塊的導航，可快速進入到各個功能模塊。在首頁上，用戶可獲取市縣當前實況(溫壓濕風四類常規要素)及24小時趨勢圖、全省實況填圖、雷達云圖、預警信號等信息。

(2)綜合觀測。

綜合觀測主要通過要素色斑圖、折線圖等方式來顯示各類實況觀測數據，常見氣象要素有氣溫、氣壓、降水、風向風速和相對濕度，數據類型有自動站、土壤水分、氣溶膠等地面站點資料，多普勒、風廓線等雷達資料，風云2號、風云4號及葵花8號等衛星資料。

(3)臺風路徑。

臺風路徑是基于天地圖Web GIS展示當前及歷史臺風的強度、路徑等信息，在臺風天氣過程中為省-市縣決策部門和業務一線人員提供臺風的預報信息，提前發布預警信息，有助于防災減災，減少人員傷亡和經濟損失。

(4)預報預警。

預報預警用于發布各類氣象預報和預警產品，用戶可在頁面查閱市縣、鄉鎮等常規預報產品，旅游、島礁等特色預報產品，預警信號，海洋、陸地格點預報產品等信息。

(5)氣象服務。

氣象服務通過Word、PDF等文檔形式提供氣候分析、農業氣象、閃電監測、人工增雨、生態氣象等服務產品，滿足業務人員對其他氣象服務的業務需求。

(6)臺站展示。

臺站展示是以虛擬三維方式360度展示全省20個臺站的全景，為業務和管理部門人員提供臺站全景信息。

(7)業務管理。

業務管理是為職能處室提供政策文件及業務規定的管理，可實時對上述文件進行管理，便于省局和市縣人員了解最新政策和業務規定的變動。

(8)系統管理。

系統管理是為管理員提供功能模塊、系統用戶、站點管理及應用數據源等部分的管理功能，便于管理員對上述內容進行維護更新，保證系統各模塊正常運行。

4 平臺實現

4.1 運行環境

系統運行環境需要4臺服務器，操作系統均為Windows 2012 Server SP2 64bit，分別是Web應用服務器、數據庫服務器、采集加工服務器和產品文件服務器，4臺虛擬機作為備用節點，用于主節點故障時，可無縫切換來提供服務。Web服務為Apache Http Server，文件服務是通過FTP協議訪問文件，采用Oracle 11存儲結構化數據，使用Surfer 8軟件在地圖上繪制圖像。

4.2 系統部署

系統部署如圖4所示。

圖4 系統部署

承載業務內網的服務器部署在氣象內部專區，連接至上層防火墻，用戶通過氣象專網發起訪問業務請求，其中采集加工服務器處理、加工各類觀測數據和預報預警產品，處理后的數據按類型分別存儲產品文件服務器(雷達、云圖等非結構化數據)和數據庫服務器(地面、土壤水分等結構化數據)，web服務器后臺調取相應的數據展示至前臺頁面，響應用戶發起的業務請求。

4.3 平臺測試

平臺性能測試分為頁面請求響應速度測試和平臺穩定性運行測試兩個部分：

(1)頁面請求響應速度測試：使用JMeter測試工具模擬20用戶分別并行訪問交互性頁面、統計類頁面和一般頁面30次時，計算平臺各類頁面加載的平均時間開銷，如表1所示，交互性和統計類頁面的平均響應時間均小于3 000毫秒，一般頁面的平均響應時間小于2 000毫秒，各類頁面錯誤加載百分比小于1%。

(2)平臺穩定性運行測試：分別從容錯、壓力、重復方面測試平臺的穩定性，其中容錯測試是在網絡故障、資源路徑異常等情況下測試所有功能模塊；壓力測試為10個用戶并行訪問平臺，保證平臺連續72小時運行；重復測試為連續訪問綜合觀測、預報預警、氣象服務等功能模塊100次，如表1所示。

表1 平臺性能測試

測試結果表明，氣象業務內網平臺在請求響應和運行穩定兩個部分均達到了測試預期效果，在多用戶并發訪問下，各功能模塊運行正常且穩定，各類頁面加載速度較快，數據顯示準確，且在網絡故障、系統資源路徑異常時，頁面可正常加載并有相關提示。

4.4 平臺展示

根據上述的平臺設計和關鍵技術研發本系統平臺，實現綜合觀測、臺風路徑、預報預警、氣象服務等功能模塊，如圖5所示，不僅提供氣象觀測數據、氣象預報、預警信號等數據實時展示，還提供基于Web GIS的實況數據繪制、顯示、疊加等功能。目前，該平臺界面友好、各功能運行穩定、操作簡便。

圖5 平臺頁面

5 結束語

海南省氣象業務內網建設是海南省氣象局的重要業務系統之一，其設計宗旨是集成各類氣象數據、預報預警和業務管理為一體，為省、市、縣三級業務及管理人員和政府、軍隊等單位提供一站式氣象訪問服務。因此，參考國家氣象信息中心及其他省氣象局建設業務內網系統的成功經驗，結合海南省氣象業務的實際需求，依照全國氣象信息化標準化、集約化、信息化的總要求，分析、總結海南省氣象業務內網建設的業務流程和數據流程，詳細闡述和應用平臺研發所使用的數據收集加工、數據可視化等成熟可靠的關鍵技術，實現集綜合觀測、預報預警、氣象服務等功能于一體的氣象業務內網平臺，滿足海南氣象行業用戶對觀測、預報等數據共享和服務的需求。