基于“天擎”平臺東鄉(xiāng)智慧氣象服務系統(tǒng)開發(fā)設計與應用

摘 要：基于“天擎”平臺，建立一個能夠對東鄉(xiāng)區(qū)所有自動氣象站的運行狀態(tài)和氣象數(shù)據(jù)進行傳輸?shù)谋O(jiān)控報警平臺，同時集約化氣象服務功能，為東鄉(xiāng)區(qū)精細化氣象服務提供平臺支撐。系統(tǒng)采用phpStudy搭配“智慧氣象服務器+云平臺服務器”，氣象數(shù)據(jù)監(jiān)控報警設計采用HTML5構建Web，以實現(xiàn)不需要24 h人工監(jiān)測的智能監(jiān)控報警。氣象服務應用PHP開發(fā)API接口架構，通過HTTP協(xié)議的API接口輸出氣象數(shù)據(jù)加工產品。自平臺投入業(yè)務運行以來，東鄉(xiāng)區(qū)氣象服務和氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測能力得到了大幅提升，該平臺具有實際應用價值。

關鍵詞：“天擎”平臺；智慧氣象；監(jiān)控報警；氣象服務

中圖分類號：P409 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）12–0-03

隨著監(jiān)測更加精密化和多源數(shù)據(jù)廣泛匯集，氣象數(shù)據(jù)呈現(xiàn)持續(xù)爆炸式增長，海量數(shù)據(jù)快速匯聚加工、長序列數(shù)據(jù)在線分析、部門內外數(shù)據(jù)綜合應用、基于機器學習的智能預報和服務算法等都需要大數(shù)據(jù)的支撐。國家氣象信息中心積極推進全國業(yè)務應用“云化”改造，建成了氣象大數(shù)據(jù)云平臺（“天擎”）和氣象綜合業(yè)務實時監(jiān)控平臺（“天擎”）兩大氣象“云”的關鍵共性技術平臺，統(tǒng)籌管理觀測、預報、服務、政務、行業(yè)、社會等完整的氣象數(shù)據(jù)，實現(xiàn)氣象業(yè)務集約化發(fā)展[1]。“天擎”平臺是全國氣象綜合信息共享系統(tǒng)（CIMISS）的功能升級和服務擴充版本，不僅全面繼承了CIMISS的數(shù)據(jù)種類和接口服務標準，還在數(shù)據(jù)質量、資料存儲時間序列、數(shù)據(jù)處理時效等方面有顯著的提升[2]。

“天擎”是氣象大數(shù)據(jù)云平臺，存儲海量數(shù)據(jù)，提供數(shù)算一體，支撐各類氣象應用云融入，實現(xiàn)“云+端”氣象業(yè)務模式[3]。

為適應氣象高質量發(fā)展，深化業(yè)務體制改革，促進國家級自動氣象觀測站、區(qū)域氣象自動觀測站的穩(wěn)定高效運行，越來越多的氣象工作者開始在“天擎”平臺開發(fā)技術并將其應用于日常氣象業(yè)務工作。張茜等[4]使用C#語言對自動觀測數(shù)據(jù)進行解碼，實現(xiàn)歷史資料查詢和統(tǒng)計模塊功能。通過HTML、JavaScript、CSS等技術構建Web平臺，用戶可通過谷歌等瀏覽器實現(xiàn)交互式操作。對于氣象歷史數(shù)據(jù)的開發(fā)調用，康道俊等[5]

從“天擎”平臺中獲取氣象數(shù)據(jù)和產品，使用Java開發(fā)程序進行處理，以微信為端口，向用戶提供個性化、精細化氣象服務。陳鵬心等[6]基于氣象大數(shù)據(jù)云平臺（“天擎”）的數(shù)據(jù)應用服務，結合JavaScript、HTML、CSS、高德API等Web技術和Meteoinfo、SpringBoot等

后端框架技術，建立沈陽智慧氣象數(shù)據(jù)應用服務平臺，該平臺通過可視化和數(shù)據(jù)產品疊加，實現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、天氣監(jiān)測和報警提醒。王昆鵬等[7]使用Python3部分函數(shù)的接口調用方案，從“天擎”平臺調用氣象數(shù)據(jù)進行研究開發(fā)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化和數(shù)據(jù)共享。

為適應撫州市東鄉(xiāng)區(qū)氣象高質量發(fā)展要求，進一步提高氣象服務水平，同時使基層氣象業(yè)務人員方便、快捷、高效地提供業(yè)務數(shù)據(jù)監(jiān)測和氣象服務，實現(xiàn)東鄉(xiāng)氣象業(yè)務集約化、科學化、規(guī)范化運行，本研究結合前人的研究思路和成果，設計開發(fā)適用于撫州市東鄉(xiāng)區(qū)的智慧氣象服務系統(tǒng)。主要通過“天擎”平臺進行數(shù)據(jù)接入，利用后臺處理完成對撫州市東鄉(xiāng)區(qū)19個自動站數(shù)據(jù)的監(jiān)控報警，并為本地化氣象服務工作開展提供支撐應用平臺。

1 系統(tǒng)設計

1.1 設計思路

自實時自動氣象觀測以來，氣象觀測的自動化大大減輕了氣象局基層業(yè)務人員的工作壓力，同時為了獲取高密度、高精度的氣象觀測數(shù)據(jù)，省、市、縣氣象局建設了大量的國家自動氣象觀測站和區(qū)域自動氣象觀測站，但是基層臺站的基礎設施落后、人員配備不足、網(wǎng)絡不穩(wěn)定等問題，均會導致對自動氣象站缺乏有效的監(jiān)控和維護。為了更好地監(jiān)控和維護自動氣象站，保證氣象數(shù)據(jù)及時傳輸，保障臺站正常運行，有必要設計一款能夠實現(xiàn)智能監(jiān)控東鄉(xiāng)區(qū)自動氣象站運行狀態(tài)和氣象數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)平臺，并對出現(xiàn)故障的自動氣象站和氣象數(shù)據(jù)傳輸疑誤做出及時進行監(jiān)測告警。

隨著氣象服務需求的不斷提高，人們愈加重視氣象服務的實效性，為進一步方便縣局業(yè)務人員提供精細化氣象服務，亟待開發(fā)一個集約化應用平臺，用于日常氣象工作。東鄉(xiāng)智慧氣象服務系統(tǒng)自下而上分為四層，分別為數(shù)據(jù)訪問層、組件層、業(yè)務邏輯層、表示層。其中，數(shù)據(jù)訪問層負責對數(shù)據(jù)的訪問調度，組件層負責系統(tǒng)的內部組件設計，業(yè)務邏輯層負責系統(tǒng)業(yè)務邏輯的處理，表示層負責系統(tǒng)的終端顯示，為用戶提供交互式操作的界面。

1.2 關鍵技術

東鄉(xiāng)智慧氣象服務系統(tǒng)基于“天擎”平臺，建立一個能夠對撫州市東鄉(xiāng)區(qū)所有自動氣象站的運行狀態(tài)和氣象數(shù)據(jù)進行傳輸?shù)谋O(jiān)控報警平臺，解決了以往設備故障需要業(yè)務人員人工24 h不斷監(jiān)測的問題，同時開發(fā)了集約化氣象服務功能，為縣局精細化氣象服務提供數(shù)據(jù)支撐。

1.2.1 優(yōu)化服務器平臺

東鄉(xiāng)智慧氣象服務系統(tǒng)使用Sever2003服務器系統(tǒng)，采用phpStudy集成環(huán)境搭配東鄉(xiāng)區(qū)智慧氣象服務器，實現(xiàn)內部網(wǎng)絡服務器平臺在內網(wǎng)IP段范圍監(jiān)控。借助百度云服務器，通過PHP語言開發(fā)實現(xiàn)對內網(wǎng)監(jiān)控數(shù)據(jù)推送，互通外網(wǎng)使得氣象要素信息交互。

1.2.2 東鄉(xiāng)智慧氣象服務系統(tǒng)2.0框架技術

東鄉(xiāng)智慧氣象服務系統(tǒng)在原有的1.0技術架構上實現(xiàn)升級優(yōu)化，框架采用CSS布局、引入echarts.min.js實現(xiàn)UI界面。

1.2.3 東鄉(xiāng)智慧氣象服務后臺技術

智慧氣象服務產品實現(xiàn)智能推送。一是預報人員制作氣象服務產品和天氣預報內容，發(fā)布預警信息、農村氣象信息等。二是智能訂制氣象服務產品，根據(jù)用戶的需求，制定統(tǒng)一的氣象服務模板，在預報模板設定變量值，智能發(fā)布預報產品到用戶的終端（openid）。在云服務器建立PHP網(wǎng)頁后臺，利用PHP函數(shù)$_GET和$_POST變量提交HTML頁面中的預報產品數(shù)據(jù)。提交數(shù)據(jù)節(jié)點，＜option value='＜？php $mystr=\"08時天氣預報|http：//www.ts3n.com/14/page7.php|\"；$shu=$mystr.$txt；echo $shu；？＞'＞08天氣預報＜/option＞（賦值變量$mystr，并用|分隔符分別提交數(shù)據(jù)）。

1.2.4 智慧氣象無縫隙對接模塊開發(fā)

優(yōu)化CIMISS接口數(shù)據(jù)無縫對接讀出JSON氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)一服務接口基于國省統(tǒng)一的數(shù)據(jù)環(huán)境（“天擎”），面向氣象業(yè)務和科研，提供全國統(tǒng)一、標準、豐富的數(shù)據(jù)訪問服務和應用編程接口（API），為國、省、地、縣各級應用系統(tǒng)提供唯一權威的數(shù)據(jù)接入服務。

（1）REST技術調用服務器數(shù)據(jù)庫對接。Web服務實現(xiàn)方案中，由于REST模式的Web服務簡潔，因此采用REST風格設計和實現(xiàn)。

定義變量$cimiss_rest_conf地址采用REST技術調用服務器數(shù)據(jù)庫。

date_default_timezone_set（‘Etc/GMT’）；" " " "$cimiss_rest_conf=”http：//10.116.85.56/cimiss-web/api？”；$interfaceId=”getSurfEleByTimeRangeAndStaID”；地面逐小時資料接口。

定義變量賬號用戶名$username及密碼。

$username=”BENC_YC”；" $passwd=”qjiv”;

定義變量$datacode接口小時數(shù)據(jù)：

“SURF_CHN_MUL_HOR”

$datacode=”SURF_CHN_MUL_HOR”;

定義變量$elements接口讀出時間、站點、小時數(shù)據(jù)。

$elements=”Datetime，Station_Name，TEM，RHU，PRE_1 h，PRE_3 h，PRE_6 h，PRE_12 h，PRE_24 h，WIN_S_Inst_Max”；

定義變量 $staIds賦值東鄉(xiāng)19個站點區(qū)站號。

$staIds=”J6128，J6314，58618，J6009，J6012，J6011，J6132，J6316，J6466，J6315，J6465，J6014，J6015，J6462，J6463，J6013，J6464，J6129，J6010” （站點區(qū)站號）。

（2）智慧氣象數(shù)據(jù)檢索技術。氣象數(shù)據(jù)服務接口是基于“天擎”平臺環(huán)境，面向氣象業(yè)務和科研，提供統(tǒng)一、標準、豐富的數(shù)據(jù)訪問服務和應用編程的接口（API）。“天擎”平臺針對不同的氣象資料建立單獨的訪問接口，每種資料接口提供多個功能接口、每個功能接口具有不同的檢索參數(shù)，可按時間點、經(jīng)緯度范圍、統(tǒng)計時段等不同參數(shù)進行檢索。通過輸入?yún)?shù)，調用“天擎”平臺提供的數(shù)據(jù)檢索接口以獲取氣象數(shù)據(jù)和產品，包括臺站信息的查詢，站點資料的查詢、統(tǒng)計，格點資料的檢索、解析及裁剪，文件產品（雷達產品、衛(wèi)星云圖、數(shù)值預報產品）的檢索。

1.2.5 可視化智能產品數(shù)據(jù)交互技術

（1）html5自適應技術點。項目采用的是自適應設計，以適應不同屏幕尺寸的手機等設備，采用首部

（.left{width：30%；float：left}.right{width：70%; float：right；}）

用左浮動和右浮動，若寬度太小，放不下2個元素，后面的元素會自動滾動到前面元素的下方流動布局，選擇加載CSS“自適應網(wǎng)頁設計”的核心進行是CSS3引入的Media Query模塊。自動探測屏幕寬度，然后加載相應的CSS文件：

（lt;link rel=\"stylesheet\"type=\"text/css\"media=\"screen and（min-width：600px）and（max-device-width：980px））

（2）可視化html5 Canvas圖表、echarts。html5 Canvas具有開發(fā)生動、可交互的特點，可個性化定制數(shù)據(jù)可視化圖表。建立了氣象要素坐標系、圖例、提示、工具箱等基礎組件，并在此上構建折線圖（區(qū)域圖）。

1.3 系統(tǒng)功能

東鄉(xiāng)智慧氣象服務系統(tǒng)基于“天擎”平臺，借鑒前人研究技術和經(jīng)驗并深度結合大數(shù)據(jù)挖掘技術、地理信息系統(tǒng)、集成UI界面的數(shù)據(jù)多媒體可視化技術，進行數(shù)據(jù)資源優(yōu)化整合，致力于提供氣象服務和實現(xiàn)防災減災目標[8]。將氣象防災減災救災體系與氣象服務相結合，聚焦氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測、預報預警、信息發(fā)布、部門聯(lián)動、分析評估等環(huán)節(jié)，實現(xiàn)氣象服務的多元化、個性化。以業(yè)務一體化、服務一體化為核心，構建時空精細、智能開放、靈活定制的智慧氣象大數(shù)據(jù)平臺[9]。東鄉(xiāng)智慧氣象服務系統(tǒng)實現(xiàn)了氣溫、降水、風向風速、氣壓、相對濕度、能見度等氣象要素地理顯示，分地區(qū)（鄉(xiāng)鎮(zhèn)）、時間和要素類別查詢自動站數(shù)據(jù)信息。該系統(tǒng)主要有三大模塊：監(jiān)測展示系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、氣象服務模塊。

1.3.1 監(jiān)測展示系統(tǒng)模塊

監(jiān)測展示系統(tǒng)模塊主要包括數(shù)據(jù)質控、查詢統(tǒng)計、實時告警。該模塊實現(xiàn)了對東鄉(xiāng)區(qū)19個自動氣象站的氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測告警，界面顯示簡潔明了，數(shù)據(jù)傳輸質控信息展示在系統(tǒng)主界面，在業(yè)務人員使用時，該模塊的功能操作簡單，系統(tǒng)自動循環(huán)展示告警信息，無需人工操作，一定程度上有效減輕了基層業(yè)務人員的日常工作負擔。在數(shù)據(jù)質控方面，根據(jù)撫州市觀測業(yè)務質量傳輸考核要求，制定數(shù)據(jù)質控告警規(guī)則，對東鄉(xiāng)區(qū)19個自動氣象觀測站實施分鐘級監(jiān)測告警。在查詢統(tǒng)計方面，系統(tǒng)后臺對不同氣象數(shù)據(jù)按照業(yè)務質量傳輸考核要求進行分鐘級的質控分析，對統(tǒng)計站點信息、氣象要素信息進行統(tǒng)計。在實時告警方面，根據(jù)上個模塊的統(tǒng)計結果，達到監(jiān)測告警規(guī)則時進行告警通知，系統(tǒng)界面自動推送并展示在系統(tǒng)主界面，告知一線值班員數(shù)據(jù)監(jiān)測實況，提醒值班員數(shù)據(jù)質量出現(xiàn)問題，需要及時處理。

1.3.2 數(shù)據(jù)分析模塊

數(shù)據(jù)分析模塊主要為日常資料分析和圖表顯示。實現(xiàn)對國家站氣溫、降水的極值監(jiān)控、實時數(shù)據(jù)自動監(jiān)控顯示。同時，在系統(tǒng)主界面可顯示19個自動氣象站基于地理信息位置的氣象要素分布圖，為方便業(yè)務人員制作逐小時時序圖等氣象服務材料，可將該圖直接導出并使用。

1.3.3 氣象服務模塊

氣象服務模塊主要包括“631”雨情通報、微信天氣、預警發(fā)布監(jiān)測、農業(yè)氣象。為貫徹落實“以防為主、防抗救相結合”的理念，以“省級6小時風險預警、市級3小時風險通報、縣級1小時風險叫應服務”為核心的強降水“631”風險預警應對工作機制，形成一套服務標準、一套業(yè)務流程、一套產品體系[10]。東鄉(xiāng)“631”雨情通報結合“631”叫應機制，制作雨情通報氣象服務材料，提供滾動式氣象服務。微信天氣實現(xiàn)每日微信推送東鄉(xiāng)天氣預報，使得關注用戶能夠及時收到東鄉(xiāng)最新天氣情況。預警發(fā)布監(jiān)測能夠實時對接江西省突發(fā)事件預警信息發(fā)布系統(tǒng)，以及江西省集約一體化平臺發(fā)布的氣象災害預警信息，以便業(yè)務人員能夠進行實時監(jiān)控。為滿足智慧農業(yè)需求，應提高智慧農業(yè)氣象服務水平，提升農業(yè)氣象服務的精細度，提供更加專業(yè)的農業(yè)氣象服務[11]。東鄉(xiāng)智慧氣象服務系統(tǒng)錄入了1 021個新型農業(yè)主體，提供專業(yè)農業(yè)氣象服務，通過各鄉(xiāng)鎮(zhèn)（場）的電子顯示屏提供農業(yè)氣象預報。

2 結束語

基于“天擎”平臺開發(fā)的東鄉(xiāng)智慧氣象服務系統(tǒng)，東鄉(xiāng)區(qū)氣象數(shù)據(jù)精細化監(jiān)測和智慧氣象服務將進一步發(fā)展。該系統(tǒng)的研究開發(fā)大大減輕了基層氣象業(yè)務人員的工作壓力，使得氣象業(yè)務運行更加精減、有效。該系統(tǒng)作為東鄉(xiāng)區(qū)開展智慧城市建設的重要組成部分，為城市防災減災提供了新的技術支撐。當前城市氣象災害防御和應對措施仍存在不足，東鄉(xiāng)智慧氣象服務正是利用云計算、大數(shù)據(jù)高速發(fā)展的有利契機，推進城市防災減災實現(xiàn)智能化、集約化、信息化的現(xiàn)代格局，為東鄉(xiāng)區(qū)城市發(fā)展貢獻氣象力量。

參考文獻

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收稿日期：2024-09-12

基金項目：撫州市東鄉(xiāng)區(qū)科技局自籌資金科技項目“基于cimiss大數(shù)據(jù)的氣象數(shù)據(jù)監(jiān)控報警設計與應用” （DXKJKY202372）。

作者簡介：計加成（1999—），男，江西鄱陽人，工程師，研究方向為氣象監(jiān)測。