基于“天擎”平臺東鄉智慧氣象服務系統開發設計與應用

摘 要：基于“天擎”平臺，建立一個能夠對東鄉區所有自動氣象站的運行狀態和氣象數據進行傳輸的監控報警平臺，同時集約化氣象服務功能，為東鄉區精細化氣象服務提供平臺支撐。系統采用phpStudy搭配“智慧氣象服務器+云平臺服務器”，氣象數據監控報警設計采用HTML5構建Web，以實現不需要24 h人工監測的智能監控報警。氣象服務應用PHP開發API接口架構，通過HTTP協議的API接口輸出氣象數據加工產品。自平臺投入業務運行以來，東鄉區氣象服務和氣象數據監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

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

“天擎”是氣象大數據云平臺，存儲海量數據，提供數算一體，支撐各類氣象應用云融入，實現“云+端”氣象業務模式[3]。

為適應氣象高質量發展，深化業務體制改革，促進國家級自動氣象觀測站、區域氣象自動觀測站的穩定高效運行，越來越多的氣象工作者開始在“天擎”平臺開發技術并將其應用于日常氣象業務工作。張茜等[4]使用C#語言對自動觀測數據進行解碼，實現歷史資料查詢和統計模塊功能。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交互式操作。對于氣象歷史數據的開發調用，康道俊等[5]

從“天擎”平臺中獲取氣象數據和產品，使用Java開發程序進行處理，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]基于氣象大數據云平臺（“天擎”）的數據應用服務，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據應用服務平臺，該平臺通過可視化和數據產品疊加，實現數據查詢、天氣監測和報警提醒。王昆鵬等[7]使用Python3部分函數的接口調用方案，從“天擎”平臺調用氣象數據進行研究開發，實現數據可視化和數據共享。

為適應撫州市東鄉區氣象高質量發展要求，進一步提高氣象服務水平，同時使基層氣象業務人員方便、快捷、高效地提供業務數據監測和氣象服務，實現東鄉氣象業務集約化、科學化、規范化運行，本研究結合前人的研究思路和成果，設計開發適用于撫州市東鄉區的智慧氣象服務系統。主要通過“天擎”平臺進行數據接入，利用后臺處理完成對撫州市東鄉區19個自動站數據的監控報警，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據，省、市、縣氣象局建設了大量的國家自動氣象觀測站和區域自動氣象觀測站，但是基層臺站的基礎設施落后、人員配備不足、網絡不穩定等問題，均會導致對自動氣象站缺乏有效的監控和維護。為了更好地監控和維護自動氣象站，保證氣象數據及時傳輸，保障臺站正常運行，有必要設計一款能夠實現智能監控東鄉區自動氣象站運行狀態和氣象數據傳輸的系統平臺，并對出現故障的自動氣象站和氣象數據傳輸疑誤做出及時進行監測告警。

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務人員提供精細化氣象服務，亟待開發一個集約化應用平臺，用于日常氣象工作。東鄉智慧氣象服務系統自下而上分為四層，分別為數據訪問層、組件層、業務邏輯層、表示層。其中，數據訪問層負責對數據的訪問調度，組件層負責系統的內部組件設計，業務邏輯層負責系統業務邏輯的處理，表示層負責系統的終端顯示，為用戶提供交互式操作的界面。

1.2 關鍵技術

東鄉智慧氣象服務系統基于“天擎”平臺，建立一個能夠對撫州市東鄉區所有自動氣象站的運行狀態和氣象數據進行傳輸的監控報警平臺，解決了以往設備故障需要業務人員人工24 h不斷監測的問題，同時開發了集約化氣象服務功能，為縣局精細化氣象服務提供數據支撐。

1.2.1 優化服務器平臺

東鄉智慧氣象服務系統使用Sever2003服務器系統，采用phpStudy集成環境搭配東鄉區智慧氣象服務器，實現內部網絡服務器平臺在內網IP段范圍監控。借助百度云服務器，通過PHP語言開發實現對內網監控數據推送，互通外網使得氣象要素信息交互。

1.2.2 東鄉智慧氣象服務系統2.0框架技術

東鄉智慧氣象服務系統在原有的1.0技術架構上實現升級優化，框架采用CSS布局、引入echarts.min.js實現UI界面。

1.2.3 東鄉智慧氣象服務后臺技術

智慧氣象服務產品實現智能推送。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，根據用戶的需求，制定統一的氣象服務模板，在預報模板設定變量值，智能發布預報產品到用戶的終端（openid）。在云服務器建立PHP網頁后臺，利用PHP函數$_GET和$_POST變量提交HTML頁面中的預報產品數據。提交數據節點，＜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|分隔符分別提交數據）。

1.2.4 智慧氣象無縫隙對接模塊開發

優化CIMISS接口數據無縫對接讀出JSON氣象數據統一服務接口基于國省統一的數據環境（“天擎”），面向氣象業務和科研，提供全國統一、標準、豐富的數據訪問服務和應用編程接口（API），為國、省、地、縣各級應用系統提供唯一權威的數據接入服務。

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

定義變量$cimiss_rest_conf地址采用REST技術調用服務器數據庫。

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接口小時數據：

“SURF_CHN_MUL_HOR”

$datacode=”SURF_CHN_MUL_HOR”;

定義變量$elements接口讀出時間、站點、小時數據。

$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19個站點區站號。

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

（2）智慧氣象數據檢索技術。氣象數據服務接口是基于“天擎”平臺環境，面向氣象業務和科研，提供統一、標準、豐富的數據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，可按時間點、經緯度范圍、統計時段等不同參數進行檢索。通過輸入參數，調用“天擎”平臺提供的數據檢索接口以獲取氣象數據和產品，包括臺站信息的查詢，站點資料的查詢、統計，格點資料的檢索、解析及裁剪，文件產品（雷達產品、衛星云圖、數值預報產品）的檢索。

1.2.5 可視化智能產品數據交互技術

（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具有開發生動、可交互的特點，可個性化定制數據可視化圖表。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（區域圖）。

1.3 系統功能

東鄉智慧氣象服務系統基于“天擎”平臺，借鑒前人研究技術和經驗并深度結合大數據挖掘技術、地理信息系統、集成UI界面的數據多媒體可視化技術，進行數據資源優化整合，致力于提供氣象服務和實現防災減災目標[8]。將氣象防災減災救災體系與氣象服務相結合，聚焦氣象數據監測、預報預警、信息發布、部門聯動、分析評估等環節，實現氣象服務的多元化、個性化。以業務一體化、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據平臺[9]。東鄉智慧氣象服務系統實現了氣溫、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（鄉鎮）、時間和要素類別查詢自動站數據信息。該系統主要有三大模塊：監測展示系統模塊、數據分析模塊、氣象服務模塊。

1.3.1 監測展示系統模塊

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

1.3.2 數據分析模塊

數據分析模塊主要為日常資料分析和圖表顯示。實現對國家站氣溫、降水的極值監控、實時數據自動監控顯示。同時，在系統主界面可顯示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、預警發布監測、農業氣象。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、一套業務流程、一套產品體系[10]。東鄉“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。微信天氣實現每日微信推送東鄉天氣預報，使得關注用戶能夠及時收到東鄉最新天氣情況。預警發布監測能夠實時對接江西省突發事件預警信息發布系統，以及江西省集約一體化平臺發布的氣象災害預警信息，以便業務人員能夠進行實時監控。為滿足智慧農業需求，應提高智慧農業氣象服務水平，提升農業氣象服務的精細度，提供更加專業的農業氣象服務[11]。東鄉智慧氣象服務系統錄入了1 021個新型農業主體，提供專業農業氣象服務，通過各鄉鎮（場）的電子顯示屏提供農業氣象預報。

2 結束語

基于“天擎”平臺開發的東鄉智慧氣象服務系統，東鄉區氣象數據精細化監測和智慧氣象服務將進一步發展。該系統的研究開發大大減輕了基層氣象業務人員的工作壓力，使得氣象業務運行更加精減、有效。該系統作為東鄉區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，東鄉智慧氣象服務正是利用云計算、大數據高速發展的有利契機，推進城市防災減災實現智能化、集約化、信息化的現代格局，為東鄉區城市發展貢獻氣象力量。

參考文獻

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收稿日期：2024-09-12

基金項目：撫州市東鄉區科技局自籌資金科技項目“基于cimiss大數據的氣象數據監控報警設計與應用” （DXKJKY202372）。

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