南昌市氣象綜合觀測業務監控管理系統設計開發

許怡欣?熊劦

摘要：為適應氣象現代化和智慧氣象高質量發展需要，結合南昌市氣象實際需求，以“云服務、大數據、地理信息”等技術為基礎，設計分鐘級自動監控綜合觀測業務狀態、基層臺站網絡狀態、機房倉儲等重點區域的環境狀態、供電系統運行狀態、氣象裝備全生命周期監控管理，并配以自動化、多渠道的報警方式、安全可靠的遠程控制系統。最終實現綜合觀測業務全流程無縫隙監控保障，達到“無人值守”綜合觀測業務工作狀態。

關鍵詞：氣象業務；綜合監控；報警；系統設計

一、前言

氣象事業是科技型、基礎性、先導性社會公益事業。隨著對防范氣象災害重大風險的要求越來越高，廣大群眾對氣象服務保障的需求越來越多，黨中央、國務院提出要加快推進氣象現代化建設，努力構建科技領先、監測精密、預報精準、服務精細、人民滿意的現代氣象體系。氣象綜合觀測業務是高質量發展氣象事業的基礎和前提，通過綜合觀測業務監控管理系統的建立，一方面可以有效地保障氣象數據觀測能力的提升，全面覆蓋臺站監控死角。另一方面可以減少綜合氣象觀測業務流程中不必要的人工處理信息環節，縮減處理時間，減少人力投入，節省行政管理支出費用，提升觀測業務的效率，將運作成本大幅降低[1]。

二、系統設計需求

根據南昌市實際情況，針對現有綜合觀測業務的各項需求進行設計，依托“天元”“天擎”等系統，整合南昌市本級及各縣區業務監控手段及基礎設施，建立南昌市綜合觀測業務監控管理系統，實現南昌市氣象局及下屬所有臺站從“人工+系統”監測手段轉變為無人值守智能觀測。南昌市現有國家氣象觀測站5個（其中新建區站和安義縣站為局站分離）、國家地面天氣站13個、區域自動觀測站97個，分屬南昌市各縣區和市本級管轄，需要建立針對各類業務數據統一的監控系統，能夠實現兼容不同種類氣象自動站的統一監測報警，實現地面觀測業務數據上傳狀態監控、雷達數據上傳監控、國家主備站數據對比分析等功能。建立全市氣象局綜合網絡監控保障系統，用于監控全市氣象局范圍內各網絡設備狀態、各專線鏈路狀態。加強臺站環境監控改造，實現業務區域安防入侵監控、設備室溫濕度監控、電源動力系統監控、發電機及UPS電源保障系統等在線遠程監控及報警提醒。建立應急備份保障系統，實現對臺站觀測數據異地備份、KVM數字遠程控制、備份PC運行狀態監測等。建立監控各氣象裝備的監控管理系統，實現倉庫備件管理、氣象裝備全生命周期監控、計量周期監控[2]。

三、系統組成

（一） 系統框架

針對設計需求綜合觀測業務監控管理系統建設五大子系統（見圖1），將一個大型地面觀測臺站日常業務運行的所有需要業務和狀態監控數據統一收集，并通過數據可視化平臺的方式展示出來。系統后臺對各臺站的所有數據和狀態進行自動分析監控，當發現異常時，通過多種渠道向業務人員發出警報并切換到備份渠道，等待業務人員前往處理。

（二） 各子系統

1.業務數據監控子系統

國家臺站監控基于各臺站都使用中國氣象局開發的ISOS業務軟件。使用業務監控探針程序部署在臺站ISOS業務機PC上后臺運行，實時監控ISOS業務系統的各種狀態數據，包含但不限于業務上傳日志記錄、氣象觀測數據、設備電壓狀態等。同時將采集信息上傳到集約監控管理平臺，進行統一監控管理與統一報警推送。天氣站及區域自動站監控基于對接天擎系統接口，采集全市所有區域站觀測要素數據，按縣級行政區劃分，提供市局本級及各縣區氣象站綜合到報率與及時率監控。

2.網絡監控子系統

全市所有綜合觀測業務網絡中共有鏈路21條，其中各縣氣象局分別部署了移動、電信兩條不同運營商的業務專線，市局采用移動、電信雙運營商主備鏈路連接到省局。電信運營商線路通過BGP協議直接到省氣象局，移動運營商線路通過ospf協議建立縣至市、市至省的樹狀網絡結構。局站分離臺站通過生成樹協議雙線路冗余備份，連接臺站至縣局的網絡架構。針對復雜的網絡架構單純依靠PING命令無法準確判斷所有線路的運行情況，因此，采用在市氣象局部署專業網管軟件，基于SNMP網管協議[3]對全市氣象內網的所有涉及綜合觀測業務的網絡設備和專線網絡線路進行監控，及時發現異常，立即報警并通知網絡管理人員前去維護。

3.環境監控保障子系統

結合各臺站的自建臺站實景攝像頭監控系統對臺站周邊環境進行實時監控。通過在市局部署采集接口系統，解決各臺站監控相互獨立需要不同鏈接地址和賬號密碼登錄查詢的問題，將各臺站實景攝像頭整合，隨時采集、查看各攝像頭的實時畫面。對各臺站業務重點區域部署配電監測、精密空調監測、UPS監測、漏水監測、溫濕度監測、消防監測等各類監測探頭，通過RS232或RS485通信方式接入各區域監控主機，各區域監控主機通過TCP/IP通信方式將監測數據整合傳輸至環控集約監控管理系統，從而實現各臺站、各業務重點區域的環境集約化監控管理。

4.應急備份保障子系統

（1）供電

對接各臺站部署的自動發電機（停電自啟動發電機），并對其進行油料箱改裝（增大），要求支持遠程控制功能。在發電機房部署溫濕、安防、水冷水箱（如果有）、油料箱探測模塊，由市局環控系統主機統一采集狀態數據。對各臺站業務值班室空調進行改造，使空調支持來電自動開機功能。

（2）遠程控制

在各臺站部署數字KVM設備，通過網絡和HTML5協議實現對各業務電腦的遠程控制。同時對接市局已建的數字KVM管理中心，對各臺站數字KVM設備進行用戶權限管理，限定登錄用戶權限和允許訪問IP地址，降低信息網絡安全風險。

（3）網絡線路

在無人臺站的每套自動站串口服務器上部署4G路由器，基于IPsec VPN隧道協議建立自動站采集板到市局的點對點4G專線作為第三條備份線路（加入網絡監控系統中），確保在有線網絡故障的情況下，可以通過4G線路用市局機房的備份業務PC鏈接自動站采集數據并上傳，保障業務不中斷。

5.裝備監控管理系統

通過標準接口對接天元系統，建立獨立的裝備信息數據庫，實時更新全市所有裝備信息，并增加人工錄入模塊用于補充天元系統中未登記信息。

四、系統架構及性能指標

（一）系統架構

整體系統基于B/S架構和成熟的氣象專業技術進行構建。對所需監控的各類業務數據如地面觀測、雷達等數據進行梳理。通過部署安防監控、環境監控、電力監控等設施實現各類環控數據的采集。通過IPKVM、4G應急線路、備份PC等技術手段建立備份保障系統。建設倉庫、備件等數據庫并對接天元系統，建立裝備監控。系統軟件為B/S架構，采用“平臺+應用”的建設模式和一體化設計。Web系統遵循J2EE規范，應用均部署在Linux環境，支持主流操作系統終端，具有良好的可擴展性和跨平臺能力。平臺采用面向服務的架構（SOA），符合Web Service標準的訪問接口。系統設計堅持“集中、協同、一體化”的技術路線，系統間的交互采用面向服務（SOA）架構的設計思想、組件式開發模式，保證各功能模塊間低耦合、高內聚。

系統總體架構從下到上分為物理層、數據層、服務層、應用層、展現層。

數據層：由基礎數據、應用支撐數據、管理與運行信息數據構成。關系性數據主要采用 MySQL進行，非關系性數據采用MongoDB進行。數據層包括數據采集模塊、數據處理及傳輸模塊、數據監測模塊。

1.數據采集模塊

實現各類數據采集工作，包括從天擎數據接口、其他系統平臺接口、FTP服務、共享目錄采集的氣象實況監測、動環監控、網絡監控數據等。支持HTTP接入、Web Service接入、FTP接入、SOAP接入等多方式接入，支持數據源目標配置、任務時間及步長頻度配置、解析方式配置等，提供日志審計、數據監控、補采補錄等功能。

2.數據傳輸模塊

該模塊建立穩定、高效、安全、統一的數據傳輸通道，完成來自數據采集監測模塊的數據傳輸，并進行數據整理、清洗、預處理。

服務層：用戶接口或 Web 客戶端與數據之間的邏輯層，主要包括分布式基礎服務及API服務兩部分。

1.分布式基礎服務

對分布式基礎服務實施監控與管理，對涉及數據采集、傳輸、處理、存儲的分布式服務組件，如分布式消息系統（Kafka）、分布式文件系統（HDFS）、分布式計算框架（Map/Reduce）以及分布式緩存系統（Redi/Memcached）等進行狀態監控與日志管理，為錯誤處理、性能調優提供支撐。

2.API服務

API服務主要包括數據接口服務、GIS服務、Web端服務等。數據接口服務主要用于數據采集與數據上報。GIS服務對Web-GIS API進行二次封裝，形成地圖交互、地圖展現等基礎API，提供Web端相關地圖功能實時調用。Web端服務主要為作業管理、數據監控、流程監控等功能提供后端API接口，包括BPM引擎API、數據可視化API、ECharts組件API等。此外，平臺可通過對外服務API向外單位實現數據產品共享及相關服務調用。

應用層：Web端通過服務層提供的API接口與服務端進行數據及邏輯交互，實現單點登錄、統一用戶管理、統一認證和統一權限管理市、縣各級業務應用。通過數據分析及挖掘應用，實現按不同應用層級、不同主題分析數據可視化，以及數據監控、流程監控、任務監控等功能。

展現層：各類通過數據層加工后的業務數據，最終通過本層進行統一展現，采用大數據分析及展示相關技術，界面美觀、交互良好。

（二）系統性能指標

系統響應時間主要包括：自動產品查詢時間為秒級，查詢時間小于2秒；手動產品查詢時間為秒級，一般查詢時間小于3秒。為保證系統的正常運行，使系統能夠滿足項目在響應速度、用戶并發數以及資源利用率等方面的要求，并在一些嚴格的場合下也能保證系統的正常運行，在系統建設時，對系統運行時的性能有一定要求，滿足如下響應速度、用戶并發數以及資源利用率等方面的性能要求[4]：

1.主程序加載時間<2s。

2.監測信息的滾動條反應時間小于2秒。

3.等值線分析響應時間小于2秒。

4.色斑圖分析響應時間小于2秒。

5.B/S系統滿足不同級別至少300個用戶使用系統，至少100個并發訪問數量。

6.當數據錄入操作時應無等待時間。

7.日常操作的顯示響應時間不大于2秒。

8.復雜圖表的顯示響應時間不大于5秒。

9.日常查詢、統計和分析的響應時間不大于5秒。

10.產品加工制作響應時間不大于3秒。

為保證系統的正常運行，確保系統能達到需要的性能要求，在系統建設時滿足如下系統公共功能性能指標：

1.數據讀取性能指標

系統在氣象專業數據讀取中，根據不同的氣象數據設置不同的性能指標。

2.數據操作性能指標

系統在對實時監測數據進行讀取、更新、刪除和導入操作時，反應時間根據對象數據量的不同而不同，在表記錄1000000條的條件下對數據操作設置以下性能指標（見表1）。

3.數據監測性能指標

對于氣象觀測數據等產品的數據監測，需要高效、規范的數據訪問接口服務。

根據不同的數據類型設置不同的監測性能指標（見表2）。

4.系統整體性能指標

產品自動生成性能指標：產品所需資料收集完備后，1分鐘內完成識別產品自動生成。按指定格式生成產品時間小于等于2秒。

數據并發訪問性能指標：分布式數據監測可同時支撐大于45個數據并發訪問。

B/S系統滿足不同級別至少2000個用戶使用系統，至少100個并發訪問數量。

5.系統的可用性[5]

系統關鍵節點采用冗余配置，任何時刻都能保證主備機的互相切換，切換時無擾動，熱備用計算機切換時間小于60秒。

五、系統創新點

通過設計和建設南昌市氣象綜合觀測業務監控系統，將各類業務工作和重點區域環境監控融合在一起，突出綜合性、集約性原則，針對業務數據的保障工作做出了如下創新：

（一） 使用數字KVM遠程監控

通過在各臺站ISOS業務電腦部署KVM分機，同時在市局管理中心部署數字KVM管理系統對各臺站數字KVM設備通過IP網絡操作，一鍵登錄異地臺站ISOS業務電腦，觀測人員無法趕赴臺站時可由市局通過遠程協助方式處理緊急情況。

（二）國家站數據異地4G備份路線改造

對場外串口服務器中光電轉換器進行改造，增加支持4G網絡的DTU單元，基于IPsecVPN隧道協議建立自動站采集板到市局業務電腦的點對點4G傳輸。當本地傳輸路線中斷時，自動切換到4G路線將報文數據傳輸到市局管理中心，進行遠程備份，保障數據傳輸，實現臺站氣象觀測數據異地備份。

六、結語

系統設計針對目前綜合觀測各類業務需求點開展，對于地面觀測業務的資料傳輸由低效率的人工監控轉變為7×24小時自動監控，并且監控內容精確到每一分鐘數據、burf文件上傳情況和網絡線路情況。一旦出現傳輸故障，業務和管理人員無論身在何處都會在幾分鐘內收到警報提醒，使保障人員能夠在最短的時間內高效率介入，恢復業務運行，對業務質量提升意義明顯。業務人員可以對異地無人臺站的所有實時狀態隨時了解，及時發現隱患并可迅速排除，可以有效保障業務穩定運行。對各類突發應急狀況都做了應急備份方案，一旦發生故障，可以隨時切換到備份方案上，給保障人員爭取處理時間。

參考文獻

[1]閆平.綜合氣象觀測運行監控業務系統應用實踐解析[J].農業災害研究，2023，13（01）：130-132.

[2]王碩飛，賈益超，郭小璇.氣象資料數據傳輸監控及短信報警系統設計與實現[J].長江信息通信，2022，35（07）：79-80+83.

[3]黃元.基于SNMP的網絡監控在電視播出業務中的應用[J].廣播與電視技術，2010，37（10）：98+100-102.

[4]全國信息技術標準化技術委員會.計算機軟件可靠性和可維護性管理：GB/T 14394-2008[S].北京：中國標準出版社，2008.

[5]全國信息技術標準化技術委員會.計算機軟件需求規格說明規范：GB/T 9385-2008[S].北京：中國標準出版社，2008.

責任編輯：張津平