一種輕量化的氣象要素監測預警平臺設計與實現

摘 要：【目的】區域自動氣象站作為綜合氣象觀測體系的重要組成部分，數量在不斷增加。由于觀測數據種類多、采集更新頻率高，再加上極端天氣對人們生產生活的影響越來越大，傳統的網頁報警、短信報警已經不能滿足需求，迫切需要一種自動化的手段實時監測數據變化并進行有效預警。【方法】氣象要素監測預警平臺采用B/S架構，使用Django框架搭建Web服務，后臺服務端采用Python語言編寫。前端網頁可供用戶對實況氣象觀測數據進行報警條件設置，設置完成后即可關閉。后臺服務端會定時循環讀取最新觀測數據并與報警條件進行比對，當達到觸發條件時，由后臺服務器調用阿里云語音服務自動向用戶發起電話呼叫并播報實況觀測數據詳情。【結果】通過該平臺，用戶可根據當前天氣的發展情況，快速靈活地定制閾值報警策略，在實況觀測要素達到報警閾值時，以電話呼叫的方式對用戶進行強提醒，實現了自動化、輕量化、可定制的數據監控功能。【結論】在實際業務運行中，該平臺的應用在中小尺度天氣系統監測預警、地方氣象服務等氣象防災減災領域中發揮了重要作用。

關鍵詞：區域自動氣象站；數據監控；自動語音呼叫

中圖分類號：TP315" " "文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）14-0031-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.14.006

Design and Implementation of a Lightweight Meteorological Elements Monitoring and Warning Platform

Abstract： [Purposes] As an important part of the comprehensive meteorological observation system， the number of regional automatic meteorological stations is constantly increasing. Due to the variety of observation data and the high frequency of collection and updating， coupled with the increasing impact of extreme weather on people's production and life， the traditional webpage alarms or SMS alarms can no longer meet the demand， there is an urgent need for an automated means to monitor data changes in real time and provide effective early warning.[Methods] The meteorological elements monitoring and warning platform adopts B/S architecture， using Django framework to build Web services， and the back-end server is written in Python. The web page for users to set alarm conditions for live meteorological observations and then turn them off. The back-end server regularly and cyclically reads the latest observation data and compares it with the alarm conditions， and when the triggering conditions are reached， the back-end server calls Alibaba Cloud's Voice Messaging Service to automatically initiate a call to the user's phone and broadcast the details of the live observation data. [Findings] Through the platform， users can quickly and flexibly customize the threshold alarm strategy according to the development of the current weather process， and strongly alert the user with a phone call when the live observation element reaches the threshold， which achieves an automated， lightweight and customisable data monitoring function.[Conclusions] In actual operation， the application of the platform plays an important role in the field of meteorological disaster prevention and mitigation， such as monitoring and warning of small and medium scale weather systems and local meteorological services.

Keywords： regional automatic meteorological stations; data monitoring; automated voice calling

0 引言

為了滿足中小尺度天氣的系統監測預警和地方氣象服務需要，氣象部門建立了密集的區域自動氣象站網絡。作為綜合氣象觀測體系的重要組成部分，這些區域自動氣象站的觀測資料在氣象防災減災中發揮了重要作用。由于區域自動氣象站數據種類多、采集更新頻率高，迫切需要一種自動化的手段實時監測數據變化并進行有效預警。因此，本研究設計并實現了一種輕量化的氣象要素監測預警平臺（以下簡稱“平臺”）。當實況觀測數值達到提前設定的閾值時，將會自動撥打電話對值班員進行強提醒［1-4］。

1 總體設計

1.1 需求分析

目前，河南省已建成由2 800多個自動氣象站組成的氣象監測站網絡，站點觀測要素種類由單雨量要素到氣溫、氣壓、雨量、風向、風速、相對濕度、淺層地溫七種要素不等，這些站點每1～5 min 會將實時觀測數據上傳至氣象觀測網絡。在汛期時，強對流天氣的高發時段雖然多在午后到傍晚，但在凌晨時段仍然會出現突發短時強降水。例如：2023年9月10日03時，洛陽市新安縣正村站點的小時雨強達89.6 mm；2022年6月17日03時，焦作市槐樹站點的小時雨強達88.2 mm。針對這種局部地區突發強降水，一線值班員需24 h不間斷地關注著數值變化情況，給基層工作帶來較大壓力。不僅耗費大量人力，而且及時性也很難得到保證。目前應用的業務系統中，針對自動氣象站實時觀測數據的監測預警多以網頁端播放聲音用來提示為主，且報警條件設置方法較為復雜，無法根據當前天氣形勢快速靈活地設置報警條件，這種完全依賴人工監測預警的現狀亟待改變。

1.2 平臺總體設計

區別于傳統的網頁報警、短信報警等形式，該平臺直接采用撥打電話的形式進行強提醒，用戶針對觀測數據添加報警條件設置（稱之為“訂閱”）后即可關閉網頁。平臺通過阿里云語音服務（Voice Messaging Service）實現自動撥打電話的呼叫功能，通過阿里云提供的SDK，聯合運營商提供穩定、可靠、安全的云通信服務，該通信方式具備高可用、高并發、高質量的特點［5-8］。

平臺采用B/S架構，將復雜的邏輯隱藏在服務器端。前端網頁僅提供用戶登錄、添加或取消訂閱、查看歷史訂閱的功能；后臺服務端采用Python語言編寫，使用Django框架搭建Web服務，基于多線程同步的考慮，采用MySQL搭建數據庫，使用Git進行版本管理［9-11］。系統總體架構，如圖1所示。

2 流程設計及功能模塊

平臺采用“極簡高效”的設計理念，用戶只需要簡單的幾次點擊，就可快速地為實況氣象觀測數據添加一條訂閱，復雜的訂閱條件觸發邏輯和語音呼叫消息隊列處理隱藏在后臺服務器中執行。后臺服務器在讀取實時觀測數據后與訂閱條件進行比對，當達到用戶設置的觸發條件時，由后臺服務器調用第三方語音通信SDK，通過云服務自動向訂閱賬戶的電話號碼發起呼叫，在接通后播報訂閱的觀測數據詳情。后臺服務器將根據云服務異步返回的呼叫消息狀態執行后續操作。平臺工作流程，如圖2所示。已觸發的訂閱狀態將實時更新在平臺前端網頁供用戶查詢，如“嘗試通知1次”“嘗試通知2次”“用戶完整接聽”“用戶無法接通（拒絕）”等。

2.1 用戶模塊

平臺為不同地區的用戶分配各自的賬戶，賬戶中包含默認地區、默認訂閱號碼、可添加的最大訂閱數等信息，用戶登錄后即可添加訂閱、查看或取消當前訂閱及查看歷史訂閱狀態。用戶信息通過Django框架的自動管理工具Admin模塊進行可視化管理。

2.2 訂閱設置模塊

點擊“添加一條訂閱”按鈕，彈出訂閱條件設置窗口，其中監控區域站所在地欄可選擇需要監控的地區，如各縣、市區、全區等，默認選中當前賬戶綁定地區；監控要素設置欄選擇要監控的氣象要素，如雨量、10 min雨強、風速、氣溫、能見度等；觸發條件可設置為大于、小于，并在輸入框中輸入閾值數值；接受訂閱電話號碼欄默認填寫當前賬戶綁定的電話號碼，用戶可根據情況任意修改。添加訂閱過程如圖3所示。

為了方便用戶選取閾值數值，運用AJAX技術，定時異步請求后臺服務器，在不重新加載整個頁面的情況下，在輸入框上方提供2個實時刷新的標簽，用于顯示所選監控區域指定觀測要素的最大值和最小值，在更改監控區域或監控觀測要素時，最大值和最小值的標簽也將同步更改［12］。

訂閱條件設置完畢后，點擊提交訂閱，即向后臺服務器發送請求，服務器將此條訂閱數據完善狀態信息后寫入數據庫，在訂閱被觸發前，用戶可以在所屬賬戶的訂閱列表中查看或取消此條訂閱，如圖4所示。

當所選區域的實況觀測數值達到訂閱條件時，該條訂閱被觸發，后臺服務器通過運營商網絡向指定接受訂閱的電話號碼發起電話呼叫，電話接聽后，根據觸發的訂閱內容播放機器合成語音，例如：“請注意：伊川縣白沙站點附近雨量達到10 mm”，語音播放3遍后自動掛斷。若出現呼叫失敗，如占線、超時未接聽、用戶掛斷、用戶不在服務區等情況，后臺會在1分鐘后再次發起呼叫，直至達到設置的最大重試呼叫次數。用戶可在平臺上查看已觸發訂閱的狀態信息，包括訂閱的觸發條件、嘗試呼叫次數、最終呼叫結果、最終呼叫時間，如圖5所示。

2.3 后臺服務模塊

后臺服務器主要處理2個任務，即訂閱條件遍歷和呼叫消息隊列處理。

訂閱條件遍歷任務是從數據庫中讀取所有用戶提交的訂閱條件，與實時觀測數據進行對比，當條件滿足時，調用云通信API來呼叫訂閱號碼，同時將訂閱條件狀態修改為已觸發。

無論呼叫是否成功，每條呼叫都將在呼叫消息隊列中異步返回一條呼叫回執，需要從消息隊列中不斷嘗試讀取。當讀取到回執后，將對應的訂閱條件狀態進行相應修改，若呼叫成功，則狀態為已完成；若呼叫失敗且呼叫次數小于設置的重試呼叫次數，則在1分鐘后再次發起呼叫，若呼叫次數達到重試呼叫次數，則標記狀態為失敗。

此外，還有一個重要的功能需要考慮。平臺的作用是當實況觀測要素數值達到用戶設置的閾值時，對用戶發出強提醒，那么無論任何原因，出現無法按照訂閱條件通知用戶的情況都是無法被接受的。因此，需要一套獨立于后臺服務器運行的守衛機制，確保平臺本身出現異常時，能夠立刻通知管理員進行修復。于是選擇在云服務器上部署守衛系統，但平臺本身的異常包含但不限于后臺服務器死機、網絡異常、代碼BUG等，顯然不能由后臺服務器向守衛系統報告運行異常。應反其道行之，守衛系統初始化時，即提交若干分鐘后報告管理員出現異常的定時器，之后若在定時器觸發前收到后臺服務器的正常報告，則重置定時器；若在定時器觸發前未收到正常報告，則定時器觸發，立即通知系統管理員處理異常。

3 結語

該平臺的研發是為了探索一種自動化、輕量化、可定制的數據監控方法。用戶可根據當前天氣過程的發展情況，快速地定制報警閾值。該平臺已在洛陽市氣象部門投入業務應用，在中小尺度天氣系統監測預警、地方氣象服務等氣象防災減災領域中發揮了重要作用。在后續的開發中，可根據《河南省強對流、暴雨天氣預警發布技術規范和分類強天氣監測預警指標》等預報方法，創建缺省的智能訂閱條件，對值班人員進行智能預警。除了監控觀測要素數值外，也可對區域站故障及異常值進行自動監控，提高數據可用性。

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