孫超 肖文名 陳永濤 曾樂 張小纓

（1 國家氣象信息中心，北京 100081；2 中國氣象局預(yù)報與網(wǎng)絡(luò)司，北京 100081）

0　引言

隨著氣象信息化、集約化、標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程的加速推進(jìn)，建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)環(huán)境、整合業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)、建設(shè)集約共享的氣象云等各項工作都在穩(wěn)步推進(jìn)和實(shí)施，氣象業(yè)務(wù)信息化正由技術(shù)應(yīng)用走向工作協(xié)同。但是，現(xiàn)有各業(yè)務(wù)系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)仍然呈現(xiàn)信息孤島現(xiàn)象，上下游監(jiān)控信息沒有共享，導(dǎo)致運(yùn)維效率低，正制約著氣象業(yè)務(wù)集約化健康發(fā)展，需根據(jù)業(yè)務(wù)監(jiān)控和運(yùn)維需求實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化與集約化整合與集中。因此，急需打通氣象綜合業(yè)務(wù)監(jiān)控流程，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)集中監(jiān)控、有機(jī)融合，構(gòu)建開放的、全流程、一體化、可視化的氣象綜合業(yè)務(wù)實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)，提高集約化后的氣象業(yè)務(wù)運(yùn)行質(zhì)量與效率。

1　國內(nèi)外監(jiān)控系統(tǒng)分析

目前國內(nèi)氣象行業(yè)的業(yè)務(wù)監(jiān)控系統(tǒng)，主要功能是實(shí)現(xiàn)對觀測裝備、系統(tǒng)資源、數(shù)據(jù)收集分發(fā)、核心業(yè)務(wù)運(yùn)行狀況的監(jiān)視和運(yùn)維，如全國綜合氣象信息共享系統(tǒng)業(yè)務(wù)監(jiān)控系統(tǒng)（CIMISS-MCP）對數(shù)據(jù)收集、分發(fā)、處理、存儲和共享進(jìn)行綜合監(jiān)視和統(tǒng)計分析[1]，綜合氣象觀測系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控平臺（ASOM）[2]對天氣雷達(dá)、國家級臺站自動氣象站、探空系統(tǒng)和風(fēng)能等觀測網(wǎng)的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控。

國外氣象行業(yè)的監(jiān)視系統(tǒng)也是主要圍繞著數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)收集生成、數(shù)據(jù)質(zhì)量、觀測設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，如美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）建設(shè)了觀測系統(tǒng)監(jiān)控中心（OSMC）實(shí)時監(jiān)測全球海洋觀測系統(tǒng)的性能[3]，歐洲中期天氣預(yù)報中心（ECMWF）通過常規(guī)觀測告警系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)可用性和質(zhì)量問題[4]，美國國家環(huán)境預(yù)報中心（NCEP）的實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)（RTDMS）主要監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)量和時效性[5]。

隨著氣象信息化的快速推進(jìn)，業(yè)務(wù)高度集約化的發(fā)展趨勢對監(jiān)控系統(tǒng)提出了更高的要求，現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)在監(jiān)控范圍和技術(shù)框架上已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的瓶頸。

1）沒有實(shí)現(xiàn)全流程、一體化監(jiān)控

氣象業(yè)務(wù)現(xiàn)有監(jiān)視系統(tǒng)都是獨(dú)立開發(fā)和運(yùn)維，監(jiān)控系統(tǒng)分散且數(shù)量龐大，運(yùn)行維護(hù)人力成本高。各監(jiān)控系統(tǒng)僅監(jiān)控全業(yè)務(wù)流程中的獨(dú)立環(huán)節(jié)，無法實(shí)現(xiàn)跨業(yè)務(wù)部門的全業(yè)務(wù)流程集中監(jiān)視，監(jiān)視信息無法上下游共享，存在信息孤島，無法實(shí)現(xiàn)面向全流程的業(yè)務(wù)監(jiān)視和分析，造成業(yè)務(wù)故障定位困難，無法關(guān)聯(lián)分析業(yè)務(wù)流程問題。

2）數(shù)據(jù)監(jiān)控功能不足

現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)普遍側(cè)重于基礎(chǔ)平臺及應(yīng)用進(jìn)程監(jiān)視，針對業(yè)務(wù)應(yīng)用的數(shù)據(jù)完整性、質(zhì)量及時效的監(jiān)控功能缺乏，同時缺少主動運(yùn)維管控功能。業(yè)界先進(jìn)的信息系統(tǒng)運(yùn)維普遍采用ITIL運(yùn)維流程管理模式，通過流程化的運(yùn)維管理工具進(jìn)行信息系統(tǒng)的運(yùn)維工作。

3）監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)難以支撐高度集約化業(yè)務(wù)精細(xì)化監(jiān)控要求

現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)存在與業(yè)務(wù)系統(tǒng)“耦合過緊”的問題，監(jiān)控系統(tǒng)故障影響業(yè)務(wù)系統(tǒng)性能的情況時有發(fā)生。而且現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的集中式技術(shù)架構(gòu)，面對精細(xì)化的監(jiān)控需求，日益增長的海量監(jiān)視數(shù)據(jù)，現(xiàn)有技術(shù)架構(gòu)的處理、存儲和服務(wù)能力嚴(yán)重不足。

在電力等其他行業(yè)中，對于一體化監(jiān)控的研究成為熱點(diǎn)和趨勢，如趙世龍?zhí)接懥穗娏ζ髽I(yè)信息系統(tǒng)性能一體化監(jiān)控管理模式[6]；譚軍通過對國家電網(wǎng)公司一體化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了對數(shù)據(jù)中心內(nèi)各個智能化系統(tǒng)，包括環(huán)境監(jiān)控、安防、消防、BA、電力系統(tǒng)監(jiān)控、RFID 資產(chǎn)管理、MMT 氣流與熱場管理等子系統(tǒng)的統(tǒng)一監(jiān)控管理[7]。

因此，業(yè)務(wù)監(jiān)控系統(tǒng)分散運(yùn)維，正制約著氣象業(yè)務(wù)集約化健康發(fā)展，需根據(jù)業(yè)務(wù)監(jiān)控和運(yùn)維需求實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化與集約化整合與集中。氣象綜合業(yè)務(wù)實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計也應(yīng)面向業(yè)務(wù)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)設(shè)施資源提供一體化的實(shí)時運(yùn)行監(jiān)視。

2　系統(tǒng)設(shè)計

2.1　系統(tǒng)設(shè)計思路

德國工業(yè)4.0強(qiáng)調(diào)企業(yè)信息系統(tǒng)的一體化，所追求的就是在整體業(yè)務(wù)范疇內(nèi)實(shí)現(xiàn)所有環(huán)節(jié)信息的無縫鏈接，即所謂“縱橫一體化”，是所有智能化的基礎(chǔ)[8]。氣象綜合業(yè)務(wù)實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計定位于對觀測、信息、預(yù)報預(yù)測、公共服務(wù)及政務(wù)管理的“全流程、一體化、可視化”監(jiān)控，按照“橫向集中、下沉一級、綜合監(jiān)控”的原則，建立橫縱一體化的氣象綜合業(yè)務(wù)全流程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)“兩橫兩縱”（圖1）。橫向整合氣象核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控，整合數(shù)據(jù)從采集、傳輸、處理、存儲到服務(wù)的全流程監(jiān)控；縱向?qū)崿F(xiàn)對支撐氣象業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施、場地環(huán)境全面監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對全國省級數(shù)據(jù)中心的集中監(jiān)視。

圖1　橫縱一體化監(jiān)控設(shè)計Fig. 1 Design of the integrated monitoring

實(shí)現(xiàn)氣象綜合業(yè)務(wù)橫縱一體化監(jiān)控，需打通氣象業(yè)務(wù)流程、數(shù)據(jù)流程的各環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)信息融合與共享，有助于全面掌握氣象綜合業(yè)務(wù)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)故障的快速定位和解決，促進(jìn)流程優(yōu)化，并通過海量監(jiān)視信息的挖掘分析，為氣象現(xiàn)代業(yè)務(wù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

2.2　系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

氣象綜合業(yè)務(wù)實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)軟件總體框架由接口層、存儲層、處理層、服務(wù)層組成（圖2）。

監(jiān)視源：包括觀測系統(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)施資源、數(shù)據(jù)全流程、業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)、信息安全設(shè)施五類被監(jiān)視源。

接口層：根據(jù)規(guī)范的接口協(xié)議，與外部系統(tǒng)進(jìn)行對接，采用“推”“拉”兩種方式支持各業(yè)務(wù)系統(tǒng)監(jiān)視信息的主動推送和被動采集，并實(shí)現(xiàn)控制指令的自動推送。

存儲層：采用大數(shù)據(jù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控信息的實(shí)時緩存、實(shí)時指標(biāo)的高效存儲訪問和歷史日志的永久在線存儲。

處理層：采用流式計算、分布式處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)指標(biāo)計算、告警處理、挖掘分析。

服務(wù)層：基于生成的監(jiān)視指標(biāo)和監(jiān)視視圖，在運(yùn)維平臺、展示大屏幕上實(shí)現(xiàn)一體化、多維度、由面到點(diǎn)逐級深入的監(jiān)視展示，實(shí)現(xiàn)告警集中發(fā)布及運(yùn)維管理，提供業(yè)務(wù)報表及監(jiān)視信息分析服務(wù)，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的資源和運(yùn)維服務(wù)統(tǒng)計或計費(fèi)服務(wù)。

用戶層：包括業(yè)務(wù)運(yùn)維人員、業(yè)務(wù)管理人員、參觀來賓等三類用戶。

圖2　系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)Fig. 2 System technology architecture

3　主要功能

監(jiān)控系統(tǒng)主要功能圍繞監(jiān)視信息的全生命周期，從監(jiān)視信息匯聚、分析到可視化監(jiān)視、集中告警、運(yùn)維管理、運(yùn)營服務(wù)。監(jiān)控系統(tǒng)能從不同業(yè)務(wù)視角綜合監(jiān)控業(yè)務(wù)的實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)業(yè)務(wù)監(jiān)控需求進(jìn)行指標(biāo)的多維統(tǒng)計分析、業(yè)務(wù)影響分析等處理，生成監(jiān)控系統(tǒng)的多級別、多維度綜合性指標(biāo)、超閾值監(jiān)測指標(biāo)和關(guān)聯(lián)分析視圖；根據(jù)業(yè)務(wù)決策需求，對實(shí)時、歷史監(jiān)視信息進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，提供業(yè)務(wù)和流程的分析評估管理視圖。同時，監(jiān)控系統(tǒng)具備集中告警和運(yùn)維管理功能，具備與業(yè)務(wù)系統(tǒng)對接，并接入省級數(shù)據(jù)中心監(jiān)視指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)全國集中監(jiān)視。

1）監(jiān)視信息匯聚

根據(jù)規(guī)范的監(jiān)控信息采集標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，采集來自氣象數(shù)據(jù)全流程、觀測系統(tǒng)、氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)施資源、場地環(huán)境、信息安全系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、性能指標(biāo)、日志、異常等監(jiān)視信息；對分散的、異構(gòu)的監(jiān)視信息進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并存儲到監(jiān)控信息數(shù)據(jù)庫中統(tǒng)一管理。不同形式的監(jiān)視數(shù)據(jù)的采集方式如表1所示。

表1　監(jiān)視信息分類及采集方式Table 1 Collection and classification methods of monitoring information

2）監(jiān)視信息處理

根據(jù)氣象業(yè)務(wù)的監(jiān)視邏輯對收集的監(jiān)視信息進(jìn)行集中處理分析，生成軟硬件層面、數(shù)據(jù)層面、業(yè)務(wù)運(yùn)行層面、信息安全層面的監(jiān)視指標(biāo)（表2），反映業(yè)務(wù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，分析基礎(chǔ)設(shè)施資源的容量和瓶頸，發(fā)現(xiàn)業(yè)務(wù)和系統(tǒng)的運(yùn)行問題，對故障進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。

3）綜合監(jiān)視

利用圖形圖表、儀表盤、三維立體展示、實(shí)時視頻等多種可視化技術(shù)，通過不同的維度和業(yè)務(wù)視角，靈活、按需的對國省兩級數(shù)據(jù)中心的監(jiān)控信息進(jìn)行綜合展示。實(shí)時監(jiān)視綜合觀測、信息基礎(chǔ)設(shè)施資源、數(shù)據(jù)流程、業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)、信息安全各個方面的運(yùn)行狀態(tài)，全面展示氣象業(yè)務(wù)流程串接的國家級及各省業(yè)務(wù)系統(tǒng)的核心監(jiān)視指標(biāo)。

對各類資源和業(yè)務(wù)系統(tǒng)的異常狀態(tài)進(jìn)行告警集中發(fā)布，實(shí)現(xiàn)告警的壓縮、歸并、顯示、提醒和管理，支持頁面顯示、聲音、短信等多種告警通知方式，能實(shí)現(xiàn)從告警到運(yùn)維派單的聯(lián)動，支持基于手機(jī)等移動設(shè)備的告警分類發(fā)布。

表2　監(jiān)控指標(biāo)數(shù)據(jù)分類Table 2 Classification of monitoring index data

4）在線管控

實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)完整性驅(qū)動的自動業(yè)務(wù)調(diào)度管理，實(shí)現(xiàn)基于人機(jī)交互的業(yè)務(wù)調(diào)度和控制；擴(kuò)展自動化運(yùn)維場景，支持腳本或可視化的業(yè)務(wù)編排管理，支持裸機(jī)安裝、自動巡檢、軟件部署、文件清理等業(yè)務(wù)資源管理。

5）運(yùn)維管理

基于配置建模、發(fā)現(xiàn)、維護(hù)，形成統(tǒng)一可信的配置管理數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對各類資源對象配置信息的生命周期管理；實(shí)現(xiàn)運(yùn)維流程ITIL事件管理、問題管理、變更發(fā)布管理、知識庫等管理；實(shí)現(xiàn)日常運(yùn)維操作的服務(wù)封裝，通過業(yè)務(wù)場景編排建立一定自動化運(yùn)維能力。

6）統(tǒng)計分析

基于實(shí)時和歷史監(jiān)視信息，具備數(shù)據(jù)挖掘及統(tǒng)計分析功能。根據(jù)業(yè)務(wù)要求，統(tǒng)計分析自動生成各類業(yè)務(wù)運(yùn)行報表；根據(jù)業(yè)務(wù)決策需要，提供任意時段、任意維度的監(jiān)視信息檢索、統(tǒng)計分析及可視化展示功能；根據(jù)其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)需要，提供監(jiān)視信息服務(wù)接口，實(shí)現(xiàn)監(jiān)視信息實(shí)時獲取。

7）運(yùn)營服務(wù)

通過統(tǒng)一入口受理用戶的服務(wù)請求，實(shí)現(xiàn)對用戶計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡(luò)資源的彈性按需分配，實(shí)現(xiàn)資源和服務(wù)的計費(fèi)，對運(yùn)維服務(wù)進(jìn)行多維分析，通過服務(wù)清單支持精細(xì)化的資源和運(yùn)維服務(wù)。

資源計費(fèi)的實(shí)現(xiàn)需要資源池管理平臺提供的計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡(luò)資源分配數(shù)據(jù)、資源所屬業(yè)務(wù)系統(tǒng)和單位的資源配置數(shù)據(jù)，然后根據(jù)計費(fèi)規(guī)則來統(tǒng)計計算；運(yùn)維服務(wù)統(tǒng)計主要基于運(yùn)維流程工單數(shù)據(jù)來進(jìn)行統(tǒng)計分析。

4　關(guān)鍵技術(shù)

1）“松耦合”的技術(shù)架構(gòu)

為解決現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)與業(yè)務(wù)系統(tǒng)“耦合過緊”影響業(yè)務(wù)系統(tǒng)性能的問題，本系統(tǒng)建設(shè)采用“松耦合”的技術(shù)架構(gòu)。監(jiān)控系統(tǒng)與業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫物理分離，不會產(chǎn)生數(shù)據(jù)庫性能的互相影響；監(jiān)視信息入庫通過監(jiān)控系統(tǒng)提供的接口推送或者主動獲取，從而降低業(yè)務(wù)系統(tǒng)直接向監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫插入監(jiān)視信息造成的入庫延遲對業(yè)務(wù)系統(tǒng)的性能影響（圖3）。

圖3　“松耦合”的技術(shù)架構(gòu)Fig. 3 Loosely coupled technical architecture

2）“開放”的系統(tǒng)框架

為實(shí)現(xiàn)與氣象綜合業(yè)務(wù)的對接，監(jiān)控系統(tǒng)須具備開放的系統(tǒng)框架，具備與現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)及新建業(yè)務(wù)系統(tǒng)的集成對接能力。對接的核心是提供規(guī)范化的監(jiān)視信息采集和控制接口、以及能支撐各種類型監(jiān)視信息接入、處理、存儲及可視化顯示的系統(tǒng)框架，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對接的敏捷擴(kuò)充（圖4）。

圖4　“開放”的系統(tǒng)框架Fig. 4 Open system framework

3）采用“大數(shù)據(jù)”技術(shù)的技術(shù)平臺

現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)采用的是傳統(tǒng)的IOE架構(gòu)（Intel、Oracle、Emc），面臨快速增長的海量監(jiān)控數(shù)據(jù)和復(fù)雜的監(jiān)控功能，IOE架構(gòu)已疲于應(yīng)付。為適應(yīng)業(yè)務(wù)高度集約化背景下對系統(tǒng)監(jiān)控在性能和擴(kuò)展性方面提出的更高挑戰(zhàn)，氣象綜合業(yè)務(wù)實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)將采用云計算、大數(shù)據(jù)等新一代IT技術(shù)，具體技術(shù)平臺及應(yīng)用設(shè)計見表3。

表3　技術(shù)平臺及應(yīng)用設(shè)計Table 3 Technology platform and application design

5　結(jié)語

為落實(shí)中國氣象局“發(fā)展智慧氣象”“全面推進(jìn)氣象現(xiàn)代化”的工作部署，國家氣象信息中心正在深入打造氣象大數(shù)據(jù)中心。建立集中管理的氣象綜合業(yè)務(wù)實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)，將有利于：（1）集中展示氣象大數(shù)據(jù)中心能力，監(jiān)控其實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)，保障大集中模式下氣象業(yè)務(wù)、服務(wù)、管理系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；（2）提升智慧氣象時代下大數(shù)據(jù)中心[9]的運(yùn)維能力，實(shí)現(xiàn)從被動運(yùn)維階段到主動運(yùn)維、服務(wù)導(dǎo)向階段的轉(zhuǎn)型；（3）通過一體化監(jiān)控設(shè)計，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)信息及業(yè)務(wù)流程的融合監(jiān)控，基于海量監(jiān)控信息挖掘分析業(yè)務(wù)流程的問題，促進(jìn)業(yè)務(wù)流程優(yōu)化，進(jìn)一步推動氣象業(yè)務(wù)現(xiàn)代化、綜合化、集約化發(fā)展。

為實(shí)現(xiàn)一體化監(jiān)控，在氣象綜合業(yè)務(wù)實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)過程中，重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)與各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的對接，實(shí)時采集業(yè)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息，與上下游業(yè)務(wù)流程實(shí)現(xiàn)自動關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)故障或問題的快速定位及解決。同時，逐步實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)完整性驅(qū)動的自動業(yè)務(wù)調(diào)度管理、基于作業(yè)運(yùn)行驅(qū)動的自動資源調(diào)度管理，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)在線管控，進(jìn)一步提高系統(tǒng)運(yùn)行及運(yùn)維管理的自動化、智能化水平。

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