任廣治，畢獻忠

(山東省氣象服務中心，濟南 250031)

中國氣象局提出了“公共氣象服務要集約化、規(guī)?；?、品牌化發(fā)展”的戰(zhàn)略要求，姚勝[1]也認為“隨著信息技術的不斷發(fā)展,人們對目前的氣象服務工作也有了更多的要求,所以當下的氣象服務平臺改革迫在眉睫”。以山東省氣象部門為例，公共氣象服務多年來存在一定的短板：一是服務方式還是多以氣象網(wǎng)站、氣象短信、12121、影視等為主，各自為戰(zhàn)，資源分散，難以形成統(tǒng)一的品牌效應；二是在當今物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新一代互聯(lián)網(wǎng)技術的迅猛發(fā)展下，傳統(tǒng)服務方式不同程度地面臨著用戶量萎縮，服務能力不強等諸多現(xiàn)實問題；三是省級公共氣象服務數(shù)據(jù)處理、應用能力不足，指導地市氣象局開展公共氣象服務的手段缺乏。與此同時，國內(nèi)氣象服務相關系統(tǒng)研究正逐步開展起來，姜殿榮等[2]設計了基于MVC架構(gòu)的新媒體公眾氣象服務平臺，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的交互、共享和內(nèi)部功能模塊間的數(shù)據(jù)交互。何林等[3]利用AngularJS框架實現(xiàn)了氣象數(shù)據(jù)共享的前臺界面。王錫良[4]采用插件式開發(fā)技術開發(fā)了基于OSGi.NET插件框架的公共氣象服務平臺。王婉等[5]開發(fā)了基于智慧氣象的數(shù)據(jù)接口,已為微信、微博、手機APP、網(wǎng)站等多個系統(tǒng)及保險公司、市政等多個單位提供數(shù)據(jù)支撐。王壘、韓濤[6-7]等探索采用面向服務的大數(shù)據(jù)來解決氣象服務供給能力不足的問題。公共氣象服務需要緊跟社會發(fā)展需求，不斷依靠氣象自身數(shù)據(jù)、業(yè)務、技術優(yōu)勢，結(jié)合國家氣象信息化發(fā)展戰(zhàn)略，積極融入互聯(lián)網(wǎng)時代，“互聯(lián)網(wǎng)+智慧氣象”首要功能就是要讓各行各業(yè)可以通過類似API[8]的方式通過公有云輕松獲取到他們需要的氣象信息，同時通過創(chuàng)新服務產(chǎn)品，在更高的層次上引領社會對氣象服務的個性化需求，從而進一步提升氣象服務內(nèi)涵，激發(fā)公共氣象服務活力。而要實現(xiàn)上述目標，高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)產(chǎn)品支撐系統(tǒng)設計和實現(xiàn)就顯得尤其重要。

1 系統(tǒng)設計思路

山東省氣象部門建設公共氣象服務數(shù)據(jù)產(chǎn)品支撐系統(tǒng)主要是為了能在較短時間內(nèi)、較低的投入下，有效提升公共氣象服務部門在氣象服務技術、數(shù)據(jù)、產(chǎn)品三個方面的研發(fā)和應用支撐能力，實現(xiàn)技術可靠、數(shù)據(jù)標準、產(chǎn)品模塊化。系統(tǒng)設計還要充分利用當前社會資源，通過借助公有云平臺成熟的軟硬件系統(tǒng)、完善的網(wǎng)絡資源優(yōu)勢，快速搭建支撐系統(tǒng)。同時要充分滿足社會對氣象服務不斷增加的需求，將數(shù)據(jù)與形式有機融合，改變過去“以文本預報代替專業(yè)服務”的模式。數(shù)據(jù)支撐系統(tǒng)架構(gòu)設計注重開放性和拓展性，不斷提高數(shù)據(jù)共享能力，通過設定一定的授權機制和監(jiān)管制度，在遵守服務約定的前提下，讓那些授權部門或用戶通過公有云發(fā)布的API方式獲取豐富的氣象數(shù)據(jù)和產(chǎn)品。

2 系統(tǒng)架構(gòu)及主要技術

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)整體架構(gòu)(見圖1)借鑒分層架構(gòu)設計，自下而上分為5個邏輯層，分別為：基礎數(shù)據(jù)層、云數(shù)據(jù)層、接口層、產(chǎn)品層、應用層。基礎數(shù)據(jù)層硬件部署在山東省氣象局機房，云數(shù)據(jù)層、接口層和產(chǎn)品層部署在公有云平臺上，應用層則根據(jù)具體需要部署在本地化系統(tǒng)平臺中。各層次之間松散耦合，資源復用率高，從而降低開發(fā)維護成本，提高了開發(fā)的綜合效率。

基礎數(shù)據(jù)層：負責與CIMISS系統(tǒng)對接，主要通過MUSIC接口獲取系統(tǒng)所需的地面實況觀測數(shù)據(jù)；負責從省局業(yè)務內(nèi)網(wǎng)獲取雷達、衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)、常規(guī)文本預報產(chǎn)品；負責通過虛擬化計算環(huán)境進行原始數(shù)據(jù)的驗證、加工和矢量圖片生成處理等工作；負責利用Rsnyc技術，將基礎數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)產(chǎn)品同步到公有云平臺。

圖1 山東省公共氣象服務數(shù)據(jù)產(chǎn)品支撐系統(tǒng)架構(gòu)

云數(shù)據(jù)層：負責構(gòu)建數(shù)據(jù)管理平臺，設計數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)和作業(yè)任務，設計原始數(shù)據(jù)的存儲路徑；負責設計數(shù)據(jù)處理調(diào)度機制自動完成原始數(shù)據(jù)的入庫或文件分類存儲工作，定期刪除超時數(shù)據(jù)或文件，保證數(shù)據(jù)庫和磁盤空間伸縮性。

接口層：作為核心數(shù)據(jù)引擎層，負責設計開發(fā)、管理數(shù)據(jù)API程序，并設計有效的授權機制，鑒別用戶訪問API的權限；負責為產(chǎn)品層通過REST的調(diào)用模式提供以JSON格式為主的數(shù)據(jù)。

產(chǎn)品層：負責將接口層獲取的數(shù)據(jù)包裝加工，嵌入到地圖(WEBGIS)、曲線、圖表或文字中，不斷開發(fā)表現(xiàn)形式多樣的模塊化氣象服務產(chǎn)品。對于個別不適合開發(fā)數(shù)據(jù)API的產(chǎn)品，也可以通過產(chǎn)品層直接調(diào)用云數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)；負責統(tǒng)計分析用戶使用產(chǎn)品的習慣，科學規(guī)劃產(chǎn)品設計，調(diào)整產(chǎn)品布局。

應用層：負責開發(fā)設計用于客戶端展示的各類應用。無論是APP、WEB網(wǎng)站、大屏幕顯示還是微信、微博都以后臺數(shù)據(jù)和產(chǎn)品作為支撐，根據(jù)用戶需求，靈活配置所要展示的模塊化產(chǎn)品，從而做到以人為本，按需設計。

2.2 開發(fā)環(huán)境

Linux操作系統(tǒng)具有開放、穩(wěn)定、多用戶多任務等優(yōu)勢特點，十分適合公共氣象服務系統(tǒng)的開發(fā)和運行支撐。而且Linux支撐了豐富的應用軟件，比如Apache、SSH、MySQL、PHP、Fortran77等，通過個性化的配置，能較快地搭建起具有一定服務規(guī)模的服務器運行環(huán)境。鑒于此，整個支撐系統(tǒng)除了應用層外，其他各個邏輯層的開發(fā)環(huán)境都是基于Linux操作系統(tǒng)，然后再根據(jù)具體開發(fā)內(nèi)容的要求，增加相關模塊或數(shù)據(jù)庫軟件。而應用層主要考慮開發(fā)者在可視化界面下便于調(diào)試客戶端程序，而選擇了Windows操作系統(tǒng)以及Eclipse等開發(fā)工具(表1)。

表1 各邏輯層次主要開發(fā)環(huán)境

2.3 關鍵技術

2.3.1 API技術 山東省公共氣象服務數(shù)據(jù)產(chǎn)品支撐系統(tǒng)中接口層的API正是本著開放、共享、標準化的原則設計管理API各個組件(表2)。經(jīng)過授權的開發(fā)者，通過HTTP方式調(diào)用API，獲取需要的數(shù)據(jù)(主要為JSON格式)。開發(fā)者不必考慮這些氣象數(shù)據(jù)來源于何處，也不用考慮平臺兼容性，獲取的數(shù)據(jù)從格式到內(nèi)容都保持了高度的一致性和標準化，從而大大降低了開發(fā)成本，提高了數(shù)據(jù)利用效率。

在設計API過程中，注重將API參數(shù)細化(表3)，零碎的數(shù)據(jù)更易于重組，便于產(chǎn)品層組合出更多的應用產(chǎn)品，也給前端產(chǎn)品開發(fā)者創(chuàng)造了更大的空間。下面以API-1為例，說明用戶如何調(diào)用API。

表2 山東省公共氣象服務數(shù)據(jù)產(chǎn)品支撐系統(tǒng)開發(fā)的API列表

調(diào)用URL:http://hostname/api/surface/getsurfelebytime/?times=20190523031500& elements=station_id_c,tem,prs&staIds=54823&key=系統(tǒng)分配給用戶的key值。

表3 API-1參數(shù)表

2.3.2 WEB前端技術 有了數(shù)據(jù)基礎，支撐系統(tǒng)還需要豐富的產(chǎn)品來應用，本著“移動優(yōu)先”的原則，在支撐系統(tǒng)設計開發(fā)中，重點應用了以下技術。

(1)HTML5+CSS3+jQuery+組件

采用HTML5主要是為桌面端和移動端帶來無縫銜接的豐富內(nèi)容，利用CSS3來定義樣式使得頁面效果更加生動整潔，利用jQuery庫增加頁面的交互效果，通過調(diào)用高德、百度地圖的JS API、Highcharts API等組件，更使得開發(fā)的氣象服務產(chǎn)品形式靈活多樣。

(2)Bootstrap框架

Bootstrap是基于HTML5和CSS3開發(fā)的開源成熟框架，其更強大的作用在于開發(fā)響應式布局、移動優(yōu)先的 WEB應用。利用該框架，支撐系統(tǒng)產(chǎn)品層中的各類形式的氣象服務產(chǎn)品得以輕松地部署移植在各個應用場合中，大大提高了開發(fā)效率。

(3)Hybrid APP

Hybrid APP[9]兼具原生代碼良好的用戶交互體驗和HTML5跨平臺開發(fā)WEB的優(yōu)勢，除了必要的APP框架和信息獲取通過Java編程外，其他模塊多采用HTML5頁面完成。Hybrid APP還可以根據(jù)用戶關注和訪問統(tǒng)計，隨時增減產(chǎn)品或修改界面，而這些后臺的升級操作，用戶無須重新安裝APP，便可感受到產(chǎn)品的不斷更新。

3 應用概況

目前，山東省公共氣象服務數(shù)據(jù)產(chǎn)品支撐系統(tǒng)建設已經(jīng)初具規(guī)模，高度自動化處理技術的業(yè)務化也使得公共氣象服務業(yè)務流程得到優(yōu)化。結(jié)合用戶需求，在公有云平臺上為海量氣象數(shù)據(jù)開發(fā)的數(shù)據(jù)API接口已有20多個，為公共氣象服務提供穩(wěn)定、快速的數(shù)據(jù)訪問途徑；開發(fā)的基于WEB的模塊化產(chǎn)品已有30多個，被靈活地嵌入APP、網(wǎng)站、微信、大屏幕等服務媒介上，完全自主研發(fā)的基于Android的“齊魯風云” APP，集約化實現(xiàn)了省、市、縣三級應用，在2017—2019年山東省汛期氣象服務、重大活動保障工作中發(fā)揮了重要的輔助決策作用。尤其在“溫比亞”、“利奇馬”臺風影響山東期間，該APP憑借數(shù)據(jù)及時、產(chǎn)品豐富、響應快速的優(yōu)勢，成為了各級氣象部門服務當?shù)卣恼粕弦苿託庀笈_，服務品牌效應明顯。青島、威海、煙臺、聊城、東營、萊蕪、青州等多個市縣氣象局，浪潮集團大數(shù)據(jù)中心，山東高速集團，威海消防等部門也通過支撐系統(tǒng)構(gòu)建了本地化的服務產(chǎn)品和應用平臺。以上實踐證明，該系統(tǒng)的建設達到了公共氣象服務集約化、易擴展的發(fā)展目標，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、產(chǎn)品支撐能力也得到了具體體現(xiàn)。

4 系統(tǒng)特點

(1)充分利用公有云，實現(xiàn)公共氣象服務數(shù)據(jù)共享與利用。

考慮到公共氣象服務的目標用戶群，整個系統(tǒng)平臺大部分內(nèi)容構(gòu)建在公有云平臺上，通過租賃云主機、寬帶，部署安裝服務系統(tǒng)，實現(xiàn)了公共氣象服務的數(shù)據(jù)存儲、信息共享、接口調(diào)用、組件開發(fā)等多個功能需求，并通過不斷優(yōu)化公有云服務器訪問策略，使得每個API的響應時間控制在0.5 s之內(nèi)。

(2)重視各類氣象服務數(shù)據(jù)的完整性、有效性，降低服務差錯。

系統(tǒng)服務以“數(shù)據(jù)為王”，公共氣象服務更是要求氣象信息“及時、可靠、準確”，為此系統(tǒng)對大量的氣象服務數(shù)據(jù)做了完整性、有效性驗證，針對氣溫、降水、風力等敏感要素設計了有效的數(shù)據(jù)差錯修復機制，最大程度降低平臺服務差錯率。

(3)多種產(chǎn)品模塊高度復用，根據(jù)需要可靈活移植。

系統(tǒng)努力打造“產(chǎn)品超市”的概念，開發(fā)的API及產(chǎn)品模塊注重細粒度化，目的是便于用戶在不同的操作系統(tǒng)、不同的客戶端高度復用移植、靈活組合，從而設計出更加個性化、精細化的應用產(chǎn)品。

(4)統(tǒng)一標準，開放性強，易于擴展和管理。

“開放、共享”是今后公共氣象服務必須面對的現(xiàn)實要求。為此系統(tǒng)在設計的每一個環(huán)節(jié)都注重標準的統(tǒng)一，從數(shù)據(jù)存儲的格式、路徑、命名規(guī)范到API的授權、驗證、錯誤碼的規(guī)范等多個細節(jié)做到明確定義，便于今后新增產(chǎn)品的擴展和規(guī)范管理，同時有助于系統(tǒng)在安全可靠的前提下盡可能地做到充分的開放與共享。

5 結(jié)語

公共氣象服務數(shù)據(jù)產(chǎn)品支撐系統(tǒng)有效解決了氣象服務過程中主要存在的瓶頸難題，為公共氣象服務向更廣闊、更深層次的發(fā)展奠定了技術基礎。整個支撐系統(tǒng)完全自主開發(fā),降低了開發(fā)成本。支撐系統(tǒng)的應用有效地提升了公共氣象服務的綜合能力和總體水平。下一步將圍繞該系統(tǒng)核心架構(gòu)，重點在公有云數(shù)據(jù)安全、大數(shù)據(jù)技術應用、多部門多行業(yè)銜接等方面加大創(chuàng)新設計，為公共氣象服務提供強大的數(shù)據(jù)支撐。