李玉濤 史瀟 陳景麗

(1 江蘇省氣象信息中心，南京 210018; 2 中國(guó)氣象局交通氣象重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，南京 210018； 3 江蘇省氣象服務(wù)中心，南京 210018)

引言

氣象測(cè)報(bào)的數(shù)據(jù)文件和氣象電報(bào)通常情況下是通過(guò)內(nèi)網(wǎng)有線寬帶傳輸?shù)绞⌒畔⒕W(wǎng)絡(luò)中心。但因設(shè)備故障、人為、自然等因素造成有線線路不通時(shí)，需要一種應(yīng)急通信替代內(nèi)網(wǎng)通信[1]。此外，由于氣象觀測(cè)臺(tái)站缺少通信網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)、計(jì)算機(jī)發(fā)報(bào)軟件進(jìn)程卡死、市電供電斷開(kāi)等突發(fā)情況的告警機(jī)制，造成觀測(cè)臺(tái)站工作人員處理故障時(shí)間相對(duì)滯后，遲報(bào)或缺報(bào)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，影響觀測(cè)數(shù)據(jù)的完整性、及時(shí)性、連續(xù)性，進(jìn)而數(shù)據(jù)的可用性下降[1-2]。

氣象觀測(cè)臺(tái)站業(yè)務(wù)自動(dòng)化是今后氣象探測(cè)的發(fā)展方向，探測(cè)數(shù)據(jù)的高時(shí)空密度采集和傳輸，對(duì)臺(tái)站和省級(jí)氣象數(shù)據(jù)接收端的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)通信方式提出了更高要求[3-4]。最新的5G(5th Generation Wireless Systems,第5代移動(dòng)通信系統(tǒng))無(wú)線移動(dòng)通信提供了傳輸線路備份最佳的選擇，通過(guò)基于5G的無(wú)線VPN(Virtual Private Network,虛擬專用網(wǎng)絡(luò)線路)作為備份的方式實(shí)現(xiàn)一主一備的可靠通信要求，可以確保測(cè)報(bào)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通信不中斷。

本文設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)了一套地面觀測(cè)臺(tái)站無(wú)線備份傳輸及監(jiān)控告警系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀況、發(fā)報(bào)軟件進(jìn)程狀態(tài)、市電供電狀態(tài)等一系列影響數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)囊蛩剡M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)路由切換及相關(guān)告警生成，可進(jìn)一步提高氣象觀測(cè)臺(tái)站數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖詣?dòng)化，從而為推進(jìn)氣象觀測(cè)臺(tái)站的無(wú)人值守跨出重要的一步。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體功能設(shè)計(jì)

通過(guò)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)基于5G的氣象數(shù)據(jù)備份傳輸及監(jiān)控告警系統(tǒng)，并在氣象觀測(cè)臺(tái)站進(jìn)行部署應(yīng)用，可在有線網(wǎng)絡(luò)故障等突發(fā)情況下實(shí)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)備份傳輸[5]。同時(shí)該系統(tǒng)具有對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信故障、自動(dòng)站發(fā)報(bào)軟件運(yùn)行故障、電力故障等情況進(jìn)行自動(dòng)告警功能，一旦發(fā)生突發(fā)故障，臺(tái)站工作人員可以在接收到告警信息后第一時(shí)間進(jìn)行處理，大大縮短故障解除耗時(shí)，提高氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)的及時(shí)性、連續(xù)性、可用性。

如圖1所示，基于氣象觀測(cè)臺(tái)站業(yè)務(wù)現(xiàn)狀及實(shí)際需求，對(duì)無(wú)線備份傳輸及監(jiān)控告警系統(tǒng)進(jìn)行整體功能設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)4大功能模塊：

(1)氣象數(shù)據(jù)傳輸模塊。包含基于FTP方式的氣象數(shù)據(jù)文件傳輸及基于Socket通信[6]的BUFFR碼氣象數(shù)據(jù)流傳輸、數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)發(fā)等功能。

(2)通信鏈路監(jiān)測(cè)模塊。包含網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)監(jiān)測(cè)、通信網(wǎng)絡(luò)主備線路自動(dòng)切換、網(wǎng)絡(luò)故障告警及顯示等功能。

圖1 總體功能設(shè)計(jì)

(3)自動(dòng)報(bào)警提醒模塊。包含設(shè)備宕機(jī)監(jiān)測(cè)及告警、程序進(jìn)程運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)及告警、自動(dòng)站實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)及告警等功能[7]。

(4)停電自動(dòng)報(bào)警模塊。包含市電供電狀態(tài)監(jiān)控及告警。當(dāng)檢測(cè)到市電中斷時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)提取預(yù)存的值班手機(jī)號(hào)碼，撥打電話和播放停電信息，通知值班員及時(shí)處理停電故障。盡管在測(cè)報(bào)業(yè)務(wù)計(jì)算機(jī)配置了UPS供電，但往往在夜間發(fā)生停電，易造成UPS的蓄電瓶過(guò)放電而導(dǎo)致后備電源電能耗盡影響業(yè)務(wù)工作[8]。

此外在每種告警的發(fā)布方式上采用了告警響聲、界面告警提示、短信發(fā)布等多種類方式，單獨(dú)連接了短信網(wǎng)關(guān)用于短信發(fā)布[9]。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，在系統(tǒng)架構(gòu)方面，氣象觀測(cè)臺(tái)站端主要包含臺(tái)站測(cè)報(bào)計(jì)算機(jī)及氣象數(shù)據(jù)備份傳輸系統(tǒng)2部分；在省級(jí)氣象端主要包含省級(jí)內(nèi)網(wǎng)文件/數(shù)據(jù)流接收服務(wù)器及省級(jí)外網(wǎng)文件/數(shù)據(jù)流接收服務(wù)器，在臺(tái)站和省級(jí)氣象端通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)及5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接VPN形成的虛擬網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一主一備的網(wǎng)絡(luò)通信，主備線路可自動(dòng)切換[10]。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)各功能模塊的實(shí)現(xiàn)

2.1 氣象數(shù)據(jù)傳輸模塊

在正常情況下，氣象觀測(cè)形成的氣象數(shù)據(jù)以文件和數(shù)據(jù)流的方式通過(guò)氣象業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)有線寬帶(業(yè)務(wù)專線)傳輸?shù)绞庀笮畔⒕W(wǎng)絡(luò)中心。但當(dāng)臺(tái)站至省級(jí)之間的有線寬帶因設(shè)備故障、光纖斷路、人為、自然等因素造成線路斷開(kāi)時(shí)，需要一種應(yīng)急備份的替代通信方式。近年來(lái)，氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)的爆炸式增長(zhǎng)，隨著氣象業(yè)務(wù)的不斷格點(diǎn)化、精細(xì)化對(duì)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)效要求也越來(lái)越高，數(shù)據(jù)傳輸高帶寬、低時(shí)延成為業(yè)務(wù)的重點(diǎn)發(fā)展方向，現(xiàn)有移動(dòng)通信系統(tǒng)難以滿足未來(lái)需求。

當(dāng)前5G通信已成為學(xué)術(shù)界和通信業(yè)的熱點(diǎn)，5G通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)10 Gb/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于以前的蜂窩網(wǎng)絡(luò)(表1)，比當(dāng)前的有線互聯(lián)網(wǎng)還要快。在連續(xù)高移動(dòng)性和廣域覆蓋場(chǎng)景下，用戶實(shí)際體驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)速率可達(dá)100 Mb/s，比當(dāng)前4G LTE蜂窩網(wǎng)絡(luò)快100倍。5G網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是較低的網(wǎng)絡(luò)延遲(低于1 ms)，而4G為30～70 ms，相比之下網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)更快，采用新一代5G通信作為無(wú)線備份線路是一個(gè)最佳的備份通信線路選擇[11]。

表1 不同類型網(wǎng)絡(luò)參數(shù)對(duì)比

如圖3所示，在基于5G和有線網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ)上，氣象數(shù)據(jù)備份傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)了專用通信軟件實(shí)現(xiàn)主副通道數(shù)據(jù)通信，滿足一主一備通信的可靠性要求，在主備通道切換時(shí)，內(nèi)部數(shù)據(jù)讀寫(xiě)模塊自動(dòng)實(shí)時(shí)抓取氣象數(shù)據(jù)，通過(guò)監(jiān)測(cè)到可用的通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，確保測(cè)報(bào)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通信不中斷[12]。通過(guò)系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括分鐘觀測(cè)資料(Z文件)、氣象電報(bào)，BUFFER碼數(shù)據(jù)流以及測(cè)報(bào)業(yè)務(wù)軟件的參數(shù)備份、單站觀測(cè)資料遠(yuǎn)程備份等，確保測(cè)報(bào)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通信不中斷。比以往程控?fù)芴?hào)通信有諸多的優(yōu)越性，如速度快、實(shí)時(shí)在線、不依賴有線光纖，不易遭雷擊等優(yōu)勢(shì)。

圖3 氣象數(shù)據(jù)傳輸模塊內(nèi)部調(diào)取過(guò)程

2.2 通信鏈路監(jiān)測(cè)模塊

如圖4所示，通過(guò)臺(tái)站測(cè)報(bào)計(jì)算機(jī)中的配套軟件對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)和5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行輪流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)狀態(tài)自動(dòng)切換路由。當(dāng)有線網(wǎng)絡(luò)線路正常情況下氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)有線主通道線路傳輸文件、數(shù)據(jù)流和氣象電報(bào)；當(dāng)有線通信不正常時(shí)，自動(dòng)切換到5G應(yīng)急備份通道傳輸，當(dāng)系統(tǒng)部署所在位置5G網(wǎng)絡(luò)未覆蓋時(shí)，自動(dòng)搜尋4G/3G/EDGE/GPRS等類型網(wǎng)絡(luò)，并按此優(yōu)先級(jí)進(jìn)行連接，然后將由于鏈路故障導(dǎo)致的數(shù)據(jù)積壓通過(guò)新的通道進(jìn)行續(xù)傳。當(dāng)通信鏈路發(fā)生故障時(shí)，在計(jì)算機(jī)顯示頁(yè)面中彈出醒目的告警信息，發(fā)出告警響鈴，同時(shí)可以通過(guò)短信或語(yǔ)音電話及時(shí)告知值班員或網(wǎng)絡(luò)保障員，及時(shí)處理線路故障。

圖4 通信鏈路監(jiān)測(cè)流程

2.3 系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警模塊

氣象數(shù)據(jù)備份傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)移動(dòng)通信GSM模塊，用于通過(guò)傳統(tǒng)移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送短信和撥打語(yǔ)音報(bào)警電話[13]；設(shè)計(jì)了短信網(wǎng)關(guān)客戶端，可實(shí)時(shí)調(diào)取運(yùn)營(yíng)商短信網(wǎng)關(guān)接口發(fā)送短信。

如圖5所示，系統(tǒng)針對(duì)氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)場(chǎng)景，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了相關(guān)設(shè)備及進(jìn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件，可實(shí)時(shí)對(duì)設(shè)備宕機(jī)狀態(tài)、程序進(jìn)程運(yùn)行狀態(tài)、自動(dòng)站實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常需要告警提醒時(shí)，可根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的值班員和業(yè)務(wù)管理員電話號(hào)碼，發(fā)送短信或撥打語(yǔ)音電話。系統(tǒng)配置了語(yǔ)音自動(dòng)合成集成模塊，根據(jù)報(bào)警的種類和信息內(nèi)容將文字轉(zhuǎn)換為語(yǔ)音，撥通手機(jī)后播放語(yǔ)音。

圖5 系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警模塊

為了監(jiān)控計(jì)算機(jī)工作狀態(tài)和業(yè)務(wù)軟件正常運(yùn)行，系統(tǒng)通過(guò)串口與計(jì)算機(jī)形成了定時(shí)應(yīng)答互動(dòng)聯(lián)絡(luò)機(jī)制，一旦計(jì)算機(jī)死機(jī)或氣象臺(tái)站數(shù)據(jù)發(fā)送軟件進(jìn)程異常退出，系統(tǒng)自動(dòng)向預(yù)設(shè)的值班手機(jī)號(hào)發(fā)送報(bào)警短信和撥打語(yǔ)音電話，及時(shí)提醒值班人員處理異常的現(xiàn)象。確保自動(dòng)站計(jì)算機(jī)和業(yè)務(wù)軟件運(yùn)行正常，起到“看門(mén)狗”的作用。

2.4 停電自動(dòng)報(bào)警模塊

氣象觀測(cè)臺(tái)站配置了UPS用于給測(cè)報(bào)業(yè)務(wù)計(jì)算機(jī)供電，可以滿足短時(shí)間停電時(shí)業(yè)務(wù)的連續(xù)性要求。但如果在夜間出現(xiàn)停電情況，臺(tái)站又無(wú)人值守，短時(shí)間無(wú)法處理，這極易造成UPS蓄電瓶過(guò)放電導(dǎo)致后備電源電能耗盡影響業(yè)務(wù)工作。為了滿足測(cè)報(bào)值班室停電報(bào)警的需求，系統(tǒng)專門(mén)設(shè)計(jì)了停電自動(dòng)撥打值班員電話的功能，當(dāng)檢測(cè)到市電中斷的情況下，利用內(nèi)置鋰電池供電自動(dòng)撥打值班電話及發(fā)送短信告警信息。在停電報(bào)警模塊，通過(guò)開(kāi)發(fā)KVM接口信息采集相關(guān)程序功能，可以定時(shí)通過(guò)調(diào)取KVM系統(tǒng)的供電狀態(tài)信息數(shù)據(jù)接口獲取當(dāng)前市電狀態(tài)，并在本地進(jìn)行存儲(chǔ)[14]。停電報(bào)警模塊會(huì)根據(jù)獲取的供電狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯判斷，并給出狀態(tài)指示或產(chǎn)生告警信息通過(guò)相關(guān)短信、語(yǔ)音接口予以發(fā)布，圖6為停電報(bào)警模塊界面。

圖6 停電報(bào)警模塊

3 系統(tǒng)的部署及測(cè)試

3. 1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)及軟件部署

氣象數(shù)據(jù)備份傳輸及監(jiān)控告警系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完成后，部署在氣象測(cè)報(bào)計(jì)算機(jī)上，并部署安裝.Net Framework 4.0軟件運(yùn)行環(huán)境及臺(tái)站綜合觀測(cè)業(yè)務(wù)軟件。省級(jí)外網(wǎng)FTP服務(wù)器安裝UDP通信檢測(cè)軟件“5G通信鏈路測(cè)試服務(wù)端(UDP)”和報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)軟件“氣象觀測(cè)資料5G接收轉(zhuǎn)發(fā)FTP工具軟件”。如圖7所示，搭建完成后，數(shù)據(jù)可以通過(guò)地面有線寬帶及無(wú)線通信鏈路進(jìn)行傳輸。

圖7 氣象數(shù)據(jù)備份傳輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

圖8是系統(tǒng)部署后通信鏈路監(jiān)測(cè)的情況，通過(guò)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)的了解有線網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線的聯(lián)通狀態(tài)，為做出網(wǎng)絡(luò)路由切換進(jìn)行準(zhǔn)備。

圖8 通信鏈路監(jiān)測(cè)配置界面

3. 2 系統(tǒng)應(yīng)用效果統(tǒng)計(jì)

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)測(cè)試完成后，本文選取南京58238國(guó)家基準(zhǔn)氣象觀測(cè)站作為系統(tǒng)試運(yùn)行試點(diǎn)站，將本數(shù)據(jù)備份傳輸及監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)投入業(yè)務(wù)試運(yùn)行，并進(jìn)行了為期2個(gè)月的氣象信息傳輸質(zhì)量統(tǒng)計(jì)對(duì)比。如圖9所示，該圖中2019年9、10月數(shù)據(jù)是未部署該系統(tǒng)時(shí)氣象信息傳輸質(zhì)量統(tǒng)計(jì)情況，11、12月為部署該系統(tǒng)后氣象信息傳輸質(zhì)量統(tǒng)計(jì)情況。

圖9 2019年9—12月南京58238站氣象信息傳輸質(zhì)量統(tǒng)計(jì)

本文對(duì)臺(tái)站部署后2個(gè)月16類氣象數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示2019年11、12月16類氣象資料中，除風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)及GNSS/MET 2類氣象資料外，其他14類資料傳輸質(zhì)量均有所提升，特別是交通氣象、大氣成分及浮標(biāo)站資料較系統(tǒng)部署前傳輸質(zhì)量提升尤為明顯，從一定意義上說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的氣象數(shù)據(jù)備份傳輸及監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)采用5G備份線路實(shí)現(xiàn)了備份傳輸并提高了數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性，通過(guò)及時(shí)生成告警信息提醒臺(tái)站業(yè)務(wù)人員及時(shí)處理相關(guān)故障，也一定程度上減少了故障解決耗時(shí)，降低了因各類故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺報(bào)的嚴(yán)重程度。

4 結(jié)論

基于5G的氣象數(shù)據(jù)備份傳輸及監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)是針對(duì)當(dāng)前氣象觀測(cè)臺(tái)站業(yè)務(wù)系統(tǒng)中存在的風(fēng)險(xiǎn)而設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的，可以根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)通道連通情況實(shí)現(xiàn)自動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)具備網(wǎng)絡(luò)通信監(jiān)測(cè)、自動(dòng)站實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)控、各種信息提示、故障報(bào)警等功能。該系統(tǒng)在試點(diǎn)氣象觀測(cè)臺(tái)站經(jīng)過(guò)2個(gè)月的業(yè)務(wù)試運(yùn)行測(cè)試，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。該系統(tǒng)投入業(yè)務(wù)試運(yùn)行后通過(guò)提供一主一備自動(dòng)切換的網(wǎng)絡(luò)通道能在一定程度上提高氣象觀測(cè)臺(tái)站數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，可以及時(shí)通過(guò)多種方式發(fā)出故障告警信息，從而減少業(yè)務(wù)人員在進(jìn)行各類故障解除過(guò)程的耗時(shí)，從而提高氣象信息傳輸質(zhì)量，適應(yīng)地面測(cè)報(bào)業(yè)務(wù)自動(dòng)化的發(fā)展方向。