杜建華,王立俊,王雙雙

(1.海南省氣象信息中心，?？?570203；2.海南省南海氣象防災減災重點實驗室，?？?570203)

關鍵字：氣象數據；數據共享；數據集約化；數據可視化；云架構

0 引言

近年來，我國氣象綜合探測系統(tǒng)建設日趨完善，氣象部門已經形成了地基和空基相結合的大氣及其相關環(huán)境探測體系，包括常規(guī)地面、高空、輻射、酸雨、農業(yè)氣象觀測、大氣本底觀測站和其它許多特種觀測站網在內的觀測體系[1]，上述氣象數據為做好社會和公眾的氣象預報、預警服務奠定了堅實的數據支撐。范保松、李嬌等人研發(fā)的氣象信息服務系統(tǒng)，采用“云+端”模式，通過智慧氣象盒將氣象數據推送到展示平面，為社會公眾提供智能化、智慧化的氣象服務[2]。陜西、內蒙古、遼寧、吉林等省市氣象局均開展了面向公眾的信息服務網建設工作，均取得一定的示范作用[3-6]。

隨著海南省氣象業(yè)務的快速發(fā)展和社會公眾對氣象服務需求的日益增大，氣象資料及業(yè)務產品的綜合顯示需求也日益迫切。目前，我省存在傳統(tǒng)氣象資料以文件格式存儲在不同網絡區(qū)域的存儲設備中，各業(yè)務系統(tǒng)之間的數據格式和流向不統(tǒng)一，數據使用效率較低等問題，急需建設一個以統(tǒng)一數據源為氣象基礎數據的氣象信息服務網。

結合我省氣象信息化業(yè)務的實際需求，海南省氣象局基于中國移動云eCloud的云服務架構[7]，搭建以CIMISS系統(tǒng)[8-9]為數據支撐環(huán)境的海南氣象信息服務網，實現氣象數據和業(yè)務產品的集約化和可視化，為業(yè)務用戶和社會公眾提供統(tǒng)一、豐富的氣象數據展示服務。

1 總體設計

本文設計的信息服務網以中國移動云eCloud平臺的云服務器為硬件支撐，使用CIMISS系統(tǒng)作為統(tǒng)一數據源，采用MVC分層設計模式[10-11]和Browser/Server設計架構[12-14]，基于高德地圖應用編程API[15-16]的Web GIS可視化技術和SSH開發(fā)框架[17-20]，實現氣象觀測數據及業(yè)務產品的綜合展示，滿足業(yè)務人員及社會公眾對氣象數據及產品的業(yè)務需求。

系統(tǒng)總體架構如圖1所示，系統(tǒng)遵循氣象信息標準化體系和信息安全與保障體系的要求，采用四層體系架構：1)基礎數據層、業(yè)務層、服務層和應用層。基礎數據層用于匯集各類數據，通過CIMISS系統(tǒng)接入觀測數據、預報產品等數據，并依托CIMISS系統(tǒng)建設一個統(tǒng)一數據源平臺；2)業(yè)務層用于收集、解碼入庫和存儲地面、高空、大氣成分等結構化數據及天氣雷達、衛(wèi)星云圖等非結構化數據，并封裝成CIMISS系統(tǒng)中的MUSIC服務接口形式向外提供服務；3)服務層用于將各類氣象基礎數據再加工成綜合展示所需的各類服務信息及產品，并封裝成API服務接口供前端應用使用；4)應用層是通過移動端和Web端應用實時向省、市、縣三級業(yè)務及管理人員和政府、軍隊等單位提供各類氣象服務。

圖1 系統(tǒng)總體架構

1.1 系統(tǒng)業(yè)務流程

系統(tǒng)業(yè)務流程主要分為實況數據展示、預報預警服務、氣象決策服務和氣象服務專報四大部分，實現氣象觀測、預報預警和業(yè)務產品等數據的共享服務和綜合顯示。

1.1.1 實況數據展示

按照十四大類氣象資料的分類要求，系統(tǒng)采用資源編目統(tǒng)一對觀測業(yè)務、預報預警及臺風路徑等數據及產品進行管理，并通過Web GIS、圖片等格式實時顯示上述數據及產品。

1.1.2 預報預警服務

根據氣象預報、預警的內容進行分類，預報可分為陸地海洋、市縣天氣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)天氣和旅游天氣等類型，預警可分為臺風、暴雨、雷電、大霧等類型。系統(tǒng)采用信息欄目方式管理上述各類服務內容，通過Word及txt等文檔、PNG和JPG圖片、Web GIS等格式實時顯示預報、預警內容。

1.1.3 氣象決策服務

為政府部門、軍事部門、社會團體等組織提供防災減災救災、軍事活動或其他特殊任務所需的各類氣象信息。系統(tǒng)通過單點授權登錄方式，分級管理不同用戶的訪問權限，由氣象部門相關人員制作決策材料，為上述部門提供氣象決策服務。

1.1.4 氣象服務專報

按照服務受眾的氣象需求，定期制作和發(fā)布氣候分析專報、農業(yè)氣象專報、環(huán)境氣象專報及生活指數等氣象產品，為社會公眾提供多樣化的氣象服務產品。

1.2 系統(tǒng)數據流程

系統(tǒng)的統(tǒng)一數據源為CIMISS系統(tǒng)(提供MUSIC數據接口)和本地特色服務產品庫(提供本地數據接口及產品存儲歸檔目錄)，涉及到的數據類型主要有地理數據、氣象觀測數據、預報預警產品、系統(tǒng)公告信息等。在系統(tǒng)數據流程中，后臺數據處理節(jié)點分別采用MUSIC數據接口、高德地圖API接口、產品庫Web Service數據接口和FTP協議接口等方式來獲取綜合展示的數據，大致分為如下幾種場景：

1)調用MUSIC數據接口獲取CIMISS系統(tǒng)中實時觀測數據，在綜合觀測頁面中展示。

2)調用高德地圖API接口獲取海南省地圖矢量數據，疊加實況觀測、預報預警等數據，在系統(tǒng)門戶頁面中展示。

3)調用本地產品庫Web Service數據接口和FTP協議接口將其他氣象數據和業(yè)務產品采集至本地業(yè)務綜合數據庫，在系統(tǒng)門戶頁面中進行展示。

根據數據特性來決定數據存儲的方式，分析、總結各類氣象數據，制定相應的存儲方式，再通過統(tǒng)一、規(guī)范的接口對外提供數據服務，系統(tǒng)的業(yè)務數據存儲流程如圖2所示，主要分為以下幾個過程：1)數據收集：分發(fā)模塊CTS通過文件傳、消息和流傳輸等方式實時收集臺站的各類氣象數據，數據達到省級節(jié)點后，由CTS中的快速質控程序進行格式檢查后，再分別分發(fā)至國家級節(jié)點和數據加工處理模塊DPC。2)解碼入庫：根據定好的資料四級編碼，DPC實時解析分發(fā)過來的數據，由數據簡約處理程序來解析、入庫地面、高空觀測等結構化數據，而諸如雷達、衛(wèi)星云圖等非結構化數據由數據存儲管理模塊SOD上的處理程序負責解析和入庫。3)數據監(jiān)控：CIMISS中各模塊的運行告警信息DI/EI實時推送至綜合業(yè)務監(jiān)控模塊MCP，由其統(tǒng)一進行監(jiān)控及告警。4)數據服務：通過統(tǒng)一、規(guī)范的MUSIC接口形式封裝數據庫數據，向業(yè)務單位和外單位提供數據調用服務。

圖2 系統(tǒng)業(yè)務數據流程

2 關鍵技術

2.1 云服務架構

目前，云計算架構的分層主要劃分為基礎設施層IaaS、平臺層PaaS和軟件服務層SaaS三個層次。其中，基礎設施層旨在能夠按需向用戶提供相應的計算能力、存儲能力和網絡能力等IT基礎設施類服務；平臺層是通過互聯網為用戶提供一整套開發(fā)、運行和運營應用軟件的支撐平臺；軟件服務層則是通過互聯網提供軟件服務的軟件應用模式[9]。

中國移動云的服務架構具有良好的基礎支撐體系和安全防護標準：1)建有N個集中節(jié)點、31個升級屬地化節(jié)點和X個邊緣節(jié)點的全域資源布局，全局智能流量調度和調優(yōu)；2)提供多類安全服務和通信級安全體系保障。因此，本文研發(fā)的信息服務網以中國移動云eCloud為應用支撐層，使系統(tǒng)具備部署快捷、安全可靠和維護簡單等特點，較好地解決了業(yè)務系統(tǒng)部署分散、資源監(jiān)控繁雜等問題。

2.2 高德地圖

高德地圖是國內圍繞地理位置數據提供服務LBS(Location Based Services)的服務商，專注地圖，擁有國家甲級測繪資質和先進的數據融合技術及海量的數據處理能力，超過6 000萬個POI，790萬公里道路數據，向廣大應用開發(fā)者提供覆蓋移動端和Web端的、使用便捷的開發(fā)工具[14]。

高德地圖支持7大類別、百余種地圖元素的顏色紋理和標注個性化定制服務，可疊加地圖路況、衛(wèi)星圖等圖層，良好地支持點、線、面繪制，精確地展示業(yè)務數據的位置信息，也可靈活地調用離線與在線兩種地圖樣式[15]。

各類行業(yè)用戶可通過高德地圖進行基于地理位置的定位、導航、位置搜索以及周邊檢索等各類應用；開發(fā)人員可以利用高德地圖API/SDK服務接口調用地理信息服務，將“高德地圖”的地圖服務資源嵌入到已有的各類業(yè)務系統(tǒng)(網站)中。

2.3 SSH框架

本文研發(fā)的海南氣象信息服務網使用瀏覽器/服務端Browser/ Server開發(fā)模式，可跨平臺實時展示氣象觀測、預報預警服務等數據及產品，并采用SSH(Struts 2、Spring和Hibernate)框架技術，較好地對系統(tǒng)中的各功能模塊分層、解耦，簡化系統(tǒng)開發(fā)的復雜度，減少系統(tǒng)研發(fā)周期，使系統(tǒng)具備良好的可拓展性和可移植性。

如圖3所示，Struts 2是以Webwork為核心的邏輯控制器，采用攔截器機制來響應前端用戶提交的web請求，將Servlet與業(yè)務邏輯控制器分離[16]。Spring是屬于輕量級的Java Web框架，基于IOC容器技術，通過配置文件及事務管理機制，可靈活管理多種數據庫，提供多元化的業(yè)務邏輯[17]。Hibernate采用O/R Mapping技術，通過配置XML文件或Annotation注解為Java對象和各類數據庫中的表結構建立一種或多種映射關系，操控對象即操作數據庫[18]。

圖3 SSH框架結構原理圖

3 功能設計

海南氣象信息服務網主要分為首頁、預報預警、氣象監(jiān)測、臺風路徑、決策服務、氣候分析和專業(yè)氣象和系統(tǒng)管理8個功能模塊，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)功能組成

1)首頁：

首頁是各類信息的綜合展示，系統(tǒng)提供各功能模塊的導航，可快速進入到各個功能模塊。在首頁上，用戶可獲取各市縣當前降水及氣溫等要素實況及24小時趨勢圖、全省實況填圖、雷達云圖、預警信號等信息。

2)預報預警：

預報預警用于定期發(fā)布各類氣象預報和滾動發(fā)布及更新預警信號。用戶可在頁面查閱陸地海洋、市縣和鄉(xiāng)鎮(zhèn)等常規(guī)預報產品，旅游、島礁和港口等特色預報產品，暴雨、雷電和大霧等預警信號。

3)氣象監(jiān)測：

綜合觀測主要通過Web GIS、圖片等方式來顯示各類地面、雷達和云圖等實況觀測數據。常見氣象要素有氣溫、氣壓、降水、風向風速和相對濕度，數據類型有自動站、輻射觀測、土壤水分等地面站點資料，多普勒、風廓線等雷達資料，風云2號、風云4號及極軌衛(wèi)星等圖片資料。

4)臺風路徑：

臺風路徑是基于高德地圖Web GIS展示當前及歷史臺風的強度、風力風圈、路徑等信息。在臺風天氣過程中為社會公眾和業(yè)務人員提供臺風的預報信息，提前發(fā)布預警信息，有助于防災減災，減少人員傷亡和經濟損失。

5)決策服務：

決策服務是制作、發(fā)布氣象決策材料，滿足政府部門、軍事部門、社會團體等組織開展活動對氣象信息的業(yè)務需求。在活動服務過程中，制作人員和使用人員需通過系統(tǒng)的權限驗證后，方可閱覽相應的決策材料。

6)氣候分析：

氣候分析是通過Word文檔形式向社會公眾提供高溫監(jiān)測、暴雨監(jiān)測、干旱監(jiān)測等中長期氣候公報，為森林防火、農業(yè)生產、建筑施工等提供氣候預測信息，便于做好長期工作計劃。

7)專業(yè)氣象：

專業(yè)氣象是通過Word、PDF等文檔形式向社會公眾提供生活指數、環(huán)境氣象、農業(yè)氣象和氣象科普等服務產品，滿足上述人員對專業(yè)氣象信息的業(yè)務需求。

8)系統(tǒng)管理：

系統(tǒng)管理是為管理員提供功能模塊、系統(tǒng)用戶、站點管理及信息發(fā)布等部分的管理功能，便于管理員對上述內容進行維護更新，保證系統(tǒng)各模塊正常運行。

4 系統(tǒng)實現

4.1 運行環(huán)境

系統(tǒng)運行環(huán)境需要4臺服務器，操作系統(tǒng)均為Windows 2012 Server SP2 64bit，分別是Web應用服務器、數據庫服務器、數據采集服務器和數據加工服務器。Web服務為Apache Http Server，文件服務是通過FTP協議訪問文件，使用Surfer 8軟件在地圖上繪制圖像。

其中，Web應用和數據庫服務器是部署在移動eCloud云平臺上的云主機，依托平臺高可靠、高安全的備份和安全防護能力，定期對云主機進行數據備份，實現云平臺區(qū)域節(jié)點故障時，可快速遷移至云平臺其他區(qū)域節(jié)點，通過數據備份快速恢復業(yè)務；同時，可根據實際業(yè)務需求，彈性擴展云主機的硬件資源。為實現數據的快速交互，數據采集和數據加工服務器部署在省局業(yè)務交換區(qū)中，使用虛擬機作為備用節(jié)點，處理程序版本升級時，同步物理機和虛擬上的部署程序，用于主節(jié)點異常時，備用節(jié)點可無縫切換來提供服務。

4.2 系統(tǒng)部署

系統(tǒng)部署如如圖5所示，業(yè)務核心區(qū)和交互區(qū)位于省局內部，通過內部氣象專線交互數據，eCloud云平臺和外部用戶位于外網區(qū)，內外網之間部署有邊界防火墻，實現內外網流量控制和訪問控制。

圖5 系統(tǒng)部署

CIMISS系統(tǒng)負責收集、解析入庫全省的地面、高空等觀測數據，并提供MUSIC數據服務接口。位于業(yè)務交互區(qū)的數據及和加工服務器，通過本地產品庫的Web Service和MUSIC服務接口快速地獲取所需數據，加工、處理上述數據，生成展示數據存儲至云端的數據庫服務器中，封裝成系統(tǒng)API服務接口對外提供訪問。Web應用服務器則根據所設計的各數據展示模塊，實時調取API接口獲取所需數據，以文檔、圖片或Web GIS等方式將數據呈現給前端用戶。

4.3 系統(tǒng)設計

1)數據采集及加工：

在業(yè)務交互區(qū)中的數據采集和加工服務器上部署數據采集和加工程序，該程序通過數據分類處理、壓縮推送等過程實時采集、加工CIMISS接口和其他數據，并將處理后的數據實時推送至eCloud云平臺上的數據服務器中，由其進行數據存儲。因此，根據業(yè)務場景中的數據采集流程，設計如下的數據處理及推送模塊，通過匹配數據的唯一標識(四級編碼)來選擇數據的處理及推送方式，具體代碼如下：

public int dataProcessByType(HashMap dataObject){

//參考返回值參考表，-1為數據處理有異常，0為無數據處理，正數為已處理的數據數，該模塊用于對待處理的數據進行分類，采集、加工等行為通過相應的進程來處理

int resultCode = 0;

String dataType = ‘’, dataCode = ‘’;

for (Object obj : dataObject.values()){

dataCode = obj.getDataCode(); //獲取每個對象的四級編碼

//匹配數據類型

if (dataType = = ‘結構化’){ //匹配數據的四級編碼，結構化數據解析成存儲對象，用于后續(xù)入庫

if(dataCode = = ‘地面資料’){

resultCode = surfDataProcessAndPush (dataCode, obj); //調用地面資料處理模塊

}else if(dataCode = = ‘高空資料’){

resultCode = uparDataProcessAndPush (dataCode, obj); //調用高空資料處理模塊

}else{

resultCode = otherDataProcessAndPush (dataCode, obj);

}

}

else if(dataType = = ‘非結構化’){ //按照非結構數據的四級編碼，生成數據存儲路徑及相關信息

if(dataCode = = ‘衛(wèi)星資料’){

resultCode = sateDataProcessAndPush (dataCode, obj); //調用衛(wèi)星資料處理模塊

}else if(dataCode = = ‘雷達資料’){

resultCode = radrDataProcessAndPush (dataCode, obj); //調用雷達資料處理模塊

}else{

resultCode = otherDataProcessAndPush (dataCode, obj);

}

}else{

}

}

return resultCode;

}

2)數據存儲：

數據庫服務器接收下游推送過來的數據后，根據數據的種類，采用不同的數據入庫方法：(1)對于地面、高空等結構化數據，按照數據類型和格式，存儲到相應的表中；(2)對非結構化數據，同樣按照數據類型，后臺將文件歸檔存放到相應的目錄下，并入庫文件的存放信息，便于前臺展示時快速關聯到相關文件。以下具體代碼如下：

public int dataStoreByType(HashMap dataObject, String dataType, String dataCode){

//參考返回值參考表，-1為數據處理有異常，0為無數據處理，正數為已處理的數據數，該模塊用于對待存儲的數據進行分類，入庫、歸檔存放等行為通過相應的進程去處理

int resultCode = 0;

//匹配數據類型

if (dataType = = ‘結構化’){ //匹配數據的四級編碼，解析數據，寫入相應的表

for (Object obj : dataObject.values()){

if(dataCode = = ‘地面資料’){

resultCode = surfDataReceiveAndStore (dataCode, obj); //調用地面資料處理模塊

}else if(dataCode = = ‘高空資料’){

resultCode = uparDataReceiveAndStore (dataCode, obj); //調用高空資料處理模塊

}else{

resultCode = otherDataReceiveAndStore (dataCode, obj);

}

}

}else if(dataType = = ‘非結構化’){ //按照非結構數據的四級編碼，存放文件到指定目錄，寫入存儲位置信息

for (Object obj : dataObject.values()){

if(dataCode = = ‘衛(wèi)星資料’){

resultCode = sateDataReceiveAndStore (dataCode, obj); //調用衛(wèi)星資料處理模塊

}else if(dataCode = = ‘雷達資料’){

resultCode = radrDataReceiveAndStore (dataCode, obj); //調用雷達資料處理模塊

}else{

resultCode = otherDataReceiveAndStore (dataCode, obj);

}

}

}else{

}

return resultCode;

}

3)數據接口：

為便于其他業(yè)務系統(tǒng)快捷地訪問本地特色數據，上述各類氣象數據經加工處理入庫后，通過接口模塊將數據封裝成WebService接口，對外提供數據服務，外部業(yè)務系統(tǒng)調用數據接口的業(yè)務流程如圖6所示。

圖6 接口調用流程

接口調用處理主程序如下：

public void callInterfaceByType(HttpSession session){

//監(jiān)聽用戶的接口用戶請求

while(!interfaceListener.stopStatus){

//獲取session中的接口請求信息

String userKey = session.getUserKey();

String type = session.getTyep();

String url = session.getURL();

//使用接口請求對象存儲請求信息

obj.setValue();

//將不同類型的接口請求添加到不同的處理隊列

if(type = = ‘地面接口’){

//全局變量sateDataArray;

sateDataArray.add(obj);

}else if (type = = ‘高空接口’){

//全局變量uparDataArray;

uparDataArray.add(obj);

}else{

//全局變量otherDataArray;

otherDataArray.add(obj);

}

}

}

通過不同的全局數組變量來記錄各種用戶數據接口請求，系統(tǒng)后臺再通過不同的子程序去處理接口請求，最終生成可展示的前臺數據對象集，本文以地面接口處理子程序為例，后臺是通過多線程來并發(fā)處理用戶的接口請求的。

public void callSateInterface(){

//若無數據請求，則跳過處理

if (sateDataArray.Size = = 0)

return null;

for (int i = 0; i < sateDataArray.Size; i++){

//獲取線程池中的空閑線程，處理數組中的接口請求，返回包含請求數據，并釋放進程及其它資源

InterfaceThread thread = InterfaceProThreadPool.getIdleThread;

if (thread != null){

List[] resultList = thread.process (sateDataArray.get(i);

thread.close();

toDisplayData(resultList);

resultList = null;

}else{

}

}

}

4.4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)性能測試分為頁面請求響應速度測試和系統(tǒng)穩(wěn)定性運行測試兩個部分。

1)頁面請求響應速度測試：使用JMeter測試工具模擬30用戶分別并行訪問交互性頁面和一般頁面50次時，計算系統(tǒng)各類頁面加載的平均時間開銷，如表1所示，交互性性頁面的平均響應時間均小于3 000毫秒，一般頁面的平均響應時間小于2 000毫秒，各類頁面錯誤加載百分比小于1%。

2)系統(tǒng)穩(wěn)定性運行測試：分別從容錯、壓力、重復方面進行測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性，其中容錯測試是在網絡故障、資源路徑異常等情況下測試所有功能模塊；壓力測試為10個用戶并行訪問系統(tǒng)，保證系統(tǒng)連續(xù)48小時運行；重復測試為連續(xù)訪問氣象觀測、預報預警、臺風路徑等功能模塊100次，如表1所示。

表1 系統(tǒng)性能測試

測試結果表明，氣象信息服務網在請求響應和運行穩(wěn)定兩個部分均達到了測試預期效果，在多用戶并發(fā)訪問下，各功能模塊運行正常且穩(wěn)定，各類頁面加載速度較快，數據顯示準確，且在網絡故障、系統(tǒng)資源路徑異常時，頁面可正常加載并有相關提示。

4.5 頁面展示

根據上述的系統(tǒng)設計和關鍵技術研發(fā)本系統(tǒng)各功能模塊，實現預報預警、氣象監(jiān)測、臺風路徑、專業(yè)氣象等功能模塊，如圖7所示，不僅提供氣象觀測數據、氣象預報、預警信號等數據的實時展示，還提供基于Web GIS的實況數據繪制、顯示、疊加等功能。目前，該系統(tǒng)界面友好、各功能運行穩(wěn)定、操作簡便。

圖7 系統(tǒng)頁面

5 結束語

海南氣象信息服務網建設是海南省氣象局的重要業(yè)務系統(tǒng)之一，其設計宗旨是集成各類觀測數據、預報預警產品等氣象信息為一體，為業(yè)務用戶和社會公眾提供統(tǒng)一、豐富的氣象數據展示服務。因此，參考中國氣象局及其他省、市縣局的建設信息服務網的成功經驗，結合我省氣象業(yè)務的實際需求，依照全國氣象信息化標準化、集約化、信息化的總要求，分析、總結海南氣象信息服務網建設的業(yè)務流程和數據流程，詳細闡述和應用系統(tǒng)研發(fā)所使用的數據收集加工、數據可視化等成熟可靠的關鍵技術，并基于中國移動云eCloud的云服務架構，實現集氣象監(jiān)測、預報預警、決策服務等功能于一體的氣象信息服務網，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，安全可靠，能滿足業(yè)務用戶和社會公眾對觀測、預報等數據的服務需求。