鄭虹暉，王立俊*，趙 冰，王雙雙，劉驥超

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

0 引 言

2012年以來，由國家氣象信息中心牽頭，各省氣象部門陸續(xù)開展氣象業(yè)務內網(wǎng)的建設工作。張志強等人研發(fā)的國家氣象業(yè)務內網(wǎng)，涵蓋探測、預報、氣候等6大核心欄目，近100個子模塊和近2 000余中業(yè)務產品，是一個氣象產品展示與服務和業(yè)務管理信息共享服務的國家級氣象服務平臺[1]，廣東、廣西、寧夏、湖北等省氣象局率先開展基于CIMISS為數(shù)據(jù)支撐的業(yè)務內網(wǎng)建設工作，均取得一定的示范作用[2-5]。

隨著海南省氣象業(yè)務的快速發(fā)展和CIMISS系統(tǒng)[6-7]的全國業(yè)務化，內、外部業(yè)務單位對氣象資料及業(yè)務產品的共享服務和綜合顯示的需求日益迫切。目前，海南省存在氣象業(yè)務系統(tǒng)建設整體規(guī)劃一致性不夠，各業(yè)務系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)格式和流向不統(tǒng)一，業(yè)務流程中間節(jié)點冗雜，數(shù)據(jù)使用效率較低等問題，導致各業(yè)務單位的系統(tǒng)集約化力度不夠，信息化資源重復建設，嚴重影響了海南氣象數(shù)據(jù)的共享服務。為解決上述問題，借鑒國家氣象信息中心及其他省氣象局建設業(yè)務內網(wǎng)系統(tǒng)的成功經驗，結合海南省氣象業(yè)務的實際需求，依照全國氣象信息化發(fā)展的標準化、集約化、信息化的總要求，海南省氣象局搭建以CIMISS系統(tǒng)和本地業(yè)務綜合數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)支撐環(huán)境的海南省氣象業(yè)務內網(wǎng)，形成國省兩級互補，實現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)和業(yè)務產品集約共享，為省、市、縣三級業(yè)務和管理人員提供一站式訪問服務，也為政府、軍隊等單位提供氣象服務。

1 總體設計

海南氣象業(yè)務內網(wǎng)系統(tǒng)以物理服務器(主節(jié)點)+虛擬服務器(備節(jié)點)為硬件支撐，使用CIMISS系統(tǒng)和本地業(yè)務綜合數(shù)據(jù)庫，采用MVC分層設計模式[8-9]和Browser/Server設計架構[10-11]，基于天地圖API[12-13]的Web GIS可視化技術和SSH開發(fā)框架[14-16]，實現(xiàn)氣象觀測數(shù)據(jù)及業(yè)務產品的實時展示，滿足省市縣氣象部門及政府、軍隊相關人員對氣象數(shù)據(jù)的業(yè)務需求。

平臺總體架構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構

平臺遵循氣象信息標注化體系和信息安全與保障體系的要求，采用三層體系架構：數(shù)據(jù)源支撐層、數(shù)據(jù)處理與服務層和Web應用層。數(shù)據(jù)源支撐層用于存儲、管理氣象元數(shù)據(jù)、地面、土壤水分等結構化數(shù)據(jù)和雷達、云圖等非結構化數(shù)據(jù)，為Web應用層的綜合顯示提供數(shù)據(jù)支撐；數(shù)據(jù)處理與服務層負責各類氣象觀測、預報預警等數(shù)據(jù)的采集、處理和入庫，另外，還提供氣象數(shù)據(jù)監(jiān)控、發(fā)布及門戶可視化管理等服務；Web應用層用于與前端用戶進行交互，通過Web GIS、圖表等頁面插件完成氣象觀測、預報預警、臺風等數(shù)據(jù)的實時展示。

1.1 系統(tǒng)業(yè)務流程

系統(tǒng)業(yè)務流程主要分為資料查詢展示、資料共享服務、內部業(yè)務管理和三維圖形展示四大部分，實現(xiàn)氣象觀測、預報預警和業(yè)務產品等數(shù)據(jù)的實時采集、共享和綜合顯示。

(1)資料查詢展示：按照十四大類氣象資料的分類要求，通過資源編目統(tǒng)一對觀測業(yè)務、預報預警及臺風路徑等數(shù)據(jù)及產品進行管理，實現(xiàn)上述數(shù)據(jù)及產品在系統(tǒng)中采集、加工及綜合顯示。

(2)資料共享服務：通過門戶頁面，按照業(yè)務數(shù)據(jù)及產品的特點，按照欄目、類型、時次等方式，通過Word及PDF文檔、PNG和JPG圖片、Web GIS等格式綜合顯示和在線預覽各類業(yè)務數(shù)據(jù)及產品的詳細內容。

(3)內部業(yè)務管理：通過內網(wǎng)系統(tǒng)管理后臺對各業(yè)務單位的管理規(guī)定及業(yè)務質量等文件進行管理，建立省高效、透明的信息機制。，實現(xiàn)定期發(fā)布各類業(yè)務質量統(tǒng)計結果和為內、外部單位人員提供業(yè)務數(shù)據(jù)及產品的使用說明。

(4)三維圖形展示：使用專業(yè)攝像設備對海南省20個臺站風貌進行拍攝，收集、處理拍攝所得的各臺站原始素材，系統(tǒng)通過圖像處理算法對原始素材進行校正、合成，輸出360度臺站全景三維效果圖，實現(xiàn)全省20個臺站風貌的三維全景展示。

1.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

內網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源為CIMISS系統(tǒng)(提供MUSIC數(shù)據(jù)接口)和本地業(yè)務綜合數(shù)據(jù)庫(提供本地數(shù)據(jù)接口及產品存儲歸檔目錄)，涉及到的數(shù)據(jù)類型主要有地理數(shù)據(jù)、氣象觀測數(shù)據(jù)、預報預警產品、系統(tǒng)公告信息等。在系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程中，后臺數(shù)據(jù)處理節(jié)點分別采用MUSIC數(shù)據(jù)接口、天地圖API接口、產品庫WebService數(shù)據(jù)接口和FTP協(xié)議接口等方式來采集、處理及加工數(shù)據(jù)，大致分為如下幾種場景：

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

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

(3)調用本地產品庫WebService數(shù)據(jù)接口和FTP協(xié)議接口將其他氣象數(shù)據(jù)和業(yè)務產品采集至本地業(yè)務綜合數(shù)據(jù)庫，在系統(tǒng)門戶頁面中進行展示。

2 關鍵技術

2.1 氣象數(shù)據(jù)收集、處理及加工

該文設計的系統(tǒng)通過收集、處理及加工各類觀測數(shù)據(jù)和業(yè)務產品，并綜合顯示在內網(wǎng)門戶頁面。整個數(shù)據(jù)流轉環(huán)節(jié)分為數(shù)據(jù)采集及處理、數(shù)據(jù)計算及成圖和數(shù)據(jù)管理三個部分。

圖2 數(shù)據(jù)收集、處理流程

(1)數(shù)據(jù)采集及處理子模塊是觀測數(shù)據(jù)及業(yè)務產品進入到數(shù)據(jù)庫的一個渠道，其中包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩個部分，如圖2所示。對于無需解析的多普勒或封風廓線雷達、FY2G云圖等非結構化數(shù)據(jù)，通過非結構化數(shù)據(jù)程序采集后，按氣象分類標準直接歸檔至數(shù)據(jù)共享目錄，存儲路徑寫入本地業(yè)務特色數(shù)據(jù)庫。對于需要解析的本地特有觀測及其他再加工的結構化數(shù)據(jù)，通過結構化數(shù)據(jù)程序采集、解析后寫入本地業(yè)務特色數(shù)據(jù)庫。

(2)數(shù)據(jù)計算及成圖子模塊是數(shù)據(jù)進入到數(shù)據(jù)庫后根據(jù)業(yè)務需求進行計算和成圖，其中包括數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算和數(shù)據(jù)成圖兩個部分。對于需要做歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)計算后，計算成果直接進入數(shù)據(jù)庫。對于需要成圖的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)成圖后進入數(shù)據(jù)庫，其中圖片文件是在文件服務器上存儲，數(shù)據(jù)存儲其業(yè)務關系和文件名索引。

(3)數(shù)據(jù)管理子模塊是后臺定時對臨時數(shù)據(jù)、無效數(shù)據(jù)、超時數(shù)據(jù)進行清理，充分保證服務器的空間可用性。

2.2 天地圖

“天地圖”是國家測繪地理信息局建設的地理信息綜合服務網(wǎng)站，網(wǎng)站集成了來自國家、省、市(縣)各級測繪地理信息部門，以及相關政府部門、企事業(yè)單位、社會團體、公眾的地理信息公共服務資源，向各類用戶提供權威、標準、統(tǒng)一的在線地理信息綜合服務[12]。

各類行業(yè)用戶可以通過“天地圖”門戶網(wǎng)站進行基于地理位置的信息瀏覽、查詢、搜索、量算，以及路線規(guī)劃等各類應用；開發(fā)人員可以利用“天地圖”提供的API服務接口調用地理信息服務，并利用編程接口將“天地圖”的地圖服務資源嵌入到已有的各類應用系統(tǒng)(網(wǎng)站)中。各企業(yè)和單位基于“天地圖”的技術服務開展各類增值服務與應用，從而有效緩解地理信息資源開發(fā)利用中技術難度大、建設成本高、動態(tài)更新難等突出問題[12]。

天地圖容納了覆蓋了全球范圍1∶1 000 000矢量數(shù)據(jù)和500米分辨率衛(wèi)星遙感影像，覆蓋全國范圍的1∶25萬公眾版地圖數(shù)據(jù)，導航電子地圖數(shù)據(jù)還有15米分辨率的衛(wèi)星遙感影像以及2.5米分辨率的衛(wèi)星遙感影像，覆蓋全國300多個地級以及地級以上城市0.6米分辨率的衛(wèi)星遙感影像等地理信息數(shù)據(jù)，是目前中國區(qū)域內數(shù)據(jù)資源最全的地理信息服務網(wǎng)站[13]。

2.3 SSH框架

該文設計的海南省氣象業(yè)務內網(wǎng)的開發(fā)架構采用SSH框架技術，使用瀏覽器/服務端Browser/Server模式來跨平臺展示實時觀測、氣象預報預警等數(shù)據(jù)及產品。SSH框架是由Struts 2、Spring和Hibernate組成的，屬于主流的輕量級J2EE軟件開發(fā)架構。采用該框架開發(fā)應用，能較好地對應用功能模塊分層、解耦，簡化系統(tǒng)開發(fā)的復雜度，縮短系統(tǒng)開發(fā)時間，使系統(tǒng)具備良好的可拓展性和可移植性。

其中，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[14]。Spring是屬于輕量級的Java Web框架，通過配置文件及事務管理機制，可靈活管理多種數(shù)據(jù)庫，提供多元化的業(yè)務邏輯[15]。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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫[16]。

3 功能設計

海南氣象業(yè)務內網(wǎng)主要分為首頁、綜合觀測、臺風路徑、預報預警、氣象服務、臺站展示、業(yè)務管理和系統(tǒng)管理8個功能模塊，如圖3所示。

圖3 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，用戶可獲取市縣當前實況(溫壓濕風四類常規(guī)要素)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)綜合觀測。

綜合觀測主要通過要素色斑圖、折線圖等方式來顯示各類實況觀測數(shù)據(jù)，常見氣象要素有氣溫、氣壓、降水、風向風速和相對濕度，數(shù)據(jù)類型有自動站、土壤水分、氣溶膠等地面站點資料，多普勒、風廓線等雷達資料，風云2號、風云4號及葵花8號等衛(wèi)星資料。

(3)臺風路徑。

臺風路徑是基于天地圖Web GIS展示當前及歷史臺風的強度、路徑等信息，在臺風天氣過程中為省-市縣決策部門和業(yè)務一線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。

(4)預報預警。

預報預警用于發(fā)布各類氣象預報和預警產品，用戶可在頁面查閱市縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等常規(guī)預報產品，旅游、島礁等特色預報產品，預警信號，海洋、陸地格點預報產品等信息。

(5)氣象服務。

氣象服務通過Word、PDF等文檔形式提供氣候分析、農業(yè)氣象、閃電監(jiān)測、人工增雨、生態(tài)氣象等服務產品，滿足業(yè)務人員對其他氣象服務的業(yè)務需求。

(6)臺站展示。

臺站展示是以虛擬三維方式360度展示全省20個臺站的全景，為業(yè)務和管理部門人員提供臺站全景信息。

(7)業(yè)務管理。

業(yè)務管理是為職能處室提供政策文件及業(yè)務規(guī)定的管理，可實時對上述文件進行管理，便于省局和市縣人員了解最新政策和業(yè)務規(guī)定的變動。

(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、站點管理及應用數(shù)據(jù)源等部分的管理功能，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 平臺實現(xiàn)

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(shù)據(jù)庫服務器、采集加工服務器和產品文件服務器，4臺虛擬機作為備用節(jié)點，用于主節(jié)點故障時，可無縫切換來提供服務。Web服務為Apache Http Server，文件服務是通過FTP協(xié)議訪問文件，采用Oracle 11存儲結構化數(shù)據(jù)，使用Surfer 8軟件在地圖上繪制圖像。

4.2 系統(tǒng)部署

系統(tǒng)部署如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)部署

承載業(yè)務內網(wǎng)的服務器部署在氣象內部專區(qū)，連接至上層防火墻，用戶通過氣象專網(wǎng)發(fā)起訪問業(yè)務請求，其中采集加工服務器處理、加工各類觀測數(shù)據(jù)和預報預警產品，處理后的數(shù)據(jù)按類型分別存儲產品文件服務器(雷達、云圖等非結構化數(shù)據(jù))和數(shù)據(jù)庫服務器(地面、土壤水分等結構化數(shù)據(jù))，web服務器后臺調取相應的數(shù)據(jù)展示至前臺頁面，響應用戶發(fā)起的業(yè)務請求。

4.3 平臺測試

平臺性能測試分為頁面請求響應速度測試和平臺穩(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20用戶分別并行訪問交互性頁面、統(tǒng)計類頁面和一般頁面30次時，計算平臺各類頁面加載的平均時間開銷，如表1所示，交互性和統(tǒng)計類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)平臺穩(wěn)定性運行測試：分別從容錯、壓力、重復方面測試平臺的穩(wěn)定性，其中容錯測試是在網(wǎng)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個用戶并行訪問平臺，保證平臺連續(xù)72小時運行；重復測試為連續(xù)訪問綜合觀測、預報預警、氣象服務等功能模塊100次，如表1所示。

表1 平臺性能測試

測試結果表明，氣象業(yè)務內網(wǎng)平臺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(shù)據(jù)顯示準確，且在網(wǎng)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。

4.4 平臺展示

根據(jù)上述的平臺設計和關鍵技術研發(fā)本系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)綜合觀測、臺風路徑、預報預警、氣象服務等功能模塊，如圖5所示，不僅提供氣象觀測數(shù)據(jù)、氣象預報、預警信號等數(shù)據(jù)實時展示，還提供基于Web GIS的實況數(shù)據(jù)繪制、顯示、疊加等功能。目前，該平臺界面友好、各功能運行穩(wěn)定、操作簡便。

圖5 平臺頁面

5 結束語

海南省氣象業(yè)務內網(wǎng)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氣象數(shù)據(jù)、預報預警和業(yè)務管理為一體，為省、市、縣三級業(yè)務及管理人員和政府、軍隊等單位提供一站式氣象訪問服務。因此，參考國家氣象信息中心及其他省氣象局建設業(yè)務內網(wǎng)系統(tǒng)的成功經驗，結合海南省氣象業(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、總結海南省氣象業(yè)務內網(wǎng)建設的業(yè)務流程和數(shù)據(jù)流程，詳細闡述和應用平臺研發(fā)所使用的數(shù)據(jù)收集加工、數(shù)據(jù)可視化等成熟可靠的關鍵技術，實現(xiàn)集綜合觀測、預報預警、氣象服務等功能于一體的氣象業(yè)務內網(wǎng)平臺，滿足海南氣象行業(yè)用戶對觀測、預報等數(shù)據(jù)共享和服務的需求。