龔佳娛，席旭鳳

撫州市臨川區(qū)氣象局，江西撫州 344000

近些年霧霾在我國的頻發(fā)，人們對空氣質(zhì)量提出了更高的要求?？諝庳?fù)離子(NAI)對環(huán)境和人的身體健康具有特殊功效，包括殺菌、降塵、凈化空氣、提高免疫力、調(diào)節(jié)機(jī)能平衡的功效，是綜合反映空氣質(zhì)量的重要指標(biāo)，影響人類福祉乃至生存的主要城市環(huán)境，因而被譽(yù)為“空氣維生素和生長素”[1-2]，對人居環(huán)境有重要意義。隨著近年來生態(tài)文明建設(shè)的不斷推進(jìn)，生態(tài)氣象服務(wù)快速發(fā)展，生態(tài)氣象觀測業(yè)務(wù)受到越來越多的重視，其中負(fù)離子觀測項(xiàng)目作為生態(tài)氣象觀測當(dāng)中的重要觀測項(xiàng)目，成為氣象綜合觀測業(yè)務(wù)中不可或缺的組成部分[3]。

1 負(fù)離子觀測在撫州氣象部門發(fā)展現(xiàn)狀

中國氣象局公共氣象服務(wù)中心及中國氣象服務(wù)協(xié)會等各部門團(tuán)體公布的天然氧吧名單中，撫州總是榜上有名。在生態(tài)氣象觀測快速發(fā)展的進(jìn)程中，撫州氣象部門生態(tài)氣象觀測系統(tǒng)也在不斷建設(shè)完善中，其中負(fù)離子監(jiān)測方面，現(xiàn)已建成6個采用奧斯恩廠家生產(chǎn)的負(fù)離子觀測站，分別位于臨川、崇仁、東鄉(xiāng)、黎川、資溪、廣昌等地。各個觀測站通過奧斯恩租用的云服務(wù)器接收環(huán)境負(fù)離子數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)存儲在奧斯恩云數(shù)據(jù)庫中，而由于奧斯恩產(chǎn)品的獨(dú)立分布式運(yùn)行的特征，無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)本地化查詢顯示和內(nèi)部數(shù)據(jù)共享，只能在各站就地進(jìn)行查詢監(jiān)測。隨著氣象現(xiàn)代化不斷推進(jìn)，智能化、自動化的觀測模式已成為氣象業(yè)務(wù)的主要發(fā)展趨勢，實(shí)現(xiàn)分布式站點(diǎn)觀測，集中式數(shù)據(jù)查詢已是氣象行業(yè)發(fā)展方向。因此室外觀測設(shè)備環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)；室內(nèi)集中本地化查詢和內(nèi)部數(shù)據(jù)共享的需求變得尤為突出[4]。

為解決負(fù)離子觀測數(shù)據(jù)本地化查詢和內(nèi)部數(shù)據(jù)共享的需求，滿足撫州市生態(tài)氣象觀測系統(tǒng)中負(fù)離子觀測業(yè)務(wù)正?；\(yùn)行，提高設(shè)備運(yùn)行效率和實(shí)時監(jiān)控，設(shè)計開發(fā)一套實(shí)時連接各遠(yuǎn)程負(fù)離子觀測站，實(shí)現(xiàn)集中本地化數(shù)據(jù)查詢和共享的平臺具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 撫州市生態(tài)氣象觀測系統(tǒng)負(fù)離子觀測數(shù)據(jù)查詢平臺設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

2.1 功能分析

建立規(guī)范、統(tǒng)一、高效、便捷的生態(tài)氣象觀測系統(tǒng)平臺，滿足從管理層到觀測人員各層級人員對氣象觀測報表、氣象觀測圖像、氣象觀測參數(shù)的研究決策、業(yè)務(wù)管理、評價分析、指標(biāo)預(yù)測、資料歸檔等工作需求將極大提高氣象部門的工作效率。生態(tài)氣象觀測系統(tǒng)平臺作為一個整合氣象部門各業(yè)務(wù)模塊的一體化系統(tǒng)平臺，其中負(fù)離子觀測數(shù)據(jù)查詢將作為一個獨(dú)立的業(yè)務(wù)功能實(shí)現(xiàn)。

撫州市氣象局目前已建的6個奧斯恩負(fù)離子觀測站，各觀測站位于遠(yuǎn)程觀測點(diǎn)，觀測數(shù)據(jù)就地存儲并上傳至云服務(wù)器。當(dāng)前的省級負(fù)離子觀測系統(tǒng)，主要是針對特定廠商設(shè)備進(jìn)行處理，奧斯恩廠商的設(shè)備無法接入，若要實(shí)現(xiàn)氣象工作人員集中本地化數(shù)據(jù)查詢和共享，負(fù)離子觀測數(shù)據(jù)查詢平臺按照業(yè)務(wù)需求需要實(shí)現(xiàn)以下功能:（1）建立負(fù)離子觀測數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)表包含負(fù)離子觀測中觀測數(shù)據(jù)的要素字段；（2）從云服務(wù)器自動下載各觀測站觀測的負(fù)離子觀測數(shù)據(jù),并寫入創(chuàng)建的數(shù)據(jù)庫，并形成標(biāo)準(zhǔn)格式文本文件，本地化保存；（3）負(fù)離子觀測數(shù)據(jù)通過Web查詢與統(tǒng)計，并實(shí)時顯示。

在實(shí)現(xiàn)上述功能的基礎(chǔ)上，考慮到未來生態(tài)氣象觀測系統(tǒng)功能擴(kuò)展的需求以及氣象工作者的操作使用習(xí)慣制定了以下平臺設(shè)計原則：（1）平臺界面應(yīng)該遵循簡潔、清晰、友好，布局合理，操作方便，維護(hù)簡單并且氣象工作者熟悉的界面風(fēng)格；（2）平臺層次結(jié)構(gòu)清晰，各功能模塊形式一致，功能區(qū)域按需分割，各菜單統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，便于操作人員的操作；（3）平臺需要具有可擴(kuò)展性和兼容性，整個平臺采用模塊化設(shè)計原則，預(yù)留出其他生態(tài)氣象觀測數(shù)據(jù)接口，能夠根據(jù)生態(tài)氣象觀測需求變化開發(fā)新增的模塊，在原模塊結(jié)構(gòu)不變的情況下，可以在后續(xù)調(diào)整各模塊內(nèi)部功能。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

按照以上功能要求和平臺設(shè)計原則進(jìn)行負(fù)離子觀測數(shù)據(jù)查詢平臺的構(gòu)架與設(shè)計，如圖1所示。通過收集分析全市現(xiàn)有奧斯恩負(fù)離子觀測站基本參數(shù)、數(shù)據(jù)傳輸方式和數(shù)據(jù)格式，確定數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)和查詢平臺框架；客戶端采用C#設(shè)計，定時從云服務(wù)器下載實(shí)時數(shù)據(jù)并儲存入數(shù)據(jù)庫；后臺采用PHP語言編程，通過WebGIS實(shí)現(xiàn)負(fù)離子站實(shí)時數(shù)據(jù)上傳情況及數(shù)據(jù)顯示功能[5]，實(shí)現(xiàn)負(fù)離子站數(shù)據(jù)時、日、月、年查詢，根據(jù)業(yè)務(wù)需要可進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，最大化地滿足全市負(fù)離子觀測業(yè)務(wù)正?；?、高效化運(yùn)行。

圖1 負(fù)離子數(shù)據(jù)查詢平臺設(shè)計開發(fā)構(gòu)架

2.2.1 負(fù)離子觀測數(shù)據(jù)查詢平臺數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)（1）平臺數(shù)據(jù)庫需要一種便于靈活存儲，并且讀取速度快的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，MySQL作為一種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，正好符合這一特點(diǎn)，他并沒有把全部數(shù)據(jù)放在一個數(shù)據(jù)倉庫之中，而是將數(shù)據(jù)按照表進(jìn)行區(qū)分后分別存儲；采用了數(shù)據(jù)庫訪問最常用的標(biāo)準(zhǔn)化語言SQL，同時具有體積小、速度快、使用成本低、源代碼開放的優(yōu)勢，因此MySQL作為一種數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)被廣泛采用。

（2）根據(jù)奧斯恩負(fù)離子觀測站類型和數(shù)據(jù)傳輸方式、數(shù)據(jù)格式，建立本地負(fù)離子觀測站數(shù)據(jù)庫，負(fù)離子數(shù)據(jù)庫采用MySQL實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)庫表分為：站點(diǎn)信息表、分鐘平均數(shù)據(jù)表、小時平均數(shù)據(jù)表、日平均數(shù)據(jù)表。其中，分鐘平均數(shù)據(jù)表、小時平均數(shù)據(jù)表、日平均數(shù)據(jù)表為每個站點(diǎn)1個表，數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 負(fù)離子觀測數(shù)據(jù)查詢平臺實(shí)時數(shù)據(jù)下載客戶端為了有效利用Microsoft.NET平臺所具有的一整套系統(tǒng)服務(wù)和開發(fā)工具，觀測數(shù)據(jù)查詢平臺客戶端采用C#作為編程語言，基于其面向?qū)ο蟮奶匦钥梢愿鶕?jù)功能要求快捷高效的編寫基于Microsoft.NET平臺的各類應(yīng)用。

JASON是一種輕量級的數(shù)據(jù)交換格式，具有數(shù)據(jù)層次結(jié)構(gòu)簡潔清晰的特點(diǎn)，其用于存儲和表示數(shù)據(jù)的文本格式完全獨(dú)立于編程語言，易于編程人員閱讀和編寫，同時也易于機(jī)器解析和生成，可以有效地提升網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。

生態(tài)氣象觀測系統(tǒng)負(fù)離子觀測數(shù)據(jù)查詢平臺客戶端采用C#語言設(shè)計,與數(shù)據(jù)庫共用服務(wù)器，通過奧斯恩兼容的數(shù)據(jù)接口定時讀取并下載云服務(wù)器上存儲的實(shí)時數(shù)據(jù)，通過JSON解析后入庫，并形成標(biāo)準(zhǔn)格式文本文件保存于本地數(shù)據(jù)庫中。云服務(wù)器數(shù)據(jù)接口基于標(biāo)準(zhǔn)的 HTTP POST 通信技術(shù)。客戶端工作流程如圖3。

圖3 客戶端工作流程

2.2.3 負(fù)離子觀測數(shù)據(jù)查詢平臺實(shí)時數(shù)據(jù)顯示W(wǎng)ebGIS是結(jié)合傳統(tǒng)地理信息系統(tǒng)GIS與Internet網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)，可以同時具備空間數(shù)據(jù)檢索、查詢、圖像輸出、編輯等基本GIS功能，也可以方便地在Internet上進(jìn)行地理信息的發(fā)布、共享和交流協(xié)作[6]。通過OpenLayers可以方便地訪問WebGIS發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)格式的地圖數(shù)據(jù)。OpenLayers是一種開發(fā)WebGIS客戶端開發(fā)的JavaScript類庫包，編程人員可以利用OpenLayers快速實(shí)現(xiàn)通過客戶端/瀏覽器對地圖的基本瀏覽操作，還可以編寫自己的類庫和功能包擴(kuò)充所需的功能[7-8]。

生態(tài)氣象觀測系統(tǒng)負(fù)離子觀測數(shù)據(jù)查詢平臺界面顯示W(wǎng)ebGIS客戶端前端采用Openlayers類庫包進(jìn)行開發(fā)，后端采用PHP語言檢索站點(diǎn)信息和實(shí)時數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)時數(shù)據(jù)接收情況，還設(shè)置了對應(yīng)顏色報警提示，按時接收顯示綠色圖標(biāo)，超過3 min顯示紅色圖標(biāo)，便于及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備或者軟件問題，進(jìn)行檢查和維修，界面如圖4所示。

圖4 負(fù)離子站數(shù)據(jù)接收情況圖

2.2.4 負(fù)離子觀測數(shù)據(jù)查詢平臺數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計EasyUI是一個前端開發(fā)的框架，基于jQuery、Angular、Vue和React用戶界面插件集合。將常用的頁面開發(fā)使用的組件進(jìn)行了封裝，前端開發(fā)人員只需將EasyUI的資源導(dǎo)入項(xiàng)目后即可便捷地使用，快速提升開發(fā)效率[9]。

生態(tài)氣象觀測系統(tǒng)負(fù)離子觀測數(shù)據(jù)查詢平臺Web前端采用EasyUI顯示數(shù)據(jù),后端采用PHP語言查詢生成JSON數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)負(fù)離子分鐘平均、小時平均、日平均、月平均、年平均查詢，最終實(shí)現(xiàn)本地化數(shù)據(jù)的顯示、查詢、和統(tǒng)計等功能，如圖5所示。

圖5 負(fù)離子站分鐘數(shù)據(jù)查詢

3 應(yīng)用及成效

自2020年撫州生態(tài)氣象觀測系統(tǒng)平臺方案設(shè)計立項(xiàng)以來，項(xiàng)目組遵循“整體規(guī)劃部署，分期實(shí)施建設(shè)”的執(zhí)行方針，經(jīng)過1年的時間，已經(jīng)完成了負(fù)離子觀測數(shù)據(jù)查詢平臺的設(shè)計和應(yīng)用。撫州市生態(tài)氣象觀測系統(tǒng)負(fù)離子觀測數(shù)據(jù)查詢平臺在研究開發(fā)過程中，采取邊研究邊應(yīng)用的方式，希望在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。平臺搭建后，設(shè)計研發(fā)人員在東鄉(xiāng)區(qū)、臨川區(qū)、黎川縣、崇仁縣等地進(jìn)行實(shí)地測試運(yùn)行，不斷進(jìn)行優(yōu)化改善，期間針對平臺使用者對系統(tǒng)界面以及實(shí)用功能的建議及時進(jìn)行升級改善。目前開發(fā)調(diào)試工作全部結(jié)束，并在全市推廣投入生態(tài)氣象觀測實(shí)際業(yè)務(wù)運(yùn)行，效果顯著，并獲得了撫州市臨川區(qū)氣象局，崇仁縣氣象局，黎川縣氣象局，東鄉(xiāng)區(qū)氣象局等單位的實(shí)際應(yīng)用證明。

通過該平臺，用戶可隨時利用WEB頁面查詢到負(fù)離子站的負(fù)離子、PM2.5、溫濕度等要素數(shù)據(jù)，平臺界面簡潔，可實(shí)時直觀地查看站點(diǎn)故障情況，并能通過站名，查詢到分鐘平均、小時平均、日平均、月平均和年平均的負(fù)離子數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

撫州市氣象局生態(tài)氣象觀測負(fù)離子查詢平臺在我市投入業(yè)務(wù)運(yùn)行以來，全市負(fù)離子站檢維修效率及負(fù)離子觀測數(shù)據(jù)可用性有較大提高，該數(shù)據(jù)應(yīng)用在生態(tài)文明建設(shè)氣象保障服務(wù)中，為地方生態(tài)文明建設(shè)以及生態(tài)氣象行業(yè)的發(fā)展提供了科學(xué)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。未來隨著生態(tài)氣象觀測需求的增加，可以逐漸擴(kuò)充負(fù)離子觀測站的品牌/廠家，實(shí)現(xiàn)對所有主流品牌觀測站數(shù)據(jù)的兼容并實(shí)現(xiàn)對應(yīng)數(shù)據(jù)接口；還可進(jìn)一步在生態(tài)觀測系統(tǒng)平臺中擴(kuò)展其他類型觀測數(shù)據(jù)查詢功能以及其他生態(tài)氣象相關(guān)服務(wù)[10]，逐漸發(fā)展成為業(yè)務(wù)廣泛、功能齊全的一體化生態(tài)氣象觀測平臺，使撫州市氣象現(xiàn)代化水平得以提高，朝著觀測智能化、自動化的方向穩(wěn)步發(fā)展。