天津市武清區(qū)大氣環(huán)境綜合觀測(cè)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳麗麗

(1. 同濟(jì)大學(xué) 上海 200092；2. 天津市武清區(qū)氣象局 天津 301700)

0 引 言

天津市武清區(qū)地處京津之間，位于京津之間大氣污染物傳輸?shù)闹饕ǖ溃瑢儆诙囔F地區(qū)，具有獨(dú)特的氣象場(chǎng)和特殊的空氣污染特征，研究該區(qū)大氣污染特征以及氣象條件導(dǎo)致的污染物輸送，對(duì)于北京和天津區(qū)域大氣污染的形成和大氣污染物輸送具有重要意義。自 2006年夏季開(kāi)始，中國(guó)環(huán)境科學(xué)院大氣環(huán)境研究所、北京大學(xué)大氣物理學(xué)院、中國(guó)氣象科學(xué)研究院等科研機(jī)構(gòu)和大專院校陸續(xù)在武清區(qū)氣象局固定開(kāi)展野外氣象以及大氣污染物綜合觀測(cè)，并取得了大量具有一定參考價(jià)值的觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。隨著政府和公眾對(duì)大氣環(huán)境問(wèn)題的關(guān)注，大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)變得愈加重要，其現(xiàn)代化程度也成為實(shí)現(xiàn)氣象現(xiàn)代化的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。隨著業(yè)務(wù)開(kāi)展必將產(chǎn)生大量的觀測(cè)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此，為了使多年來(lái)取得的各項(xiàng)觀測(cè)數(shù)據(jù)得到有效保存，方便科研人員使用，發(fā)揮其重要的科學(xué)價(jià)值，需要開(kāi)發(fā)建設(shè)一套武清區(qū)大氣環(huán)境綜合觀測(cè)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。

1 設(shè)計(jì)方向

在武清大氣環(huán)境綜合觀測(cè)站近 1年的觀測(cè)基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)一套完善的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和監(jiān)控顯示平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)的現(xiàn)代化管理。主要功能包括：觀測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)入庫(kù)、存儲(chǔ)與調(diào)用，人機(jī)交互式質(zhì)量控制，統(tǒng)計(jì)分析模塊以及在線查詢、顯示和下載等。

2 設(shè)計(jì)原則

收集武清大氣環(huán)境綜合觀測(cè)方面所有觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析各類數(shù)據(jù)的采集方式和存儲(chǔ)格式，建立大氣環(huán)境綜合觀測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，并開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)入庫(kù)軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)入庫(kù)，同時(shí)開(kāi)發(fā)武清大氣環(huán)境綜合觀測(cè)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的查詢與顯示、質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)管理和下載等功能。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)

圖1 系統(tǒng)部署圖Fig.1 System deployment

整個(gè)系統(tǒng)由多臺(tái)機(jī)器組成一個(gè)局域網(wǎng)。系統(tǒng)部署在服務(wù)器上，數(shù)據(jù)庫(kù)既可以部署在系統(tǒng)服務(wù)器上，也可以單獨(dú)部署在另外一臺(tái)服務(wù)器上。

3.2 總體功能結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2)

3.3 技術(shù)架構(gòu)方法

軟件采用先進(jìn)的技術(shù)理念和實(shí)現(xiàn)方法。軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)采用MVC的標(biāo)準(zhǔn)3層架構(gòu)，如圖3所示。

在表現(xiàn)層，頁(yè)面內(nèi)容劃分采用DIV＋CSS方式，拋棄了傳統(tǒng)的表格布局方式，在頁(yè)面操作上，選用了目前最先進(jìn)的腳本框架JQuery，并大量采用AJAX技術(shù)。

在邏輯層，采用 SpringMVC，使用注入和面向切面(AOP)編程的方式，大大增強(qiáng)了整個(gè)系統(tǒng)代碼的靈活性，有效支持了面向服務(wù)的編程理念。

在實(shí)體層，采用具備跨數(shù)據(jù)庫(kù)功能的 Hibernate框架，有效減少了冗余數(shù)據(jù)庫(kù)操作代碼，提高了代碼效率。

此外，軟件采用 SpringMVC和 Hinbernate的最新版本，減少了這兩個(gè)框架傳統(tǒng)上繁雜的配置文件，而采用標(biāo)注(Annotation)的方式，使代碼更為簡(jiǎn)潔、高效。

圖2 整體功能結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall functional structure

圖3 技術(shù)架構(gòu)圖Fig.3 Technical architecture

3.4 平臺(tái)開(kāi)發(fā)方法

在開(kāi)發(fā)方法上，采用敏捷開(kāi)發(fā)模式，開(kāi)展快速原型和迭代開(kāi)發(fā)。采用多個(gè)迭代周期的模式，先選擇一小部分具有代表性的功能進(jìn)行開(kāi)發(fā)，讓用戶能快速體驗(yàn)到系統(tǒng)的最終使用效果，進(jìn)而提出修改，再進(jìn)行第二輪的修改和迭代。

4 各功能模塊技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法

4.1 數(shù)據(jù)錄入功能

4.1.1 ACCESS數(shù)據(jù)錄入

①標(biāo)識(shí)

ACCESS_DATA_INPUT

②用例的參與者與發(fā)起者

用例發(fā)起者為系統(tǒng)計(jì)劃任務(wù)；用例參與者為數(shù)據(jù)庫(kù)。

③功能概述

系統(tǒng)程序根據(jù)各類數(shù)據(jù)文件名和采集文件規(guī)則解析錄入。

④主事件流

確保網(wǎng)絡(luò)連通，然后運(yùn)行系統(tǒng)程序；系統(tǒng)數(shù)據(jù)錄入提示錄入成功或者失敗。

⑤異常流

數(shù)據(jù)庫(kù)無(wú)法正常連接，彈出“數(shù)據(jù)庫(kù)”無(wú)法連接提示框；有重復(fù)數(shù)據(jù)時(shí)，不會(huì)重復(fù)錄入。

⑥前提條件和后置條件

前提條件為數(shù)據(jù)庫(kù)正常連接；后置條件為數(shù)據(jù)錄入。

4.1.2 TXT數(shù)據(jù)錄入

①標(biāo)識(shí)

TXT_DATA_INPUT

②用例發(fā)起者和參與者

發(fā)起者是系統(tǒng)計(jì)劃任務(wù)；參與者為數(shù)據(jù)庫(kù)。

③功能概述

根據(jù)配置文件，系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、解析及計(jì)算，錄入數(shù)據(jù)庫(kù)相應(yīng)表。錄入程序會(huì)根據(jù)各類數(shù)據(jù)的文件名和采集文件規(guī)則解析錄入。

④主事件流

配置路徑，啟動(dòng)系統(tǒng)程序；如果錄入過(guò)程中有錯(cuò)誤，記錄日志，并繼續(xù)向下錄入。

⑤子事件流

在啟動(dòng)前，可以先測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)連接。

⑥異常流

錄入中斷。

⑦前提條件和后置條件

前提條件為網(wǎng)絡(luò)連接正常；后置條件為數(shù)據(jù)錄入。

4.2 數(shù)據(jù)查詢功能

4.2.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢(見(jiàn)圖4)

①標(biāo)識(shí)

REALTIME_SEARCH

②用例發(fā)起者和參與者

登錄后用戶是用例發(fā)起者，用例參與者是數(shù)據(jù)庫(kù)。

③功能概述

系統(tǒng)根據(jù)服務(wù)器的系統(tǒng)時(shí)間以及用戶操作確定查詢條件(如前一時(shí)次、觀測(cè)時(shí)間、后一時(shí)次等)，然后系統(tǒng)自動(dòng)查詢，顯示查詢結(jié)果。

④主事件流

用戶登錄；選擇數(shù)據(jù)查詢下的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；顯示形式(柱狀立體圖)；到數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索數(shù)據(jù)信息；顯示查詢結(jié)果；可以查詢污染物濃度限值。

⑤異常流

數(shù)據(jù)庫(kù)中沒(méi)有相應(yīng)時(shí)刻的數(shù)據(jù)，界面顯示無(wú)數(shù)據(jù)信息。

⑥后置條件

查詢結(jié)果顯示。

圖 4 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢示意圖Fig.4 Schematic diagram of realtime data query

4.2.2 歷史分鐘數(shù)據(jù)查詢(見(jiàn)圖5)

①標(biāo)識(shí)

MINUTE_SEARCH

②用例發(fā)起者和參與者

此用例的發(fā)起者是認(rèn)證用戶；參與者是數(shù)據(jù)庫(kù)。

③功能概述

查詢分鐘歷史數(shù)據(jù)，時(shí)間間隔為6,h以內(nèi)。

④主事件流

用戶登錄；選擇數(shù)據(jù)查詢→歷史數(shù)據(jù)→分鐘數(shù)據(jù)；顯示形式，數(shù)據(jù)圖形(折線圖、柱狀圖、散點(diǎn)圖)和數(shù)據(jù)表；到數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索數(shù)據(jù)信息；顯示查詢結(jié)果。

⑤異常流

數(shù)據(jù)庫(kù)中沒(méi)有相應(yīng)的數(shù)據(jù)，則在界面上提示無(wú)數(shù)據(jù)信息。

⑥后置條件

查詢結(jié)果顯示。

圖5 3分鐘數(shù)據(jù)查詢示意圖Fig.5 Schematic diagram of 3 min data query

4.2.3 小時(shí)均值查詢(示意圖見(jiàn)圖6)

圖6 4小時(shí)均值數(shù)據(jù)查詢示意圖Fig.6 Schematic diagram of 4,h mean value data query

①標(biāo)識(shí)

HOUR_SEARCH

②用例發(fā)起者和參與者

此用例的發(fā)起者是認(rèn)證用戶；參與者是數(shù)據(jù)庫(kù)。

③功能概述

查詢小時(shí)均值歷史數(shù)據(jù)，時(shí)間間隔為72,h以內(nèi)。

④主事件流

用戶登錄；選擇數(shù)據(jù)查詢→歷史數(shù)據(jù)→小時(shí)均值數(shù)據(jù)；顯示形式，數(shù)據(jù)圖形(折線圖、柱狀圖、散點(diǎn)圖)和數(shù)據(jù)表；到數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索數(shù)據(jù)信息；顯示查詢結(jié)果。

⑤異常流

數(shù)據(jù)庫(kù)中沒(méi)有相應(yīng)的數(shù)據(jù)，則在界面上提示無(wú)數(shù)據(jù)信息。

⑥后置條件

查詢結(jié)果顯示。

系統(tǒng)日均值、月均值、年均值數(shù)據(jù)查詢與此類似。

4.3 數(shù)據(jù)下載功能(見(jiàn)圖7)

4.3.1 標(biāo)識(shí)

DATA_DOWNLOAD

4.3.2 用例發(fā)起者和參與者

數(shù)據(jù)操作員是用例發(fā)起者。

4.3.4 功能概述

下載統(tǒng)計(jì)分析后的分鐘數(shù)據(jù)、小時(shí)均值數(shù)據(jù)、日均值數(shù)據(jù)、月均值數(shù)據(jù)和年均值數(shù)據(jù)。

4.3.5 主事件流

用戶登陸；選擇數(shù)據(jù)下載；選擇數(shù)據(jù)類型、起始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間等條件；點(diǎn)擊生成下載文件，顯示可下載數(shù)據(jù)條目；選擇數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊下載；生成所選數(shù)據(jù)的下載的文檔(Excel)。

4.3.6 子事件流

當(dāng)選擇不同時(shí)間(均值)時(shí)，起始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間精確度做相應(yīng)調(diào)整。

4.3.7 異常流

沒(méi)有相應(yīng)的數(shù)據(jù)可供下載，則提示沒(méi)有數(shù)據(jù)。

4.3.8 前提條件

統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)已生成。

4.3.9 后置條件

數(shù)據(jù)下載。

圖7 數(shù)據(jù)下載示意圖Fig.7 Schematic diagram of data downloading

4.4 預(yù)報(bào)產(chǎn)品(見(jiàn)圖8)

圖8 預(yù)報(bào)產(chǎn)品頁(yè)面Fig.8 Page of a NWF product

4.4.1 標(biāo)識(shí)

FORECAST_PRODUCE

4.4.2 用例發(fā)起者和參與者

認(rèn)證用戶是用例發(fā)起者和參與者。

4.4.3 功能概述

預(yù)報(bào)產(chǎn)品信息顯示，柱狀立體圖和表格兩種形式。

4.4.4 主事件流

用戶登錄，點(diǎn)擊預(yù)報(bào)產(chǎn)品；顯示預(yù)報(bào)產(chǎn)品信息。

4.4.5 后置條件

預(yù)報(bào)產(chǎn)品顯示。

4.5 值班記錄管理

4.5.1 值班記錄錄入(見(jiàn)圖9)

①標(biāo)識(shí)

DUTY_INPUT

②用例參與者與發(fā)起者

用例發(fā)起者是認(rèn)證用戶，參與者是數(shù)據(jù)庫(kù)。

③功能概述

值班人員記錄值班信息。

④主事件流

值班人員登錄系統(tǒng)；選擇值班記錄錄入，確認(rèn)時(shí)間(日)；填寫儀器運(yùn)行情況、有無(wú)更換維修和天氣情況等信息；保存值班記錄。

⑤后置條件

當(dāng)日值班記錄信息錄入系統(tǒng)。

圖9 值班記錄錄入示意圖Fig.9 Schematic diagram of duty record inputting

4.5.2 值班記錄查看(見(jiàn)圖10)

①標(biāo)識(shí)

DUTY_VIEW

②用例發(fā)起者和參與者

認(rèn)證用戶是用例發(fā)起者，用例參與者是數(shù)據(jù)庫(kù)。

③功能概述

用戶按日查詢值班記錄。

④主事件流

用戶登錄；導(dǎo)航到值班管理模塊；選擇值班記錄查詢；輸入查詢條件，并點(diǎn)擊查詢；自動(dòng)獲取數(shù)據(jù)上傳情況；顯示所選日期的值班記錄信息。

⑤前提條件

當(dāng)日值班記錄已經(jīng)填寫。

⑥后置條件

值班記錄顯示。

圖10 值班記錄查看示意圖Fig.10 Schematic diagram of duty record query

4.6 用戶管理

4.6.1 用戶注冊(cè)管理(見(jiàn)圖11)

①標(biāo)識(shí)

USERMGT_REG

②用例發(fā)起者和參與者

用例的發(fā)起者為認(rèn)證用戶。

③功能概述

用戶注冊(cè)，填寫級(jí)別信息，等待管理員審批。

④主事件流

用戶訪問(wèn)網(wǎng)站，選擇用戶注冊(cè)；填寫用戶注冊(cè)基本信息；提交注冊(cè)信息。

⑤子事件流

在“填寫用戶注冊(cè)基本信息”時(shí)，點(diǎn)擊取消按鈕，取消注冊(cè)。

⑥異常流

注冊(cè)用戶名稱已經(jīng)存在，無(wú)法注冊(cè)。

⑦后置條件

用戶注冊(cè)信息已經(jīng)提交。

圖11 用戶注冊(cè)示意圖Fig.11 Schematic diagram of user registration

4.6.2 用戶級(jí)別(角色)設(shè)置(見(jiàn)圖12)

①標(biāo)識(shí)

USERMGT_ROLE

②用例發(fā)起者與參與者

系統(tǒng)管理員是用例發(fā)起者，數(shù)據(jù)庫(kù)是用例參與者。

③功能概述

系統(tǒng)管理員為已注冊(cè)用戶分派更高級(jí)的權(quán)限。

④主事件流

管理員登陸；選擇用戶級(jí)別設(shè)置；顯示所有用戶/級(jí)別；為用戶分派權(quán)限；顯示分派后的結(jié)果。

圖12 用戶級(jí)別設(shè)置示意圖Fig.12 Schematic diagram of user level setting

4.6.3 級(jí)別權(quán)限設(shè)置(見(jiàn)圖13)

①標(biāo)識(shí)

PRI_SET

②用例發(fā)起者和參與者

用例發(fā)起者是系統(tǒng)管理員，參與者是數(shù)據(jù)庫(kù)。

③功能概述

設(shè)置用戶級(jí)所能具有的功能，功能點(diǎn)是按照菜單分步。

④主事件流

用戶登陸；選擇用戶管理＞級(jí)別權(quán)限設(shè)置；選擇需要修改權(quán)限的用戶；為此用戶選擇功能點(diǎn)；點(diǎn)擊確認(rèn)保存結(jié)果。

⑤子事件流

點(diǎn)擊取消，不再修改。

⑥前提條件

已經(jīng)存在用戶。

⑦后置條件

用戶級(jí)別的權(quán)限被修改。

圖13 級(jí)別權(quán)限設(shè)置示意圖Fig.13 Schematic diagram of permission setting

4.6.4 用戶登錄

①標(biāo)識(shí)

USR_LOGIN

②用例發(fā)起者和參與者

未認(rèn)證用戶是發(fā)起者，參與者是數(shù)據(jù)庫(kù)。

③功能概述

用戶輸入賬戶和密碼，系統(tǒng)驗(yàn)證后，用戶登錄。

④主事件流

用戶輸入賬戶和密碼；系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的賬戶與密碼驗(yàn)證；驗(yàn)證通過(guò)；將登錄成功的信息記錄日志；獲取用戶級(jí)別；跳轉(zhuǎn)到改用戶級(jí)別對(duì)應(yīng)的登錄頁(yè)面。

⑤子事件流

驗(yàn)證不通過(guò)，則提示用戶登錄失敗，保持在原有界面。

⑥異常流

無(wú)法連接數(shù)據(jù)，提示數(shù)據(jù)庫(kù)連接失敗。

⑦界面要求

包含賬戶和密碼的輸入框；普通頁(yè)面響應(yīng)時(shí)間應(yīng)在 4,s之內(nèi)。

5 結(jié) 語(yǔ)

該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了武清大氣環(huán)境相關(guān)觀測(cè)數(shù)據(jù)的智能化管理，確保了科研數(shù)據(jù)安全管理和使用，有效降低了管理成本和使用風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)為科研人員提供了更多的數(shù)據(jù)信息和資源，提高了基層氣象局的科技創(chuàng)新能力，并通過(guò)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)進(jìn)一步提高青年技術(shù)人員的科技實(shí)踐意識(shí)和科技研發(fā)能力，帶動(dòng)業(yè)務(wù)工作整體發(fā)展?！?/p>

［1］ 耿建軍. 基于 C﹟技術(shù)的氣象資料分析與服務(wù)產(chǎn)品制作軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 氣象科技，2013，41(4)：648-651.

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