JSON在氣象信息系統(tǒng)建設中的應用實踐

付會明 江西省氣象信息中心 南昌市 330046

0 引言

隨著氣象現(xiàn)代化深入推進，氣象信息系統(tǒng)一方面規(guī)模越來越大功能越來越強，另一方面結構越來越精細形式越來越豐富。與此同時現(xiàn)代計算機技術快速發(fā)展，移動應用大量普及，網(wǎng)絡計算能力空前提高。使得建立在氣象信息系統(tǒng)基礎上的氣象業(yè)務和氣象服務中的信息活動變得極為頻繁和寬泛，機器語言之間、應用模組之間、服務設備之間的快速數(shù)據(jù)交換成了氣象信息系統(tǒng)建設的非常關切的需求。在眾多新技術中JSON數(shù)據(jù)技術提供了便捷數(shù)據(jù)交互能力。JSON是一種輕量級的數(shù)據(jù)交換格式，采用完全獨立于編程語言的文本格式來存儲和表示數(shù)據(jù)。簡潔和清晰的層次結構使得JSON 成為理想的數(shù)據(jù)交換語言，易于人閱讀和編寫，同時也易于機器解析和生成，并有效地提升網(wǎng)絡傳輸效率，在數(shù)據(jù)傳輸方面具有明顯優(yōu)點：數(shù)據(jù)格式比較簡單，易于讀寫，格式都是壓縮的，占用帶寬小。氣象數(shù)據(jù)有別于其他數(shù)據(jù)，結構復雜種類多樣，實時性強動態(tài)多變，具有極強的專業(yè)特征。氣象信息系統(tǒng)承載各類氣象數(shù)據(jù)傳輸處理加工等業(yè)務功能，在系統(tǒng)建設與運行中各種數(shù)據(jù)信息關聯(lián)緊密交流活躍。在氣象信息系統(tǒng)建設中各個場合與界面中需要完成各種數(shù)據(jù)交互工作，JSON提供了極強的技術支撐，應用好JSON技術能為業(yè)務帶來極大便利。

1 JSON技術與其他技術的分析比較

1.1 簡介

JSON(JavaScript Object Notation, JS 對象標記) 是一種用于傳輸和生成數(shù)據(jù)的協(xié)定，其基本是一種輕量級的數(shù)據(jù)交換格式。JSON語法來源于C家族的語言（包括C、C++、C#、Java、JavaScript、Perl、Python等）。它基于JavaScript（Standard ECMA-262 3rd Edition - December 1999）的一個子集。JSON 可以將應用對象中表示的一組數(shù)據(jù)轉換為字符串，然后就可以在函數(shù)之間輕松地傳遞這個字符串，或者在異步應用程序中將字符串從 Web 客戶機傳遞給服務器端程序。JSON輕量型對象跟語言無關用于傳輸實現(xiàn)共享，幾乎所有語言都直接支持，用于不同語言共享數(shù)據(jù)，如可以讓asp,php等與前臺js很好的交互。

JSON對象是一系列以逗號分隔的名稱／值對（name：value），最外面用一對花括號括起來。其簡潔性是XML無法比擬的，在數(shù)據(jù)傳輸時，減少的數(shù)據(jù)量可以帶來性能上的提升，裝載后，就可以通過名稱直接訪問任何字段了，相對于DOM極大地提高了效率。JSON還提供數(shù)據(jù)類型的支持，并通過使用對象和數(shù)組可以表現(xiàn)結構化數(shù)據(jù)，占用空間小。在互聯(lián)網(wǎng)應用中，對于相同的信息量在相同帶寬環(huán)境下，JSON會以更小的體積更快速地發(fā)送。這些特性使JSON成為理想的數(shù)據(jù)交換語言，易于人閱讀和編寫，同時也易于機器解析和生成而無平臺之分。

1.2 JSON與數(shù)據(jù)庫技術的對比

兩者應用領域不同，數(shù)據(jù)庫用于持久化保存大量數(shù)據(jù)其主要的功能目的是數(shù)據(jù)保存和共享，而JSON是一種規(guī)則化數(shù)據(jù)傳輸?shù)男问?，有保存?shù)據(jù)的功能，但是并不持久。一般情況下都是存在于內存，一旦程序退出了，JSON數(shù)據(jù)就沒有了。JSON特別適于網(wǎng)際快速數(shù)據(jù)交換如程序后端與前臺界面之間進行交互，而在此方面數(shù)據(jù)庫技術是不適應的。

1.3 JSON與XML的對比

本質上JSON與XML都是一種數(shù)據(jù)交換格式，現(xiàn)在兩者都成為常用的數(shù)據(jù)格式標準，支持多種語言，包括C、C#、ColdFusion、Java、JavaScript、Perl、PHP、Python、ActionScript、Ruby等客戶端和服務器端語言。

XML（Extensible Markup Language）擴展標記語言，用于標記電子文件使其具有結構性的標記語言，是一種允許用戶對自己的標記語言進行定義的源語言。XML使用DTD(document type definition)文檔類型定義來組織數(shù)據(jù);具有格式統(tǒng)一，跨平臺和語言，符合標準；容易與其他系統(tǒng)進行遠程交互，數(shù)據(jù)共享比較方便等優(yōu)點。但其缺點也是明顯的：首先XML文件龐大，文件格式復雜，傳輸占帶寬；其次服務器端和客戶端都需要花費大量代碼及資源和時間來解析XML，導致服務器端和客戶端代碼變得異常復雜且不易維護；另外客戶端不同瀏覽器之間解析XML的方式不一致，需要重復編寫很多代碼。

JSON沒有XML歷史久遠但正在迅速得到普及。XML和JSON都使用結構化方法來標記數(shù)據(jù)，但JSON簡單的語法格式和清晰的層次結構明顯要比 XML 容易閱讀，并且在數(shù)據(jù)交換方面，由于 JSON 所使用的字符要比 XML 少得多，可以大大節(jié)約傳輸數(shù)據(jù)所占用得帶寬。

總的來看XML復雜，適合于較大信息組織處理如配置文件的編輯保存。而JSON簡潔，通信編碼效率高便于數(shù)據(jù)交換，傳輸相同的數(shù)據(jù)JSON要比XML更小巧，而這正是現(xiàn)代網(wǎng)絡化氣象應用所需要的。

2 JSON技術在各種氣象信息業(yè)務系統(tǒng)中應用實踐

2.1 在B/S模式氣象數(shù)據(jù)傳輸服務應用開發(fā)中的實例

依托Internet以B/S模式向用戶發(fā)布氣象服務信息，是現(xiàn)代氣象信息系統(tǒng)業(yè)務的重要組成部分。B/S模式中需要Web前端腳本語言（如Javascript）與后端腳本語言(asp，php,jsp)協(xié)同工作, Ajax和RIA（Rich Internet Applications豐富的因特網(wǎng)應用程序）等技術流行增強了Web應用的交互性。而JSON可以封裝各種類型格式的數(shù)據(jù)包括網(wǎng)頁中的數(shù)組對象表單等，在其中能發(fā)揮關鍵作用，提供服務器到客戶端瀏覽器之間的實時數(shù)據(jù)交互，這對于實時性很強的氣象服務是很重要的。這里展示的是GPS/MET文件傳輸實時監(jiān)控的應用實例，主要代碼如下：

前臺數(shù)據(jù)提交與獲取腳本：

后臺的關鍵代碼：

用戶瀏覽器監(jiān)控界面：

圖1 用戶瀏覽器監(jiān)控界面

JSON在業(yè)務流程中起到了數(shù)據(jù)載體的作用，應用系統(tǒng)能直接將后臺信息反饋的前臺監(jiān)視界面，用戶無需反復刷新瀏覽器頁面，就能實時獲取文件傳輸狀態(tài)信息。在氣象業(yè)務中使用JSON技術讓應用開發(fā)變得簡單規(guī)范，提高了效率，若沒有使用JSON在有大量信息傳送時系統(tǒng)效率和用戶體驗將大打折扣。特別是在AJAX應用中使用JSON作為數(shù)據(jù)交換的載體，可以有效提高系統(tǒng)響應速度降低等待時間，對于提高系統(tǒng)資源利用率有著很大的貢獻價值。

2.2 在氣象業(yè)務團隊開發(fā)中的應用實例

氣象信息系統(tǒng)不斷向高復雜度、細粒度化方向發(fā)展，系統(tǒng)結構也有原來的模塊化向更細的組件、器件、接口分化。隨之氣象信息系統(tǒng)建設團隊規(guī)模變大，分工變細，其中每個團隊成員使用的開發(fā)語言與工具必能存在差異，如使用的開發(fā)語言有C++、Python、Java、C#、PHP、Asp.net、Perl、Pascal、VB等等，這樣在團隊開發(fā)中語言之間數(shù)據(jù)交流成了系統(tǒng)建設的巨大障礙。直到JSON出現(xiàn)這個問題才被根本解決，數(shù)據(jù)交互障礙不再存在，每個團隊成員不再要為各個功能塊之間的數(shù)據(jù)交互花大量時間進行信息編碼，而可以將主要力量花在核心的業(yè)務邏輯實現(xiàn)上。本文以長江流域氣象服務綜合業(yè)務平臺項目為實例，介紹JSON在大規(guī)模團隊分工與合作中的應用。長江流域氣象服務綜合業(yè)務平臺項目由長江流域內十二個省（市）合作完成，平臺分信息收集與處理分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲管理分系統(tǒng)、信息共享服務分系統(tǒng)、云平臺支撐分系統(tǒng)構成。這里展示了系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖和為最終用戶提供服務的關鍵“信息共享服務分系統(tǒng)”的結構，如圖2、圖3所示：

圖2 長江流域氣象服務綜合業(yè)務平臺數(shù)據(jù)流程

圖3 共享服務分系統(tǒng)結構組成

綜合業(yè)務平臺的數(shù)據(jù)流程圖和功能結構圖顯示，系統(tǒng)高度細化各功能塊之間聯(lián)系緊密數(shù)據(jù)交換頻繁，JSON技術在系統(tǒng)建設運作和成員協(xié)同開發(fā)方面發(fā)揮了作用。首先對于使用各種開發(fā)語言的編程人員JSON支持多種語言能封裝機器語言中的數(shù)組(Array)、布爾值（Boolean）或復雜的對象（Object）,而且是基于純文本的結構化數(shù)據(jù)，是一種輕量級的數(shù)據(jù)交換格式，易于閱讀和編寫。其次JSON是跨平臺的，易于機器解析和生成，幾乎所有語言都有相應的 JSON包支持，能輕易承載數(shù)據(jù)實現(xiàn)跨平臺傳遞，如讓java程序和asp.net程序互相傳遞包含數(shù)據(jù)的數(shù)組等;而客戶端JavaScript可以簡單的通過eval()進行JSON數(shù)據(jù)的讀取;并且易于維護。使得業(yè)務系統(tǒng)建設中編程語言間的障礙不再存在，提高了團隊多人協(xié)同工作效能。

2.3 在多業(yè)務融合中的應用實例

氣象信息系統(tǒng)是一個巨大的異構系統(tǒng)，不斷有新系統(tǒng)加入如CIMISS、各種基于地理信息系統(tǒng)的服務系統(tǒng)、MICAPS預報系統(tǒng)等，而且各省市還有自己的子業(yè)務系統(tǒng)，融合各個業(yè)務系統(tǒng)發(fā)揮最大綜合效益是氣象信息系統(tǒng)建設的一項重要工作。JSON技術也可以在其中發(fā)揮重要作用，目前通過API接口，中間件結合JSON數(shù)據(jù)格式規(guī)范集約或融合系統(tǒng)的方法證明是有效的，取得了很好成果，如縣級MICAPS預報預警業(yè)務平臺與CMISS系統(tǒng)融合實現(xiàn)等案例，由于篇幅有限在此不做展開闡述。

3 前景展望

JSON技術不僅促進了數(shù)據(jù)快速交換能力，而且推動了數(shù)據(jù)和應用標準，使得信息交流更規(guī)范共享更容易。

采用JSON數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)交換將運行程序所需一些資源文件放置于應用之中,運行時只需下載核心數(shù)據(jù),這樣有效地降低了訪問流量,并且提高了處理速度，降低了開發(fā)和使用門檻。

JSON技術將加速氣象信息社會化應用，許多機構如中國天氣網(wǎng)提供了基于JSON數(shù)據(jù)格式的API應用接口，使得獲取氣象數(shù)據(jù)和預報變得極為簡單容易，各種平臺Windows、Android等都可以向中國天氣網(wǎng)發(fā)送GET請求獲取JSON數(shù)據(jù)，許許多多包括桌面、手機、移動平板的氣象應用APP如雨后春筍般出現(xiàn)，極大豐富了氣象信息的應用領域，如下圖的一些氣象APP展現(xiàn)了豐富多彩的應用。

圖4 氣象APP社會化應用

可見在JSON等新技術推動下，氣象信息被大眾更深入接受并在更廣泛領域取得了很好社會經濟效益，氣象信息生態(tài)已在初步形成。

[1]姜宇.JSON在電子政務信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換中的研究與應用.科技創(chuàng)新導報.2012,5

[2]劉志雄.基于B／S模式的氣候資料處理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn).農業(yè)網(wǎng)絡信息.2008,12

[3]付會明.長江流域氣象服務綜合業(yè)務平臺延伸服務探討.長江流域中下游大氣探測、通信與信息技術交流會文集，2014,11