基于大數(shù)據(jù)的湖北氣象業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張冰松 汪璠 王雅新 楊代

摘要：本文針對(duì)湖北氣象業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)建設(shè)方面存在的諸多問(wèn)題，提出了內(nèi)網(wǎng)的設(shè)計(jì)需求、設(shè)計(jì)目標(biāo)和技術(shù)路線，闡明了內(nèi)網(wǎng)的總體結(jié)構(gòu)與功能、總體數(shù)據(jù)流程、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、大數(shù)據(jù)框架應(yīng)用以及其他優(yōu)化的具體措施等。

關(guān)鍵詞：HBASE;氣象;業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TP311.52? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1007-9416（2020）10-0000-00

0 引言

隨著省級(jí)氣象局信息化建設(shè)程度的不斷提高，信息業(yè)務(wù)的綜合服務(wù)水平明顯提升，但業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺(tái)建設(shè)的集約程度仍然不夠，服務(wù)規(guī)范不統(tǒng)一，沒(méi)有集中標(biāo)準(zhǔn)化的顯示和監(jiān)控平臺(tái)，導(dǎo)致服務(wù)效率不高，甚至出現(xiàn)數(shù)據(jù)與產(chǎn)品存在不一致和矛盾的情況。此外各業(yè)務(wù)系統(tǒng)規(guī)模小、功能簡(jiǎn)陋，系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建設(shè)缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，整體安全防護(hù)能力弱，未能實(shí)現(xiàn)集約化、規(guī)模化運(yùn)維，人員從事低水平重復(fù)、手工交互度高的IT系統(tǒng)運(yùn)維等問(wèn)題也制約著湖北省氣象局信息化建設(shè)的快速發(fā)展。所以需要一種便捷高效的方法達(dá)成眾多業(yè)務(wù)系統(tǒng)的統(tǒng)一管理和氣象科學(xué)數(shù)據(jù)的共享管理以及監(jiān)控管理，以更好的發(fā)揮相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的巨大價(jià)值。同時(shí)能為規(guī)范對(duì)單位內(nèi)提供氣象信息服務(wù)統(tǒng)一窗口，充分發(fā)揮信息資源的整合優(yōu)勢(shì)提供良好條件，使對(duì)內(nèi)提供氣象信息的方式集約化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。因此，建設(shè)湖北氣象業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)非常必要。

1 問(wèn)題分析

隨著業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展和數(shù)據(jù)的不斷擴(kuò)充，原共享系統(tǒng)在自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)顯示方面已經(jīng)無(wú)法滿足用戶的需求，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理、數(shù)據(jù)共享的范圍和顯示速度等都存在著弊端。此外伴隨著CIMISS系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用，這些業(yè)務(wù)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)集約化、一體化管理、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性以及系統(tǒng)維護(hù)和升級(jí)等方面，還存在很多問(wèn)題[1，2]，主要體現(xiàn)在：

（1）業(yè)務(wù)系統(tǒng)分散、不易維護(hù)升級(jí)。目前各省在線業(yè)務(wù)系統(tǒng)繁多，系統(tǒng)之間互相穿插，互相鏈接的情況頻繁，雖然有公共首頁(yè)可以作為統(tǒng)一入口，但是條理性差，系統(tǒng)和系統(tǒng)之間無(wú)法實(shí)現(xiàn)資源共享，服務(wù)共享，各自使用各自的標(biāo)準(zhǔn)，造成維護(hù)不便、管理困難、資源浪費(fèi)。（2）沒(méi)有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)環(huán)境，造成數(shù)據(jù)不一致。重要數(shù)據(jù)可能存在多份拷貝或存在多個(gè)數(shù)據(jù)源中，因數(shù)據(jù)傳輸或系統(tǒng)錯(cuò)誤或人工等原因往往造成原本應(yīng)該相同的數(shù)據(jù)在不同系統(tǒng)中不相同的情況。（3）資料展示系統(tǒng)多，各自為政，不易管理。省中心尚未建立統(tǒng)一的氣象基礎(chǔ)資料展示系統(tǒng)，各級(jí)業(yè)務(wù)部門及業(yè)務(wù)系統(tǒng)軟件直接從各自服務(wù)器獲取相應(yīng)的資料。各業(yè)務(wù)系統(tǒng)存在功能重復(fù)建設(shè)資源重復(fù)占用的現(xiàn)象。（4）利用云平臺(tái)不夠充分，各自使用小服務(wù)器，管理混亂。目前各業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間并未充分利用云平臺(tái)，數(shù)據(jù)接口并不規(guī)范，系統(tǒng)集成與業(yè)務(wù)銜接不當(dāng)，容易導(dǎo)致信息不對(duì)稱、無(wú)法管理。因此，本項(xiàng)目將利用現(xiàn)有云平臺(tái)，基于CIMISS標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)環(huán)境進(jìn)行建設(shè)，依靠一體化網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)成各業(yè)務(wù)系統(tǒng)集約化連接、實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置與共享。

2 設(shè)計(jì)原則與功能需求

2.1 設(shè)計(jì)原則

湖北氣象業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)以支撐氣象業(yè)務(wù)發(fā)展和科技創(chuàng)新為目標(biāo)，采用先進(jìn)實(shí)用的信息技術(shù)，參考國(guó)內(nèi)先進(jìn)的數(shù)據(jù)管理設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[3-10]，實(shí)現(xiàn)相關(guān)業(yè)務(wù)平臺(tái)的整合，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)原則包括：（1）集約化。搭建省級(jí)氣象業(yè)務(wù)運(yùn)行的數(shù)據(jù)環(huán)境以及虛擬化環(huán)境，集合各業(yè)務(wù)單位的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺(tái)資源的高效利用和專業(yè)化維護(hù)。（2）統(tǒng)一數(shù)據(jù)環(huán)境。以CIMISS作為主要數(shù)據(jù)源進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)用，遵從CIMISS數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)拓展，建立統(tǒng)一分類編碼、統(tǒng)一數(shù)據(jù)建模、統(tǒng)一存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)體系。（3）用戶管理。要面向省、市、縣三級(jí)用戶，實(shí)現(xiàn)省級(jí)統(tǒng)一權(quán)限管理，市縣級(jí)授權(quán)后訪問(wèn)。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

湖北氣象業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)主要由信息顯示、運(yùn)行監(jiān)控、業(yè)務(wù)管理、共享服務(wù)]等模塊組成。其中運(yùn)行監(jiān)控模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)臺(tái)站級(jí)、市縣州級(jí)單位數(shù)據(jù)傳輸、設(shè)備狀態(tài)等的綜合與分類監(jiān)控。主要包括：（1）數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)控。實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)站（包括國(guó)家站、區(qū)域站）觀測(cè)數(shù)據(jù)、高空測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)、GNSS/MET數(shù)據(jù)、自動(dòng)土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)、雷達(dá)基數(shù)據(jù)等，以圖形化與表格化相結(jié)合的方式向用戶展示各種氣象資料的發(fā)送情況，在監(jiān)視界面予以告警顯示。（2）設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。根據(jù)通信系統(tǒng)所接收到的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)文件、報(bào)警文件等，基于文件中的各類數(shù)據(jù)的判斷規(guī)則，綜合判斷設(shè)備運(yùn)行是否正常，并根據(jù)本級(jí)用戶所在區(qū)域獲取該區(qū)域所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息。（3）監(jiān)控集成。將其他監(jiān)控系統(tǒng)的地址鏈接配置到本系統(tǒng)，值班人員或業(yè)務(wù)人員可在系統(tǒng)導(dǎo)航模塊快速導(dǎo)航到對(duì)應(yīng)系統(tǒng)。業(yè)務(wù)管理模塊對(duì)傳輸質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在獲取運(yùn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)結(jié)果的基礎(chǔ)上以月、年為時(shí)間跨度并支持任意時(shí)段內(nèi)進(jìn)行聚合統(tǒng)計(jì)，存儲(chǔ)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，形成統(tǒng)計(jì)圖形、報(bào)表，為相關(guān)業(yè)務(wù)人員的決策提供數(shù)據(jù)支持。氣象信息顯示系統(tǒng)基于CIMISS實(shí)現(xiàn)各種氣象資料和原數(shù)據(jù)資料（自動(dòng)氣象站、探空資料、GNSS/MET、閃電定位、自動(dòng)土壤水分、氣象輻射、酸雨觀測(cè)、大氣成分觀測(cè)等）各個(gè)時(shí)間段對(duì)應(yīng)查詢，并基于WEBGIS、表格、曲線圖等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的展示分析，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史資料（歷史最大值、歷史最小值和歷史平均值等）的查詢展示功能。系統(tǒng)以自動(dòng)站數(shù)據(jù)顯示為重點(diǎn)，結(jié)合大數(shù)據(jù)SPARK計(jì)算框架和WEBGIS，實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)顯示。具體功能結(jié)構(gòu)劃分如圖1所示。

3 基于SPARK框架的數(shù)據(jù)顯示

湖北省自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)顯示模塊作為重點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)江流域、湖北省的國(guó)家站、區(qū)域站、專業(yè)氣象站（交通站、旅游站）等地面資料小時(shí)數(shù)據(jù)、分鐘資料全要素的快速查詢顯示，結(jié)合CIMISS系統(tǒng)，采用WebGIS技術(shù)，以站點(diǎn)圖、色斑圖、直方圖、表格等多種方式對(duì)查詢結(jié)果進(jìn)行顯示和統(tǒng)計(jì)分析，從而滿足省、市、縣三級(jí)預(yù)報(bào)人員業(yè)務(wù)使用需求。技術(shù)方案方面主要采用硬件支撐平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫(kù)、WEBGIS技術(shù)方面進(jìn)行優(yōu)化，在硬件方面采用大內(nèi)存、多服務(wù)器集群等配置;在數(shù)據(jù)庫(kù)方面對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)讀取進(jìn)行優(yōu)化，主要包含融合數(shù)據(jù)環(huán)境建設(shè)，根據(jù)數(shù)據(jù)特性，采用不同的數(shù)據(jù)庫(kù);在WEBGIS技術(shù)方面，采用緩存及分級(jí)顯示策略。

3.1 基于內(nèi)存的Spark生態(tài)系統(tǒng)

系統(tǒng)使用的服務(wù)器采用256G內(nèi)存，采用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，采用伯克利數(shù)據(jù)分析棧（Spark生態(tài)系統(tǒng)），搭建Spark集群，解決自動(dòng)站查詢統(tǒng)計(jì)慢的問(wèn)題。Spark是基于內(nèi)存的迭代計(jì)算框架[11]，其核心是彈性分布式數(shù)據(jù)集，通過(guò)在內(nèi)存中對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行多次快速迭代，支持復(fù)雜的數(shù)據(jù)挖掘算法和圖形計(jì)算算法。

系統(tǒng)使用Spark Streaming和Kafka進(jìn)行站點(diǎn)文件入庫(kù)，kafka 是一款分布式消息發(fā)布和訂閱的系統(tǒng)，具有高性能和高吞吐率，消息的發(fā)布（publish）稱作 producer，消息的訂閱（subscribe）稱作consumer。SparkStreaming 是一個(gè)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流進(jìn)行高通量、容錯(cuò)處理的流式處理系統(tǒng)，對(duì)Kafka消息進(jìn)行操作處理，并將結(jié)果保存到HBASE數(shù)據(jù)庫(kù)。其代碼實(shí)現(xiàn)如下：

3.2 非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)

系統(tǒng)采用非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)HBase實(shí)現(xiàn)，替換原有的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)Oracle或sqlserver，使用NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)，NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)讀寫性能高，其簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)系性使其優(yōu)勢(shì)在大數(shù)據(jù)量下更能體現(xiàn)，NoSQL的Cache是記錄級(jí)的，是一種細(xì)粒度的Cache。同時(shí)NoSQL具有靈活的數(shù)據(jù)模型，數(shù)據(jù)字段和格式能夠隨時(shí)靈活地添加和修改，為大數(shù)據(jù)在Web上的應(yīng)用提供便利。數(shù)據(jù)庫(kù)查詢采用Phoenix，Phoenix是HBase的SQL驅(qū)動(dòng)，Phoenix使得HBase支持通過(guò)JDBC的方式進(jìn)行訪問(wèn)，將SQL查詢轉(zhuǎn)換為一個(gè)或多個(gè)HBase scan，并編排執(zhí)行以生成標(biāo)準(zhǔn)的JDBC結(jié)果集。其代碼實(shí)現(xiàn)如下：

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選取開(kāi)源框架Spark進(jìn)行性能測(cè)試，在測(cè)試機(jī)上搭建測(cè)試環(huán)境。從CIMISS數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)出長(zhǎng)江流域范圍區(qū)域站3個(gè)月數(shù)據(jù)到內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)中，對(duì)數(shù)據(jù)讀取檢索時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，為系統(tǒng)技術(shù)路線提供理論依據(jù)。分別查詢CIMISS的ORACLE數(shù)據(jù)庫(kù)和Spark內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行測(cè)試，其中CIMISS數(shù)據(jù)庫(kù)是建站以來(lái)的所有數(shù)據(jù)，Spark內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)是三個(gè)月的長(zhǎng)江流域范圍區(qū)域站數(shù)據(jù)，排除數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)量的差異的影響，內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)在檢索時(shí)間上是可以滿足要求的，具體結(jié)果表1所示。

4 其他改進(jìn)技術(shù)

4.1 基于文件夾監(jiān)控的信息獲取

基于文件夾監(jiān)控的方式相對(duì)解析日志的方式有簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、及時(shí)、可調(diào)式性好等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)有的基于java實(shí)現(xiàn)的文件監(jiān)聽(tīng)主要有兩種方式：（1）線程輪詢掃描。其優(yōu)點(diǎn)是純java實(shí)現(xiàn)，完美跨平臺(tái)，缺點(diǎn)是監(jiān)聽(tīng)文件較多時(shí)，需要掃描的量太大;響應(yīng)不是非常及時(shí)，依賴于掃描間隔時(shí)間。（2）文件鉤子。其優(yōu)點(diǎn)是事件驅(qū)動(dòng)方式無(wú)目錄掃描，缺點(diǎn)是跟平臺(tái)相關(guān)。系統(tǒng)涉及數(shù)據(jù)量較大，如果采用線程輪詢掃描模式掃描量大，響應(yīng)不及時(shí)，難滿足實(shí)時(shí)性高的要求，故采用文件鉤子的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)文件夾的監(jiān)控。我們采用基于Jnotify開(kāi)發(fā)包，實(shí)現(xiàn)了包括windows、linux、maxos各大平臺(tái)的處理，開(kāi)發(fā)時(shí)只需要使用其提供的對(duì)應(yīng)平臺(tái)的組件即可輕松實(shí)現(xiàn)文件夾監(jiān)控。

4.2 緩存及分級(jí)顯示策略

針對(duì)經(jīng)常被提及的在WEBGIS上同時(shí)顯示所有區(qū)域站比較緩慢的問(wèn)題，本系統(tǒng)采用了緩存及分級(jí)顯示策略。首先針對(duì)cimiss查詢可能出現(xiàn)緩慢的情況，增加了一個(gè)緩存，定時(shí)獲取5分鐘數(shù)據(jù)。每次請(qǐng)求從緩存中獲取區(qū)域站的數(shù)據(jù)，這樣可以將時(shí)間降至毫秒級(jí)。其次，在瀏覽器繪制站點(diǎn)圖像的時(shí)候首次僅繪制3000/n站（繪制1000站的時(shí)間大約在1秒內(nèi)），當(dāng)n=3時(shí)用戶基本上可以在1秒內(nèi)看到區(qū)域站繪制完畢。用戶放大地圖層級(jí)時(shí)增加繪制剩余3000/n站。n 越大顯示速度越快，而需要拖放的級(jí)數(shù)越多，我們認(rèn)為對(duì)于內(nèi)網(wǎng)系統(tǒng)，當(dāng)n=3時(shí)用戶體驗(yàn)效果最佳。

4.3 CIMISS實(shí)況數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)

在信息顯示等需要查詢氣象數(shù)據(jù)資料的模塊中，主要通過(guò)CIMISS通用接口的方式獲取資料。按照松耦合和模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)對(duì)CIMISS的接口調(diào)用進(jìn)行了封裝，具體實(shí)現(xiàn)方式如：通過(guò)JAVA客戶端模式進(jìn)行調(diào)用，通過(guò)接口DataQueryClient.callAPI_to_serial- izedStr 獲取返回類型為JSON格式的數(shù)據(jù)，然后將JSON格式轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)自定義的序列化格式，調(diào)用代碼如下所示：

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5 結(jié)語(yǔ)

湖北氣象業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)在CIMISS的基礎(chǔ)上結(jié)合SPARK技術(shù)，滿足長(zhǎng)江流域氣象中心的實(shí)時(shí)氣象信息業(yè)務(wù)的需求。系統(tǒng)在湖北省各級(jí)氣象部門投入業(yè)務(wù)試運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行監(jiān)控、業(yè)務(wù)管理、信息顯示、共享服務(wù)、綜合管理、網(wǎng)站管理等功能，湖北省自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)顯示模塊與原有業(yè)務(wù)系統(tǒng)相比增加了常用氣象要素，顯示速度有明顯提升，運(yùn)行效果良好。

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[11] 王宏偉，方群，陳偉.基于內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)的OPC監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2013（7）：242-244+248.

收稿日期：2020-08-31

*基金項(xiàng)目：湖北省氣象局科技發(fā)展基金重點(diǎn)項(xiàng)目（2018Z09、2020Z07）

作者簡(jiǎn)介：張冰松（1989—），女，吉林四平人，碩士，工程師，研究方向：氣象信息技術(shù)。

Design and Development of Hubei Meteorological Information Service Network Based on Big Data Framework

ZHANG Bin-song， WANG Fan， WANG Ya-xin， YANG Dai-cai

（Meteorological Information and Technology Support Center of Hubei Province，Wuhan Hubei? 430074）

Abstract： Analysis of the present Hubei Meteorological information service network of continuous development and improvement， points out the problems existing in Hubei Meteorological information service network construction， pointed out design requirements， design objective and technical route， illustrates the system overall structure and function， the whole data flow， system structure， big data application framework and other optimization measures.

Key words：HBASE; meteorological; service system