基于5G的氣象數據備份傳輸及監(jiān)控告警系統的設計與實現

李玉濤 史瀟 陳景麗

(1 江蘇省氣象信息中心，南京 210018; 2 中國氣象局交通氣象重點開放實驗室，南京 210018； 3 江蘇省氣象服務中心，南京 210018)

引言

氣象測報的數據文件和氣象電報通常情況下是通過內網有線寬帶傳輸到省信息網絡中心。但因設備故障、人為、自然等因素造成有線線路不通時，需要一種應急通信替代內網通信[1]。此外，由于氣象觀測臺站缺少通信網絡斷開、計算機發(fā)報軟件進程卡死、市電供電斷開等突發(fā)情況的告警機制，造成觀測臺站工作人員處理故障時間相對滯后，遲報或缺報現象時有發(fā)生，影響觀測數據的完整性、及時性、連續(xù)性，進而數據的可用性下降[1-2]。

氣象觀測臺站業(yè)務自動化是今后氣象探測的發(fā)展方向，探測數據的高時空密度采集和傳輸，對臺站和省級氣象數據接收端的數據傳輸網絡通信方式提出了更高要求[3-4]。最新的5G(5th Generation Wireless Systems,第5代移動通信系統)無線移動通信提供了傳輸線路備份最佳的選擇，通過基于5G的無線VPN(Virtual Private Network,虛擬專用網絡線路)作為備份的方式實現一主一備的可靠通信要求，可以確保測報業(yè)務數據通信不中斷。

本文設計、開發(fā)了一套地面觀測臺站無線備份傳輸及監(jiān)控告警系統，通過對網絡狀況、發(fā)報軟件進程狀態(tài)、市電供電狀態(tài)等一系列影響數據可靠傳輸的因素進行實時監(jiān)測，并根據系統預設進行網絡路由切換及相關告警生成，可進一步提高氣象觀測臺站數據傳輸的自動化，從而為推進氣象觀測臺站的無人值守跨出重要的一步。

1 系統設計

1.1 系統總體功能設計

通過設計開發(fā)基于5G的氣象數據備份傳輸及監(jiān)控告警系統，并在氣象觀測臺站進行部署應用，可在有線網絡故障等突發(fā)情況下實現觀測數據自動通過無線網絡備份傳輸[5]。同時該系統具有對網絡通信故障、自動站發(fā)報軟件運行故障、電力故障等情況進行自動告警功能，一旦發(fā)生突發(fā)故障，臺站工作人員可以在接收到告警信息后第一時間進行處理，大大縮短故障解除耗時，提高氣象觀測數據的及時性、連續(xù)性、可用性。

如圖1所示，基于氣象觀測臺站業(yè)務現狀及實際需求，對無線備份傳輸及監(jiān)控告警系統進行整體功能設計，實現4大功能模塊：

(1)氣象數據傳輸模塊。包含基于FTP方式的氣象數據文件傳輸及基于Socket通信[6]的BUFFR碼氣象數據流傳輸、數據文件轉發(fā)等功能。

(2)通信鏈路監(jiān)測模塊。包含網絡通信狀態(tài)監(jiān)測、通信網絡主備線路自動切換、網絡故障告警及顯示等功能。

圖1 總體功能設計

(3)自動報警提醒模塊。包含設備宕機監(jiān)測及告警、程序進程運行狀態(tài)監(jiān)測及告警、自動站實時運行狀態(tài)監(jiān)測及告警等功能[7]。

(4)停電自動報警模塊。包含市電供電狀態(tài)監(jiān)控及告警。當檢測到市電中斷時，系統自動提取預存的值班手機號碼，撥打電話和播放停電信息，通知值班員及時處理停電故障。盡管在測報業(yè)務計算機配置了UPS供電，但往往在夜間發(fā)生停電，易造成UPS的蓄電瓶過放電而導致后備電源電能耗盡影響業(yè)務工作[8]。

此外在每種告警的發(fā)布方式上采用了告警響聲、界面告警提示、短信發(fā)布等多種類方式，單獨連接了短信網關用于短信發(fā)布[9]。

1.2 系統架構設計

如圖2所示，在系統架構方面，氣象觀測臺站端主要包含臺站測報計算機及氣象數據備份傳輸系統2部分；在省級氣象端主要包含省級內網文件/數據流接收服務器及省級外網文件/數據流接收服務器，在臺站和省級氣象端通過有線網絡及5G無線網絡連接VPN形成的虛擬網絡進行一主一備的網絡通信，主備線路可自動切換[10]。

圖2 系統架構設計

2 系統各功能模塊的實現

2.1 氣象數據傳輸模塊

在正常情況下，氣象觀測形成的氣象數據以文件和數據流的方式通過氣象業(yè)務內網有線寬帶(業(yè)務專線)傳輸到省氣象信息網絡中心。但當臺站至省級之間的有線寬帶因設備故障、光纖斷路、人為、自然等因素造成線路斷開時，需要一種應急備份的替代通信方式。近年來，氣象觀測數據的爆炸式增長，隨著氣象業(yè)務的不斷格點化、精細化對氣象觀測數據的傳輸時效要求也越來越高，數據傳輸高帶寬、低時延成為業(yè)務的重點發(fā)展方向，現有移動通信系統難以滿足未來需求。

當前5G通信已成為學術界和通信業(yè)的熱點，5G通信網絡數據傳輸速率最高可達10 Gb/s，遠遠高于以前的蜂窩網絡(表1)，比當前的有線互聯網還要快。在連續(xù)高移動性和廣域覆蓋場景下，用戶實際體驗的網絡速率可達100 Mb/s，比當前4G LTE蜂窩網絡快100倍。5G網絡的另一個優(yōu)點是較低的網絡延遲(低于1 ms)，而4G為30～70 ms，相比之下網絡響應更快，采用新一代5G通信作為無線備份線路是一個最佳的備份通信線路選擇[11]。

表1 不同類型網絡參數對比

如圖3所示，在基于5G和有線網絡通信的基礎上，氣象數據備份傳輸系統設計了專用通信軟件實現主副通道數據通信，滿足一主一備通信的可靠性要求，在主備通道切換時，內部數據讀寫模塊自動實時抓取氣象數據，通過監(jiān)測到可用的通道進行數據傳輸，確保測報業(yè)務數據通信不中斷[12]。通過系統傳輸的數據包括分鐘觀測資料(Z文件)、氣象電報，BUFFER碼數據流以及測報業(yè)務軟件的參數備份、單站觀測資料遠程備份等，確保測報業(yè)務數據通信不中斷。比以往程控撥號通信有諸多的優(yōu)越性，如速度快、實時在線、不依賴有線光纖，不易遭雷擊等優(yōu)勢。

圖3 氣象數據傳輸模塊內部調取過程

2.2 通信鏈路監(jiān)測模塊

如圖4所示，通過臺站測報計算機中的配套軟件對有線網絡和5G無線網絡進行輪流實時監(jiān)測，根據監(jiān)測狀態(tài)自動切換路由。當有線網絡線路正常情況下氣象觀測數據通過有線主通道線路傳輸文件、數據流和氣象電報；當有線通信不正常時，自動切換到5G應急備份通道傳輸，當系統部署所在位置5G網絡未覆蓋時，自動搜尋4G/3G/EDGE/GPRS等類型網絡，并按此優(yōu)先級進行連接，然后將由于鏈路故障導致的數據積壓通過新的通道進行續(xù)傳。當通信鏈路發(fā)生故障時，在計算機顯示頁面中彈出醒目的告警信息，發(fā)出告警響鈴，同時可以通過短信或語音電話及時告知值班員或網絡保障員，及時處理線路故障。

圖4 通信鏈路監(jiān)測流程

2.3 系統自動報警模塊

氣象數據備份傳輸系統設計移動通信GSM模塊，用于通過傳統移動無線網絡發(fā)送短信和撥打語音報警電話[13]；設計了短信網關客戶端，可實時調取運營商短信網關接口發(fā)送短信。

如圖5所示，系統針對氣象觀測業(yè)務場景，設計開發(fā)了相關設備及進程狀態(tài)監(jiān)測軟件，可實時對設備宕機狀態(tài)、程序進程運行狀態(tài)、自動站實時運行狀態(tài)等進行監(jiān)測，當發(fā)現異常需要告警提醒時，可根據系統預設的值班員和業(yè)務管理員電話號碼，發(fā)送短信或撥打語音電話。系統配置了語音自動合成集成模塊，根據報警的種類和信息內容將文字轉換為語音，撥通手機后播放語音。

圖5 系統自動報警模塊

為了監(jiān)控計算機工作狀態(tài)和業(yè)務軟件正常運行，系統通過串口與計算機形成了定時應答互動聯絡機制，一旦計算機死機或氣象臺站數據發(fā)送軟件進程異常退出，系統自動向預設的值班手機號發(fā)送報警短信和撥打語音電話，及時提醒值班人員處理異常的現象。確保自動站計算機和業(yè)務軟件運行正常，起到“看門狗”的作用。

2.4 停電自動報警模塊

氣象觀測臺站配置了UPS用于給測報業(yè)務計算機供電，可以滿足短時間停電時業(yè)務的連續(xù)性要求。但如果在夜間出現停電情況，臺站又無人值守，短時間無法處理，這極易造成UPS蓄電瓶過放電導致后備電源電能耗盡影響業(yè)務工作。為了滿足測報值班室停電報警的需求，系統專門設計了停電自動撥打值班員電話的功能，當檢測到市電中斷的情況下，利用內置鋰電池供電自動撥打值班電話及發(fā)送短信告警信息。在停電報警模塊，通過開發(fā)KVM接口信息采集相關程序功能，可以定時通過調取KVM系統的供電狀態(tài)信息數據接口獲取當前市電狀態(tài)，并在本地進行存儲[14]。停電報警模塊會根據獲取的供電狀態(tài)數據進行邏輯判斷，并給出狀態(tài)指示或產生告警信息通過相關短信、語音接口予以發(fā)布，圖6為停電報警模塊界面。

圖6 停電報警模塊

3 系統的部署及測試

3. 1 系統組成結構及軟件部署

氣象數據備份傳輸及監(jiān)控告警系統開發(fā)完成后，部署在氣象測報計算機上，并部署安裝.Net Framework 4.0軟件運行環(huán)境及臺站綜合觀測業(yè)務軟件。省級外網FTP服務器安裝UDP通信檢測軟件“5G通信鏈路測試服務端(UDP)”和報文轉發(fā)軟件“氣象觀測資料5G接收轉發(fā)FTP工具軟件”。如圖7所示，搭建完成后，數據可以通過地面有線寬帶及無線通信鏈路進行傳輸。

圖7 氣象數據備份傳輸網絡拓撲

圖8是系統部署后通信鏈路監(jiān)測的情況，通過設置網絡監(jiān)測，系統可以實時的了解有線網絡及無線的聯通狀態(tài)，為做出網絡路由切換進行準備。

圖8 通信鏈路監(jiān)測配置界面

3. 2 系統應用效果統計

系統開發(fā)測試完成后，本文選取南京58238國家基準氣象觀測站作為系統試運行試點站，將本數據備份傳輸及監(jiān)控報警系統投入業(yè)務試運行，并進行了為期2個月的氣象信息傳輸質量統計對比。如圖9所示，該圖中2019年9、10月數據是未部署該系統時氣象信息傳輸質量統計情況，11、12月為部署該系統后氣象信息傳輸質量統計情況。

圖9 2019年9—12月南京58238站氣象信息傳輸質量統計

本文對臺站部署后2個月16類氣象數據傳輸質量情況進行了統計。統計結果顯示2019年11、12月16類氣象資料中，除風廓線雷達數據及GNSS/MET 2類氣象資料外，其他14類資料傳輸質量均有所提升，特別是交通氣象、大氣成分及浮標站資料較系統部署前傳輸質量提升尤為明顯，從一定意義上說明本文設計的氣象數據備份傳輸及監(jiān)控報警系統采用5G備份線路實現了備份傳輸并提高了數據傳輸穩(wěn)定性，通過及時生成告警信息提醒臺站業(yè)務人員及時處理相關故障，也一定程度上減少了故障解決耗時，降低了因各類故障導致數據缺報的嚴重程度。

4 結論

基于5G的氣象數據備份傳輸及監(jiān)控報警系統是針對當前氣象觀測臺站業(yè)務系統中存在的風險而設計開發(fā)的，可以根據系統監(jiān)測的數據通道連通情況實現自動數據傳輸，同時具備網絡通信監(jiān)測、自動站實時運行監(jiān)控、各種信息提示、故障報警等功能。該系統在試點氣象觀測臺站經過2個月的業(yè)務試運行測試，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。該系統投入業(yè)務試運行后通過提供一主一備自動切換的網絡通道能在一定程度上提高氣象觀測臺站數據傳輸的可靠性，可以及時通過多種方式發(fā)出故障告警信息，從而減少業(yè)務人員在進行各類故障解除過程的耗時，從而提高氣象信息傳輸質量，適應地面測報業(yè)務自動化的發(fā)展方向。