臺站級氣象觀測數(shù)據(jù)流監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

路永平，胡偉峰，陳志剛，陳振龍，黃宏智，雷衛(wèi)延

（1.惠州市利達氣象科技公司，廣東惠州 516000；2.河源市氣象局，廣東河源 517000；3.龍門縣氣象局，廣東龍門 516800；4.博羅縣氣象局，廣東博羅 516100；5.廣東省氣象探測數(shù)據(jù)中心，廣東廣州 510080）

隨著氣象事業(yè)的快發(fā)展，現(xiàn)代化的氣象裝備層出不窮，氣象觀測數(shù)據(jù)日益龐大，業(yè)務系統(tǒng)逐年增加，同時，各種監(jiān)控系統(tǒng)也相繼涌現(xiàn)，如劉聰?shù)龋?］基于通用分組無線業(yè)務（GPRS）的遠程氣象觀測數(shù)據(jù)實時采集傳輸系統(tǒng)，以小數(shù)據(jù)流方式，實現(xiàn)野外自動氣象站觀測數(shù)據(jù)的實時采集、傳輸和對觀測設(shè)備運行的監(jiān)控；梁海河等［2］從圍繞氣象裝備保障業(yè)務關(guān)于臺站、省級和國家級的3級用戶需求，提出了“兩級布設(shè)，三級應用”的分布結(jié)構(gòu)，基于互聯(lián)網(wǎng)和WebGIS技術(shù)，建立了一套實時氣象觀測網(wǎng)運行監(jiān)控和分析系統(tǒng)；銀笛［3］設(shè)計實現(xiàn)了有利于觀測數(shù)據(jù)采集、傳輸、分發(fā)、管理和監(jiān)控的統(tǒng)一氣象觀測數(shù)據(jù)采集傳輸監(jiān)控平臺，以克服和解決工作人員工作流程的各種難題；熊雄［4］采用AJAX網(wǎng)頁開發(fā)等技術(shù)，進行了氣象網(wǎng)絡(luò)實時探測綜合管理系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)實時狀態(tài)監(jiān)視、網(wǎng)絡(luò)故障隱患排查等綜合管理功能；黃宏智等［5］介紹了針對DZZ1-2N型新型自動氣象站設(shè)計的運行狀態(tài)實時監(jiān)控系統(tǒng)。但監(jiān)控系統(tǒng)之間相互獨立，種類繁多，頂層設(shè)計欠缺，不利于監(jiān)控信息的有效提取和應用，業(yè)務效益得不到充分發(fā)揮，系統(tǒng)保障也帶來一定的困難，因此，迫切需要建立集約化的監(jiān)控平臺。

氣象觀測數(shù)據(jù)集約化監(jiān)控平臺從組成架構(gòu)上可分為國家級、省級和臺站級3級。國家級和省級分別采集國家級和省級業(yè)務層面的各類數(shù)據(jù)監(jiān)控信息，臺站級采集數(shù)據(jù)流傳輸最前端的各類數(shù)據(jù)監(jiān)控信息。建立集約化監(jiān)控平臺，需要解決以下幾個問題：1）頂層設(shè)計國家級、省級和臺站級集約化監(jiān)控功能需求、技術(shù)標準、實施方案等；2）梳理各類探測數(shù)據(jù)傳輸流程和主要監(jiān)控節(jié)點，制定標準化數(shù)據(jù)采集協(xié)議規(guī)范，研究有效獲取各級數(shù)據(jù)流監(jiān)控信息的采集方法；3）制定標準化傳輸協(xié)議規(guī)范，實現(xiàn)臺站級、省級與國家級集約化監(jiān)控平臺的有效對接。

本研究所設(shè)計開發(fā)的臺站級氣象觀測數(shù)據(jù)流監(jiān)控系統(tǒng)是基于現(xiàn)有業(yè)務系統(tǒng)設(shè)計，位于數(shù)據(jù)流傳輸?shù)淖钋岸?，是實現(xiàn)氣象觀測數(shù)據(jù)流程化、集約化、綜合化監(jiān)控的前提。系統(tǒng)設(shè)計框架可在全國所有臺站推廣應用，最終實現(xiàn)全國各類氣象觀測數(shù)據(jù)流傳輸?shù)募s化監(jiān)控［6］。

1 標準化協(xié)議設(shè)計

只有制定標準化的數(shù)據(jù)采集、標準化的數(shù)據(jù)傳輸?shù)葏f(xié)議規(guī)范，在此基礎(chǔ)上才有可能建立國家級、省級、臺站級氣象觀測數(shù)據(jù)流集約化監(jiān)控平臺。

1.1 標準化數(shù)據(jù)采集協(xié)議設(shè)計

對廣東省15大類氣象資料數(shù)據(jù)傳輸流程各個傳輸節(jié)點進行分析，主要傳輸節(jié)點依次是臺站級數(shù)據(jù)采集軟件→綜合氣象信息共享平臺（CIMISS）→新一代通信系統(tǒng)（CTS），結(jié)合實際業(yè)務需求，綜合分析各類數(shù)據(jù)的監(jiān)控指標，去除差異化，利用業(yè)務系統(tǒng)軟件生成的監(jiān)控源提取共性的監(jiān)控信息，設(shè)計標準采集規(guī)范協(xié)議：省級服務器：由各省分配；端口：3050；傳輸協(xié)議：UDP；報文格式：API函數(shù)定義。在此基礎(chǔ)上生成標準化的臺站級數(shù)據(jù)流監(jiān)控信息，實現(xiàn)與省級監(jiān)控系統(tǒng)的有效對接［7-8］。

1.2 標準化數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議設(shè)計

標準化數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議是省級和國家級監(jiān)控平臺對接的橋梁，基于CTS提取省級監(jiān)控信息，利用UDP標準化采集接口獲取臺站級數(shù)據(jù)流監(jiān)控信息，設(shè)計標準化數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，國家級服務器：固定IP；端口：80；傳輸協(xié)議：HTTP協(xié)議，使用POST方法；報文格式：API函數(shù)定義。在此基礎(chǔ)上生成標準化的省級數(shù)據(jù)流監(jiān)控信息，采用HTTP協(xié)議POST方法，以Restful方式推送到國家級監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)國家級監(jiān)控平臺的一體化采集、處理、存儲、展示等［9］。

報文格式API函數(shù)，具體定義如下：

2 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

通過梳理國家級地面自動氣象站、新一代天氣雷達、區(qū)域自動氣象站等數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點，繪制數(shù)據(jù)傳輸流程圖，根據(jù)標準化數(shù)據(jù)采集和傳輸協(xié)議分類設(shè)計臺站級監(jiān)控軟件，運行環(huán)境與其業(yè)務中使用的數(shù)據(jù)采集軟件一致，確保監(jiān)控軟件實際部署應用的通用性和兼容性。

2.1 國家級地面自動氣象站

1）數(shù)據(jù)傳輸流程。

從數(shù)據(jù)源、采集、傳輸、質(zhì)控、存儲等主要環(huán)節(jié)對國家級自動站數(shù)據(jù)傳輸流程進行分析，由臺站ISOS測報計算機直接把數(shù)據(jù)文件傳輸?shù)绞〖塅TP服務器，由新一代通信系統(tǒng)傳輸?shù)絿壹壩募掌鳎鐖D1所示。

圖1 國家級自動站數(shù)據(jù)傳輸流程示意圖

2）監(jiān)控軟件設(shè)計。

監(jiān)控軟件界面如圖2所示。

圖2 國家級自動站臺站級數(shù)據(jù)流監(jiān)控軟件運行界面

根據(jù)標準化采集協(xié)議和國家級自動站數(shù)據(jù)傳輸流程，國家級自動站臺站級業(yè)務軟件（ISOS）在本地生成數(shù)據(jù)和狀態(tài)文件，通過讀取文件獲取國家級自動站的站號、觀測時間、接收時間、發(fā)送時間等臺站級監(jiān)控信息，封裝成JSON格式數(shù)據(jù)，通過UDP協(xié)議定時（1分鐘）發(fā)送給省級集約化監(jiān)控平臺［10-11］。監(jiān)控軟件見圖2。

2.2 新一代天氣雷達

1）數(shù)據(jù)傳輸流程。

天氣雷達基數(shù)據(jù)和產(chǎn)品采用數(shù)據(jù)流傳輸方式，既由臺站RDA計算機直接通過數(shù)據(jù)流傳輸?shù)绞〖墧?shù)據(jù)流服務器，再傳輸?shù)絿壹壛鱾鬏敺掌?。省級流傳輸服務器將基?shù)據(jù)推送到應用部門（如省氣象臺）落地成文件，數(shù)據(jù)傳輸流程見圖3。

圖3 新一代天氣雷達數(shù)據(jù)傳輸流程

2）監(jiān)控軟件設(shè)計。

根據(jù)標準化采集協(xié)議和雷達數(shù)據(jù)傳輸流程，雷達RPG軟件運行于Linux系統(tǒng)，生成雷達基數(shù)據(jù)文件，采用Inotify機制讀取雷達基數(shù)據(jù)文件獲取站號、觀測時間、接收時間、發(fā)送時間等監(jiān)控信息；雷達PUP軟件運行于Windows系統(tǒng)，生成雷達產(chǎn)品文件，采用消息機制讀取雷達各個產(chǎn)品文件獲取站號、觀測時間、接收時間、發(fā)送時間等監(jiān)控信息，將監(jiān)控信息封裝成JSON格式數(shù)據(jù)，利用UDP協(xié)議把數(shù)據(jù)包推送到省級監(jiān)控平臺［12］，實現(xiàn)雷達基數(shù)據(jù)和36種產(chǎn)品分鐘級的監(jiān)控。

2.3 區(qū)域自動氣象站

1）數(shù)據(jù)傳輸流程。

區(qū)域自動站數(shù)據(jù)傳輸?shù)絿揖忠?jīng)過以下幾個環(huán)節(jié)：區(qū)域自動站采集器→DTU→GPRS無線網(wǎng)絡(luò)→數(shù)據(jù)采集服務器→數(shù)據(jù)入庫服務器→CTS服務器→國家局。

2）監(jiān)控軟件設(shè)計。

根據(jù)標準化采集協(xié)議和區(qū)域自動站數(shù)據(jù)傳輸流程，對區(qū)域自動站臺站級數(shù)據(jù)采集節(jié)點的站號、觀測時間、生成記錄時間、資料類型、關(guān)聯(lián)業(yè)務軟件、關(guān)聯(lián)節(jié)點、接收時間、發(fā)送時間等監(jiān)控信息進行提取，生成符合協(xié)議的數(shù)據(jù)流監(jiān)控信息，并發(fā)送省級監(jiān)控平臺［13］。監(jiān)控軟件見圖4。

圖4 區(qū)域自動站臺站級數(shù)據(jù)流監(jiān)控軟件運行界面

該臺站級氣象觀測數(shù)據(jù)流監(jiān)控系統(tǒng)有助于解決氣象觀測數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)之間相互獨立、種類繁多、頂層設(shè)計欠缺的問題，有利于監(jiān)控信息的有效提取和應用，適用范圍廣，可在全國所有臺站應用。系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵和技術(shù)難點是提取主要業(yè)務系統(tǒng)節(jié)點的數(shù)據(jù)流監(jiān)控信息，采集頻次設(shè)置為1 min，核心是建立標準化數(shù)據(jù)采集和傳輸協(xié)議，利用標準化數(shù)據(jù)采集協(xié)議將各個臺站級的數(shù)據(jù)流監(jiān)控信息，不同類型監(jiān)控信息采用不同的端口發(fā)送給省級氣象觀測集約化監(jiān)控平臺，確保監(jiān)控信息處理的可靠性，利用標準化傳輸協(xié)議將各個省級的數(shù)據(jù)流監(jiān)控信息發(fā)送給國家級氣象觀測集約化監(jiān)控，最終實現(xiàn)全國各類氣象觀測數(shù)據(jù)流傳輸?shù)募s化監(jiān)控。