有關(guān)智慧氣象服務(wù)云平臺架構(gòu)設(shè)計的思考

胡 欣

（蘇州夢圖地理信息系統(tǒng)有限責(zé)任公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展，氣象服務(wù)進入快速發(fā)展階段，氣象服務(wù)領(lǐng)域不斷拓展，已從單純的災(zāi)害性天氣預(yù)報逐步向綜合災(zāi)害影響評估，災(zāi)害風(fēng)險管理和以天氣為重要生產(chǎn)要素的開發(fā)與利用方向發(fā)展[1]?，F(xiàn)階段，氣象服務(wù)已擴展到農(nóng)業(yè)、水利、航空、海洋、交通、電力、城建、林業(yè)、工礦、能源、環(huán)保、旅游、鹽業(yè)、儲運、衛(wèi)生、體育等諸多行業(yè)部門與應(yīng)用領(lǐng)域。在智慧氣象服務(wù)云平臺的設(shè)計建設(shè)上，通過氣象服務(wù)產(chǎn)品加工和信息技術(shù)應(yīng)用，提高服務(wù)產(chǎn)品的針對性和滿足個性的服務(wù)需求，滿足國民經(jīng)濟各行各業(yè)不同生產(chǎn)過程對氣象條件的特殊要求[2]。本平臺可定制提供有行業(yè)屬性特征的專業(yè)氣象服務(wù)，從而促進氣象技術(shù)向生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)氣象服務(wù)產(chǎn)品制作的現(xiàn)代化，并推進區(qū)域內(nèi)專業(yè)氣象服務(wù)的蓬勃發(fā)展。

1 智慧氣象服務(wù)云平臺背景意義

智慧氣象服務(wù)云平臺立足于構(gòu)建氣象大數(shù)據(jù)服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的生態(tài)環(huán)境支撐體系與運維服務(wù)管理體系，積極開展氣象大數(shù)據(jù)服務(wù)產(chǎn)業(yè)示范建設(shè)，引導(dǎo)社會力量加入氣象大數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)市場，推動形成氣象大數(shù)據(jù)服務(wù)產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新新格局，旨在幫助社會大眾、行業(yè)部門、商業(yè)伙伴在面對天氣影響因素時提供決策建議，為城市防災(zāi)減災(zāi)、生態(tài)環(huán)境保護、經(jīng)濟提產(chǎn)增效提供氣象技術(shù)支持。

（1）城市防災(zāi)減災(zāi)的需要。近年來氣候條件復(fù)雜，低溫雨雪冰凍等氣象災(zāi)害、農(nóng)業(yè)病蟲害、洪澇干旱、中小流域水文災(zāi)害、地質(zhì)災(zāi)害等自然災(zāi)害及其衍生災(zāi)害呈多發(fā)、頻發(fā)的趨勢，城市管理的潛在威脅與風(fēng)險日益突出?；跉庀蟠髷?shù)據(jù)與行業(yè)氣象服務(wù)分析技術(shù)，提高對自然災(zāi)害的氣象監(jiān)測預(yù)報精準(zhǔn)性，更好地為城市防災(zāi)減災(zāi)提供氣象技術(shù)保障。

（2）生態(tài)環(huán)境保護的需要。2018年中共中央發(fā)布《關(guān)于深化環(huán)境監(jiān)測改革提高環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量的意見》，中國氣象局聯(lián)合環(huán)保部門開展大氣污染防治科研攻關(guān)與生態(tài)環(huán)境監(jiān)測改革工作。當(dāng)前生態(tài)環(huán)境氣象服務(wù)將緊密融合環(huán)保與氣象大數(shù)據(jù)，基于環(huán)境氣象預(yù)報模式，聯(lián)合開展生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、空氣質(zhì)量預(yù)報、重污染天氣預(yù)報、霾預(yù)報及環(huán)境氣象影響評估，為打贏污染防治攻堅戰(zhàn)、藍天保衛(wèi)攻堅戰(zhàn)提供氣象技術(shù)保障。

（3）經(jīng)濟提產(chǎn)增效的需要。近年來，世界各國社會經(jīng)濟活動與氣象的關(guān)聯(lián)度越來越高，氣象服務(wù)已從災(zāi)害性天氣預(yù)報向以天氣為生產(chǎn)要素的開發(fā)與利用方向發(fā)展，美英兩國的商業(yè)氣象服務(wù)產(chǎn)值已達到3 000億美元，已成熟對接能源、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)保、消防、旅游、交通、保險、倉儲、航空等領(lǐng)域。我國《氣象法》指出：“氣象臺站在確保公益性氣象無償服務(wù)的前提下，可依法開展氣象有償服務(wù)”[3]。通過為農(nóng)業(yè)大戶、基地及種業(yè)公司、旅游景區(qū)及運營企業(yè)、水利電站及水庫、交通運營企業(yè)與個人、基建工程企業(yè)、電力水務(wù)燃氣公司、保險公司等提供商業(yè)氣象服務(wù)解決方案，為經(jīng)濟提產(chǎn)增效提供氣象技術(shù)保障。

2 技術(shù)路線

2.1 大數(shù)據(jù)

大數(shù)據(jù)（Big Data）是在可承受的時間范圍內(nèi)用常規(guī)軟件工具進行捕捉、管理和處 理的數(shù)據(jù)集合，是需要新處理模式才能具有更強的決策力、洞察發(fā)現(xiàn)力和流程優(yōu)化能力來適應(yīng)海量高增長率和多樣化的信息資產(chǎn)，其具有海量的數(shù)據(jù)規(guī)模、快速的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)、多樣的數(shù)據(jù)類型和價值密度低四大特征。大數(shù)據(jù)技術(shù)的戰(zhàn)略意義不在于掌握龐大的數(shù)據(jù)信息，而在于對含有實際意義的數(shù)據(jù)進行專業(yè)化處理。如果將大數(shù)據(jù)比作一種產(chǎn)業(yè)，那么這種產(chǎn)業(yè)盈利能力的關(guān)鍵是提高對數(shù)據(jù)的“加工能力”，通過“加工”實現(xiàn)數(shù)據(jù)的“增值”[4]。

大數(shù)據(jù)技術(shù)囊括從大數(shù)據(jù)分布式資源匯交、資源存儲分析、數(shù)據(jù)服務(wù)等全套功能體系，與傳統(tǒng)技術(shù)模式相比，有著更為突出的技術(shù)優(yōu)勢，更能適配現(xiàn)有信息化應(yīng)用的使用場景。與此同時，需要理解大數(shù)據(jù)不僅是一項應(yīng)用技術(shù)，更是一個生態(tài)系統(tǒng)，也在不斷發(fā)展演進。

2.2 云計算

云計算（cloud computing）是一種分布式存儲與計算方式，通過網(wǎng)絡(luò)“云”將巨大的數(shù)據(jù)計算處理能力分解拆分成無數(shù)個資源單元，基于服務(wù)器集群系統(tǒng)進行分布式處理、分析，解決任務(wù)分發(fā)，并實現(xiàn)計算結(jié)果的合并與反饋?，F(xiàn)今，云計算已經(jīng)是分布式計算、效用計算、負(fù)載均衡、并行計算、網(wǎng)絡(luò)存儲、熱備份冗雜和虛擬化等計算機技術(shù)混合演進躍升的結(jié)果，其具備超大規(guī)模、虛擬化、高可靠性、通用性、高可擴展性、按需服務(wù)等技術(shù)特點，通過這項技術(shù)，可以在很短的時間內(nèi)（幾秒鐘）完成對數(shù)以萬計的數(shù)據(jù)的處理，從而達到強大的數(shù)據(jù)服務(wù)效益。

2.3 3S技術(shù)

3S技術(shù)是遙感技術(shù)（Remote sensing，RS）、地理信息系統(tǒng)（Geography informationsystems，GIS）和全球定位系統(tǒng)（Globalposioningsystems，GPS）的統(tǒng)稱，是空間技術(shù)、傳感器技術(shù)、衛(wèi)星定位與導(dǎo)航技術(shù)和計算機技術(shù)、通信技術(shù)相結(jié)合，多學(xué)科高度集成的對空間信息進行采集、處理、管理、分析、表達、傳播和應(yīng)用的現(xiàn)代信息技術(shù)[5]。

3S技術(shù)起始于數(shù)字地球概念及相關(guān)應(yīng)用，隨著該技術(shù)日臻成熟，其已廣泛應(yīng)用于社會生活各個分屬領(lǐng)域，人們需要及時準(zhǔn)確地獲取地理位置數(shù)據(jù)或包含空間位置屬性的衍生影響信息，人們需要將各類多源異構(gòu)數(shù)據(jù)與空間位置屬性予以內(nèi)在綁定，這在現(xiàn)今數(shù)字化城市建設(shè)中有著充分的體現(xiàn)，其應(yīng)用需求及下沉場景也是不斷演進發(fā)展的。

3 建設(shè)內(nèi)容

本平臺基于氣象私有云、政務(wù)公有云及社會公共基礎(chǔ)資源等，整合匯交行業(yè)氣象服務(wù)大數(shù)據(jù)，在標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、服務(wù)規(guī)范、安全管理、運維保障的支撐體系下，實現(xiàn)基礎(chǔ)支撐服務(wù)、平臺服務(wù)、應(yīng)用服務(wù)，面向各類行業(yè)用戶提供定制的行業(yè)氣象服務(wù)產(chǎn)品。

4 技術(shù)架構(gòu)（見圖1）

圖1 技術(shù)架構(gòu)圖

4.1 大數(shù)據(jù)存儲

數(shù)據(jù)分為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和地圖數(shù)據(jù)，分別存儲業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫、地圖數(shù)據(jù)庫，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫存儲采用Postgres-XL+MongoDB+HDFS的混合架構(gòu)，其中MongoDB存儲文件數(shù)據(jù)，以二進制流的方式進行存儲和訪問。此方法存儲數(shù)據(jù)有以下特點：

（1）更快的數(shù)據(jù)訪問速度，尤其是當(dāng)數(shù)據(jù)庫中存儲數(shù)據(jù)量十分龐大的時候。

（2）自動處理碎片，以支持云計算層次的擴展性，避免了大量碎片文件的操作，對服務(wù)器磁盤的影響。

（3）地圖數(shù)據(jù)通過GIS云服務(wù)來為平臺提供地圖服務(wù)。

4.2 云服務(wù)客戶端

在云客戶端或服務(wù)客戶端有兩種解決方案，包括基于C++輕內(nèi)核的CS客戶端（CCS），基于JS的瀏覽器客戶端（CBS）?？蛻舳藬?shù)據(jù)都以網(wǎng)絡(luò)服務(wù)為主，支持各種GIS服務(wù)，支持WFS和WMS地圖服務(wù)等。相比傳統(tǒng)的CS客戶端，輕內(nèi)核的CS客戶端有以下特點：

（1）集成BS和CS的技術(shù)架構(gòu)特點，適合在采集、監(jiān)控、制作平臺中業(yè)務(wù)化應(yīng)用。

（2）從服務(wù)的角度，輕內(nèi)核的CS客戶端即為計算機終端的GIS瀏覽器，體量輕便、安裝便捷、維護方便、穩(wěn)定性強。

（3）結(jié)合CS技術(shù)特點，人工制圖、標(biāo) 繪、數(shù)據(jù)分析、服務(wù)文件制作功能強大，人機交互良好。

（4）輕內(nèi)核CS客戶端的數(shù)據(jù)和功能應(yīng)用可采用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、本地數(shù)據(jù)兩種方式，可建立緩存數(shù)據(jù)，加快系統(tǒng)調(diào)用速度，并可在緊急情況下離線使用，確保系統(tǒng)便捷與穩(wěn)定的雙目標(biāo)，從而較好控制系統(tǒng)性能。

在本平臺中，采集、監(jiān)控和制作平臺采用輕內(nèi)核的CS客戶端（CCS），服務(wù)平臺采用瀏覽器客戶端（CBS），是基于WebGL的三維WebGIS客戶端。

5 應(yīng)用場景

本平臺致力于運用氣象服務(wù)大數(shù)據(jù)，將其拓展至農(nóng)業(yè)、環(huán)保、人保、國土、水利、消防、海洋、市政、水務(wù)、電力、燃氣、保險、交通、旅游、物流、航空、能源等社會全行業(yè)領(lǐng)域，定制個性化、精細化、網(wǎng)格化的氣象服務(wù)數(shù)據(jù)與衍生產(chǎn)品，為氣象防災(zāi)減災(zāi)、企業(yè)經(jīng)營生產(chǎn)、行業(yè)提質(zhì)增效提供氣象服務(wù)大數(shù)據(jù)助力。本平臺在行業(yè)應(yīng)用場景下有如下特征：

（1）緊扣各類專業(yè)氣象服務(wù)的區(qū)域差異化特征，實際分析專業(yè)用戶實際需求，研發(fā)定制本地化的專業(yè)服務(wù)產(chǎn)品與服務(wù)手段，為行業(yè)用戶在防災(zāi)減災(zāi)和提質(zhì)增效上做好氣象服務(wù)。

圖2 應(yīng)用場景架構(gòu)圖

（2）以專業(yè)氣象服務(wù)運營的方式開展工作，整合各方在數(shù)據(jù)、技術(shù)、市場、資金上的優(yōu)勢，建立健全合作機制，以服務(wù)而非項目的方式開展，保證服務(wù)的延續(xù)性、服務(wù)質(zhì)量的提升、服務(wù)領(lǐng)域的拓展，實現(xiàn)氣象服務(wù)走出去、服務(wù)好的訴求。

（3）充分融合和利用氣象私有云、政務(wù)公有云及跨行業(yè)信息資源，研發(fā)建設(shè)集海量數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)控、制作、服務(wù)于一體的大型信息化平臺，大幅提高專業(yè)氣象服務(wù)的數(shù)據(jù)處理性能、數(shù)據(jù)管理功能、業(yè)務(wù)服務(wù)效率。

（4）基于已有的專業(yè)氣象服務(wù)解決方案，面向當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)、環(huán)保、電力、旅游、水文、消防、交通、林業(yè)、市政等行業(yè)領(lǐng)域，同步開展專業(yè)氣象服務(wù)技術(shù)的專項研究，建立本地化的服務(wù)模型庫、專家?guī)臁⒅笜?biāo)庫，不斷提升行業(yè)服務(wù)水平。

6 結(jié)束語

智慧氣象服務(wù)云平臺是遵循經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展、鄉(xiāng)鎮(zhèn)振興、美麗中國、藍天保衛(wèi)戰(zhàn)、金融安全、健康中國、全域旅游等國家重大發(fā)展戰(zhàn)略的指導(dǎo)精神與實施原則，采用大數(shù)據(jù)、云計算、3S技術(shù)等技術(shù)路線建設(shè)的“云數(shù)一體”的信息化平臺。通過本平臺的設(shè)計與建設(shè)，將在一定程度上提升本地氣象部門的專業(yè)氣象服務(wù)能力，通過搭建服務(wù)渠道、完善服務(wù)內(nèi)容、豐富服務(wù)手段，將進一步提升氣象部門的專業(yè)服務(wù)效能。