基于“云+端”技術(shù)架構(gòu)的氣象觀測業(yè)務(wù)設(shè)計思路

史靜 姜明 周業(yè)嫻 李宛桐 天津市氣象局

氣象觀測是氣象工作和大氣科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)，為天氣預(yù)報、氣候分析、科學(xué)研究和氣象服務(wù)提供了重要依據(jù)。隨著我國氣象業(yè)務(wù)70 多年的發(fā)展，氣象觀測從以建設(shè)預(yù)報監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)為主要任務(wù)，以人工觀測、手工傳輸為技術(shù)支撐的初級階段開始，經(jīng)歷了探測、電信、資料、預(yù)報和服務(wù)業(yè)務(wù)技術(shù)體系發(fā)展以及以天氣、氣候業(yè)務(wù)為主體，由氣象綜合觀測、信息網(wǎng)絡(luò)、基本信息加工、分析預(yù)測和信息技術(shù)服務(wù)四大功能構(gòu)成的業(yè)務(wù)技術(shù)體制階段，逐步發(fā)展至公共氣象服務(wù)體系是根本、氣象預(yù)報預(yù)測系統(tǒng)是核心、綜合氣象觀測系統(tǒng)是基礎(chǔ)、信息和科技系統(tǒng)是保障的現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)體系架構(gòu)。在信息化技術(shù)的支撐下，適應(yīng)新形勢、滿足新需求的新型氣象業(yè)務(wù)技術(shù)體制不斷發(fā)展[1]。

2020 年，中國氣象局確立了以氣象大數(shù)據(jù)云平臺為“云”、氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)為“端”的“云+端”氣象技術(shù)體制和以大數(shù)據(jù)為中心的統(tǒng)籌集約新型氣象業(yè)務(wù)體制，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)管理、加工處理、應(yīng)用服務(wù)的高度集約以及各項業(yè)務(wù)和系統(tǒng)之間有效銜接和有機互動。

因此，在當(dāng)前氣象現(xiàn)代化建設(shè)進程不斷深入的時期，研究氣象觀測系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展方向、系統(tǒng)架構(gòu)及布局設(shè)計、業(yè)務(wù)體系建設(shè)等方面如何與“云+端”技術(shù)體制協(xié)同發(fā)展，就顯得尤為迫切[2]。

一、氣象觀測業(yè)務(wù)在“云+端”技術(shù)下的新內(nèi)涵

（一）氣象觀測技術(shù)及業(yè)務(wù)發(fā)展歷程簡述

新中國成立之后，我國氣象業(yè)務(wù)體制逐步建立、不斷發(fā)展，氣象觀測業(yè)務(wù)也同樣經(jīng)歷了不同的發(fā)展時期。初創(chuàng)階段，觀測站網(wǎng)開始布局建設(shè)，觀測儀器逐步擺脫全部依賴進口的局面，建立了全國統(tǒng)一的地面、高空觀測規(guī)范?，F(xiàn)代化建設(shè)時期，以觀測業(yè)務(wù)為主的業(yè)務(wù)技術(shù)體系框架正式明確，調(diào)整、充實和完善觀測站網(wǎng)布局結(jié)構(gòu)，觀測技術(shù)發(fā)展迅速，遙感化、自動化特征明顯，借助信息化技術(shù)觀測數(shù)據(jù)普遍實現(xiàn)計算機編發(fā)報。

現(xiàn)代化加速發(fā)展階段，氣象業(yè)務(wù)技術(shù)體制開始系統(tǒng)性規(guī)劃設(shè)計，提出了由氣象綜合探測系統(tǒng)、氣象信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、基本氣象信息加工分析預(yù)測系統(tǒng)和氣象信息技術(shù)服務(wù)系統(tǒng)組成的業(yè)務(wù)架構(gòu)。氣象觀測技術(shù)在氣象衛(wèi)星、天氣雷達技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用方面成果顯著，地面觀測自動化取得較大進展，在特種觀測“百花齊放”的局勢下，觀測站網(wǎng)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化。

在當(dāng)前新型氣象業(yè)務(wù)技術(shù)體制建設(shè)及深化時期，空天地一體化自動觀測系統(tǒng)基本實現(xiàn)，適應(yīng)“云+端”技術(shù)架構(gòu)的氣象觀測新業(yè)態(tài)即將形成[3]。

（二）氣象觀測業(yè)務(wù)在“云+端”技術(shù)中的定位

任何信息化新技術(shù)的出現(xiàn)一定會伴隨出現(xiàn)新的業(yè)務(wù)形態(tài)，“云+端”技術(shù)體制下，以氣象大數(shù)據(jù)云平臺為核心，觀測、預(yù)報、服務(wù)等氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)“端”共同組成的新型業(yè)務(wù)形態(tài)隨之而來。氣象觀測作為業(yè)務(wù)“端”，將通過大數(shù)據(jù)云平臺直接與“預(yù)報端”“服務(wù)端”和“管理端”產(chǎn)生業(yè)務(wù)互動，并向它們提供源源不斷的氣象觀測數(shù)據(jù)服務(wù)?；诖耍恼旅鞔_了“觀測端”的定位，氣象觀測業(yè)務(wù)對預(yù)報精準(zhǔn)和服務(wù)精細的發(fā)展起著關(guān)鍵性作用，是推動氣象事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的基礎(chǔ)支撐和動力引擎[4]。

（三）“觀測端”內(nèi)涵及特征

按照氣象觀測在“云+端”技術(shù)框架中的功能定位，分析研究“觀測端”，試圖給出“觀測端”的概念，即：以大數(shù)據(jù)云平臺為核心，基于云邊端分布式架構(gòu)、云計算一體化，建立服務(wù)范圍更廣、融合程度更高、自主能力更強的智慧型氣象觀測業(yè)務(wù)?；谏鲜鰧Α坝^測端”內(nèi)涵的研究分析，提出“觀測端”的以下特征。

1.服務(wù)于場景

一方面，行業(yè)內(nèi)“觀測端”的輸出信息不再僅服務(wù)于數(shù)據(jù)預(yù)報模式運行、預(yù)報預(yù)測等業(yè)務(wù)，而是直接加工制作信息，對外提供本地天氣實況、區(qū)域聯(lián)防協(xié)同監(jiān)測及預(yù)警等觀測產(chǎn)品以及預(yù)防型運維預(yù)警、自主融合質(zhì)控等裝備保障信息，實現(xiàn)“即時觀測、即時服務(wù)”愿景。另一方面，“觀測端”的布局規(guī)劃應(yīng)按照服務(wù)對象不同重新定義，根據(jù)不同需求，靈活調(diào)整觀測目標(biāo)、裝備精度、站網(wǎng)密度、數(shù)據(jù)加工模式，達到投入產(chǎn)出最優(yōu)比[5]。

2.不斷更新迭代

“云+端”技術(shù)架構(gòu)布局，要求“觀測端”的裝備儀器具備自適應(yīng)、自診斷和自標(biāo)校能力。隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，觀測裝備將不斷更新迭代，軟、硬件解耦、云邊協(xié)同將在分布式計算、異構(gòu)計算的基礎(chǔ)上，根據(jù)特定的業(yè)務(wù)場景形成彈性的耦合關(guān)系，通過開放的核心標(biāo)準(zhǔn)，擺脫硬件對最優(yōu)算法的束縛，有望突破傳統(tǒng)裝備軟、硬件同步升級的局限，讓用戶在對硬件設(shè)備無感的情況下，真正實現(xiàn)氣象觀測裝備的“常用常新”。另外，通過分布式的觀測裝備硬件、核心算法升級以及數(shù)據(jù)持續(xù)疊加，實現(xiàn)觀測系統(tǒng)不斷“增值”，同時重塑氣象觀測裝備價值的評估體系。

3.融合協(xié)同

融合信息源主要來自四個方面，一是多類氣象觀測設(shè)備間的融合協(xié)同，對同一氣象要素相互校驗、補充，對同一觀測目標(biāo)開展協(xié)同追蹤；二是融合預(yù)報預(yù)警產(chǎn)品、服務(wù)應(yīng)用反饋等信息，實現(xiàn)應(yīng)對需求的自主控制、調(diào)整和輸出；三是融合技術(shù)保障和歷史沿革等信息，自主管理健康體征診斷預(yù)警，進行“端邊”協(xié)同模式下更加豐富的觀測服務(wù)產(chǎn)品輸出；四是順應(yīng)氣象觀測數(shù)字化演變趨勢，同步并融合智慧城市大腦信息，與城市管理、行業(yè)異構(gòu)信息建立交互，在城市“數(shù)字孿生”中增加氣象維度和圖層。

二、基于“云+端”技術(shù)的氣象觀測業(yè)務(wù)設(shè)計方案

（一）設(shè)計原則

集約高效、業(yè)務(wù)智能。以建立資源集約、流程高效的業(yè)務(wù)架構(gòu)為目標(biāo)，加快數(shù)據(jù)匯集、系統(tǒng)整合和流程再造；加強氣象觀測領(lǐng)域新型業(yè)務(wù)技術(shù)發(fā)展能力建設(shè)，實現(xiàn)從裝備智能到業(yè)務(wù)智能的優(yōu)化升級。

創(chuàng)新融合、協(xié)同共享。以技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動，強化物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計算、5G等關(guān)鍵信息技術(shù)的融合應(yīng)用；深化跨業(yè)務(wù)、跨行業(yè)、跨領(lǐng)域的協(xié)同管理和資源共享，探索新型氣象觀測信息獲取模式。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、安全可信。堅持標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)，規(guī)范先行，加強頂層設(shè)計能力和技術(shù)領(lǐng)跑實力，助力氣象觀測業(yè)務(wù)提質(zhì)增效；安全建設(shè)提前謀劃、同步部署，構(gòu)建運行環(huán)境安全、數(shù)據(jù)質(zhì)量可信、業(yè)務(wù)流程可控的安全防護體系。

分步推進、動態(tài)適應(yīng)。立足氣象觀測業(yè)務(wù)當(dāng)前的基礎(chǔ)和發(fā)展需求，堅持分類分級分階段，實現(xiàn)科學(xué)合理的梯度發(fā)展；以更高標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)代化氣象觀測為目標(biāo)，建立動態(tài)連續(xù)的評價機制，適應(yīng)不斷深入推進的業(yè)務(wù)技術(shù)體制改革的要求。

（二）系統(tǒng)架構(gòu)

文章梳理氣象觀測業(yè)務(wù)涉及的站網(wǎng)布局、技術(shù)發(fā)展、裝備保障、數(shù)據(jù)應(yīng)用等業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)及相關(guān)管理職能，將其歸納為設(shè)計規(guī)劃、業(yè)務(wù)運行、研發(fā)試驗和應(yīng)用服務(wù)四個部分，共同構(gòu)成“云+端”技術(shù)體制下的氣象觀測業(yè)務(wù)。

四大組成部分是有機整體，它們之間具有很強的內(nèi)在邏輯關(guān)系。在推進氣象業(yè)務(wù)技術(shù)體制重點改革的進程中，助力氣象強國建設(shè)，保障氣象事業(yè)高質(zhì)量快速發(fā)展是氣象觀測業(yè)務(wù)建設(shè)的戰(zhàn)略目標(biāo)。其中，設(shè)計規(guī)劃是發(fā)揮頂層設(shè)計作用、為實現(xiàn)戰(zhàn)略目標(biāo)提供正確方向的根本前提，業(yè)務(wù)運行是實現(xiàn)戰(zhàn)略目標(biāo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和基本路徑，研發(fā)試驗是實現(xiàn)戰(zhàn)略目標(biāo)的重要保障，應(yīng)用服務(wù)為推動戰(zhàn)略目標(biāo)實施提供持續(xù)動力，其效益發(fā)揮是檢驗“云+端”技術(shù)體制下氣象觀測業(yè)務(wù)實施成效的唯一標(biāo)準(zhǔn)。

（三）技術(shù)路線

1.設(shè)計規(guī)劃

設(shè)計規(guī)劃環(huán)節(jié)負責(zé)氣象觀測業(yè)務(wù)的頂層設(shè)計，實施主體主要分為國家級和省級兩個層面。在國家級層面，總體謀劃全國氣象觀測業(yè)務(wù)。在省級層面，在國家級頂層設(shè)計框架的基礎(chǔ)上開展設(shè)計細化、技術(shù)落地和特色規(guī)劃。其業(yè)務(wù)應(yīng)用場景包括技術(shù)發(fā)展謀劃、站網(wǎng)布局設(shè)計、業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)規(guī)劃和業(yè)務(wù)流程設(shè)計等，涵蓋了推動“觀測端”發(fā)展的各方面。在“云+端”技術(shù)架構(gòu)中涉及的技術(shù)有服務(wù)于場景的布局設(shè)計、全業(yè)務(wù)周期管理體系建設(shè)等，云環(huán)境則需支撐完成端邊設(shè)備和業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)管理。

在設(shè)計規(guī)劃階段，敏感要素及重要點位布局，相關(guān)數(shù)據(jù)的收集、存儲、加工及應(yīng)用，是站網(wǎng)規(guī)劃安全能力建設(shè)的重點，要從保障國家安全和人民生命財產(chǎn)安全的高度，統(tǒng)籌謀劃專業(yè)和應(yīng)急氣象觀測站網(wǎng)，持續(xù)評估站網(wǎng)布局的合理性、科學(xué)性，并適時調(diào)整以滿足新形勢和新發(fā)展要求，支撐業(yè)務(wù)運行的云環(huán)境也應(yīng)安全可控。

2.業(yè)務(wù)運行

業(yè)務(wù)運行環(huán)節(jié)是“云+端”氣象觀測業(yè)務(wù)的關(guān)鍵，實施主體包括各級氣象觀測部門，以省級及以下用戶為主。其業(yè)務(wù)應(yīng)用場景從觀測數(shù)據(jù)獲取、運行狀態(tài)監(jiān)控評估、裝備維護維修、計量校準(zhǔn)、備件倉儲調(diào)度，到數(shù)據(jù)質(zhì)量控制及產(chǎn)品加工，覆蓋“觀測端”業(yè)務(wù)全流程。其中，觀測數(shù)據(jù)獲取指的是行業(yè)內(nèi)的氣象觀測數(shù)據(jù)采集以及通過對社會資源整合、挖掘及加工而獲得的觀測數(shù)據(jù)和氣象信息。該環(huán)節(jié)“云+端”的改造實施涉及算法中臺、實時/離線業(yè)務(wù)混合部署、基于負載均衡的資源調(diào)度、云邊端算法快速協(xié)同等技術(shù)，在云環(huán)境中實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、算法加工和部署以及對“觀測端”的指揮調(diào)度。

業(yè)務(wù)運行安全能力建設(shè)的重點是建設(shè)業(yè)務(wù)應(yīng)用場景的安全運營中心。以數(shù)據(jù)為中心，建立觀測設(shè)備、通信鏈路、數(shù)據(jù)收集平臺、質(zhì)控及產(chǎn)品加工流水線、探測環(huán)境相互間的關(guān)聯(lián)分析和印證，多角度進行業(yè)務(wù)運行環(huán)節(jié)的安全分析和評估。此外，安全運維工作的流程化，還將極大地提高觀測系統(tǒng)的效率，保證觀測數(shù)據(jù)有效性和可用性。

3.研發(fā)試驗

新技術(shù)、新裝備和新方法的研發(fā)及相關(guān)觀測試驗，是提升觀測裝備智能化水平、推動氣象觀測業(yè)務(wù)高質(zhì)量發(fā)展的重要手段，應(yīng)遵循行業(yè)需求引領(lǐng)、企業(yè)技術(shù)主導(dǎo)、產(chǎn)學(xué)研用深度融合的實施思路。在以智能裝備研發(fā)、測試與觀測試驗為主的業(yè)務(wù)應(yīng)用場景中，應(yīng)重點關(guān)注安全問題，一是關(guān)鍵芯片/傳感器的自主研發(fā)及國產(chǎn)化，在技術(shù)體制、探測精度、核心算法等方面取得突破；二是正確的需求導(dǎo)向引領(lǐng)，避免資本逐利裹挾戰(zhàn)略布局方向。在研發(fā)試驗環(huán)節(jié)，能夠與信息化技術(shù)產(chǎn)生更為緊密的聯(lián)系，容器技術(shù)、DevOps 研發(fā)理念、標(biāo)準(zhǔn)化研發(fā)平臺工具、標(biāo)準(zhǔn)化試驗環(huán)境的應(yīng)用，將大大提高氣象觀測業(yè)務(wù)的研發(fā)試驗?zāi)芰?。此外，該環(huán)節(jié)需要云環(huán)境提供開發(fā)/測試、云端編碼、云端流程管理等資源，滿足敏捷開發(fā)、快速部署及迭代升級的要求。

4.應(yīng)用服務(wù)

與以往氣象觀測業(yè)務(wù)并不注重應(yīng)用服務(wù)不同，在“云+端”技術(shù)體制下，觀測端不僅會與預(yù)報端、服務(wù)端和管理端產(chǎn)生業(yè)務(wù)交互，還與社會直接發(fā)生信息耦合。因此，應(yīng)用服務(wù)就成為氣象觀測業(yè)務(wù)的價值窗口，各級氣象部門，乃至各社會功能主體均可應(yīng)用加工氣象觀測數(shù)據(jù)。隨著實施主體范圍的擴大，其應(yīng)用場景也極大豐富，可包括數(shù)據(jù)融合加工、全域聯(lián)動監(jiān)測預(yù)警、科普教育、個性化服務(wù)及應(yīng)用等，體現(xiàn)出“即時觀測、即時服務(wù)”理念。應(yīng)用服務(wù)環(huán)節(jié)可能使用的技術(shù)有面向場景的微服務(wù)、社會觀測的標(biāo)準(zhǔn)化，需要大數(shù)據(jù)倉庫、異構(gòu)數(shù)據(jù)處理及產(chǎn)品發(fā)布訂閱等云環(huán)境支撐，其中，數(shù)據(jù)的加密、脫敏，應(yīng)用安全的治理尤為重要。

三、結(jié)語

氣象觀測技術(shù)及業(yè)務(wù)的發(fā)展對災(zāi)害預(yù)測、人民生產(chǎn)生活保障、社會經(jīng)濟發(fā)展具有十分重要的意義。當(dāng)前，我國已基本建成布局科學(xué)、技術(shù)先進、功能完善、效益顯著的綜合氣象觀測系統(tǒng)，氣象觀測業(yè)務(wù)在綜合性逐漸加強、信息化水平不斷提升的基礎(chǔ)上，智能化特征和社會化屬性日趨明顯，與新技術(shù)領(lǐng)域的融合應(yīng)用日益深入，基于“云+端”技術(shù)的氣象觀測新業(yè)態(tài)即將來臨。