基于天擎的氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)云化改造與實(shí)施

摘" 要：氣象大數(shù)據(jù)云平臺（天擎）是氣象部門為提升信息系統(tǒng)集約化水平而建設(shè)的“數(shù)算一體”支撐平臺，原有業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)需進(jìn)行云化改造后融入云平臺。為探索市級業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)融入天擎的方案，以東營氣象業(yè)務(wù)平臺的改造與實(shí)施為例，利用微服務(wù)、容器云和算法加工流水線等技術(shù)，通過功能模塊云化改造為天擎算法、云數(shù)據(jù)庫替代自建庫、數(shù)據(jù)接口改造、云主機(jī)替代物理服務(wù)器等方法，完成東營氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)的云化改造。結(jié)果表明，改造后的東營氣象業(yè)務(wù)平臺全部集約到天擎部署，市級通過瀏覽器訪問，實(shí)現(xiàn)“云+端”的業(yè)務(wù)架構(gòu)，為其他信息系統(tǒng)的云化改造與實(shí)施提供參考。

關(guān)鍵詞：氣象；信息系統(tǒng)；大數(shù)據(jù)云平臺；改造；集約；微服務(wù)技術(shù)；容器云

中圖分類號：TP311" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）03-0096-05

Abstract： The Meteorological Big Data Cloud Platform （Tianqing） is a \"digital and computing integration\" support platform built by the meteorological department to improve the intensive level of information systems. The original business information system needs to be transformed into a cloud and then integrated into the cloud platform. In order to explore the solution for integrating municipal business information systems into Tianqing， taking the transformation and implementation of Dongying Meteorological Business Platform as an example， using technologies such as microservices， container clouds and algorithm processing lines to transform functional modules into Tianqing algorithms and cloud databases through cloud transformation， replacing self-built databases， transforming data interfaces， and replacing physical servers with cloud hosts， etc.， the cloud transformation of Dongying Meteorological Business System has been completed. The results show that the transformed Dongying meteorological business platform is all intensively deployed to Tianqing， and is accessed through a browser at the municipal level， realizing a \"cloud + end\" business architecture， providing a reference for the cloud transformation and implementation of other information systems.

Keywords： meteorology; information system; big data cloud platform; transformation; intensification; microservice technology; container cloud

近年來，隨著氣象觀測、預(yù)報技術(shù)水平的不斷發(fā)展與云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等信息化技術(shù)的快速應(yīng)用，氣象部門順應(yīng)技術(shù)發(fā)展趨勢，建設(shè)了氣象大數(shù)據(jù)云平臺（CMADaaS，以下簡稱“天擎”）。作為全國氣象信息化“數(shù)算一體”的核心平臺，天擎具有海量數(shù)據(jù)存儲、全業(yè)務(wù)貫通、高效數(shù)據(jù)應(yīng)用能力。氣象部門明確提出構(gòu)建以天擎為“云”，氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)為“端”的“云+端”業(yè)務(wù)模式，推進(jìn)資源整合和流程再造，發(fā)揮數(shù)據(jù)聚集規(guī)模效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的集約高效運(yùn)行。自2020年開始，天擎陸續(xù)在各省級氣象部門部署。山東省的天擎建設(shè)走在全國前列，2020年6月率先實(shí)現(xiàn)省級部署，同年底第一批投入業(yè)務(wù)試運(yùn)行[1]。

業(yè)務(wù)系統(tǒng)融入天擎有4個方面要求：數(shù)據(jù)集約、流程集約、平臺集約和監(jiān)控系統(tǒng)集約。根據(jù)要求，云化改造的思路應(yīng)從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、產(chǎn)品加工、業(yè)務(wù)應(yīng)用、業(yè)務(wù)監(jiān)控等方面進(jìn)行考慮。對于新開發(fā)的系統(tǒng)，要求實(shí)現(xiàn)“云原生”，對于已有的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，應(yīng)積極進(jìn)行云化改造后融入天擎。

天擎投入業(yè)務(wù)運(yùn)行后，各省陸續(xù)開展了已有氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)云化改造并融入天擎的研究與探索[2-4]，福建將省級氣象綜合業(yè)務(wù)平臺融入天擎[5]，湖南對氣象災(zāi)害預(yù)警服務(wù)一體化平臺進(jìn)行了基于天擎的云化改造[6]，云南將全省降水量告警系統(tǒng)融入天擎[7]，廣西以氣象短時臨近強(qiáng)降水預(yù)警服務(wù)處理流程為例，設(shè)計(jì)了DPL加工流水線業(yè)務(wù)遷移融入流程[8]。以上研究從設(shè)計(jì)、技術(shù)及具體實(shí)施等多個角度，研究了融入方案及實(shí)現(xiàn)方法，為其他業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)的云化改造提供參考。以上對云化改造方法的研究對象都是省級業(yè)務(wù)系統(tǒng)，涉及到對市級業(yè)務(wù)系統(tǒng)云化改造的內(nèi)容較少，由于省級和市級業(yè)務(wù)系統(tǒng)在適用范圍、功能模塊、數(shù)據(jù)種類和專業(yè)性等方面存在著較大差異，因此，在集約整合和云化改造時關(guān)注側(cè)重點(diǎn)與改造方案有很大不同。以東營氣象業(yè)務(wù)平臺的云化改造為例，對市級信息系統(tǒng)的云化改造進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，探討各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)技術(shù)與方法，為其他市級信息系統(tǒng)融入天擎提供參考。

1" 東營氣象業(yè)務(wù)平臺現(xiàn)狀

東營氣象業(yè)務(wù)平臺是供市縣兩級氣象臺使用的綜合業(yè)務(wù)平臺，承擔(dān)著預(yù)報、農(nóng)氣及服務(wù)等主要業(yè)務(wù)，另外還有實(shí)況查詢、氣候資料管理、網(wǎng)上會商等輔助功能，是基本天氣預(yù)報業(yè)務(wù)的主要支撐平臺。在云化改造之前，這些功能運(yùn)行在4臺物理服務(wù)器上，通過自行搭建數(shù)據(jù)庫方式，從各類API、FTP或共享服務(wù)器等獲取數(shù)據(jù)。原平臺主要采用C#、Python等軟件開發(fā)，使用.net框架，數(shù)據(jù)庫使用MSSQL，Web框架主要使用IIS，通過數(shù)據(jù)庫或接口方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。功能架構(gòu)如圖1所示。

從功能架構(gòu)組成可以看出，現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)硬件、服務(wù)及應(yīng)用分散安裝在4臺物理服務(wù)器，容易出現(xiàn)電源、硬盤等硬件故障。數(shù)據(jù)庫采用MSSQL，安裝在3臺服務(wù)器上，用于預(yù)報服務(wù)、雨情系統(tǒng)和農(nóng)氣服務(wù)。在軟件方面，由于開發(fā)時間跨度較大，開發(fā)人員變化，導(dǎo)致各功能模塊、數(shù)據(jù)、應(yīng)用程序等分散混雜，各自為政，存在硬件利用不均衡、備份手段少、軟件復(fù)用性差、運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜等問題，數(shù)據(jù)也存在一定安全隱患。

2" 云化改造技術(shù)路線

2.1" 改造原則

整合現(xiàn)有“預(yù)報業(yè)務(wù)平臺”“雨情系統(tǒng)”“智慧農(nóng)氣系統(tǒng)”“資料查詢”及“旬月數(shù)據(jù)上傳統(tǒng)計(jì)”等模塊，建設(shè)統(tǒng)一認(rèn)證、統(tǒng)一入口、統(tǒng)一界面、統(tǒng)一數(shù)據(jù)的“綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng)”，并遷移到天擎平臺，實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)的云化改造。設(shè)計(jì)原則有3個方面。一是采用微服務(wù)架構(gòu)[9-10]，通過容器技術(shù)注冊算法，由天擎算法加工流水線調(diào)度運(yùn)行。二是取消本地?cái)?shù)據(jù)庫等中間件，使用天擎的云數(shù)據(jù)庫、redis等平臺服務(wù)。三是取消本地服務(wù)器，全部利用省局基礎(chǔ)設(shè)施資源池的硬件資源，本地只保留客戶端。實(shí)現(xiàn)硬件集約化、數(shù)據(jù)集約化、流程集約化、平臺集約化和監(jiān)控集約化的目標(biāo)。

2.2" 功能架構(gòu)

云化改造后的東營氣象業(yè)務(wù)平臺完全基于天擎運(yùn)行，在市級通過瀏覽器進(jìn)行各類操作，中間數(shù)據(jù)及生成產(chǎn)品均存儲在云數(shù)據(jù)庫或云NAS中，數(shù)據(jù)庫、Redis、消息隊(duì)列服務(wù)、算法加工流水線等基礎(chǔ)服務(wù)全部由天擎提供。業(yè)務(wù)應(yīng)用及數(shù)據(jù)服務(wù)在天擎內(nèi)部完成，算法靠近數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)“數(shù)算一體”。云主機(jī)承擔(dān)服務(wù)發(fā)現(xiàn)、網(wǎng)頁代理、統(tǒng)一鑒權(quán)、動態(tài)路由及服務(wù)聚合等功能，在業(yè)務(wù)終端與天擎之間進(jìn)行溝通連接。改造后的平臺架構(gòu)如圖2所示，與改造前相比，市級除業(yè)務(wù)終端外，所有基礎(chǔ)設(shè)施與功能模塊全部遷移到省級天擎云平臺，完成了云化改造。

2.3" 技術(shù)路線

首先，對所有功能模塊進(jìn)行分析，將單項(xiàng)功能進(jìn)行剝離改造，把改造后的算法納入云平臺的算法加工流水線調(diào)度運(yùn)行。東營氣象業(yè)務(wù)平臺的云化改造基于.NET6跨平臺框架設(shè)計(jì)，采用C#作為主要語言實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主體功能，該框架實(shí)施成本低、開發(fā)效率高、安全性高等特點(diǎn)，適合市級業(yè)務(wù)系統(tǒng)的實(shí)施，通過Python、Java輔助功能模塊實(shí)現(xiàn)氣象產(chǎn)品加工、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)推送等算法，通過JS、HTML5等技術(shù)實(shí)現(xiàn)前端交互。主要技術(shù)包括以下內(nèi)容。

1）分布式框架：分布式系統(tǒng)原指業(yè)務(wù)系統(tǒng)在達(dá)到一定復(fù)雜度后，將業(yè)務(wù)拆分為多個獨(dú)立服務(wù)，部署在多個基礎(chǔ)設(shè)置資源中，保持各業(yè)務(wù)系統(tǒng)具有獨(dú)立性，但整體標(biāo)準(zhǔn)一致，可實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一訪問和調(diào)度。這與天擎PAAS云平臺總體架構(gòu)思想是一致的。通過Consul實(shí)現(xiàn)服務(wù)注冊、服務(wù)發(fā)現(xiàn)、負(fù)載均衡等功能，確保服務(wù)的彈性伸縮；通過Exceptionless實(shí)現(xiàn)日志收集并開發(fā)告警服務(wù)；基于Ocelot開發(fā)統(tǒng)一API網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)的動態(tài)路由、請求過濾、聚合等功能；基于天擎提供的MQ消息服務(wù)實(shí)現(xiàn)消息總線，確保各業(yè)務(wù)的一致性原則，利用云Redis緩存為整個系統(tǒng)提供緩存服務(wù)，利用調(diào)度平臺實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度服務(wù)。最終達(dá)到天擎平臺部署，系統(tǒng)服務(wù)化并融合為東營市氣象局綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng)的目標(biāo)。

2）容器虛擬化技術(shù)：Docker容器是一個開源的應(yīng)用容器引擎，能以統(tǒng)一的方式打包應(yīng)用及其依賴包到一個可移植的容器中，然后發(fā)布到任何安裝了Docker引擎的服務(wù)器上，容器使用沙箱機(jī)制，相互之間沒有任何接口，性能開銷少，能獨(dú)立運(yùn)行。在云化改造中各類算法均通過容器進(jìn)行算法封裝。

3）加工流水線：實(shí)現(xiàn)對多種計(jì)算框架的的支撐及對各加工處理任務(wù)的統(tǒng)一調(diào)度管理，需按天擎的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行算法設(shè)計(jì)與開發(fā)、注冊并經(jīng)審核后，根據(jù)加工處理任務(wù)定義的執(zhí)行策略進(jìn)行調(diào)度并運(yùn)行。

3" 云化改造方法

3.1" 應(yīng)用納入算法加工流水線

將原系統(tǒng)中集中運(yùn)行的應(yīng)用改造為天擎算法，通過加工流水線調(diào)度運(yùn)行，是云化改造的重要內(nèi)容。改造原則是將數(shù)據(jù)源一致，計(jì)算方式相近，輸出基本相同的功能應(yīng)用剝離出來，改造為算法。以下3類任務(wù)適合納入流水線運(yùn)行，一是對網(wǎng)絡(luò)依賴度較高的發(fā)布任務(wù)，如預(yù)報、服務(wù)產(chǎn)品及短信產(chǎn)品發(fā)布；二是定期執(zhí)行且資源消耗較大的任務(wù)，如實(shí)況讀取、雨情處理及推送任務(wù)；三是復(fù)用度高的算法，如溫、壓、濕、風(fēng)、雨等要素分布圖生成任務(wù)。

天擎算法基于Docker容器框架，是一種輕量級開發(fā)與運(yùn)行環(huán)境，是算法加工流水線的基礎(chǔ)。天擎提供了Docker容器和鏡像、加工流水線調(diào)度運(yùn)行等功能的管理平臺。用戶只需關(guān)注算法的研發(fā)、配置任務(wù)以及任務(wù)的管理，而算法運(yùn)行需要的計(jì)算資源、數(shù)據(jù)資源、任務(wù)管理與監(jiān)控等由天擎提供。算法改造流程為：①在天擎的“資源申請”模塊申請存儲與算力資源；②通過 “容器資源管理”模塊申請容器，并選擇基礎(chǔ)鏡像。在此模塊可對容器進(jìn)行啟停、修改、快照等管理；③使用ssh方式接入容器，對功能算法進(jìn)行開發(fā)與調(diào)試；④在“鏡像資源管理”模塊，基于調(diào)試好的容器制作應(yīng)用鏡像；⑤在“算法注冊”模塊，選擇已有應(yīng)用鏡像并注冊新算法，配置觸發(fā)方式，加入加工流水線調(diào)度運(yùn)行。

3.2" 用云數(shù)據(jù)庫代替自建數(shù)據(jù)庫

天擎有良好的數(shù)據(jù)庫支持能力，云化改造中使用天擎的虛谷數(shù)據(jù)庫和Redis庫來代替自建的MSSQL數(shù)據(jù)庫。虛谷數(shù)據(jù)庫是關(guān)系模型數(shù)據(jù)庫[11]，支持SQL92語法，兼容oracle語法，有完全自動的分庫分表策略，數(shù)據(jù)查詢和插入效率高，機(jī)制成熟、可靠，主要存儲持久化數(shù)據(jù)，包括自動站實(shí)況分類統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、雨量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)氣象及氣候相關(guān)數(shù)據(jù)、各類預(yù)報及服務(wù)業(yè)務(wù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)等。Redis是一種基于內(nèi)存的鍵值型數(shù)據(jù)庫，存取速度快，存取時間易于預(yù)測，能消除I/O瓶頸，作為分布式緩存，用于非持久化、有性能瓶頸及各系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)用的數(shù)據(jù)，包括用戶token數(shù)據(jù)、最新加工的實(shí)況數(shù)據(jù)、任務(wù)記錄數(shù)據(jù)及計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。

數(shù)據(jù)庫遷移是一項(xiàng)工作量大而且比較困難的工作，利用官方遷移工具能完成大部分?jǐn)?shù)據(jù)的遷移，但會出現(xiàn)主鍵丟失、字段類型或長度不兼容、自增ID序列混亂等問題，在云化實(shí)施中，需通過編寫腳本批量處理數(shù)據(jù)表的一些基本問題，再通過手動方式調(diào)整結(jié)構(gòu)復(fù)雜的數(shù)據(jù)表，逐步完成遷移。

3.3" 數(shù)據(jù)應(yīng)用融入

業(yè)務(wù)平臺讀取的數(shù)據(jù)有實(shí)況資料、農(nóng)氣觀測資料、數(shù)值預(yù)報及各類預(yù)報產(chǎn)品等，來源為CIMISS（全國綜合氣象信息共享平臺），天擎的服務(wù)接口[12]是CIMISS的升級版本，在原CIMISS接口參數(shù)基礎(chǔ)上，增加了AK/SK的認(rèn)證，能防止非法用戶偽造合法的請求，提高了接口服務(wù)的安全性，改造步驟為：①通過管理平臺的“業(yè)務(wù)帳戶”，配置接口權(quán)限和IP白名單等信息；②將原CIMISS接口對應(yīng)的用戶ID、密碼等所有參數(shù)信息，添加timestamp（時間戳）和nonce（隨機(jī)數(shù)）參數(shù)后生成字符串paramsMap；③對paramsMap按照key進(jìn)行排序，把排序后的字符串進(jìn)行MD5（32位）運(yùn)算，并將生成的字符串轉(zhuǎn)換為大寫，得到sign值，如sign=F4CCF7DC9AC636D991AFEE8100DB68E1；④將paramsMap中的密碼參數(shù)刪除，并添加sign參數(shù)，與請求路徑合并生成最終檢索URL。

3.4" 云主機(jī)代替物理服務(wù)器

改造后完全取消了物理服務(wù)器，對于無法進(jìn)行云化改造，不具備天擎算法加工流水線運(yùn)行條件的功能應(yīng)用，通過使用天擎云主機(jī)的方式解決。經(jīng)綜合分析，將東營氣象業(yè)務(wù)平臺的前端頁面相關(guān)部分部署在云主機(jī)上，主要包括：Nginx代理、微服務(wù)中心Consul、服務(wù)網(wǎng)關(guān)Gateway等，這些都是輕型服務(wù)，運(yùn)行穩(wěn)定且資源需求較低。云主機(jī)可根據(jù)使用情況對CPU、內(nèi)存等資源進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，以確保高效運(yùn)行。

4" 云化改造效果

云化改造后，東營氣象業(yè)務(wù)平臺已經(jīng)正常運(yùn)行超過6個月，天擎提供的虛谷數(shù)據(jù)庫、Redis、RabbitMQ等中間件服務(wù)從未中斷，算法在加工流水線上穩(wěn)定運(yùn)行，生成的產(chǎn)品滿足業(yè)務(wù)需求。市級用戶訪問頁面中各模塊響應(yīng)時間比改造前明顯變快，符合云化改造預(yù)期。改造后數(shù)據(jù)讀取、加工、存儲和服務(wù)全流程進(jìn)一步優(yōu)化和規(guī)范，運(yùn)行效率高，且具有較強(qiáng)的平臺和算法的擴(kuò)展能力，減輕了對服務(wù)器和應(yīng)用軟件的維護(hù)工作量，提升了整體信息化水平。

5" 結(jié)論

基于天擎對已有業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)進(jìn)行云化改造，形成“云+端”的業(yè)務(wù)模式是氣象部門集約化發(fā)展的趨勢。以東營氣象業(yè)務(wù)平臺云化改造為例，介紹了市級業(yè)務(wù)系統(tǒng)的融入天擎過程。在云化改造過程中取得一定的經(jīng)驗(yàn)，為其他市級業(yè)務(wù)系統(tǒng)融入提供參考。

1）充分了解并盡可能使用天擎的支撐服務(wù)。天擎是“數(shù)算一體”架構(gòu)，提供數(shù)據(jù)接口、云存儲、云數(shù)據(jù)庫、消息隊(duì)列和算法加工等多種支撐服務(wù)，使用這些服務(wù)能降低對商業(yè)化軟件框架的需求，減小部署與維護(hù)工作量，提高信息系統(tǒng)穩(wěn)定性與安全性。

2）制定高質(zhì)量的云化改造方案。要全面了解原信息系統(tǒng)的架構(gòu)、算法、數(shù)據(jù)庫依賴等內(nèi)容，外包開發(fā)功能要深入溝通，結(jié)合天擎基礎(chǔ)服務(wù)和中間件，將各個單項(xiàng)功能剝離并設(shè)計(jì)符合天擎標(biāo)準(zhǔn)的算法。

3）市級信息化部門要深度介入。由于專業(yè)之間差異，用戶和開發(fā)單位對天擎資源的理解有很大不同，需要市級信息化部門深度參與，了解原信息系統(tǒng)各功能模塊的邏輯與依賴關(guān)系，設(shè)計(jì)合理的云化改造方案。同時加強(qiáng)與省級天擎管理機(jī)構(gòu)溝通，申請測試各類數(shù)據(jù)接口及算力資源，提高改造效率。

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