薛建軍，周 杰，杜景林

（南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 南京210044）

0 引 言

氣象數(shù)據(jù)是氣象信息系統(tǒng) （氣象信息共享平臺）核心和基本組成部分，也是氣象信息系統(tǒng)提供服務(wù)的主要內(nèi)容［1］。國家氣象事業(yè)發(fā)展規(guī)劃 （2000－2015）指出要求擴(kuò)建實(shí)時(shí)氣象資料數(shù)據(jù)庫，建設(shè)地市級以上的適應(yīng)短期氣候預(yù)測的歷史資料業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫和氣象服務(wù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。目前，各相關(guān)單位也廣泛開展了實(shí)時(shí)氣象資料數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的建設(shè)工作。

按時(shí)效不同，可把氣象信息化資料分為實(shí)時(shí)資料和非實(shí)時(shí)資料。實(shí)時(shí)氣象資料指的是通過觀測或加工所得到的在較短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行傳輸并使用的資料。這類資料的處理要求迅速、及時(shí)，主要通過計(jì)算機(jī)程序控制，把從傳輸系統(tǒng)接收的資料進(jìn)行識別、分析、加工處理、質(zhì)量控制、存儲備份等［2－3］。傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)氣象資料處理系統(tǒng)大多針對單類資料專一處理，不能同時(shí)綜合處理多種實(shí)時(shí)資料。系統(tǒng)獲得單類 （單個(gè)）資料之后進(jìn)行操作，任務(wù)完后才能使程序響應(yīng)其他資料處理和用戶操作，不同的資料處理軟件一般使用各自獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。因此，不同類別的資料處理需要安裝配置各自對應(yīng)的處理軟硬件系統(tǒng)，部署成本比較高，占用較多的網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫資源，設(shè)備利用不充分，處理效率低下，不能很好滿足氣象數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與處理要求。此外，多種不同大小和類型處理系統(tǒng)的相對獨(dú)立存在不便于數(shù)據(jù)的集中控制和管理，不易為業(yè)務(wù)平臺和氣象數(shù)據(jù)的研究提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)支持和服務(wù)。為改善這種情況，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)型的實(shí)時(shí)氣象資料處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用文中提出的實(shí)時(shí)與非確定時(shí)的資料處理策略，利用多線程技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)了實(shí)時(shí)氣象資料綜合處理業(yè)務(wù)軟件，采用基于Oracle11g和SLES11專有數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和管理。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多種實(shí)時(shí)氣象資料綜合、高效加工處理以及海量氣象數(shù)據(jù)高性能存儲和管理，為構(gòu)建良好的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)提供了一種有效的解決方案。

1 實(shí)時(shí)氣象資料處理研究

1.1 實(shí)時(shí)與非確定時(shí)策略

實(shí)時(shí)氣象資料的處理策略在本系統(tǒng)中至關(guān)重要，它會影響整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理的性能。根據(jù)實(shí)時(shí)氣象資料生成的屬性將其分為確定時(shí)實(shí)時(shí)資料和非確定時(shí)實(shí)時(shí)資料。確定時(shí)實(shí)時(shí)資料指的是生成、發(fā)布時(shí)間一般比較固定的資料，而非確定時(shí)實(shí)時(shí)資料的生成、發(fā)布時(shí)間就相對隨機(jī)，這兩類資料本文采用不同的處理策略。

確定時(shí)間生成發(fā)布資料獲取時(shí)間范圍確定。例如自動站報(bào)文每隔6分鐘生成一次，城鎮(zhèn)天氣報(bào)文 （168小時(shí)）在每日確定的3個(gè)時(shí)刻各發(fā)布一次。處理這類資料是在規(guī)定延遲時(shí)間內(nèi)定時(shí)啟動程序調(diào)用相應(yīng)線程進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。

非確定時(shí)間生成發(fā)布資料的獲取的時(shí)間比較隨機(jī)。一般取決于地域、季節(jié)、氣候等外界因素，資料生成無固定時(shí)刻，例如預(yù)警信息。在處理這類資料時(shí)，系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)置間隔時(shí)間掃描文件。掃描時(shí)若有新的待處理資料則主程序給相應(yīng)的處理程序分配一個(gè)線程進(jìn)行處理。這類資料的處理是在一個(gè)相對隨機(jī)的時(shí)間進(jìn)行，因此稱非確定時(shí)處理。

采取這樣的策略：首先，提高系統(tǒng)的可用性，可以通過設(shè)置系統(tǒng)中定時(shí)模塊滿足在資料發(fā)布業(yè)務(wù)時(shí)效性規(guī)程改變情況下不影響系統(tǒng)的使用；其次，優(yōu)化了系統(tǒng)資源分配，省略了定時(shí)發(fā)布資料在不必要時(shí)間段內(nèi)的文件掃描，對于非確定時(shí)發(fā)布資料可以根據(jù)地域、季節(jié)、氣候等特點(diǎn)設(shè)定某些資料的掃描頻率。處理策略流程如圖1所示。

1.2 多線程優(yōu)化處理

應(yīng)用程序啟動時(shí)操作系統(tǒng)為程序分配內(nèi)存及其他資源，內(nèi)存和資源的物理分離叫做進(jìn)程，是程序在計(jì)算機(jī)上的一次執(zhí)行活動。進(jìn)程可以包含多個(gè)線程，線程可以利用進(jìn)程擁有的資源。線程要比進(jìn)程小，幾乎不擁有系統(tǒng)資源，線程調(diào)度也比進(jìn)程調(diào)度的開銷小。采用線程調(diào)度可以提高系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)程序間并發(fā)執(zhí)行的效率，從而顯著提高系統(tǒng)資源的利用率和吞吐量。由于線程所需要的內(nèi)存和程序開銷較小，同時(shí)多線程程序具有較高的執(zhí)行效率，所以在應(yīng)用程序的編寫過程中經(jīng)常采用多線程技術(shù)來解決相應(yīng)問題［4－5］。

圖1 處理策略流程

線程機(jī)制使系統(tǒng)具有多任務(wù)功能，用戶可同時(shí)運(yùn)行多個(gè)程序，每個(gè)程序中又可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)線程［6］，這樣多個(gè)線程在同一進(jìn)程中并發(fā)執(zhí)行。在多線程程序中，當(dāng)一個(gè)線程必須等待時(shí)，例如CPU在等待外部設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)，CPU可執(zhí)行其它操作，這樣就大大縮短了程序執(zhí)行的時(shí)間。為了提高氣象資料處理效率可以采用多線程技術(shù)，即在同一個(gè)程序中同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，將整個(gè)任務(wù)分成幾個(gè)線程，然后讓操作系統(tǒng)同時(shí)執(zhí)行，從而提高程序的執(zhí)行效率［7－9］。實(shí)際應(yīng)用表明，以線程為單位并行處理氣象資料可以顯著增加系統(tǒng)的吞吐量，明顯縮短處理時(shí)間，有效提高CPU等計(jì)算機(jī)系統(tǒng)關(guān)鍵部件的有效使用率。多線程并行效率模型如圖2［10］所示。

圖2 多線程并行效率模型

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

實(shí)時(shí)資料處理系統(tǒng)與氣象通信系統(tǒng)、氣象業(yè)務(wù)平臺緊密耦合。實(shí)時(shí)氣象資料一般通過氣象部門專用網(wǎng)實(shí)時(shí)獲取，氣象數(shù)據(jù)要為氣象業(yè)務(wù)平臺提供支持。資料處理業(yè)務(wù)軟件運(yùn)行在處理平臺上，通過氣象部門內(nèi)網(wǎng)從資料服務(wù)器獲得實(shí)時(shí)資料源文件，分析處理完成之后存儲到專有數(shù)據(jù)庫中，為氣象部門提供專業(yè)的服務(wù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)支持和信息共享。系統(tǒng)業(yè)務(wù)統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

主要流程：①資料獲取，從資料服務(wù)器上獲得資料（包括上級部門下發(fā)和本單位采集的資料）；②資料處理，客戶端業(yè)務(wù)軟件進(jìn)行文件級排錯(cuò)，將正確的源文件根據(jù)不同資料類別分別采用實(shí)時(shí)和非確定的處理策越；③數(shù)據(jù)存儲，經(jīng)過業(yè)務(wù)軟件分析處理、質(zhì)量控制的數(shù)據(jù)存儲到服務(wù)器端專有數(shù)據(jù)庫；④數(shù)據(jù)應(yīng)用，系統(tǒng)產(chǎn)生的氣象數(shù)據(jù)分別為各業(yè)務(wù)平臺和各類用戶提供多樣的數(shù)據(jù)支持和服務(wù)。

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用客戶／服務(wù)器 （C／S）結(jié)構(gòu)，將任務(wù)合理分配到客戶端和服務(wù)器端，可降低系統(tǒng)的通訊開銷，可充分利用兩端硬件環(huán)境的優(yōu)勢。系統(tǒng)面向相對固定的用戶群，對信息安全的控制能力強(qiáng)［11］。氣象資料處理業(yè)務(wù)軟件安裝在客戶端運(yùn)行，氣象數(shù)據(jù)的存儲和管理在服務(wù)器端完成，整個(gè)系統(tǒng)部署在氣象部門專有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，局域網(wǎng)之間通過專門服務(wù)器提供連接和數(shù)據(jù)交換。資料服務(wù)器、處理平臺、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、業(yè)務(wù)平臺都安裝在氣象部門內(nèi)網(wǎng)中。實(shí)時(shí)氣象資料數(shù)據(jù)不僅為氣象部門各類業(yè)務(wù)平臺提供數(shù)據(jù)支持外，也可以為氣象部專門從事歷史數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)挖掘分析等業(yè)務(wù)的門內(nèi)網(wǎng)用戶提供各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)支持，同時(shí)外網(wǎng)的不同權(quán)限的用戶還可以通過Internet瀏覽、檢索、下載獲取數(shù)據(jù)信息，享受相應(yīng)的數(shù)據(jù)服務(wù)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D4所示。

2.3 業(yè)務(wù)軟件設(shè)計(jì)

軟件采取實(shí)時(shí)與非確定處理的處理策略和多線程編程技術(shù)。能夠并行處理自動站報(bào)文、測報(bào)月報(bào)表、預(yù)警信息、臺風(fēng)報(bào)文、城鎮(zhèn)預(yù)報(bào)、城市短期預(yù)報(bào)等常見實(shí)時(shí)報(bào)文資料，能夠處理特殊定制需求的雷達(dá)、云圖等資料。例如將雷達(dá)基數(shù)據(jù)處理成能與人影業(yè)務(wù)中GIS平臺無縫對接的柵格數(shù)據(jù)。軟件主要由系統(tǒng)設(shè)置、定時(shí)設(shè)置、資料處理三大模塊組成。功能結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 業(yè)務(wù)軟件實(shí)現(xiàn)

3.1.1 資料處理線程設(shè)計(jì)

客戶端業(yè)務(wù)軟件定時(shí)實(shí)時(shí)處理測報(bào)月報(bào)表 （A報(bào)、B報(bào)）、SP和DG、城鎮(zhèn)預(yù)報(bào)、短時(shí)天氣預(yù)報(bào)這幾類測報(bào)和預(yù)報(bào)產(chǎn)品，非確定時(shí)間實(shí)時(shí)處理預(yù)警信號、臺風(fēng)、自動站實(shí)時(shí)報(bào)文這幾類測報(bào)產(chǎn)品和多普勒雷達(dá)基數(shù)據(jù)。一般情況下，創(chuàng)建少數(shù)幾個(gè)關(guān)鍵線程，用它來解決某個(gè)特定的問題［12］。所以系統(tǒng)創(chuàng)建10個(gè)數(shù)據(jù)處理子線程進(jìn)行操作，當(dāng)程序啟動時(shí)讀取INI文件，完成數(shù)據(jù)庫設(shè)置，定時(shí)設(shè)置，資料路徑設(shè)置等初始化工作，創(chuàng)建相應(yīng)資料處理子程序線程。多線程處理流程如圖6所示。

具體步驟為：①應(yīng)用程序啟動后，讀取INI初始化，如需更改設(shè)置，可在程序運(yùn)行過程中進(jìn)行設(shè)置，改變的信息寫入INI；②初始化完畢后，系統(tǒng)創(chuàng)建資料處理線程；③線程進(jìn)入while循環(huán)，確定時(shí)處理進(jìn)入休眠—等待狀態(tài)，非確定時(shí)處理線程掃描INI路徑下文件進(jìn)入間隔掃描—休眠狀態(tài)；④定時(shí)喚醒實(shí)時(shí)處理線程，掃描INI路徑下文件；⑤有新文件，分別進(jìn)入各自處理函數(shù)、分析解析文件、處理入庫，更新日志，修改已處理文件名；⑥如無新文件，進(jìn)入歷史文件操作函數(shù)，處理符合條件的歷史文件；⑦程序重復(fù)上述工作；⑧終止線程，程序結(jié)束。

圖4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

3.1.2 NET下多線程編程

從本質(zhì)上和結(jié)構(gòu)來說，.NET是一個(gè)多線程的環(huán)境。CRL內(nèi)置支持多線程應(yīng)用，任何.NET框架下的語言，包括Visual C＃在內(nèi)，實(shí)現(xiàn)多線程時(shí)不再需要使用Win32API，可直接使用系統(tǒng)類提供的對象和方。在VS2005中實(shí)現(xiàn)多線程非常方便，System.Threading命名空間為開發(fā)人員提供了多線程編程的類和接口，可直接用它提供的內(nèi)容建立多線程應(yīng)用程序。

System.Threading.Thread類可用來創(chuàng)建并控制線程，其定義了多種方法，其中用 Thread.Start（）、Thread.Stop （）、Thread.Resume （）、Thread.Abort （）、Thread.Suspend（）、Thread.Join（）等方法操縱線程，還可通過Thread.Sleep （）、Thread.IsAlive （）、Thread.IsBackground（）等方法設(shè)置線程狀態(tài)。

System.Threading.Thread.Priority枚舉了線程的優(yōu)先級別，它可以控制線程是否可到CPU時(shí)間。高優(yōu)先級線程通常比低優(yōu)先級線程優(yōu)先得到CPU時(shí)間，若不止一個(gè)高優(yōu)先級線程，則操作系統(tǒng)將在這些線程間循環(huán)分配CPU時(shí)間。C＃中線程優(yōu)先級從高到低分為Highest、Above、Normal、Normal、BelowNormal、Lowest 5級［13］。

3.2 數(shù)據(jù)庫服務(wù)器

目前，實(shí)時(shí)氣象資料呈現(xiàn)幾何級倍率增長，數(shù)據(jù)在海量存儲備份、查詢檢索效率、多粒度挖掘分析等方面提出更要高的要求。因此要對傳統(tǒng)實(shí)時(shí)氣象資料數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在存儲容量、吞吐率、穩(wěn)定性、安全性、兼容性等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。Oracle支持海量數(shù)據(jù)存儲和管理，其最新發(fā)布的Oracle 11g能夠存儲十億數(shù)量級的數(shù)據(jù)，可支撐大型的應(yīng)用系統(tǒng)，采用了400多項(xiàng)新技術(shù)，在更改管理、故障診斷、性能管理、Data Guard管理、存儲管理和數(shù)據(jù)倉庫等方面有一些重要的創(chuàng)新［14］。Novell其旗下的Linux企業(yè)級解決方案產(chǎn)品，提供從桌面到數(shù)據(jù)中心的企業(yè)級應(yīng)用計(jì)算環(huán)境安全可靠的基礎(chǔ)，在數(shù)據(jù)中心、工作組、桌面、安全和身份、以及資源管理等提供構(gòu)建企業(yè)級解決方案所有重要的技術(shù)支持和開放標(biāo)準(zhǔn)［15］。SLES系列產(chǎn)品已列入中央國家機(jī)關(guān)政府集中采購目錄，在國內(nèi)氣象部門和得到廣泛應(yīng)用。最新發(fā)布的SLES11完善了早期版本的很多功能，新增對Mono擴(kuò)展的支持對聚類產(chǎn)品High Availability Extension的支持，它能提供更強(qiáng)的虛擬化能力、高可用性集群和更加靈活的維護(hù)和支持選項(xiàng)。

使用Oracle大型數(shù)據(jù)庫，可以滿足海量氣象數(shù)據(jù)的存儲需求，Oracle的出色性能，極大地提升了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量。使用Linux作為服務(wù)器的操作系統(tǒng)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性［16］。此外，業(yè)務(wù)軟件綜合處理的多種產(chǎn)品海量數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲在同構(gòu)的專一的數(shù)據(jù)系統(tǒng)中也便于管理和控制。因此采用Oracle11g和SLES11搭建系統(tǒng)專用數(shù)據(jù)庫服務(wù)器符合高性能存儲和管理技術(shù)指標(biāo)和氣象部門業(yè)務(wù)需求規(guī)范。

4 系統(tǒng)運(yùn)行

使用VS2005集成開發(fā)工具，采用C＃語言編程開發(fā)業(yè)務(wù)軟件。軟件試運(yùn)行環(huán)境為Windows XP Professional SP3，.NET Framework 2.0，CPU 為Inter （R）Core （TM）2 Duo CPU E7400，內(nèi)存3.5G。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器在IBM X3800 8866－1RC上安裝SLES11企業(yè)版和Oracle11g構(gòu)建。系統(tǒng)采用C／S架構(gòu)部署在100M局域網(wǎng)內(nèi)。實(shí)際運(yùn)行表明系統(tǒng)的各項(xiàng)性能良好，滿足實(shí)時(shí)氣象資料綜合處理的性能要求和海量數(shù)據(jù)高性能存儲管理的性能指標(biāo)?？蛻舳藰I(yè)務(wù)軟件主要功能界面如圖7所示，從左向右依次為資料處理界面、系統(tǒng)設(shè)置界面、定時(shí)設(shè)置界面。

圖7 業(yè)務(wù)軟件主要功能界面

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)已投入到某市氣象局實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用中，有效的改進(jìn)了傳統(tǒng)的處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了資料的高效率、集成化分析處理，實(shí)現(xiàn)了海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)高性能存儲和管理，為業(yè)務(wù)應(yīng)用、氣象數(shù)據(jù)挖掘等提供良好的數(shù)據(jù)支持，為構(gòu)建良好實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)提供了一個(gè)行之有效的方案。同時(shí)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想對其他行業(yè)海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的處理也具有參考意義。針對雷達(dá)和云圖數(shù)據(jù)產(chǎn)品過多的問題，軟件的后續(xù)版本也將進(jìn)一步升級，實(shí)現(xiàn)更多基數(shù)據(jù)的定制處理。

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