趙 勇，王 瑜，李全景，李 京

（棗莊市氣象局，山東棗莊 277800）

隨著氣象現(xiàn)代化快速發(fā)展，氣象觀測設(shè)備越來越多，數(shù)據(jù)傳輸路徑各不相同，業(yè)務(wù)流程由觀測站→市級→省級調(diào)整為觀測站→省級[1]后，氣象工作者針對不同類型設(shè)備[2-4]應(yīng)用不同方式[5-12]設(shè)計(jì)和開發(fā)了許多監(jiān)控系統(tǒng)，在業(yè)務(wù)中發(fā)揮了很好的作用。但這些系統(tǒng)大部分都是針對某一類觀測設(shè)備或應(yīng)用某一類技術(shù)方式實(shí)現(xiàn)的，在實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用中不太適合基層臺(tái)站。

該文應(yīng)用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和“云”服務(wù)技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了人工自主與機(jī)器智能相結(jié)合的多種監(jiān)控方式，為有效提升綜合數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量和設(shè)備保障能力提供助力，為業(yè)務(wù)人員全面掌握觀測設(shè)備運(yùn)行和數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)提供便利。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 業(yè)務(wù)需求

該系統(tǒng)主要面向三類業(yè)務(wù)人員設(shè)計(jì)，分別是市縣級綜合氣象觀測業(yè)務(wù)行政管理人員、運(yùn)行監(jiān)控人員和裝備保障人員。市縣級綜合氣象觀測業(yè)務(wù)行政管理人員需要查詢和統(tǒng)計(jì)某段時(shí)間全市或所轄縣區(qū)綜合氣象觀測設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸率和業(yè)務(wù)可用性情況，市縣級綜合氣象觀測業(yè)務(wù)運(yùn)行監(jiān)控人員、裝備保障人員需要隨時(shí)、隨地、快速、全面掌握全市或所轄縣區(qū)所有類型氣象觀測設(shè)備運(yùn)行、數(shù)據(jù)傳輸和可用等情況。

為滿足上述市縣級綜合氣象觀測業(yè)務(wù)需求，首先系統(tǒng)要能自動(dòng)監(jiān)控市級氣象部門所有類型氣象觀測設(shè)備運(yùn)行、數(shù)據(jù)傳輸和可用等情況，其次系統(tǒng)能對自動(dòng)監(jiān)控到的信息進(jìn)行收集、統(tǒng)計(jì)、分析、存儲(chǔ)，然后系統(tǒng)能綜合將氣象觀測設(shè)備運(yùn)行、數(shù)據(jù)傳輸和可用等情況通過WEB 網(wǎng)站、手機(jī)APP、微信公眾號等多種方式直觀、便捷地展示出來，并能提供歷史數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計(jì)，最后系統(tǒng)需要將設(shè)備運(yùn)行和數(shù)據(jù)傳輸異常情況通過疑誤短信、電話語音和微信推送等方式及時(shí)、快速傳遞給氣象業(yè)務(wù)人員，實(shí)現(xiàn)人工自主與機(jī)器智能相結(jié)合的多方式監(jiān)控。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)采用C/S（客戶端/服務(wù)器）與B/S（瀏覽器/服務(wù)器）相結(jié)合的設(shè)計(jì)架構(gòu)，根據(jù)氣象業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)安全需要，服務(wù)器分別部署在氣象內(nèi)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)“云”端，對交互性強(qiáng)、需人工自主監(jiān)控的手機(jī)APP 和微信公眾號采用客戶端模式，對時(shí)效性高、需機(jī)器智能報(bào)警的疑誤短信、電話語音和微信推送采用服務(wù)端模式，對安全性高、需直觀便捷展示的WEB 網(wǎng)站采用瀏覽器模式。

該系統(tǒng)所需的服務(wù)器有兩臺(tái)部署在氣象內(nèi)網(wǎng)，一臺(tái)為數(shù)據(jù)服務(wù)器，主要提供定時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)支撐等后端運(yùn)行服務(wù)，是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)正常運(yùn)行的中樞；另一臺(tái)為WEB 服務(wù)器，主要提供WEB 網(wǎng)站的支撐運(yùn)行服務(wù)和監(jiān)控信息的展示、歷史數(shù)據(jù)的查詢及統(tǒng)計(jì)等前端交互服務(wù)。該系統(tǒng)所需另一臺(tái)服務(wù)器部署在互聯(lián)網(wǎng)“云”端，主要提供短信和語音、微信公眾號、手機(jī)APP 等后端支撐服務(wù)，是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能報(bào)警監(jiān)控功能的核心，如圖1 所示。

圖1 綜合氣象觀測數(shù)據(jù)傳輸智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)

該系統(tǒng)客戶端是依托微信開發(fā)的公眾號和基于Android、iOS 系統(tǒng)開發(fā)的手機(jī)APP，部署在市縣級綜合氣象觀測業(yè)務(wù)行政管理人員、運(yùn)行監(jiān)控人員和裝備保障人員使用的智能手機(jī)、平板電腦、智能顯示屏等智能終端上，主要提供數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)控信息的展示、觀測設(shè)備運(yùn)行情況的輪巡、疑誤短信和電話語音及微信推送信息的報(bào)警等服務(wù)，是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人工自主與機(jī)器智能相結(jié)合多方式監(jiān)控不可或缺的重要組成部分。

1.3 系統(tǒng)安全

該系統(tǒng)涉及氣象內(nèi)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)之間進(jìn)行通信，因此將網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的安全性作為整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的重點(diǎn)設(shè)計(jì)內(nèi)容。為確?；ヂ?lián)網(wǎng)“云”服務(wù)器、氣象內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器和整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行安全，系統(tǒng)采用市級政務(wù)外網(wǎng)公共域線路連接互聯(lián)網(wǎng)，在政務(wù)外網(wǎng)和氣象內(nèi)網(wǎng)之間架設(shè)防火墻、上網(wǎng)行為管理等安全設(shè)施并配置僅單向?qū)ν獍l(fā)送數(shù)據(jù)信息。為保證氣象內(nèi)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)“云”端數(shù)據(jù)傳輸過程中監(jiān)控信息的安全，系統(tǒng)采用加密擾動(dòng)算法，有效防護(hù)竊聽和攻擊等有害行為，確保監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的安全和完整。為保障氣象內(nèi)網(wǎng)WEB 網(wǎng)站的安全，強(qiáng)制使用超文本傳輸安全協(xié)議（HTTPS）交互信息，并在首次登錄系統(tǒng)時(shí)必須使用管理員分配的安全賬戶。

1.4 監(jiān)控流程

綜合氣象觀測業(yè)務(wù)改革后，觀測數(shù)據(jù)傳輸流程由觀測站→市級→省級調(diào)整為觀測站→省級，在省級氣象信息中心經(jīng)過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)質(zhì)控后及時(shí)傳輸?shù)絿覛庀蟠髷?shù)據(jù)云平臺(tái)，經(jīng)國家氣象大數(shù)據(jù)云平臺(tái)處理后快速分發(fā)到省級氣象大數(shù)據(jù)云平臺(tái)。該系統(tǒng)通過定時(shí)掃描省級氣象大數(shù)據(jù)云平臺(tái)API 數(shù)據(jù)接口以獲得全市綜合氣象觀測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)質(zhì)量等情況，如圖2 所示。

圖2 綜合氣象觀測數(shù)據(jù)傳輸智能監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控流程

具體監(jiān)控流程如下：

1）部署在氣象內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)器中的定時(shí)監(jiān)控服務(wù)在獲得綜合氣象觀測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)傳輸信息后，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)、分析，然后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)服務(wù)器的SQL 數(shù)據(jù)庫并及時(shí)推送到互聯(lián)網(wǎng)“云”服務(wù)器。

2）部署在互聯(lián)網(wǎng)“云”服務(wù)器的阿里云短信和語音、微信等后端服務(wù)在接收到監(jiān)控信息后，經(jīng)過存儲(chǔ)、比對、篩選，將運(yùn)行和傳輸異常的站點(diǎn)信息以疑誤短信、電話語音和信息推送等方式發(fā)送給市縣級綜合氣象觀測管理及業(yè)務(wù)人員，實(shí)現(xiàn)機(jī)器智能監(jiān)控的報(bào)警方式。

3）市縣級綜合氣象觀測管理和業(yè)務(wù)人員在值班期間，通過氣象內(nèi)網(wǎng)訪問WEB 網(wǎng)站，WEB 網(wǎng)站的支撐服務(wù)快速與數(shù)據(jù)服務(wù)器中的SQL 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互，通過瀏覽器展示全市綜合氣象觀測設(shè)備監(jiān)控信息、歷史數(shù)據(jù)查詢及統(tǒng)計(jì)結(jié)果等。

4）市縣級綜合氣象觀測管理和業(yè)務(wù)人員在值班、非值班或節(jié)假日期間，使用部署在智能手機(jī)、平板電腦等智能終端上的客戶端，通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與部署在“云”服務(wù)器的微信公眾號、手機(jī)APP 后端支撐服務(wù)進(jìn)行交互并展示、查詢綜合氣象觀測數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)控信息。

2 核心功能實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)核心功能分為數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)控模塊、WEB 網(wǎng)站展示模塊、智能終端服務(wù)模塊和智能終端交互模塊四部分，如圖3 所示。

圖3 綜合氣象觀測數(shù)據(jù)傳輸智能監(jiān)控系統(tǒng)組成模塊

2.1 數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)控模塊

數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)控模塊是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的中樞，主要提供定時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)支撐等服務(wù)。定時(shí)監(jiān)控服務(wù)采用PHP 語言編寫，每隔10 min 按照綜合氣象觀測站點(diǎn)編號和世界時(shí)間逐一掃描省級氣象大數(shù)據(jù)云平臺(tái)API 數(shù)據(jù)接口，根據(jù)獲取的綜合氣象觀測JSON 格式數(shù)據(jù)等信息自動(dòng)判斷觀測站運(yùn)行狀態(tài)和傳輸情況，并將自動(dòng)判斷的監(jiān)控信息推送給數(shù)據(jù)支撐服務(wù)和“云”服務(wù)器。數(shù)據(jù)支撐服務(wù)采用SQL 數(shù)據(jù)服務(wù)，主要存儲(chǔ)定時(shí)監(jiān)控服務(wù)推送的綜合觀測數(shù)據(jù)、監(jiān)控信息和為WEB 網(wǎng)站展示模塊提供數(shù)據(jù)交互服務(wù)。

2.2 WEB網(wǎng)站展示模塊

WEB 網(wǎng)站展示模塊是在氣象內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器采用IIS 和PHP 語言構(gòu)建的綜合氣象觀測數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)控網(wǎng)站，主要提供監(jiān)控信息的展示、歷史數(shù)據(jù)的查詢及統(tǒng)計(jì)等交互服務(wù)。展示內(nèi)容包括綜合觀測設(shè)備分類傳輸概況、綜合觀測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、分類傳輸及時(shí)率、非正常站點(diǎn)信息和氣象專網(wǎng)連通狀況等，如圖4所示。查詢和統(tǒng)計(jì)內(nèi)容包括某段時(shí)間內(nèi)綜合氣象觀測同類設(shè)備傳輸及時(shí)率、單站設(shè)備傳輸及時(shí)率和全市氣象觀測設(shè)備綜合運(yùn)行狀態(tài)等。

圖4 綜合氣象觀測數(shù)據(jù)傳輸智能監(jiān)控系統(tǒng)WEB網(wǎng)站

2.3 智能終端服務(wù)模塊

智能終端服務(wù)模塊是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)智能化監(jiān)控和報(bào)警的核心，主要提供短信和語音、微信公眾號、手機(jī)APP 等后端支撐服務(wù)。

1）短信和語音后端支撐服務(wù)分別采用阿里云開放平臺(tái)的短信、語音服務(wù)，為使用該服務(wù)首先要在互聯(lián)網(wǎng)“云”服務(wù)器安裝能讓PHP 語言快速訪問阿里云平臺(tái)服務(wù)的Alibaba Cloud Client for PHP 開發(fā)包，然后在阿里云開放平臺(tái)通過企業(yè)賬戶認(rèn)證后，分別在開放平臺(tái)短信服務(wù)、語音服務(wù)的控制菜單中創(chuàng)建短信模板和文本轉(zhuǎn)語音模板。

上述配置完成后再使用PHP 語言編程接收數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)控模塊推送的綜合監(jiān)控信息，經(jīng)過存儲(chǔ)、比對、篩選，將運(yùn)行和傳輸異常的站點(diǎn)信息通過調(diào)用阿里云短信和語音API 接口以疑誤短信、電話語音等方式推送給智能終端交互模塊。

2）微信公眾號后端支撐服務(wù)采用PHP 語言按照微信開放平臺(tái)開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)編寫，在經(jīng)過域名申請、注冊、備案和微信公眾號申請、注冊及企業(yè)賬戶認(rèn)證后，將綁定“云”服務(wù)器公網(wǎng)IP 地址的域名添加到微信開放平臺(tái)URL 接口即完成配置。當(dāng)微信公眾號后端支撐服務(wù)接收到綜合監(jiān)控信息時(shí)，經(jīng)過比對、篩選，將運(yùn)行和傳輸異常的站點(diǎn)信息在微信內(nèi)進(jìn)行信息推送報(bào)警，綜合氣象觀測管理人員、業(yè)務(wù)人員也可通過部署在智能終端交互模塊中的微信公眾號客戶端進(jìn)行查看和交互。

3）手機(jī)APP 后端支撐服務(wù)亦采用PHP 語言按照移動(dòng)應(yīng)用開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)編寫，通過在“云”服務(wù)器配置移動(dòng)應(yīng)用服務(wù)，當(dāng)綜合氣象觀測管理和業(yè)務(wù)人員操作智能監(jiān)控系統(tǒng)手機(jī)APP 時(shí)，手機(jī)APP 后端支撐服務(wù)迅速訪問、查詢、篩選、統(tǒng)計(jì)綜合氣象觀測數(shù)據(jù)，傳輸監(jiān)控信息并根據(jù)用戶操作展示返回結(jié)果，如圖5所示。

圖5 綜合氣象觀測數(shù)據(jù)傳輸智能監(jiān)控系統(tǒng)手機(jī)APP

2.4 智能終端交互模塊

智能終端交互模塊包括交互展示綜合監(jiān)控信息的計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)、平板電腦、智能顯示屏等硬件和部署在智能終端系統(tǒng)的微信公眾號、手機(jī)APP 等客戶端軟件。智能監(jiān)控系統(tǒng)微信公眾號是基于微信開放平臺(tái)申請開發(fā)的公眾服務(wù)號，市縣級綜合氣象觀測管理和業(yè)務(wù)人員在智能終端安裝微信應(yīng)用程序并關(guān)注智能監(jiān)控系統(tǒng)公眾號即可進(jìn)行業(yè)務(wù)應(yīng)用。智能監(jiān)控系統(tǒng)手機(jī)APP 是將智能終端服務(wù)模塊中的手機(jī)APP 后端支撐服務(wù)用HBuilderX 軟件經(jīng)過注冊、認(rèn)證、封裝成apk 安裝包，市縣級綜合氣象觀測管理和業(yè)務(wù)人員安裝在智能終端即可交互操作。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 數(shù)據(jù)安全和管理

該系統(tǒng)在自動(dòng)掃描省級氣象大數(shù)據(jù)云平臺(tái)接口之前，需按照平臺(tái)API 接口預(yù)先定義調(diào)用方式、資料代碼、時(shí)間、站號、要素、返回?cái)?shù)據(jù)類型等參數(shù)，依據(jù)觀測設(shè)備類型和時(shí)效不同建立不同的調(diào)用方式，對獲取的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、推送、儲(chǔ)存。為保證氣象內(nèi)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸過程中的安全，氣象內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)推送服務(wù)和互聯(lián)網(wǎng)“云”端接收服務(wù)首先進(jìn)行隨機(jī)規(guī)則和擾動(dòng)算法對接，然后將站號、時(shí)間、要素等按照隨機(jī)規(guī)則進(jìn)行加密傳輸，對觀測數(shù)據(jù)、監(jiān)控信息等進(jìn)行擾動(dòng)算法加密傳輸，有效防護(hù)竊聽和攻擊等有害行為，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩屯暾?。為保證系統(tǒng)高效運(yùn)轉(zhuǎn)和數(shù)據(jù)快速讀寫，將觀測數(shù)據(jù)和監(jiān)控信息進(jìn)行分離存放，同時(shí)分別建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫，避免性能干擾。為保證數(shù)據(jù)庫安全，進(jìn)行嚴(yán)格的防注入、防篡改、防誤刪管理，設(shè)置不同的訪問權(quán)限并強(qiáng)化操作日志管理。

3.2 系統(tǒng)優(yōu)化和展示

該系統(tǒng)應(yīng)用PHP、HTML5、CSS3、JavaScript、Ajax、HighCharts 等多種編程技術(shù)優(yōu)化綜合監(jiān)控信息展示和交互方式。采用PHP 語言編寫后端支撐服務(wù)和前端交互服務(wù)，利用Ajax[13]異步調(diào)用方式動(dòng)態(tài)讀取監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫，采用HighCharts 插件將監(jiān)控信息通過折線、圓點(diǎn)和地圖視圖等形式動(dòng)畫可視化展示；利用HTML5[14-15]、JavaScript[16-17]、CSS3[18]等技術(shù)對網(wǎng)頁元素進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，使顯示內(nèi)容自動(dòng)適應(yīng)智能終端屏幕尺寸和分辨率，有利于交互和展示。

4 結(jié)論

綜合氣象觀測數(shù)據(jù)傳輸智能監(jiān)控系統(tǒng)是根據(jù)氣象觀測自動(dòng)化改革和氣象觀測數(shù)據(jù)傳輸流程調(diào)整后，為解決基層氣象部門綜合統(tǒng)一監(jiān)控各類氣象觀測設(shè)備運(yùn)行和數(shù)據(jù)傳輸需求而設(shè)計(jì)開發(fā)的。該系統(tǒng)應(yīng)用WEB 網(wǎng)站、手機(jī)APP、微信公眾號、疑誤短信報(bào)警和電話語音叫應(yīng)等多種人工自主與機(jī)器智能相結(jié)合的監(jiān)控方式，建立了市縣級氣象觀測數(shù)據(jù)傳輸統(tǒng)一與集約相結(jié)合的監(jiān)控模式，提升了基層臺(tái)站氣象觀測設(shè)備的保障能力和觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的傳輸效率。該系統(tǒng)投入氣象觀測業(yè)務(wù)運(yùn)行以來，使市縣級觀測數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)控由分散向集中統(tǒng)一，由分類向綜合集約，在運(yùn)行監(jiān)控和裝備保障工作中發(fā)揮了重要作用，為基層氣象觀測管理人員和業(yè)務(wù)人員隨時(shí)、隨地、快速、全面掌握綜合氣象觀測設(shè)備運(yùn)行和數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)提供了便利。