許怡欣?熊劦

摘要：為適應(yīng)氣象現(xiàn)代化和智慧氣象高質(zhì)量發(fā)展需要，結(jié)合南昌市氣象實際需求，以“云服務(wù)、大數(shù)據(jù)、地理信息”等技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計分鐘級自動監(jiān)控綜合觀測業(yè)務(wù)狀態(tài)、基層臺站網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、機(jī)房倉儲等重點區(qū)域的環(huán)境狀態(tài)、供電系統(tǒng)運行狀態(tài)、氣象裝備全生命周期監(jiān)控管理，并配以自動化、多渠道的報警方式、安全可靠的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。最終實現(xiàn)綜合觀測業(yè)務(wù)全流程無縫隙監(jiān)控保障，達(dá)到“無人值守”綜合觀測業(yè)務(wù)工作狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：氣象業(yè)務(wù)；綜合監(jiān)控；報警；系統(tǒng)設(shè)計

一、前言

氣象事業(yè)是科技型、基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性社會公益事業(yè)。隨著對防范氣象災(zāi)害重大風(fēng)險的要求越來越高，廣大群眾對氣象服務(wù)保障的需求越來越多，黨中央、國務(wù)院提出要加快推進(jìn)氣象現(xiàn)代化建設(shè)，努力構(gòu)建科技領(lǐng)先、監(jiān)測精密、預(yù)報精準(zhǔn)、服務(wù)精細(xì)、人民滿意的現(xiàn)代氣象體系。氣象綜合觀測業(yè)務(wù)是高質(zhì)量發(fā)展氣象事業(yè)的基礎(chǔ)和前提，通過綜合觀測業(yè)務(wù)監(jiān)控管理系統(tǒng)的建立，一方面可以有效地保障氣象數(shù)據(jù)觀測能力的提升，全面覆蓋臺站監(jiān)控死角。另一方面可以減少綜合氣象觀測業(yè)務(wù)流程中不必要的人工處理信息環(huán)節(jié)，縮減處理時間，減少人力投入，節(jié)省行政管理支出費用，提升觀測業(yè)務(wù)的效率，將運作成本大幅降低[1]。

二、系統(tǒng)設(shè)計需求

根據(jù)南昌市實際情況，針對現(xiàn)有綜合觀測業(yè)務(wù)的各項需求進(jìn)行設(shè)計，依托“天元”“天擎”等系統(tǒng)，整合南昌市本級及各縣區(qū)業(yè)務(wù)監(jiān)控手段及基礎(chǔ)設(shè)施，建立南昌市綜合觀測業(yè)務(wù)監(jiān)控管理系統(tǒng)，實現(xiàn)南昌市氣象局及下屬所有臺站從“人工+系統(tǒng)”監(jiān)測手段轉(zhuǎn)變?yōu)闊o人值守智能觀測。南昌市現(xiàn)有國家氣象觀測站5個（其中新建區(qū)站和安義縣站為局站分離）、國家地面天氣站13個、區(qū)域自動觀測站97個，分屬南昌市各縣區(qū)和市本級管轄，需要建立針對各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)統(tǒng)一的監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)兼容不同種類氣象自動站的統(tǒng)一監(jiān)測報警，實現(xiàn)地面觀測業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上傳狀態(tài)監(jiān)控、雷達(dá)數(shù)據(jù)上傳監(jiān)控、國家主備站數(shù)據(jù)對比分析等功能。建立全市氣象局綜合網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控保障系統(tǒng)，用于監(jiān)控全市氣象局范圍內(nèi)各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備狀態(tài)、各專線鏈路狀態(tài)。加強(qiáng)臺站環(huán)境監(jiān)控改造，實現(xiàn)業(yè)務(wù)區(qū)域安防入侵監(jiān)控、設(shè)備室溫濕度監(jiān)控、電源動力系統(tǒng)監(jiān)控、發(fā)電機(jī)及UPS電源保障系統(tǒng)等在線遠(yuǎn)程監(jiān)控及報警提醒。建立應(yīng)急備份保障系統(tǒng)，實現(xiàn)對臺站觀測數(shù)據(jù)異地備份、KVM數(shù)字遠(yuǎn)程控制、備份PC運行狀態(tài)監(jiān)測等。建立監(jiān)控各氣象裝備的監(jiān)控管理系統(tǒng)，實現(xiàn)倉庫備件管理、氣象裝備全生命周期監(jiān)控、計量周期監(jiān)控[2]。

三、系統(tǒng)組成

（一） 系統(tǒng)框架

針對設(shè)計需求綜合觀測業(yè)務(wù)監(jiān)控管理系統(tǒng)建設(shè)五大子系統(tǒng)（見圖1），將一個大型地面觀測臺站日常業(yè)務(wù)運行的所有需要業(yè)務(wù)和狀態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)統(tǒng)一收集，并通過數(shù)據(jù)可視化平臺的方式展示出來。系統(tǒng)后臺對各臺站的所有數(shù)據(jù)和狀態(tài)進(jìn)行自動分析監(jiān)控，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常時，通過多種渠道向業(yè)務(wù)人員發(fā)出警報并切換到備份渠道，等待業(yè)務(wù)人員前往處理。

（二） 各子系統(tǒng)

1.業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)監(jiān)控子系統(tǒng)

國家臺站監(jiān)控基于各臺站都使用中國氣象局開發(fā)的ISOS業(yè)務(wù)軟件。使用業(yè)務(wù)監(jiān)控探針程序部署在臺站ISOS業(yè)務(wù)機(jī)PC上后臺運行，實時監(jiān)控ISOS業(yè)務(wù)系統(tǒng)的各種狀態(tài)數(shù)據(jù)，包含但不限于業(yè)務(wù)上傳日志記錄、氣象觀測數(shù)據(jù)、設(shè)備電壓狀態(tài)等。同時將采集信息上傳到集約監(jiān)控管理平臺，進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控管理與統(tǒng)一報警推送。天氣站及區(qū)域自動站監(jiān)控基于對接天擎系統(tǒng)接口，采集全市所有區(qū)域站觀測要素數(shù)據(jù)，按縣級行政區(qū)劃分，提供市局本級及各縣區(qū)氣象站綜合到報率與及時率監(jiān)控。

2.網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控子系統(tǒng)

全市所有綜合觀測業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)中共有鏈路21條，其中各縣氣象局分別部署了移動、電信兩條不同運營商的業(yè)務(wù)專線，市局采用移動、電信雙運營商主備鏈路連接到省局。電信運營商線路通過BGP協(xié)議直接到省氣象局，移動運營商線路通過ospf協(xié)議建立縣至市、市至省的樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。局站分離臺站通過生成樹協(xié)議雙線路冗余備份，連接臺站至縣局的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。針對復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)單純依靠PING命令無法準(zhǔn)確判斷所有線路的運行情況，因此，采用在市氣象局部署專業(yè)網(wǎng)管軟件，基于SNMP網(wǎng)管協(xié)議[3]對全市氣象內(nèi)網(wǎng)的所有涉及綜合觀測業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和專線網(wǎng)絡(luò)線路進(jìn)行監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)異常，立即報警并通知網(wǎng)絡(luò)管理人員前去維護(hù)。

3.環(huán)境監(jiān)控保障子系統(tǒng)

結(jié)合各臺站的自建臺站實景攝像頭監(jiān)控系統(tǒng)對臺站周邊環(huán)境進(jìn)行實時監(jiān)控。通過在市局部署采集接口系統(tǒng)，解決各臺站監(jiān)控相互獨立需要不同鏈接地址和賬號密碼登錄查詢的問題，將各臺站實景攝像頭整合，隨時采集、查看各攝像頭的實時畫面。對各臺站業(yè)務(wù)重點區(qū)域部署配電監(jiān)測、精密空調(diào)監(jiān)測、UPS監(jiān)測、漏水監(jiān)測、溫濕度監(jiān)測、消防監(jiān)測等各類監(jiān)測探頭，通過RS232或RS485通信方式接入各區(qū)域監(jiān)控主機(jī)，各區(qū)域監(jiān)控主機(jī)通過TCP/IP通信方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)整合傳輸至環(huán)控集約監(jiān)控管理系統(tǒng)，從而實現(xiàn)各臺站、各業(yè)務(wù)重點區(qū)域的環(huán)境集約化監(jiān)控管理。

4.應(yīng)急備份保障子系統(tǒng)

（1）供電

對接各臺站部署的自動發(fā)電機(jī)（停電自啟動發(fā)電機(jī)），并對其進(jìn)行油料箱改裝（增大），要求支持遠(yuǎn)程控制功能。在發(fā)電機(jī)房部署溫濕、安防、水冷水箱（如果有）、油料箱探測模塊，由市局環(huán)控系統(tǒng)主機(jī)統(tǒng)一采集狀態(tài)數(shù)據(jù)。對各臺站業(yè)務(wù)值班室空調(diào)進(jìn)行改造，使空調(diào)支持來電自動開機(jī)功能。

（2）遠(yuǎn)程控制

在各臺站部署數(shù)字KVM設(shè)備，通過網(wǎng)絡(luò)和HTML5協(xié)議實現(xiàn)對各業(yè)務(wù)電腦的遠(yuǎn)程控制。同時對接市局已建的數(shù)字KVM管理中心，對各臺站數(shù)字KVM設(shè)備進(jìn)行用戶權(quán)限管理，限定登錄用戶權(quán)限和允許訪問IP地址，降低信息網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險。

（3）網(wǎng)絡(luò)線路

在無人臺站的每套自動站串口服務(wù)器上部署4G路由器，基于IPsec VPN隧道協(xié)議建立自動站采集板到市局的點對點4G專線作為第三條備份線路（加入網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)中），確保在有線網(wǎng)絡(luò)故障的情況下，可以通過4G線路用市局機(jī)房的備份業(yè)務(wù)PC鏈接自動站采集數(shù)據(jù)并上傳，保障業(yè)務(wù)不中斷。

5.裝備監(jiān)控管理系統(tǒng)

通過標(biāo)準(zhǔn)接口對接天元系統(tǒng)，建立獨立的裝備信息數(shù)據(jù)庫，實時更新全市所有裝備信息，并增加人工錄入模塊用于補(bǔ)充天元系統(tǒng)中未登記信息。

四、系統(tǒng)架構(gòu)及性能指標(biāo)

（一）系統(tǒng)架構(gòu)

整體系統(tǒng)基于B/S架構(gòu)和成熟的氣象專業(yè)技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建。對所需監(jiān)控的各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)如地面觀測、雷達(dá)等數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理。通過部署安防監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控、電力監(jiān)控等設(shè)施實現(xiàn)各類環(huán)控數(shù)據(jù)的采集。通過IPKVM、4G應(yīng)急線路、備份PC等技術(shù)手段建立備份保障系統(tǒng)。建設(shè)倉庫、備件等數(shù)據(jù)庫并對接天元系統(tǒng)，建立裝備監(jiān)控。系統(tǒng)軟件為B/S架構(gòu)，采用“平臺+應(yīng)用”的建設(shè)模式和一體化設(shè)計。Web系統(tǒng)遵循J2EE規(guī)范，應(yīng)用均部署在Linux環(huán)境，支持主流操作系統(tǒng)終端，具有良好的可擴(kuò)展性和跨平臺能力。平臺采用面向服務(wù)的架構(gòu)（SOA），符合Web Service標(biāo)準(zhǔn)的訪問接口。系統(tǒng)設(shè)計堅持“集中、協(xié)同、一體化”的技術(shù)路線，系統(tǒng)間的交互采用面向服務(wù)（SOA）架構(gòu)的設(shè)計思想、組件式開發(fā)模式，保證各功能模塊間低耦合、高內(nèi)聚。

系統(tǒng)總體架構(gòu)從下到上分為物理層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層、展現(xiàn)層。

數(shù)據(jù)層：由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、應(yīng)用支撐數(shù)據(jù)、管理與運行信息數(shù)據(jù)構(gòu)成。關(guān)系性數(shù)據(jù)主要采用 MySQL進(jìn)行，非關(guān)系性數(shù)據(jù)采用MongoDB進(jìn)行。數(shù)據(jù)層包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理及傳輸模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊。

1.數(shù)據(jù)采集模塊

實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)采集工作，包括從天擎數(shù)據(jù)接口、其他系統(tǒng)平臺接口、FTP服務(wù)、共享目錄采集的氣象實況監(jiān)測、動環(huán)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控數(shù)據(jù)等。支持HTTP接入、Web Service接入、FTP接入、SOAP接入等多方式接入，支持?jǐn)?shù)據(jù)源目標(biāo)配置、任務(wù)時間及步長頻度配置、解析方式配置等，提供日志審計、數(shù)據(jù)監(jiān)控、補(bǔ)采補(bǔ)錄等功能。

2.數(shù)據(jù)傳輸模塊

該模塊建立穩(wěn)定、高效、安全、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸通道，完成來自數(shù)據(jù)采集監(jiān)測模塊的數(shù)據(jù)傳輸，并進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、清洗、預(yù)處理。

服務(wù)層：用戶接口或 Web 客戶端與數(shù)據(jù)之間的邏輯層，主要包括分布式基礎(chǔ)服務(wù)及API服務(wù)兩部分。

1.分布式基礎(chǔ)服務(wù)

對分布式基礎(chǔ)服務(wù)實施監(jiān)控與管理，對涉及數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、存儲的分布式服務(wù)組件，如分布式消息系統(tǒng)（Kafka）、分布式文件系統(tǒng)（HDFS）、分布式計算框架（Map/Reduce）以及分布式緩存系統(tǒng)（Redi/Memcached）等進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控與日志管理，為錯誤處理、性能調(diào)優(yōu)提供支撐。

2.API服務(wù)

API服務(wù)主要包括數(shù)據(jù)接口服務(wù)、GIS服務(wù)、Web端服務(wù)等。數(shù)據(jù)接口服務(wù)主要用于數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)上報。GIS服務(wù)對Web-GIS API進(jìn)行二次封裝，形成地圖交互、地圖展現(xiàn)等基礎(chǔ)API，提供Web端相關(guān)地圖功能實時調(diào)用。Web端服務(wù)主要為作業(yè)管理、數(shù)據(jù)監(jiān)控、流程監(jiān)控等功能提供后端API接口，包括BPM引擎API、數(shù)據(jù)可視化API、ECharts組件API等。此外，平臺可通過對外服務(wù)API向外單位實現(xiàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品共享及相關(guān)服務(wù)調(diào)用。

應(yīng)用層：Web端通過服務(wù)層提供的API接口與服務(wù)端進(jìn)行數(shù)據(jù)及邏輯交互，實現(xiàn)單點登錄、統(tǒng)一用戶管理、統(tǒng)一認(rèn)證和統(tǒng)一權(quán)限管理市、縣各級業(yè)務(wù)應(yīng)用。通過數(shù)據(jù)分析及挖掘應(yīng)用，實現(xiàn)按不同應(yīng)用層級、不同主題分析數(shù)據(jù)可視化，以及數(shù)據(jù)監(jiān)控、流程監(jiān)控、任務(wù)監(jiān)控等功能。

展現(xiàn)層：各類通過數(shù)據(jù)層加工后的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，最終通過本層進(jìn)行統(tǒng)一展現(xiàn)，采用大數(shù)據(jù)分析及展示相關(guān)技術(shù)，界面美觀、交互良好。

（二）系統(tǒng)性能指標(biāo)

系統(tǒng)響應(yīng)時間主要包括：自動產(chǎn)品查詢時間為秒級，查詢時間小于2秒；手動產(chǎn)品查詢時間為秒級，一般查詢時間小于3秒。為保證系統(tǒng)的正常運行，使系統(tǒng)能夠滿足項目在響應(yīng)速度、用戶并發(fā)數(shù)以及資源利用率等方面的要求，并在一些嚴(yán)格的場合下也能保證系統(tǒng)的正常運行，在系統(tǒng)建設(shè)時，對系統(tǒng)運行時的性能有一定要求，滿足如下響應(yīng)速度、用戶并發(fā)數(shù)以及資源利用率等方面的性能要求[4]：

1.主程序加載時間<2s。

2.監(jiān)測信息的滾動條反應(yīng)時間小于2秒。

3.等值線分析響應(yīng)時間小于2秒。

4.色斑圖分析響應(yīng)時間小于2秒。

5.B/S系統(tǒng)滿足不同級別至少300個用戶使用系統(tǒng)，至少100個并發(fā)訪問數(shù)量。

6.當(dāng)數(shù)據(jù)錄入操作時應(yīng)無等待時間。

7.日常操作的顯示響應(yīng)時間不大于2秒。

8.復(fù)雜圖表的顯示響應(yīng)時間不大于5秒。

9.日常查詢、統(tǒng)計和分析的響應(yīng)時間不大于5秒。

10.產(chǎn)品加工制作響應(yīng)時間不大于3秒。

為保證系統(tǒng)的正常運行，確保系統(tǒng)能達(dá)到需要的性能要求，在系統(tǒng)建設(shè)時滿足如下系統(tǒng)公共功能性能指標(biāo)：

1.數(shù)據(jù)讀取性能指標(biāo)

系統(tǒng)在氣象專業(yè)數(shù)據(jù)讀取中，根據(jù)不同的氣象數(shù)據(jù)設(shè)置不同的性能指標(biāo)。

2.數(shù)據(jù)操作性能指標(biāo)

系統(tǒng)在對實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、更新、刪除和導(dǎo)入操作時，反應(yīng)時間根據(jù)對象數(shù)據(jù)量的不同而不同，在表記錄1000000條的條件下對數(shù)據(jù)操作設(shè)置以下性能指標(biāo)（見表1）。

3.數(shù)據(jù)監(jiān)測性能指標(biāo)

對于氣象觀測數(shù)據(jù)等產(chǎn)品的數(shù)據(jù)監(jiān)測，需要高效、規(guī)范的數(shù)據(jù)訪問接口服務(wù)。

根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型設(shè)置不同的監(jiān)測性能指標(biāo)（見表2）。

4.系統(tǒng)整體性能指標(biāo)

產(chǎn)品自動生成性能指標(biāo)：產(chǎn)品所需資料收集完備后，1分鐘內(nèi)完成識別產(chǎn)品自動生成。按指定格式生成產(chǎn)品時間小于等于2秒。

數(shù)據(jù)并發(fā)訪問性能指標(biāo)：分布式數(shù)據(jù)監(jiān)測可同時支撐大于45個數(shù)據(jù)并發(fā)訪問。

B/S系統(tǒng)滿足不同級別至少2000個用戶使用系統(tǒng)，至少100個并發(fā)訪問數(shù)量。

5.系統(tǒng)的可用性[5]

系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點采用冗余配置，任何時刻都能保證主備機(jī)的互相切換，切換時無擾動，熱備用計算機(jī)切換時間小于60秒。

五、系統(tǒng)創(chuàng)新點

通過設(shè)計和建設(shè)南昌市氣象綜合觀測業(yè)務(wù)監(jiān)控系統(tǒng)，將各類業(yè)務(wù)工作和重點區(qū)域環(huán)境監(jiān)控融合在一起，突出綜合性、集約性原則，針對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的保障工作做出了如下創(chuàng)新：

（一） 使用數(shù)字KVM遠(yuǎn)程監(jiān)控

通過在各臺站ISOS業(yè)務(wù)電腦部署KVM分機(jī)，同時在市局管理中心部署數(shù)字KVM管理系統(tǒng)對各臺站數(shù)字KVM設(shè)備通過IP網(wǎng)絡(luò)操作，一鍵登錄異地臺站ISOS業(yè)務(wù)電腦，觀測人員無法趕赴臺站時可由市局通過遠(yuǎn)程協(xié)助方式處理緊急情況。

（二）國家站數(shù)據(jù)異地4G備份路線改造

對場外串口服務(wù)器中光電轉(zhuǎn)換器進(jìn)行改造，增加支持4G網(wǎng)絡(luò)的DTU單元，基于IPsecVPN隧道協(xié)議建立自動站采集板到市局業(yè)務(wù)電腦的點對點4G傳輸。當(dāng)本地傳輸路線中斷時，自動切換到4G路線將報文數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞芯止芾碇行模M(jìn)行遠(yuǎn)程備份，保障數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)臺站氣象觀測數(shù)據(jù)異地備份。

六、結(jié)語

系統(tǒng)設(shè)計針對目前綜合觀測各類業(yè)務(wù)需求點開展，對于地面觀測業(yè)務(wù)的資料傳輸由低效率的人工監(jiān)控轉(zhuǎn)變?yōu)?×24小時自動監(jiān)控，并且監(jiān)控內(nèi)容精確到每一分鐘數(shù)據(jù)、burf文件上傳情況和網(wǎng)絡(luò)線路情況。一旦出現(xiàn)傳輸故障，業(yè)務(wù)和管理人員無論身在何處都會在幾分鐘內(nèi)收到警報提醒，使保障人員能夠在最短的時間內(nèi)高效率介入，恢復(fù)業(yè)務(wù)運行，對業(yè)務(wù)質(zhì)量提升意義明顯。業(yè)務(wù)人員可以對異地?zé)o人臺站的所有實時狀態(tài)隨時了解，及時發(fā)現(xiàn)隱患并可迅速排除，可以有效保障業(yè)務(wù)穩(wěn)定運行。對各類突發(fā)應(yīng)急狀況都做了應(yīng)急備份方案，一旦發(fā)生故障，可以隨時切換到備份方案上，給保障人員爭取處理時間。

參考文獻(xiàn)

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[4]全國信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.計算機(jī)軟件可靠性和可維護(hù)性管理：GB/T 14394-2008[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[5]全國信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.計算機(jī)軟件需求規(guī)格說明規(guī)范：GB/T 9385-2008[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

責(zé)任編輯：張津平