基于MICAPS核心的數值預報資料下載處理系統的設計與開發

張琰，俞霄靚，梁欣，吳啟楦

（中國民用航空西北地區空中交通管理局，陜西 西安 710082）

基于MICAPS核心的數值預報資料下載處理系統的設計與開發

張琰，俞霄靚，梁欣，吳啟楦

（中國民用航空西北地區空中交通管理局，陜西 西安 710082）

通過分析MICAPS系統核心的dataCMACAST軟件，得到數值預報解碼程序參數，利用C#語言和XML技術，設計開發數值預報資料下載處理系統。該軟件能自動、定時從遠程數據服務器下載數值預報資料，解碼處理并記錄日志，供客戶端通過MICAPS軟件調用。并且具備可移植性和對不同平臺的兼容性，對數值預報資料類型可以通過XML配置文件做到增、刪、改。

MICAPS；DataCMACAST；數值預報；XML

0 引言

MICAPS（Meteorological Information Comprehensive Analysis and Processing System，氣象信息綜合分析處理系統）是我國氣象預報現代化業務系統的重要組成部分。于1994年開始開發，1997年第一版問世，2007年發布了MICAPS 3.0正式版本，并于2009年發布了MICAPS 3.1測試版。MICAPS客戶端可以顯示和處理氣象觀測數據、圖形產品、數值預報格點資料、為繪制天氣圖和制作預報產品而進行交互操作。新版MICAPS系統提供了本地數據管理能力，設置靈活，二次開發十分方便，對建立基于MICAPS第三版的業務流程提供了方便[1]。

本文主要介紹了數值預報資料下載處理系統的設計與開發。該軟件通過分析MICAPS核心下載處理軟件dataCMACAST的運行情況，整理得到解碼程序的運行參數。基于解碼程序，采用C#語言編寫了下載處理軟件，該軟件可與dataCMACAST進行對接，定時對數值預報資料進行下載與處理，解決原軟件運行不穩定的問題。

1 現狀及問題

1.1 現狀

MICAPS 3.1系統所提供的豐富的氣象觀測數據、圖形產品以及數值預報產品已成為民航西北地區空管局氣象中心制作天氣預報的重要參考來源，大幅度提高了天氣預報的準確性和實時性，成為預報工作不可缺少的參考資料。

目前，MICAPS的數據源是由陜西省氣象局提供的世界數值預報產品，通過陜西省氣象局到西安咸陽機場民航西北空管局氣象中心數據庫機房鋪設的一條10M專線引接。在西北空管局氣象中心數據庫機房架設一臺MICAPS資料服務器，通過MICAPS系統自帶的后臺資料下載軟件dataCMACAST將原始數值預報產品下載至本地，經過解析處理進程將原始資料解碼后在前臺顯示。同時，將MICAPS解碼后的資料共享到氣象中心預報室的MICAPS客戶端上顯示。

1.2 存在問題

MICAPS系統引入以后，以其信息量大、檢索方便等特點，對氣象預報發揮著重要作用。然而，在日常工作中，我們發現該系統有以下幾點缺陷：

第一，由于MICAPS后臺的dataCMACAST資料下載進程24小時持續運行，長時間占用大量計算機CPU及內存資源，不能有效釋放系統硬件資源，會造成系統經常性死機，使得預報產品不能及時下載處理，嚴重影響預報工作。第二，MICAPS系統自帶的資料下載進程僵死會導致監控程序和解碼處理程序僵死，因此不能及時發現數據缺失。第三，MICAPS系統缺少日志功能，不能及時記錄系統運行信息，在系統出現錯誤時運維人員不能查找出問題所在，對系統進一步開發不利。

針對出現的諸多問題，對現有MICAPS系統的進一步開發缺少參考資料，并且開發周期較長，不能立即解決資料缺失問題，因此經過對MICAPS系統的結構分析，重新開發了一套基于C#的資料下載處理程序，與原MICAPS系統核心的dataCMACAST后臺解碼進程對接。

2 設計目標

在軟件開發過程中，軟件的復雜性是基本特征，主要有4個原因：問題域的復雜性、管理開發過程的困難性、通過軟件可能實現的靈活性以及刻畫離散系統行為的問題[2]。該軟件的設計采用面向對象的設計方法，通過分解復雜系統，利用類的抽象、封裝和繼承得到較小的系統，從較小的系統開始增量式推演。軟件的設計要求在不影響原有系統的情況下，做到自動、定時下載并解碼數值預報資料；在遇到資料不及時或系統故障時，記錄日志用于故障排查；同時要求具備可移植性和對不同平臺的兼容性；并且預留用戶操作接口，對數值預報資料類型做到可增、刪、改。

針對上述要求，在軟件開發中采用XML作為數據文件的描述方式，抽象出數據的基本信息，如遠程FTP地址、文件名、后處理程序等，便于描述新的數據。同時與dataCMACAST軟件對接，利用現有的解碼程序，對數值預報資料進行解碼處理。

3 系統設計

3.1 系統分析

MICAPS系統主要包括數據服務器、應用服務器和客戶端三部分，系統結構圖如圖1所示。

原MICAPS數值預報資料系統利用dataCMACAST軟件從陜西省氣象局FTP服務器下載氣象預報資料，進行本地解碼處理，供航空預報人員調取使用，主要預報產品如表1所示。

圖1 MICAPS系統結構圖

表1 主要數值預報產品類型和時次

dataCMACAST資料下載與解碼工作流程如下，利用MicapsDateSchedule.exe從遠程數據服務器下載資料，放入用戶設定好的本地目錄D：MSERVER1D，運行后臺相應的解碼程序，對本地目錄下的數值預報資料進行解碼處理，轉換格式，放入用戶設定的解碼后的目錄D：MSERVER1MICAPS，由客戶端的用戶登錄相應資料目錄查看。用戶通過MicapsDataServerConfig.exe程序對資料下載的時次、文件名、下載頻率、解碼程序等進行配置，同時下載后調用datatran目錄下的解碼程序對資料進行解碼處理[3]。主要解碼程序和參數如表2所示。

數值預報解碼程序為批處理文件，運行時需要傳遞參數，表中“FilePath”表示下載后的原始資料存放目錄，“TargetPath”表示解碼后的資料存放目錄，“process_date”表示運行時當前系統時間，格式為yymmddhh（年年日日月月時時）。

3.2 軟件架構設計

由圖2可以看出，軟件需要解決的問題是從數據服務器上下載數值預報原始格點場資料，在應用服務器上進行解碼，處理后放入共享目錄，供客戶端的MICAPS軟件調用顯示。

表2 dataCMACAST軟件解碼程序及參數說明

圖2 MICAPS系統運行結構簡圖

由于軟件搭建在應用服務器上，使用者只是管理員或設備維護者，并不面向廣大氣象預報用戶，所以開發采用基于客戶端的C/S架構，安全性能可以很容易保證，由于只有一層交互，因此響應速度較快。這種體系的數據應用系統的優勢在于開發周期較短，能夠適應大部分中小型數據庫應用系統的要求[4]。數值預報資料每天固定時次制作，下載與處理沒有必要一直占用系統資源，所以開發中考慮根據資料時次定時下載的方式，在下載完畢結束程序，釋放系統資源，保證程序長時間穩定運行。同時，軟件通過調取dataCMACAST原有解碼程序，對資料進行解碼轉換。物理結構如表3所示。

表3 GAT軟件目錄

3.3 功能模塊劃分

該軟件的功能模塊劃分如圖3所示，共分為定時任務模塊、批處理模塊、配置模塊、XML處理模塊和GATinvent 5個主要模塊。

（1）定時任務模塊：該模塊根據數值預報資料時次，定時啟動對應的批處理模塊。

（2）批處理模塊：該模塊根據氣象數值預報產品類型，將對應的數值預報資料配置文件（XML格式）以參數形式傳遞給下載處理程序，進行封裝。

（3）配置模塊：該模塊分為綜合配置模塊和數值預報資料配置模塊。用于存放軟件運行的參數配置，采用XML語言編寫，每個文件為一個單獨的XML文件，具備可擴展、可維護性。其中綜合配置模塊包含數據服務器的FTP地址、用戶名、口令、解碼后資料存放目錄、解碼程序絕對路徑。數值預報資料配置模塊包括資料時次、資料下載目錄、本地存儲路徑、日志存放目錄、文件名模板、文件名篩選關鍵字。

圖3 GAT功能模塊劃分示意圖

（4）XML處理模塊：該模塊對XML文件進行讀取和處理，提取配置模塊的相應參數轉化為程序運行的變量，同時根據文件名篩選關鍵字生成篩選關鍵字矩陣，用于和數值預報資料的文件名進行對比和匹配。

（5）日志記錄模塊：該模塊根據不同數值預報資料類型創建不同的日志文件（TXT格式），生成日志頭，對資料下載與處理過程中的情況進行記錄，將下載的所有文件名和異常故障寫入日志，供管理員日常維護使用。

（6）GET下載模塊：該模塊根據配置參數和系統時間，連接遠程數據服務器，根據文件名篩選，下載當天對應的數值預報資料，放入應用服務器的本地目錄進行存儲，為解碼提供數據源。

（7）數值預報資料解碼模塊：該模塊根據配置模塊的參數和系統時間，利用原dataCMACAST軟件相應解碼程序，對應用服務器上的數值預報原始格點場資料進行解碼處理，放入解碼后的目錄，供MICAPS3.1軟件調用。

其中，日志記錄模塊、GET下載模塊和數值預報資料解碼模塊由GATinvent模塊封裝，減少軟件變量的傳遞、提高模塊之間的內聚性。

3.4 系統運行流程

以歐洲中心數值預報資料下載處理為例，圖4為系統運行流程圖，進行說明定時任務啟動歐洲中心數值預報資料的批處理文件ecmwf08.bat，提取批處理文件參數ecmwf08.xml并啟動下載處理主程序；XML文件模塊根據歐洲模式XML配置文件和軟件綜合配置文件APP.config獲取XML信息，轉化為程序運行中的變量，并創建日志，開始記錄下載與處理的情況；根據XML文件中的文件名篩選項，下載程序根據相應類型下載數值預報資料，下載后交由解碼模塊處理；解碼程序通過參數判斷是否為T639資料，根據解碼規則對資料進行格式轉換，并記入日志，主程序結束。

（1）綜合配置文件APP.config：軟件啟動后的初始化配置，包含用戶口令配置和一些路徑配置信息，下述為APP.config配置模板：

說明：

①IP：遠程數據服務器IP

②ID：用戶名

③Passwd：口令

④TargetPath：目標路徑，如D：MSERVER1MICAPS

⑤ProcessPath：解碼程序目錄，如D：dataCMACAST1.9datatran

（2）數值預報資料配置文件：下載解碼時調用的參數配置，XML格式，包含不同數值預報產品的配置信息，下述為數值預報資料配置模板：

圖4 GAT系統運行流程圖

以歐洲中心數值預報資料配置ecmwf08.xml為例作說明：

①數值預報資料名：ecmwf08

②check：資料時次為UTC時間，如“00”或者“08”。

③RemotePath：數據服務器遠程路徑，如/bexa/grib/ ecmf/。

④FilePath：下載后文件存儲路徑，如D：MSERVER1D awdatadvbs wpecmwf

⑤LogPath：日志存放目錄，如D：GATLOGecmwf_ Log.txt

⑥文件名模板：文件名中年用“yyyy”，月用“mm”，日用“dd”表示，如

A_HVLY85ECMFddhh00_C_ECMF_yyyymm20184751.bin

⑦ProcessName：解碼程序名，如clec08.bat

⑧NameH0：文件名篩選關鍵字，如num=“31,1”value=V,T,U,P,R,H；num=“8,4”value=ECMF。

（3）計劃時間：安排定時任務的啟動時間，具體安排如表4所示：

表4 數值預報資料下載處理時間計劃表

其中“-22”的負號表示前一天22點UTC。

4 結果與改進建議

軟件具備日志記錄功能，在運行中會生成下載與處理的日志信息，圖5為軟件運行中生成的文件名信息和解碼信息日志。客戶端的MICAPS軟件可以調取解碼后的數值預報資料，并進行圖片展示，如圖6所示。由圖5可以看出，該軟件能夠及時下載計劃時次的數值預報資料，解碼轉換為MICAPS客戶端可調用的資料類型。運行至今，沒有程序僵死或運行不穩定現象。

軟件改進建議：

①數值預報資料類型有待進一步擴充，根據XML的可擴展性，增加更多資料類型。

圖5 歐洲模式數值預報資料下載處理日志

②目前基于C/S控制臺結構，由于無需人為干預，軟件定時啟動，無操作界面。以后可以考慮制作軟件界面，對資料的下載與處理進行監控。

③軟件設計時同一類型數值預報資料日志記錄到同一份文件中，沒有自動清除功能，當日志文件過大時，需要手工清除，今后可以考慮增加日志自動清除功能。

5 結語

本文基于MICAPS系統dataCMACAST軟件，利用面向對象的分析方法，設計開發了C/S架構的數值預報資料下載與處理軟件，解決了系統僵死造成資料不及時和系統維護缺少日志的問題。采用XML語言對數值預報資料類型做到增刪改，系統運行穩定，能夠為預報工作提供有力保障。

圖6 MICAPS客戶端調取預報資料截圖

[1] 李月安，羅兵，曹莉等.MICAPS 3.1用戶使用手冊[M]，2009：24～34

[2] Grady Booch,Robert A.Maksimchuk,etc.Object-Oriented Analysis and Design with Applications[M]，2012：7～20

[3] MICAPS數據服務器說明書[Z]，2010：1～35

[4] 俞霄靚，陳齊亞，黎巍.基于Web的民航氣象信息服務系統的改造[J]，2011

Design and Development of the Numerical Forecast Products Processing System Based on MICAPS Core Software

ZHANG Yan，YU Xiao-liang，LIANG Xin，WU Qi-xuan
（Air Traffic Management Bureau of Northwest Regional of CAAC，Xi'an 710082）

By analyzing dataCMACAST,MICAPS core software,parameters of the numerical forecast decoding procedures were gotten,which induces to develop the download and processing system of the numerical forecast products by using C#and XML technology.The software has several advantages such as getting data from remote server by auto or timing,decoding and recoding log,call by MICAPS client, compatible with different platform,portability,reversing XML configuration file for getting different types of numerical forecast products.

MICAPS;DataCMACAST;Numerical Forecast;XML

1007-1423（2015）01-0058-07

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.01.014

張琰（1986-），女，陜西西安人，碩士研究生，工程師，研究方向為氣象數值預報應用

俞霄靚（1981-），女，陜西西安人，碩士研究生，工程師，研究方向為計算機應用

2014-11-27

2014-12-15

梁欣（1988-），女，陜西西安人，在讀碩士研究生，工程師，研究方向為計算機應用

吳啟楦（1989-），女，陜西西安人，在讀碩士研究生，工程師，研究方向為計算機應用