基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下氣象觀測體系建設(shè)的思考

簡詠梅

（昌吉州氣象局，新疆 昌吉 831100）

黨的十九大報告提出“數(shù)字中國”“智慧社會”等新的信息化發(fā)展理念，為國家信息化發(fā)展指明了方向，提出了更高的要求。中國氣象局2018年全國氣象局長會議明確提出了到2020年“基本建成適應(yīng)需求、結(jié)構(gòu)完善、功能先進(jìn)、保障有力的，以智慧氣象為重要標(biāo)志的現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)體系、服務(wù)體系、科技創(chuàng)新體系、治理體系”的目標(biāo)，而物聯(lián)網(wǎng)則是提升氣象觀測泛在能力的有效手段，也是現(xiàn)階段推動氣象信息化發(fā)展的重要途徑。

1 物聯(lián)網(wǎng)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)的基本概念

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things），是指物物相連的互聯(lián)網(wǎng)。它包含兩層意思：第一，它的核心和基礎(chǔ)是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上擴(kuò)展和延伸的網(wǎng)絡(luò)；第二，它的用戶端擴(kuò)展和延伸到了任何物與物之間，進(jìn)行廣泛的通信和信息交換［1-4］。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成

物聯(lián)網(wǎng)包含三層體系：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

感知層的主要作用是感知和識別物體，采集和獲取信息。二維碼標(biāo)簽、RFID標(biāo)簽和讀寫器、識讀器、GPS、攝像頭、各種傳感器、傳感器網(wǎng)絡(luò)、M2M終端和傳感器網(wǎng)關(guān)等都屬于感知層范疇［5-7］。

網(wǎng)絡(luò)層是物聯(lián)網(wǎng)成為普遍服務(wù)的基礎(chǔ)性設(shè)施。它包括各種通信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)形成的融合網(wǎng)絡(luò)，以及物聯(lián)網(wǎng)管理中心、信息中心、云計算平臺等利用網(wǎng)絡(luò)能力對海量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行智能化處理的部分。

應(yīng)用層是將行業(yè)專業(yè)技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)深度融合，從而實現(xiàn)廣泛智能化應(yīng)用的解決方案集，它對國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展具有重要而深刻的影響［8-9］。

2 泛在能力

2.1 泛在技術(shù)

泛在技術(shù)，也稱“U網(wǎng)（絡(luò)）技術(shù)”“泛在網(wǎng)（絡(luò)）技術(shù)”，它以無所不在、無所不包、無所不能為基本特征，其目標(biāo)是實現(xiàn)任何時間、任何地點、任何人、任何物都能順暢通信。

2.2 泛在能力

在快速發(fā)展的通信技術(shù)、信息技術(shù)、射頻識別技術(shù)的不斷催生下，這種能夠?qū)崿F(xiàn)人與人、人與物、物與物之間直接交流的泛在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)正逐漸清晰，并走進(jìn)人們的日常生活。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和信息化水平的不斷提高，提升泛在能力，構(gòu)建“泛在網(wǎng)絡(luò)社會”，已成為一些發(fā)達(dá)國家和城市追求的目標(biāo)［10］。

3 氣象觀測的泛在能力

綜合氣象觀測就是對地球氣候系統(tǒng)的大氣圈、水圈、冰雪圈、巖石圈、生物圈等五大圈層的物理、化學(xué)、生物特征及其變化過程和相互作用開展長期、連續(xù)、系統(tǒng)的觀測。眾所周知，氣象觀測所獲取的信息和數(shù)據(jù)是開展天氣預(yù)報預(yù)警、氣候預(yù)測評估及各類氣象服務(wù)、科學(xué)研究的基礎(chǔ)，是推動氣象科學(xué)發(fā)展的原動力。

如果把綜合氣象觀測系統(tǒng)比喻成人的感覺器官，那么它就是我們的眼睛、耳朵和鼻子，能全方位地、直觀地獲取外界信息，并且將信息傳遞到大腦，進(jìn)行一定的加工處理，最終為我們的具體需求服務(wù)。隨著我國計算機(jī)技術(shù)、電子信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等新技術(shù)水平的不斷提升，氣象觀測工作也從以人工觀測為主逐漸向自動化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化觀測發(fā)展。

氣象觀測的泛在能力，實質(zhì)上就是將傳感器網(wǎng)、通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、延伸和識別技術(shù)集成融合構(gòu)建的氣象泛在網(wǎng)，其目的是為用戶提供更好的應(yīng)用和服務(wù)體驗。

4 構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的智能氣象觀測體系

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能氣象觀測體系建設(shè)，就是通過IMST（智能氣象服務(wù)終端）、IMSC（智能氣象服務(wù)中心）組成的智能氣象服務(wù)系統(tǒng)，向用戶提供全面、及時、準(zhǔn)確的氣象信息，并且能夠智能化地分析用戶需要，從而人性化地提供能夠最大限度滿足用戶需求的氣象服務(wù)。

4.1 以數(shù)據(jù)采集為基礎(chǔ)

氣象數(shù)據(jù)采集是構(gòu)建智能氣象觀測體系的基礎(chǔ)，而物聯(lián)網(wǎng)的感知層則是達(dá)到這一目標(biāo)的物質(zhì)保障。

通過在觀測地點、觀測目標(biāo)上安裝二維碼標(biāo)簽和識讀器、RFID標(biāo)簽和讀寫器、GPS、攝像頭、各種傳感器、傳感器網(wǎng)絡(luò)、M2M終端等，采集各類氣象觀測數(shù)據(jù)。目前全國氣象觀測站正在推進(jìn)首次大規(guī)模的氣象觀測設(shè)備二維碼科普標(biāo)識牌懸掛工作，將觀測場內(nèi)所有儀器設(shè)備都掛上最新版的“數(shù)碼身份證”。只需用手機(jī)在就近的一塊儀器標(biāo)識牌上掃一下，立即可以鏈接到百度百科上，氣象儀器設(shè)備的名稱、結(jié)構(gòu)、探測要素、工作原理、監(jiān)測數(shù)據(jù)產(chǎn)品等知識內(nèi)容均可現(xiàn)場了解，儀器設(shè)備的維護(hù)維修變得更加便捷。

在普適計算的環(huán)境中，小型、便宜、網(wǎng)絡(luò)化的信息采集設(shè)備將廣泛分布在日常生活中，計算設(shè)備的尺寸將縮小到毫米甚至納米級，并且不再僅僅依賴命令行、圖形界面進(jìn)行人機(jī)交互，而會更加依賴于“自然”的交互方法。比如利用微型、低價的傳感器，如智能手表、智能手環(huán)、智能運動鞋、谷歌眼鏡等可穿戴設(shè)備，來收集氣象要素，并通過處理器上傳到云平臺，能夠彌補(bǔ)一些邊遠(yuǎn)地區(qū)觀測站點不足、資料不全的缺憾，避免由于氣象數(shù)據(jù)欠缺而造成的氣象服務(wù)偏差［11-12］。

4.2 以云計算為支撐

利用網(wǎng)絡(luò)能力對海量氣象觀測數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行智能化處理，是構(gòu)建智能氣象觀測體系的核心。物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層包括各種通信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)形成的融合網(wǎng)絡(luò)，以及海量信息的智能處理，將是整個氣象觀測服務(wù)網(wǎng)絡(luò)體系的支撐。

隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，從感應(yīng)觀測延伸而來的眾包數(shù)據(jù)成為可能。比如，下雨天，大數(shù)據(jù)可以分析某一時段某一路段的車輛雨刮頻次，以此作為當(dāng)?shù)亟涤炅康膮⒖肌Ｔ谄者m計算的環(huán)境中，氣象觀測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將廣泛普及，在環(huán)保、交通、農(nóng)業(yè)、航空、航天、水利、環(huán)境、電信、電力、能源等領(lǐng)域發(fā)揮作用，人體傳感器網(wǎng)絡(luò)會大大促進(jìn)健康監(jiān)控以及人機(jī)交互等的發(fā)展。各種新型交互技術(shù)（如觸覺顯示、OLED等）將使交互更容易、更方便。

中國氣象局出臺的《氣象大數(shù)據(jù)行動計劃（2017—2020年）》，計劃至2020年將氣象大數(shù)據(jù)云平臺打造成為氣象部門最完備、最權(quán)威的在線數(shù)據(jù)倉庫與數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用的云計算平臺，從而改變傳統(tǒng)氣象數(shù)據(jù)存儲方式，實現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)的科學(xué)決策與服務(wù)。

氣象大數(shù)據(jù)云平臺將由一個國家主氣象數(shù)據(jù)中心、一個國家備份氣象數(shù)據(jù)中心、31個省級數(shù)據(jù)節(jié)點和一個國家級公共云數(shù)據(jù)資源池組成。國家級和省級氣象大數(shù)據(jù)云平臺通過統(tǒng)一的元數(shù)據(jù)管理體系，實現(xiàn)互聯(lián)互通、互為備份、互為服務(wù)。國家級公共云氣象數(shù)據(jù)資源池以目前的“數(shù)值預(yù)報云”為基礎(chǔ)，未來將匯聚氣象服務(wù)大數(shù)據(jù)、社會化觀測資料以及智能網(wǎng)格預(yù)報等各類業(yè)務(wù)服務(wù)產(chǎn)品，與兩個數(shù)據(jù)中心一起形成聯(lián)合數(shù)據(jù)服務(wù)，向全球、全國氣象部門和全社會提供氣象數(shù)據(jù)服務(wù)。

4.3 以需求為導(dǎo)向

為用戶提供更好的應(yīng)用和服務(wù)體驗是智能氣象觀測體系發(fā)展的最終目標(biāo)。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與氣象行業(yè)專業(yè)技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)廣泛智能氣象化應(yīng)用的解決方案集，從而促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是通過在農(nóng)作物大棚中布放環(huán)境監(jiān)測的傳感器，測量大棚內(nèi)溫度、溫度、光照、土壤含水量等數(shù)據(jù)，并通過無線的方式傳送到信息監(jiān)控平臺或管理人員的手機(jī)上，使管理人員能夠及時掌握大棚的生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)對灌溉、卷簾、遮陽網(wǎng)、抽風(fēng)機(jī)等原有控制系統(tǒng)的智能控制，科學(xué)開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動。

物聯(lián)網(wǎng)廣泛應(yīng)用于大氣、生物、土壤、水環(huán)境和災(zāi)害等項目，生態(tài)氣象觀測主要以遙感監(jiān)測為主，地面觀測為輔。地面氣象觀測的主要觀測儀器有渦度相關(guān)通量塔、光合測定儀、土壤鹽分、pH測定儀、土壤蒸滲儀、水位儀等。利用渦度通量塔開展大氣二氧化碳、水汽等的觀測，進(jìn)行大氣與生態(tài)環(huán)境物質(zhì)和能量交換及其相互影響的研究。利用土壤蒸滲儀開展土壤和大氣水分交換及氣候變化等方面的研究。利用遙感開展生態(tài)環(huán)境變化的監(jiān)測，如利用遙感開展森林、草原、濕地、湖泊、荒漠、耕地演變的監(jiān)測，開展生態(tài)環(huán)境變化評估，還可開展大型工程建設(shè)后對環(huán)境生態(tài)的影響評估等。

感應(yīng)數(shù)據(jù)即便是非氣象的，也可用于氣象觀測甚至預(yù)報服務(wù)，氣象感應(yīng)技術(shù)在可穿戴設(shè)備上的實現(xiàn)，方便了人們快速、便捷地獲取有用的氣象信息，使得氣象信息和天氣預(yù)報信息與人融為一體。今后，全天候跟隨、永不掉線的氣象服務(wù)，會伴隨著傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實。

5 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下氣象觀測體系發(fā)展面臨的困難和問題

5.1 網(wǎng)絡(luò)互通問題

有線電視網(wǎng)絡(luò)、固定網(wǎng)絡(luò)、移動網(wǎng)絡(luò)、無線接入等作為基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，必須實現(xiàn)互聯(lián)互通，才能體現(xiàn)泛在網(wǎng)無所不在的基本特征。氣象數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要利用GMS、CDMA和氣象衛(wèi)星等網(wǎng)絡(luò)，建立觀測點與網(wǎng)絡(luò)中心之間的信息傳輸，確保數(shù)據(jù)的安全、可靠和暢通。這就要求打破原有各種網(wǎng)絡(luò)的物理界線，在不同制式的網(wǎng)絡(luò)之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，這涉及到接口標(biāo)準(zhǔn)定義、系統(tǒng)發(fā)行、整體架構(gòu)部署等等一系列問題。氣象部門與網(wǎng)絡(luò)運營商開展合作，建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，屏蔽各種制式網(wǎng)絡(luò)之間的技術(shù)差異，使用戶將注意力集中在服務(wù)上，是首先需要面對的問題。

5.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量問題

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，RFID標(biāo)簽、GPS、攝像頭、傳感器、M2M終端、可穿戴設(shè)備等大量應(yīng)用，氣象觀測數(shù)據(jù)真正實現(xiàn)了海量化。但各種數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，采集方式復(fù)雜多樣，必然造成數(shù)據(jù)質(zhì)量較差、運算困難，需要氣象部門進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范，提高采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量，實現(xiàn)觀測精細(xì)化，并可根據(jù)需要進(jìn)行采集設(shè)備遠(yuǎn)程控制和自檢，提高設(shè)備的穩(wěn)定性，為氣象服務(wù)提供穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)支撐。

5.3 設(shè)備信息管理

設(shè)備信息包括設(shè)備標(biāo)識、設(shè)備類型、設(shè)備功能、設(shè)備位置、傳感網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識等內(nèi)容，未來氣象觀測體系中，傳感器、傳感節(jié)點和傳感網(wǎng)絡(luò)普遍存在多樣性、復(fù)雜性的特點，這就要求設(shè)備信息管理能夠支持管理大量的異類節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)，能夠支持傳感器在網(wǎng)絡(luò)之間移動，并支持傳感器節(jié)點移動時的位置信息管理。這也對氣象觀測設(shè)備管理人員提出了更高的要求。

5.4 業(yè)務(wù)信息管理

業(yè)務(wù)信息庫由物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的眾多信息單元構(gòu)成，存儲了業(yè)務(wù)需求、業(yè)務(wù)標(biāo)識、數(shù)據(jù)類型、業(yè)務(wù)提供者等信息。在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，單個傳感網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)信息可能會被多個不同的應(yīng)用同時調(diào)用，由于不同應(yīng)用的用戶需求并不相同，這就要求氣象觀測服務(wù)體系能夠?qū)ν慌鷤鞲袛?shù)據(jù)根據(jù)不同的需求分類，并進(jìn)行差異化處理。物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)信息管理就是支持不同需求和特性的傳感數(shù)據(jù)的管理方式，需要采用一套標(biāo)準(zhǔn)的業(yè)務(wù)信息庫來發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。

5.5 安全性問題

在普適計算環(huán)境中，物理空間和信息空間實現(xiàn)了深度融合，基礎(chǔ)設(shè)施與移動設(shè)備之間自發(fā)的聯(lián)系與數(shù)據(jù)交換會對數(shù)據(jù)安全、個人隱私造成潛在威脅。由于氣象觀測體系中傳感數(shù)據(jù)的敏感度較高，對于傳感網(wǎng)的應(yīng)用和服務(wù)也提出了較高的安全性要求，傳感網(wǎng)應(yīng)用需要支持密鑰管理，其安全機(jī)制應(yīng)能夠與電信網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制協(xié)同工作。

此外，以人為本是泛在網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)特征，對氣象服務(wù)提供者而言，必須整合各種信息采集設(shè)備、基礎(chǔ)平臺、網(wǎng)絡(luò)資源、應(yīng)用內(nèi)容及解決方案，對使用者而言，必須有一個安全放心的環(huán)境，能夠隨時、隨地、方便、快捷地建立起以自己為中心的信任域來處理事情，隨時隨地存取所需信息。

6 小結(jié)

以智慧氣象為目標(biāo)，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的氣象觀測體系任重而道遠(yuǎn)。隨著人工智能的不斷發(fā)展，未來還要將基于高精度、多要素傳感器技術(shù)的智能氣象觀測與互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)智能處理技術(shù)深度融合，從而實現(xiàn)觀測的智能化感知、智能化響應(yīng)和智慧服務(wù)。