氣象儀器巡檢數據智能采集管理系統的設計與研究

任東冉， 張文亮， 楊盧陽， 王若楠， 衛權崗

(1 鄭州大學 軟件與應用科技學院， 鄭州 450002； 2 河南省氣象探測數據中心， 鄭州 450003)

引言

隨著中國氣象系統的新型自動化氣象站的建成和使用，當前已經逐步實現了地面氣象觀測數據處理的自動化。即氣象數據的聯網收集。地方地面氣象站氣象數據每日定時上傳，數據中心站自動匯總數據、監控數據、分析數據。而地面氣象觀測儀器設備精密，極易受到外界及自身損耗的影響而出現運行故障，降低地面氣象觀測工作質量與數據精度。因此地面氣象站需要依賴于信息傳輸間接反映設備運行狀態的方式和人員定期巡檢查驗地面氣象觀測設備運行狀態的方式來監控氣象觀測設備的實效性和可用性。

目前在人員巡檢工作領域，缺乏系統規劃該方面業務機制的意識，再加上技術手段尚未成熟，存在著因巡檢周期長、地面觀測設備規格、種類繁多，檢測指標多樣造成的檢測拖延、漏檢、錯檢而延誤維修并導致上傳數據異常與數據缺失的情況。氣象觀測站亟需配備研發一個智能、高效的巡檢系統來處理這些問題。當前市面上有很多公司推出了巡檢設備信息的采集平臺，但這種平臺巡檢對象多為電氣工廠，石油天然氣等大型工廠設備，與本次研究指定的設備儀器不符，而且多采用硬件輔助設備巡檢，成本很高。針對上述狀況深入分析后，研究中利用信息網絡技術、數據庫技術、移動通信技術、數據監控分析技術和數據挖掘技術，設計搭建了氣象巡檢數據智能采集管理平臺。

1 系統的技術應用與整體設計

1.1 核心技術簡介

1.1.1 GPS智能識別與記憶

考慮到硬件設備的安裝位置是固定的，且有一些不可變更的信息，如硬件型號、硬件功率、硬件標號等指標，因此為了避免在每一次的巡檢中反復輸入類似信息，研究采用了GPS技術來自動識別巡檢儀器信息，但鑒于傳統的GPS單點定位誤差較大，只適合在大范圍內獲得模糊位置信息。而精密單點定位則先利用全球若干IGS跟蹤站數據計算出精密衛星軌道參數和衛星鐘差，再利用求得的數值結果對單臺接收機采集的相位和偽距觀測值進行非差定位處理[1]。研究可得非差模糊度解算如圖1所示。

圖1 精密單點定位非差模糊度解算

Fig.1Precisionsingle-pointpositioningnon-differenceambiguitysolution

由此，就可利用高精度的精密單點GPS定位，在初次巡檢設備時記錄下該設備的定位信息，而且同時綁定式地儲存一些無法更改的設備屬性，并在數據上傳的過程中自動將其序列化(Serialization)實現持久化保存，這樣在每次巡檢時，采集儀器都會對經緯度信息進行自動分析并且捕捉到該位置的相應儀器，從而展開有關硬件信息的自動填充。

1.1.2 同步過程中的數據加密

在傳輸過程中如果將數據序列化為二進制流而不對其進行加密處理，將極易在外部截獲后被反序列化為原始數據，因此通常都會在數據的傳輸端融入算法加密以保證數據的傳輸安全性[2],本系統使用流行通用的https ssl(Secure Sockets Layer，安全套接層)協議進行數據加密，加密的過程大致可解析為如下步驟：

(1)App客戶端發送請求后，數據庫服務器端使用加密算法以證書的形式返回身份信息。

(2)App客戶端獲取證書后，驗證證書合法性。

(3)App客戶端隨機產生一個密鑰，并以證書中的公鑰加密。

(4)將用公鑰加密后的密鑰傳送給數據庫服務器。

(5)數據庫服務器使用自己的密鑰解密，獲取隨機值。

(6)App客戶端使用密鑰加密所生成的Json字符串或請求，然后與數據庫服務器進行通信。

(7)數據庫服務器使用密匙解密后進行相應處理。

研究過程中的數據加密流程則如圖2所示。

圖2 數據加密傳輸過程Fig. 2 Data encryption transmission process

1.2 客戶端設計

由上文可知，客戶端系統主要是供工作人員在日常定期設備巡檢中用作設備信息的采集終端來定制設計，因此在模塊研發上有針對性地對各類儀器提供分模塊整合處理，將各儀器的常規指標設置為系統中的可選選項，當該指標屬性出現問題時僅需巡檢人員在判斷后應對以可選擇性的填寫和補充。除了設備的損耗和狀態信息之外，系統會在上傳數據時根據當前登錄的用戶名自動獲取到用戶綁定的巡檢人員的信息一并上傳，這樣在巡檢出現問題時巡檢控制中心可以通過綁定的人員信息追查到操作者個人。而一旦在巡檢中出現了一些意外問題(如儀器信號不正常、波動過于頻繁等)，工作人員則可以通過系統中的影像采集和儀器信息附加功能進行詳細的記錄。

當次巡檢結束時，工作人員需主動提交過程巡檢信息，此時移動端設備作為采集器終端向服務器發送傳輸信號，服務器檢測到傳輸信號后將會開啟信息接收，將該次巡檢的全部信息一并持久化保存至數據庫服務器中。

1.3 數據交互設計

數據交互即數據同步，由于在巡檢過程中數據延遲上傳和獲取往往會給巡檢指揮工作帶來很大的問題，因此本系統需要高精度實現對巡檢數據的實時同步,使用系統算法生成的業務標號對數據進行唯一性標示，使服務器間的數據同步性能更趨優良[3]。在巡檢工作中的數據交互主要體現在2個過程中，具體內容如下。

1.3.1 App端數據封裝發送與請求

App端向應用服務器發送認證請求，應用服務器向數據庫服務器申請所接收到的App需要的Access，數據庫服務器返回給應用服務器后，應用服務器將對數據進一步包裝并發送給App應用，App收到Access即獲得了數據庫服務器的訪問權限。其次，App客戶端對所請求或發送數據將同步配設封裝操作，數據封裝技術主要使用符合JSON規范的FastJson將原始數據序列化為Json字符串。Fastjson是一個Java語言編寫的JSON處理器,由阿里巴巴公司開發。JSON易于閱讀和編碼，且是JavaScript規范中的子集，能由支持JavaScript的瀏覽器所規范解析。相比XML，緩解了解析時帶來的性能和兼容性問題。這些特性就使JSON成為理想的數據交換語言[4]。

1.3.2 服務器端數據處理和數據封裝發送

服務器端需要對接收到的App客戶端Access進行檢驗，如果Access正確，發送證書，然后依次展開Https ssl規范操作，進行數據通信，使數據庫服務器端的數據封裝和App客戶端一致，同時保證SSL連接是安全的，以確認得到客戶機與服務器之間通信的真實性、機密性、完整性[5]。最后，使用相同的數據抽象結構將Dao層返回的數據序列化為Json字符串，使用密匙加密后進行通信。數據在服務器端和移動端的交互過程如圖3所示。

圖3 App應用與服務器之間的數據交互Fig. 3 App application and server data interaction

1.4 服務器端設計

在功能研發中，該系統的服務器端著重于對接收到的前端數據進行適當的處理統計、將數據持久化至遠端數據庫、并將所需反饋信息返回至移動端程序等主體功能，而又因為這些功能的實現相對來說邏輯較為單一，只需對不同數據進行相同的算法操作，而無需冗余代碼的設計支撐。況且，軟件功能又決定了在同一時間，不可能對服務器發送大量的請求導致服務器堵塞，因此程序的服務器所面臨的負載是很小的。分析至此，就僅需考慮將服務器更加輕量化、各個流程最優化等等的研究問題[6]。

綜上可知，最終在服務器的基本配置上選擇了Linux(centOS)的操作系統，對于項目的承載容器使用了Tomcat輕量級服務器(Apache軟件基金會的Jakarta 項目)，并將版本制定在較為穩定的7.0版本。該版本與之前的版本相比，增強了管理程序和服務器管理程序的安全性、提供一般CSRF保護、支持Web應用中的外部內容的直接引用、并對重構及很多核心代碼做出了全面梳理，這些較為完善的功能足以支撐軟件的正常運行并生成一個良好的安全環境。

在數據庫服務器上，選擇使用了Mysql數據庫(一個關系型數據庫管理系統，目前屬于Oracle旗下產品)。因其具有體積小、速度快、成本低，尤其是開放源碼這些特點，對于本系統來說是一個極為合適的選擇。MySQL默認配置了許多不同的存儲引擎可以預先設置或者在MySQL服務器中啟用。備選類型分別有: MyISAM、InnoDB、MERGE、MEMORY(HEAP)、BDB (BerkeleyDB)、EXAMPLE、FEDERATED、ARCHIVE、CSV、BLACKHOLE[7]。每一種類型均獨具優勢，在不同的開發需求中設定不同的存儲引擎可以在很大程度上調整優化服務器的存儲效能。系統的整體架構如圖4所示。

圖4 系統架構圖Fig. 4 System architecture

2 系統實現

2.1 客戶端實現

為了使客戶端軟件趨于更好的靈活性，可將系統搭建在Android平臺上供一切支持Android系統的移動設備使用。值得一提的是，Android是一個真正意義上的開放性移動設備綜合平臺,其中包括操作系統、用戶界面、中間件和應用程序,并且具備移動電話工作所需的全部軟件,同時其開放性保證該平臺不存在任何掣肘移動產業創新的專有權障礙[8]。基于Android版本使用率的調研結果，研究將開發的最低版本制定在已基本普及的4.0版本。

在頁面的編寫上采用了Android所推薦的XML(可擴展標記語言)技術，如此即可使布局文件的解析更加準確、迅速,并且使各組件的操作更加高效[9]。系統將重點功能分別具體化為數個不同的模塊設計部署在主頁面中，再基于子功能拓展為子頁面中的模塊的原則而生成一系列的嵌套設計，便于在巡檢中的組合使用、以及最大限度地減少使用者的誤操作。基本功能模塊頁面如圖5所示。

當工作人員進行設備損耗信息采集時，系統會自動啟用GPS精準定位分析，智能檢測出當前位置的已在服務器端記錄的儀器信息，實現儀器基本信息的自動填寫。而如果當前設備為初次巡檢，系統會自動記錄下當前設備的GPS定位信息，繼而在最終上傳巡檢信息時一并上傳至服務器并持久化儲存至服務器中。

在最終當次巡檢結束進行信息提交時，系統會根據系統中設置的對象結構將此次的所有設備信息封裝成類對象，并通過Fastjson將對象序列化為二進制流的Json字符串，經過協議加密后向服務器端發送請求并上傳數據。

圖5 移動設備數據收集系統Fig. 5 Mobile device data collection system

2.2 服務器端實現

在服務器的運作方面，由相關的控制器負責實時檢測用戶提交的請求，當接收到移動端發送的請求后，將請求進行解析，提取出其中的請求體(requestBody)部分，而這部分正是前端通過封裝發送過來的JSON實體類所轉化的字符串，服務器的后續過程就是在控制器的函數中進行反解析，得到一個相關的實體(這里需要用到Google公司所提供的Gson工具)，并對實體中的字段進行提取和持久化至數據庫服務器中[10]。當數據庫事務正常提交后，服務器還會追加一個對當次儲存數據的統計分析操作，并將最終的分析統計結果轉化成JSON流的形式，通過HTTP請求返回至移動端設備，作為當次巡檢的反饋信息。

3 結束語

本文根據氣象站對于日常儀器巡檢監控任務分散、監控軟件龐雜、故障處理低效等問題，深入分析

后研究利用信息網絡技術、數據庫技術、移動通信技術、數據監控分析技術和數據挖掘技術，搭建巡檢數據智能采集管理系統，通過系統的智能檢測和自動化分析處理，使日常巡檢中所產生的儀器設備信息記錄變更為電子化，基本解決了人工巡檢中監控能力差、業務分散、保障效率低以及對故障分析不足等缺陷，是促進完善氣象巡檢智能化體系的有效工具。

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