大屏可視化技術(shù)在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用

徐達(dá) 孫超 劉乖乖 郭聰

摘 要 通過Vbi5大屏可視化技術(shù)與市面主流基于B/S架構(gòu)可視化技術(shù)的對(duì)比研究，將Vbi5應(yīng)用在氣象綜合業(yè)務(wù)中，從綜合觀測、預(yù)報(bào)預(yù)測、到公共服務(wù)和信息支撐，生動(dòng)形象的展示在大屏幕上，利用成熟的業(yè)務(wù)系統(tǒng)對(duì)氣象大數(shù)據(jù)分析和計(jì)算的結(jié)果，顯示了氣象資料從采集、傳輸、處理、入庫的全流程信息。采用文字、圖表、Web控件、狀態(tài)進(jìn)度圖的形式展示了數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)流動(dòng)，動(dòng)力環(huán)境，高性能計(jì)算機(jī)上的模式運(yùn)行狀況。Vbi5可視化技術(shù)不光為管理者提供清晰的決策，更為參觀者形象展示氣象業(yè)務(wù)運(yùn)行的全過程。

關(guān)鍵詞 Vbi5；大屏可視化；氣象數(shù)據(jù)

中圖分類號(hào) G2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2019）235-0133-03

1 信息可視化的現(xiàn)狀

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新一輪信息技術(shù)的崛起和深入應(yīng)用，對(duì)氣象大數(shù)據(jù)的分析和展示都充滿了挑戰(zhàn)。如何從海量數(shù)據(jù)中提取出有用信息，從而更好地將氣象資料和業(yè)務(wù)系統(tǒng)串聯(lián)監(jiān)控起來已經(jīng)成為氣象信息中心的一個(gè)熱點(diǎn)問題。

數(shù)據(jù)可視化直觀的將離散數(shù)據(jù)通過圖表清晰的傳遞，尤其在氣象數(shù)據(jù)資料監(jiān)控方面，大屏展示已經(jīng)是不可或缺的一部分，最終目標(biāo)是為用戶清晰直觀的反應(yīng)天氣實(shí)況，快速定位出現(xiàn)告警的氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)。這不僅能夠提高值班人員的工作效益，而且間接帶來巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

數(shù)據(jù)可視化的技術(shù)難點(diǎn)不在于對(duì)數(shù)據(jù)展示的效果，而在于如何將復(fù)雜的氣象業(yè)務(wù)邏輯串聯(lián)起來。在一頁頁的畫面中，如何讓人了解數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)之間的關(guān)聯(lián)，這就需要對(duì)大屏整體的顏色、布局、可視化組件的綜合運(yùn)用。

2 技術(shù)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)

目前市面上主流BS（Browser/Server）架構(gòu)實(shí)現(xiàn)可視化的優(yōu)勢在于，開發(fā)速度快，維護(hù)成本低，共享性強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠在短時(shí)間內(nèi)利用網(wǎng)上現(xiàn)有的可視化組件倉庫構(gòu)建出畫面。但是BS架構(gòu)對(duì)于服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)安全的要求很高。對(duì)于大量數(shù)據(jù)輸入，例如繪制全國近6萬個(gè)地面區(qū)域自動(dòng)觀測站站點(diǎn)地圖分布打點(diǎn)信息，將會(huì)大大增加瀏覽器與服務(wù)器之間的通信，增加數(shù)據(jù)加載和響應(yīng)時(shí)間；同時(shí)，網(wǎng)上開源的可視化組件并不能滿足現(xiàn)有的氣象業(yè)務(wù)需求。

Vbi5基于CS（Client/Server）架構(gòu)的可視化框架，提供總控，地圖分析，實(shí)時(shí)監(jiān)控，匯報(bào)演示等模板，通過多元的組件，穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)通信，安全的數(shù)據(jù)存取，快速的系統(tǒng)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣象業(yè)務(wù)監(jiān)控和氣象信息業(yè)務(wù)全流程可視化的展示。在氣象信息化時(shí)代下，新型的數(shù)據(jù)可視化工具需要有一下特性：

1）穩(wěn)定性：能夠7×24小時(shí)不間斷工作，在網(wǎng)絡(luò)中斷情況下，對(duì)于演示參觀場景依然可以不影響畫面的監(jiān)控、切換，保證屏幕上獲取最近一個(gè)時(shí)次的數(shù)據(jù)。

2）易用性：滿足快速開發(fā)，實(shí)現(xiàn)圖形控件拖拽的方式進(jìn)行畫面構(gòu)建，滿足大數(shù)據(jù)時(shí)代信息多元化的特性。

3）多元數(shù)據(jù)集成支持：除了本地?cái)?shù)據(jù)庫，支持接口采集，網(wǎng)頁嵌入、視屏流的接入多種表現(xiàn)方式。

3 Vbi5大屏可視化技術(shù)

傳統(tǒng)可視化技術(shù)，除了需要工程師熟悉業(yè)務(wù)邏輯外，還需要非常專業(yè)的軟件開發(fā)人員進(jìn)行后端數(shù)據(jù)處理和前端頁面設(shè)計(jì)才能實(shí)現(xiàn)。相較于命令行式的開發(fā)布局，Vbi5通過圖形界面編程提供了更直觀、友好的開發(fā)環(huán)境，幫助非計(jì)算機(jī)專業(yè)的工程師搭建屬于自己的可視化應(yīng)用。

Vbi5支持多種數(shù)據(jù)源的接入，為數(shù)據(jù)信息提供了一個(gè)開源的展示平臺(tái)。能夠接入的數(shù)據(jù)源通過對(duì)關(guān)鍵字進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，邏輯判斷，映射，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣象業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控的需求。

在編輯器中對(duì)數(shù)據(jù)源進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)配置，或?qū)Σ樵兊腟QL語句進(jìn)行封裝處理，配合簡單的Python腳本可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)源中的數(shù)據(jù)快速增刪改查，最后通過可視化組件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行渲染構(gòu)圖，形成一個(gè)專業(yè)的可視化應(yīng)用場景。

Vbi5新增了應(yīng)急數(shù)據(jù)模塊，對(duì)畫面內(nèi)應(yīng)用的數(shù)據(jù)模型做了分表存儲(chǔ)，隔離常規(guī)數(shù)據(jù)模型做二次數(shù)據(jù)備用，提高了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

4 天氣、氣候模式可視化

Vbi5提供個(gè)性化組件，通過綁定數(shù)據(jù)源的形式，實(shí)現(xiàn)前后端交互，通過對(duì)數(shù)據(jù)源中字段的配置添加，展示自己個(gè)性化的應(yīng)用。同時(shí)對(duì)字段值之間的轉(zhuǎn)換，篩選后得到符合業(yè)務(wù)邏輯的圖像，系統(tǒng)支持自動(dòng)檢驗(yàn)邏輯判別式的合法性，校驗(yàn)成功后上傳至后臺(tái)自動(dòng)執(zhí)行。

首先對(duì)業(yè)務(wù)上運(yùn)行的天氣、氣候模式的日志解析，得到每個(gè)模式的運(yùn)行時(shí)次和狀態(tài)，通過Restful接口采集入庫。因?yàn)闅庀箢I(lǐng)域中模式運(yùn)行采用世界時(shí)，而在大屏展示需要用北京時(shí)，通過SQL語句對(duì)采集入庫的數(shù)據(jù)做一個(gè)時(shí)間上轉(zhuǎn)化，畫面中的可視化組件需要綁定經(jīng)過處理后的新數(shù)據(jù)模型而非原始的Restful接口模型，配置cron表達(dá)式修改可視化組件對(duì)數(shù)據(jù)的采集時(shí)間，點(diǎn)擊更新后，得到我們設(shè)計(jì)的可視化應(yīng)用，如圖3所示。

5 基于Vbi5的氣象數(shù)據(jù)大屏可視化

氣象大數(shù)據(jù)可視化主要涉及到對(duì)整個(gè)氣象業(yè)務(wù)的串聯(lián)，通過天、地、空、一體的綜合觀測技術(shù)對(duì)氣象元數(shù)據(jù)的采集；到基于氣象專業(yè)方程和模式計(jì)算的預(yù)報(bào)預(yù)測；將精確的預(yù)報(bào)結(jié)果和預(yù)警信息整合后服務(wù)公眾；依托于高性能、云計(jì)算、龐大的資源池將各個(gè)業(yè)務(wù)穿成一體，形成我們現(xiàn)代信息化的氣象產(chǎn)品。

氣象領(lǐng)域中對(duì)天氣狀況準(zhǔn)確預(yù)報(bào)是我們首要任務(wù)，通過對(duì)氣象數(shù)據(jù)的加工處理，繪制出的一幅幅精準(zhǔn)的氣溫圖，降水圖和風(fēng)場圖，可以動(dòng)態(tài)的傳輸至Vbi5的相關(guān)組件進(jìn)行展示。在后臺(tái)通過對(duì)數(shù)據(jù)分析判斷后綁定在Vbi5的相關(guān)組件上可以達(dá)到對(duì)全國31省氣象設(shè)備的有效監(jiān)控。

如何集成現(xiàn)有的業(yè)務(wù)系統(tǒng)和氣象產(chǎn)品在可視化平臺(tái)中也是我們攻克的難點(diǎn)。Vbi5通過配置Web插件參數(shù)，充分利用圖形工作站的GPU對(duì)檢測場景渲染，減輕了對(duì)CPU和內(nèi)存資源的消耗。同時(shí)利用大屏的視屏處理器，在大屏上進(jìn)行開窗操作，即在現(xiàn)有的畫面上疊加電視信號(hào)，通過氣象頻道實(shí)施反應(yīng)出當(dāng)前的氣象熱點(diǎn)信息。

根據(jù)大屏的分辨率，新建畫面，在畫面中添加圖片，文字，表格等，統(tǒng)一畫面風(fēng)格和屬性，配置相應(yīng)的可視化組件的數(shù)據(jù)源，通過SQL過濾查詢和Python腳本對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，保存發(fā)布后實(shí)現(xiàn)大屏的可視化，如圖4所示。

6 結(jié)論

要想實(shí)現(xiàn)氣象業(yè)務(wù)從數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、存儲(chǔ)、應(yīng)用服務(wù)的全流程可視化監(jiān)控，需要充分利用氣象大數(shù)據(jù)，依托于國家氣象局已建各類軟硬件應(yīng)用系統(tǒng)，包括高性能計(jì)算機(jī)中心、云平臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)施、資源池、中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)、中國氣象局衛(wèi)星廣播系統(tǒng)、氣象觀測系統(tǒng)、氣象通信系統(tǒng)等。基于Vbi5大屏可視化技術(shù)，滿足了氣象數(shù)據(jù)從靜態(tài)、平面的展示到動(dòng)態(tài)、立體渲染的效果，快速高效的反應(yīng)了氣象資料的傳輸?shù)募皶r(shí)性和準(zhǔn)確性，為用戶在氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)系統(tǒng)和統(tǒng)一數(shù)據(jù)環(huán)境的建設(shè)提供運(yùn)行監(jiān)控和保障，對(duì)氣象數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)及其信息支撐提供可視化分析展示，有針對(duì)性的提升數(shù)據(jù)共享服務(wù)能力和數(shù)據(jù)環(huán)境支撐能力，保障和推動(dòng)氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)業(yè)務(wù)的順利開展。

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