“互聯(lián)網(wǎng)+智慧氣象”眾創(chuàng)平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)

王興 卞浩瑄 曾康 王暉

摘要：隨著我國社會氣象服務(wù)事業(yè)和商業(yè)氣象服務(wù)市場的不斷發(fā)展，“互聯(lián)網(wǎng)+氣象+專業(yè)服務(wù)”的模式愈發(fā)受到氣象敏感行業(yè)和市場的關(guān)注。對我國氣象服務(wù)現(xiàn)狀做了簡要分析，提出構(gòu)建智慧氣象業(yè)務(wù)與服務(wù)眾創(chuàng)平臺，著重闡述了“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下智慧氣象服務(wù)眾創(chuàng)平臺的總體架構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)，總結(jié)了眾創(chuàng)平臺的應(yīng)用場景和應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：“互聯(lián)網(wǎng)+”；智慧氣象；眾創(chuàng)；氣象服務(wù)；氣象業(yè)務(wù)

中圖分類號：TP393文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2019）23-59-3

0引言

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”[1-2]與傳統(tǒng)行業(yè)不斷融合和創(chuàng)新，“互聯(lián)網(wǎng)+氣象”專業(yè)服務(wù)模式的研究愈發(fā)受到各行業(yè)專家和研究人員的重視。聯(lián)合國減災(zāi)辦公室指出，在過去的二十年，因氣象災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)萬億美元[3]。全球氣候變化也正在加大極端天氣事件發(fā)生的概率和影響程度，氣象和氣候?yàn)?zāi)害仍將持續(xù)影響社會的發(fā)展[4]。德國經(jīng)濟(jì)學(xué)家弗里德黑姆·施瓦茨（Friedhelm Schwarz）在其報(bào)告中指出，天氣在80%的世界經(jīng)濟(jì)活動中起著關(guān)鍵性作用[5]。

隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化和我國全面深化改革進(jìn)程的不斷推進(jìn)，結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)構(gòu)建“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下智慧氣象服務(wù)[6]，已然成為氣象行業(yè)重點(diǎn)發(fā)展的目標(biāo)和方向。近十年來，我國氣象核心業(yè)務(wù)的技術(shù)水平和服務(wù)能力已取得長足進(jìn)步[7]，但公眾和各個氣象敏感行業(yè)對氣象服務(wù)能力的期望與要求也越來越高，主要是因?yàn)闅庀蠓?wù)模式及服務(wù)能力的提升跟不上社會發(fā)展的節(jié)奏。與一些發(fā)達(dá)國家相比，我國氣象軟實(shí)力不強(qiáng)、科技支撐能力不夠、服務(wù)創(chuàng)新性不足等問題依然突出[8]。當(dāng)前，“互聯(lián)網(wǎng)+智慧氣象”服務(wù)仍有相當(dāng)巨大的發(fā)展空間，而要加速發(fā)展就需要突破現(xiàn)有的一些困難和瓶頸。

1眾創(chuàng)平臺建構(gòu)的意義

2019年上半年的氣象標(biāo)準(zhǔn)化工作報(bào)告中指出，我國氣象業(yè)務(wù)部門長期業(yè)務(wù)化應(yīng)用的氣象觀測設(shè)備品牌和型號種類繁多，數(shù)據(jù)格式、技術(shù)規(guī)范不統(tǒng)一，如不同型號的雷達(dá)往往造成拼圖產(chǎn)品存在失真，進(jìn)而影響后續(xù)雷達(dá)預(yù)報(bào)等業(yè)務(wù)的準(zhǔn)確性。智慧氣象業(yè)務(wù)與服務(wù)眾創(chuàng)平臺（氣象眾創(chuàng)平臺）設(shè)計(jì)并構(gòu)建一套規(guī)范化的數(shù)據(jù)流和中間件，并通過API的方式向用戶提供訪問權(quán)限可控、可監(jiān)管的應(yīng)用程序編程接口。

氣象眾創(chuàng)平臺將整合氣象算法的程序資源，如各類報(bào)文的解碼、譯碼、氣象觀測資料的質(zhì)量控制、天氣雷達(dá)和氣象衛(wèi)星等探測資料的預(yù)處理、常用數(shù)值天氣模式、海洋模式和環(huán)境模式的運(yùn)行維護(hù)及產(chǎn)品輸出等，減少程序重復(fù)編寫所耗費(fèi)的時間和人力投入，同時提供新算法可迭代更新的算法云服務(wù)。

氣象眾創(chuàng)平臺的應(yīng)用能夠極大降低氣象關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)的門檻，最大化賦能個人或初創(chuàng)企業(yè)。他們只需將精力專注于如何改善預(yù)報(bào)預(yù)測的空間分辨率、預(yù)報(bào)的時效性和準(zhǔn)確率以及各類氣象敏感行業(yè)對于氣象新產(chǎn)品的需求，而不必再從各類氣象觀測數(shù)據(jù)的獲取、解碼、譯碼和預(yù)處理等基礎(chǔ)工作做起，極大地提高了新產(chǎn)品研發(fā)和測試的效率。

2氣象眾創(chuàng)平臺的架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1平臺總體架構(gòu)

氣象眾創(chuàng)平臺的建設(shè)是一項(xiàng)集氣象計(jì)算環(huán)境基礎(chǔ)搭建、氣象關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和智慧氣象服務(wù)推廣于一體的系統(tǒng)性工程。在核心技術(shù)層面，平臺建設(shè)重點(diǎn)統(tǒng)合全球多源氣象大數(shù)據(jù)資源，加強(qiáng)氣象關(guān)鍵技術(shù)科研轉(zhuǎn)化力度，突出氣象服務(wù)和專業(yè)化、精細(xì)化產(chǎn)品的眾創(chuàng)、共享。在功能方面，除了整合天氣數(shù)值預(yù)報(bào)、短時臨近預(yù)報(bào)及災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)等一批現(xiàn)代氣象服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)外，還涉及眾多IT前沿高新技術(shù)，如分布式與并行架構(gòu)、異構(gòu)計(jì)算、多源氣象資料大數(shù)據(jù)挖掘、人工智能識別、云計(jì)算、圖形圖像處理、數(shù)模構(gòu)建及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等。平臺建成后可實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的氣象數(shù)據(jù)應(yīng)用、氣象科學(xué)技術(shù)成果轉(zhuǎn)化、氣象服務(wù)眾創(chuàng)、成果共享以及智能服務(wù)。

2.2平臺功能結(jié)構(gòu)

氣象眾創(chuàng)平臺的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括多源氣象資料融合處理、數(shù)值模式、天氣監(jiān)測預(yù)報(bào)、環(huán)境監(jiān)測預(yù)報(bào)、海洋監(jiān)測預(yù)報(bào)以及系統(tǒng)監(jiān)控管理等系統(tǒng)層級部件。

多源氣象資料融合處理模塊主要負(fù)責(zé)氣象數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理、多源氣象資料質(zhì)量控制以及資料的融合和網(wǎng)格化處理。其中，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理包括數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控、數(shù)據(jù)接收通知、缺失告警、人工補(bǔ)正、數(shù)據(jù)前處理、格式轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)解析入庫等功能。數(shù)據(jù)存儲與分發(fā)支持并行或分布式文件系統(tǒng)，數(shù)據(jù)并發(fā)訪問支持高吞吐量、高容錯的性能要求。

數(shù)值模式模塊主要負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)上常用的資料同化、天氣模式、海洋模式、模式產(chǎn)品釋用等業(yè)務(wù)功能的部署和基本參數(shù)優(yōu)化，利用虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)值模式的柔性副本，用戶通過本平臺的API靈活配置，搭建滿足個性化需求的數(shù)值模式輸入資料、模式參數(shù)、計(jì)算處理過程以及輸出產(chǎn)品，且各個副本之間相互獨(dú)立，可極大降低普通用戶對于數(shù)值模式軟件系統(tǒng)運(yùn)維的時間成本和復(fù)雜性。

天氣監(jiān)測預(yù)報(bào)模塊由災(zāi)害性天氣智能識別、預(yù)警、定量降水預(yù)報(bào)、臺風(fēng)監(jiān)測預(yù)報(bào)和精細(xì)化要素預(yù)報(bào)等核心業(yè)務(wù)功能組成。災(zāi)害性天氣智能識別和預(yù)警主要利用天氣雷達(dá)等探測資料，以該專業(yè)領(lǐng)域主流算法和理論為支撐，研發(fā)更先進(jìn)的災(zāi)害性天氣智能識別預(yù)警算法模型，提高判別龍卷、中氣旋、冰雹、雷暴、強(qiáng)對流大風(fēng)和下?lián)舯┝鞯葹?zāi)害性天氣現(xiàn)象的時效性和準(zhǔn)確性，為智慧氣象、民用航空氣象和農(nóng)業(yè)氣象等應(yīng)用領(lǐng)域提供初級產(chǎn)品，平臺用戶可在此基礎(chǔ)上研發(fā)更加豐富、更加精細(xì)化和個性化的預(yù)報(bào)預(yù)警產(chǎn)品。

環(huán)境監(jiān)測預(yù)報(bào)模塊主要由空氣質(zhì)量監(jiān)測、大氣成分分析、空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)、預(yù)報(bào)結(jié)果檢驗(yàn)和大氣污染物預(yù)警等核心業(yè)務(wù)功能模塊組成。利用激光雷達(dá)等設(shè)備對空氣質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和分析，并提供精細(xì)、準(zhǔn)確的空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)和空氣質(zhì)量變化趨勢。

海洋監(jiān)測預(yù)報(bào)模塊主要由海洋要素預(yù)報(bào)、海洋短期天氣預(yù)報(bào)、近海風(fēng)能指數(shù)和海洋預(yù)報(bào)檢驗(yàn)等核心業(yè)務(wù)功能組成。根據(jù)大氣科學(xué)、海洋科學(xué)相關(guān)理論和前期成果，研發(fā)相關(guān)的算法模型對近海地區(qū)未來的天氣做出分析和預(yù)測，并在此基礎(chǔ)上采用卡爾曼濾波釋用（KLM）、最優(yōu)集成預(yù)報(bào)（OCF）及模式輸出統(tǒng)計(jì)（MOS）等技術(shù)方法進(jìn)行客觀化預(yù)報(bào)產(chǎn)品釋用，并實(shí)現(xiàn)浪、潮、涌和洋流等海洋要素的預(yù)報(bào)。

系統(tǒng)監(jiān)控管理模塊負(fù)責(zé)對該平臺的業(yè)務(wù)運(yùn)行狀況、作業(yè)調(diào)度情況、系統(tǒng)運(yùn)行狀況等進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和管理，并對平臺的用戶信息、角色信息、權(quán)限配置、日志管理和產(chǎn)品配置等進(jìn)行統(tǒng)一管理和維護(hù)。

3應(yīng)用

眾創(chuàng)平臺的用戶包括2類，一類是直接用戶，根據(jù)平臺賦予的權(quán)限，能夠訪問平臺提供的產(chǎn)品及應(yīng)用服務(wù)；另一類是依托眾創(chuàng)平臺進(jìn)行二次研發(fā)的用戶，他們能夠自主開發(fā)精細(xì)化的氣象要素預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，如實(shí)現(xiàn)基于氣象云的格點(diǎn)預(yù)報(bào)和實(shí)時訂正，實(shí)現(xiàn)基于多維度的以格點(diǎn)、站點(diǎn)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的處理和共享，實(shí)現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)及產(chǎn)品更新的一體化、全要素、全時序及多級協(xié)同預(yù)報(bào)服務(wù)流程，進(jìn)而達(dá)到氣象預(yù)報(bào)專業(yè)技術(shù)能力相互促進(jìn)提升與成果共享的目標(biāo)。

氣象業(yè)務(wù)人員通過該平臺成功注冊并獲取某些功能模塊的使用授權(quán)后，便能訪問相應(yīng)的產(chǎn)品，產(chǎn)品的形式包括平臺生成的氣象數(shù)據(jù)、圖表以及基于Web的軟件系統(tǒng)，同時可檢索或下載感興趣的產(chǎn)品。

對于科研人員，他們不僅能夠訪問權(quán)限內(nèi)的平臺產(chǎn)品，還能在平臺上編寫自己的算法程序，平臺通過虛擬化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)不同用戶平臺的硬盤存儲空間、CPU、內(nèi)存等硬件資源相互獨(dú)立和隔離，既有效保護(hù)每位用戶的知識產(chǎn)權(quán)，又利于平臺硬件資源的合理分配和監(jiān)控。

直接用戶中還有一類屬于高級用戶，他們的真實(shí)身份可以是有氣象理論知識和軟件開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的個人，也可以是其他軟件公司、科研院所或氣象業(yè)務(wù)部門的工作人員，他們可基于平臺的各個功能、模塊和子系統(tǒng)，“繼承式”地定制開發(fā)滿足個性化需求的軟件功能、軟件模塊或軟件子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于該平臺的二次開發(fā)，二次開發(fā)的產(chǎn)品可為氣象業(yè)務(wù)部門、民航氣象部門、新能源氣象部門及各個氣象敏感行業(yè)提供服務(wù)。例如，在智慧農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)方面，依托眾創(chuàng)平臺，開發(fā)人員可進(jìn)一步開發(fā)格點(diǎn)化農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)、農(nóng)用天氣預(yù)報(bào)等功能模塊，為春玉米、冬小麥、水稻等作物生長狀況提供更加精細(xì)化、客觀化的氣象服務(wù)。

眾創(chuàng)平臺的用戶可以靈活選擇是否將二級開發(fā)的源代碼、算法程序或產(chǎn)品進(jìn)行公開和分享，成果分享支持有償和無償?shù)姆绞剑瑢τ谟袃敺窒恚渌脩敉ㄟ^付費(fèi)使用，其所產(chǎn)生的收益將反饋給分享的用戶。

4結(jié)束語

“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下的智慧氣象業(yè)務(wù)與服務(wù)眾創(chuàng)平臺，能夠降低氣象關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)的門檻，提高新產(chǎn)品研發(fā)和測試的效率，實(shí)現(xiàn)氣象關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)的眾創(chuàng)，打造氣象API共享經(jīng)濟(jì)，并且整合氣象基礎(chǔ)算法和產(chǎn)品，讓用戶致力于面向防災(zāi)減災(zāi)和民生需求，以發(fā)展高影響天氣預(yù)報(bào)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警為目標(biāo)，將研發(fā)重心專注于市場各個氣象敏感行業(yè)的需求以及新技術(shù)的研發(fā)，跟進(jìn)社會發(fā)展及各個行業(yè)對氣象服務(wù)的更高要求。

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