基于BUFR消息自動(dòng)站觀測(cè)圖的Web實(shí)現(xiàn)

文/郭士鑫 安衛(wèi)士 滕舟

（浙江省氣象信息網(wǎng)絡(luò)中心 浙江省杭州市 310000）

隨著生活水平的改善，人們對(duì)氣象服務(wù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性要求越來(lái)越高。浙江作為經(jīng)濟(jì)強(qiáng)省和海洋大省，氣象災(zāi)害多發(fā)，氣候變化影響顯著，建立一套氣象預(yù)報(bào)服務(wù)系統(tǒng)十分必要。做好氣象預(yù)報(bào)工作的首要前提就是做好氣象觀測(cè)，而地面氣象觀測(cè)是氣象觀測(cè)的重要組成部分[1]。通過(guò)對(duì)特定范圍內(nèi)地面氣象要素（如溫度、濕度、降水、氣壓、能見(jiàn)度等）連續(xù)、系統(tǒng)的觀察和測(cè)量，形成地面自動(dòng)站海量觀測(cè)大數(shù)據(jù)，從而為氣象預(yù)報(bào)、氣象服務(wù)、氣候分析和科學(xué)研究提供原始資料的支持[2]。

為了更好地支撐全國(guó)氣象預(yù)報(bào)與服務(wù)工作，中國(guó)氣象局國(guó)家信息中心決定構(gòu)建大數(shù)據(jù)云平臺(tái)系統(tǒng)，改變?cè)甲詣?dòng)站實(shí)時(shí)報(bào)文格式為標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)(Bufr-Binary Universal Form for the Representation of Meteorological Data，以下簡(jiǎn)稱(chēng)Bufr 數(shù)據(jù))，并將以往報(bào)文文件通過(guò)FTP 傳輸改變?yōu)锽ufr 數(shù)據(jù)封裝成消息傳輸[3]。

基于此，為了保證自動(dòng)站觀測(cè)要素在省級(jí)落地以服務(wù)本省的氣象預(yù)報(bào)工作，迫切需要建立一套完善的Bufr 消息解碼入庫(kù)系統(tǒng)，并以此搭建一個(gè)完善、友好的web 訪問(wèn)，供預(yù)報(bào)員做好預(yù)報(bào)工作。

1 設(shè)計(jì)思路

由于現(xiàn)在自動(dòng)站觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)Bufr 編碼封裝成消息進(jìn)行傳輸，因此首先需要在最短時(shí)間內(nèi)將Bufr 消息解碼入庫(kù)，形成一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)來(lái)源，并將這些數(shù)據(jù)直觀、便捷的展示給預(yù)報(bào)人員使用。

1.1 開(kāi)發(fā)平臺(tái)選擇

后臺(tái)解碼入庫(kù)系統(tǒng)采用C#窗體程序，自動(dòng)站觀測(cè)要素存放在分布式關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)SQL Server 中，發(fā)布數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口。前端開(kāi)發(fā)基于B/S 架構(gòu)的自動(dòng)站觀測(cè)系統(tǒng), 通過(guò)調(diào)用數(shù)據(jù)接口API，繪制氣象要素圖。

1.2 自動(dòng)站Bufr編碼

Bufr 資料是一系列八位組（一個(gè)八位組=8 比特位）構(gòu)造的連續(xù)比特流組成，是與硬件數(shù)據(jù)表示無(wú)關(guān)的編碼。一份Bufr 資料由一個(gè)或多個(gè)相關(guān)的氣象數(shù)據(jù)子集組成，本文中自動(dòng)站Bufr 編碼數(shù)據(jù)由指示段、標(biāo)識(shí)段、數(shù)據(jù)描述段、數(shù)據(jù)段和結(jié)束段構(gòu)成[4]。每個(gè)字段構(gòu)成內(nèi)容如表1 所示。

與原先自動(dòng)站報(bào)文字符編碼相比，數(shù)據(jù)流編碼的Bufr 數(shù)據(jù)具有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)表示和壓縮能力，適合高頻次的實(shí)時(shí)傳輸，并且由于編碼的人工不可讀性，保證了氣象數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。為了更好的展示Bufr 編碼，對(duì)于數(shù)據(jù)段的編碼如圖1 所示。

圖1 中，以站號(hào)58459 為例，描述符代碼為001001 的一行表示W(wǎng)MO 區(qū)號(hào)，占7 個(gè)寬度值，第二行表示W(wǎng)MO 站號(hào)，其余行類(lèi)同。信息段3 包含了自動(dòng)站所有的觀測(cè)要素資料。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 軟件框架圖

自動(dòng)站觀測(cè)要素通過(guò)消息的形式上行到省級(jí)消息服務(wù)器，采用消息中間件RabbitMq 多線程消費(fèi)消息隊(duì)列中的要素信息[5]。通過(guò)多線程技術(shù)，保證了消息無(wú)堆積，最大程度利用硬件資源，傳輸網(wǎng)絡(luò)為千兆網(wǎng)的TCP/IP 協(xié)議，配合分布式部署的數(shù)據(jù)庫(kù)，保證了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的有效錄入。并且創(chuàng)建監(jiān)控程序，當(dāng)入庫(kù)進(jìn)程異常退出時(shí)，通過(guò)短信貓及時(shí)通知運(yùn)維人員，保證數(shù)據(jù)入庫(kù)的穩(wěn)定性。

表1：自動(dòng)站Bufr 編碼分段

表2：自動(dòng)站觀測(cè)信息鍵表

表3：自動(dòng)站觀測(cè)信息要素表

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)表設(shè)計(jì)

省級(jí)自動(dòng)站數(shù)目多，消息傳輸頻次高，自動(dòng)化觀測(cè)要素Bufr解碼后存儲(chǔ)在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)SQL Server 中，并且全省氣象業(yè)務(wù)單位均從該庫(kù)中讀取觀測(cè)要素信息。高效率的數(shù)據(jù)庫(kù)表設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)性能起著關(guān)鍵作用，解碼入庫(kù)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫(kù)表的設(shè)計(jì)主要遵循以下原則：

圖1：Bufr 編碼數(shù)據(jù)段示意圖

圖2：自動(dòng)站Bufr 消息入庫(kù)程序界面

圖3：浙江氣象自動(dòng)站觀測(cè)圖

2.2.1 建立“鍵-要素”形式窄表

數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，用盡量少的列可以有效提高數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢(xún)效率。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)多列消息時(shí)，可以采用“鍵-要素”拆分表的方法，提取公共元素信息作為鍵表，其他信息作為要素表，用外鍵關(guān)聯(lián)，減少數(shù)據(jù)庫(kù)表列的數(shù)目，提高后臺(tái)訪問(wèn)效率。經(jīng)過(guò)對(duì)自動(dòng)站觀測(cè)要素的分析，每條Bufr 數(shù)據(jù)均包含站號(hào)、站名、經(jīng)度、緯度、站址（省、市、縣/區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)/街道、村/社區(qū)五級(jí)地理位置信息）、設(shè)備狀態(tài)、溫度、濕度、降水、氣壓等要素。因此，解碼入庫(kù)系統(tǒng)中創(chuàng)建四種形式的表結(jié)構(gòu)，第一類(lèi)表為鍵表，主要存儲(chǔ)自動(dòng)站站號(hào)、站名、經(jīng)度、緯度、站址（省、市、縣/區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)/街道、村/社區(qū)五級(jí)地理位置信息）、設(shè)備狀態(tài)等共性信息。并且根據(jù)氣象要素訪問(wèn)習(xí)慣分類(lèi)，第二類(lèi)為溫濕風(fēng)壓要素表，第三類(lèi)為雨量雪深要素表，第四類(lèi)為其他信息要素表。如表2 和表3 分別代表自動(dòng)站觀測(cè)鍵表和要素表。

表2 為自動(dòng)站觀測(cè)信息的鍵表，主要存放自動(dòng)站觀測(cè)的共性信息，省略部分還有站點(diǎn)等級(jí)、站點(diǎn)可用性、站點(diǎn)索引等信息，同一自動(dòng)站每分鐘上行的Bufr 消息，此部分都是相同的。表3 中，第一列StationNum 和表2 的IIiii 列相關(guān)聯(lián)，Web 端查詢(xún)數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)聯(lián)合檢索就可獲取。

2.2.2 創(chuàng)建有效索引

為了提高數(shù)據(jù)庫(kù)的檢索速度，在作為主鍵的列和連接的列上建立唯一索引，加快連接速度；并且根據(jù)用戶(hù)的習(xí)慣，在表2 溫度和表3 降水的列上也創(chuàng)建索引，加快Web 的訪問(wèn)效率。

2.2.3 建立合理的分區(qū)

考慮氣象數(shù)據(jù)都是按照時(shí)間順序劃分的，因此，除了鍵表2 不會(huì)重新創(chuàng)建外，要素表每一個(gè)月重新建立一張同樣結(jié)構(gòu)的新表。同時(shí)對(duì)同一個(gè)月的每張要素表按觀測(cè)時(shí)間列進(jìn)行分區(qū)，每天作為一個(gè)分區(qū)。每個(gè)分區(qū)作為表的一個(gè)子集，都是一個(gè)邏輯實(shí)體，在不影響用戶(hù)感知的情況下，提高了訪問(wèn)效率。

2.3 程序功能界面

解碼入庫(kù)系統(tǒng)中，全省自動(dòng)站每分鐘上行一份Bufr 消息至消息服務(wù)器。Bufr 消息解碼入庫(kù)程序如圖2 所示，其中顯示的信息為Bufr 編碼消息的名稱(chēng)。

打開(kāi)程序后，RabbitMq 自動(dòng)監(jiān)聽(tīng)消息隊(duì)列是否有新消息產(chǎn)生，并將消息數(shù)據(jù)及時(shí)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)。

自動(dòng)站觀測(cè)要素消息隊(duì)列分多路錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，隊(duì)列中無(wú)消息積壓，說(shuō)明了RabbitMq 多線程入庫(kù)程序穩(wěn)定，最大程度上利用了硬件資源。

瀏覽器登錄浙江氣象自動(dòng)站觀測(cè)網(wǎng)，顯示如圖3 所示。

圖3 左側(cè)是自動(dòng)站觀測(cè)要素，如降水、溫度、積雪深度、風(fēng)等資料。圖中顯示的是最近整點(diǎn)氣溫的示意圖，直觀地展示給預(yù)報(bào)人員使用。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)RabbitMq 多線程技術(shù)將Bufr 編碼的自動(dòng)站消息入庫(kù)，提供了及時(shí)有效的氣象數(shù)據(jù)來(lái)源，并采用GDI 技術(shù)，成功在瀏覽器上繪制出自動(dòng)站觀測(cè)要素圖，有效的支持了氣象預(yù)報(bào)、科研人員使用。此外，監(jiān)控程序的創(chuàng)建，減輕了一線運(yùn)維值班值班的壓力，提高了工作效率。軟件運(yùn)行半年以來(lái)，后臺(tái)入庫(kù)時(shí)效性與準(zhǔn)確性得到了保障，前端展示界面也未發(fā)生故障不能訪問(wèn)的情況，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。