地面氣象站BUFR數據傳輸監控報警系統設計與實現

張家斌 鄺美清 李睿 紀嘉雯 黃仁滋

摘要：地面氣象站BUFR數據傳輸監控報警系統依托福建氣象集中監控平臺、ISOS綜合觀測軟件，采用Microsoft Visual Studio設計開發，實現對地面氣象站BUFR數據服務器與本地終端的雙重監控驗證，通過對不同報警類型進行分級分類管理，減少了錯報和誤報次數，提高了臺站地面觀測業務質量。本文分析了地面氣象觀測站現行BUFR數據格式及傳輸方式，指出BUFR數據傳輸在地面氣象觀測業務運行中存在的問題。從解決實際業務需求出發，闡述了地面氣象站BUFR數據傳輸監控報警系統的技術路線和系統結構，有效解決了出現BUFR數據傳輸異常時，臺站應急處置時間不足的問題。

關鍵詞：BUFR;傳輸;監控

中圖分類號：P409 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）09-0170-04

0 引言

世界氣象組織（WMO）定義的FM 94格式——即BUFR格式，是用連續的二進制數據流表示氣象數據，可用于表示數值型或者定性類的數據[1-2]。目前福建省70個國家級地面氣象觀測站全部實現了 “一主一備”雙套自動氣象站運行，其中，4個國家基準站、24個國家基本站、42個國家氣象觀測站全部為華云DZZ5新型自動氣象站。全部臺站的氣溫、濕度、氣壓、風向、風速、雨量（稱重及翻斗）、能見度、降水類天氣現象、日照等氣象要素已實現自動觀測。28個基準站、基本站已實現大型蒸發的自動觀測。福建省地面氣象觀測自動化改革試運行以來，面臨許多不利于BUFR數據穩定傳輸的情況。如不定期出現BUFR分鐘數據文件傳輸失敗、BUFR小時數據文件遲報、缺報等現象，大大影響臺站觀測傳輸質量。從近期異常記錄中可以發現，大部分缺報是因為值守班人員發現異常情況不及時，造成應急處置時間不充足。然而目前常用的省級信息中心監控報警技術，由于服務器端對已接收BUFR數據的監控存在一定的網絡時延，且無法做到實時監控。因此，地面氣象站BUFR數據傳輸監控報警系統的設計，采用服務器端、觀測端交叉監控的方式，觀測端系統可以實時、低時延地監控臺站BUFR數據傳輸情況，服務器端系統可對BUFR小時數據文件進行校核，降低誤報次數，并作為觀測端系統的補充。

1 現狀分析

1988年，WMO基本系統委員會（CBS）批準BUFR格式試驗運行;1991年，發布BUFR第二版本;1995年，發布BUFR第三版本;2005年發布BUFR第四版本，即現行版本。BUFR格式具有一下特點：

（1）自描述性。BUFR格式數據本身帶有元數據信息，數據接收方能夠通過數據內部自帶的元數據信息獲取該數據包含的內容、屬性等。

（2）表格驅動特性。BUFR格式數據的編解碼所需的大量信息都在規范表格中定義，只要編碼方和解碼方維護同一套表格，即可實現各類數據的統一編碼和解碼。

（3）可擴展性。BUFR格式通過維護統一的碼表，并基于該碼表制定不同的模板，即可擴展表示多種數據類型。

（4）可壓縮性。BUFR格式本身采用二進制、以比特為單位表示數據，在數據容量方面較ASCII碼數據具有明顯的優勢，除此之外，BUFR格式支持通過壓縮方式表示多個數據子集，更大程度上縮小數據容量。因此尤其適用于衛星、風廓線等大數據量的資料。

（5）平臺無關性。BUFR格式為二進制編碼，因此與平臺無關。

2020年4月1日起，地面氣象觀測自動化改革從全國試運行切換調整為正式業務運行，標志著地面氣象觀測實現全面自動化。根據部署，國家級地面氣象站觀測數據采集傳輸采用BUFR格式[3-7]，其流程包括：

（1）觀測數據采集傳輸。自動觀測數據在臺站設備采集端完成自動化采集，通過BUFR格式數據和新長Z文件從臺站上傳到省氣象信息中心。經在線快速質控后，實時將觀測數據及質量控制碼上傳至國家級。省級、國家級CIMISS將質控后的數據實時處理入庫，并進行分析處理、產品加工等，供本節點業務應用。國家級CIMISS實現對全國原始自動觀測數據歸檔。

（2）狀態數據傳輸。各臺站按要求實時自動上傳自動觀測設備的運行狀態和設備信息至省級、國家級CIMISS存儲，并提供應用服務。

由于氣象現代化的不斷發展，氣象資料數據量呈指數級增長，傳輸間隔由5分鐘升級為1分鐘，數據量由KB增加到MB，具體傳輸內容和方式如表1所示。因此，要求傳輸數據必須具有高度的可靠性和時效性，現行的數據監控已經不能滿足對國家氣象在BUFR數據監控要求。

2 技術路線

為解決引言中所闡述的傳輸問題，當出現BUFR分鐘數據文件傳輸失敗、BUFR小時數據文件遲報、缺報等現象時，提高人工干預應急處置的時效性，具體流程如圖1所示。

建立B/S架構的地面氣象站BUFR數據監控報警平臺，服務器（Web監控端）架設在市級氣象信息網絡與裝備保障中心，客戶端安裝在各氣象臺站觀測主機。采用ISOS終端和監控平臺網頁端交叉監控機制，能夠在保證現有氣象站數據傳輸流程維持不變：由臺站主站ISOS軟件采集生成數據通過消息傳輸客戶端，運用消息傳輸方式上傳至省氣象信息中心CTS2.0服務器。ISOS軟件數據傳輸監控頁面如圖2所示。實現將本地（觀測終端）數據缺漏檢測和服務器（Web端）缺報檢測相結合，實時監控地面氣象站數據到報情況，當報文出現延遲發送或未及時到報時，通過異常類型判斷完成初步故障分析，采取不同機制的報警方式下發至臺站維護人員。

3 系統結構

地面氣象站BUFR數據傳輸監控報警系統依托福建氣象集中監控平臺、ISOS綜合觀測軟件，采用Microsoft Visual Studio設計開發，實現對地面氣象站BUFR數據服務器與本地終端的雙重監控驗證。綜合提高了BUFR數據監控報警的準確性和及時性，保證地面氣象觀測自動化順利實施。配備相關報警系統，有利于完善故障分級分類自動監控報警業務，增強監控維修保障過程中省、市、縣信息共享，加強臺站故障應急維修處置能力。

系統總體上采用聯合Web開發和終端開發的技術路線，依托福建氣象集中監控平臺開發服務器端監控程序，依托ISOS綜合觀測軟件開發觀測端監控程序，系統結構如圖3所示。

地面氣象站BUFR數據傳輸監控報警系統主要由四大模塊組成，分別為觀測終端監控模塊、Web網頁端監控模塊、報警類型分析模塊、報警信息分發模塊。

3.1 觀測終端監控模塊

觀測終端監控模塊作為客戶端主要完成觀測主機本地報文數據和發送日志的讀取，分析BUFR地面分鐘數據和小時數據的傳輸情況，并將分析結果發送給服務器端，既Web網頁監控模塊。

3.2 Web網頁端監控模塊

Web網頁端監控模塊處于系統的服務器中，接收各臺站發送的觀測終端報警信息，同時完成對集中監控平臺數據抓取，集中監控平臺BUFR監控頁面如圖4所示。分析各觀測臺站傳輸數據的到報情況，并將觀測終端報警信息和Web網頁端監控信息共同報送給報警類型分析模塊。

3.3 報警類型分析模塊

報警類型分析模塊根據接收到的監控信息，結合國家級、省級地面氣象觀測資料相關考核要求，將報警類型分為如表2所示四個等級。

3.4 報警信息分發模塊

報警信息分發模塊根據不同報警等級觸發報警分發機制，按照表3的方式，將報警信息分發給各級接收人。

4 結語

“地面氣象站BUFR數據傳輸監控報警系統”的設計，采用服務器端、觀測端交叉監控的方式，能有效解決網絡時延問題。觀測端系統可以實時、低時延地監控臺站BUFR數據傳輸情況，服務器端系統可對BUFR小時數據文件進行校核，降低誤報次數，并作為觀測端系統的補充。地面氣象站BUFR數據傳輸監控報警系統的投入運行，有效解決了出現傳輸異常時，臺站應急處置時間不足的問題。一方面極大的增加了臺站應急處置時間，另一方面減少了錯報和誤報次數，提高了臺站地面觀測業務質量。同時，該系統的建立，提升了臺站地面氣象觀測業務容錯能力，為后續全市推進觀測臺站自動化值守打下了基礎。