貴州智能化決策氣象服務平臺的設計與實現

李 剛， 甘文強， 湯天然

(貴州省氣象臺， 貴州 貴陽 550002)

0 引言

【研究意義】近年來，伴隨信息化技術的不斷發展，互聯網、大數據及智能化等新技術的出現及應用，不斷推動著各行業科技產業向前發展。資源共享已成為信息化發展的戰略要務，“以信息化驅動氣象服務現代化，建設智慧氣象”已成為落實信息現代化的重要舉措[1]。隨著氣象在各行業、公眾及為農服務領域需求和技術的不斷拓展，氣象服務產品、發布對象及發布渠道也日益增加，形成了當前業務中政府決策、公眾和行業三大類服務產品，涵蓋了各種傳統及現代化方式[2-3]。隨著社會公眾及各行業，特別是為農服務中日益增長的氣象服務需求，在要求高時、空分辨率及預報準確率的同時，第一時間將氣象信息發布到用戶手里，為決策者爭取更多決策時間顯得非常重要。在農業生產中，提前告知災害性天氣(暴雨、冰雹等)的發生發展，有助于生產者提前決策，作出應對，從而降低損失。因此，在對氣象服務產品精準度和時效提出高要求的同時，隨著服務面的日益廣泛、需求不斷增長、產品類型及發布渠道的增多，傳統的手動制作已越來越難以滿足當前業務需求。因此，擁有一套融合、協同、智能的決策氣象服務平臺來提高產品制作和發布效率，滿足當前行業需求勢在必行。【前人研究進展】以往針對氣象服務平臺或系統建設較多[3-6]，但多數僅為實現某一功能、某一產品或某一數據類型而研發，功能相對分散，一個產品制作涉及多個軟件操作才能完成。不同產品制作需進入不同系統，操作重復，效率低，且易發生遺漏[7]。為解決這類問題，后期也有集約化平臺或集成系統的研發，但大部分僅是統一界面下調用多個不同的小軟件，未從根本上解決問題。隨著當前信息化技術、計算能力的發展及全國統一數據環境CIMISS的建成，不但實現了系統間數據交互，還能加載封裝原有平臺的接口和功能，為系統的集成建設提供了便捷，不少省份使用已取得成效[8-11]。如國家決策氣象服務中心研發的決策服務智能輔助系統和MESIS2.0氣象服務信息系統，在數據調用、查詢統計、制圖、產品制作及發布等方面有較大程度的整合與集成，不但提高工作效率還提升了氣象服務能力。基于C/S架構的海南省氣象服務系統，集數據采集、產品制作、發布及監控等功能于一體，大幅提高一線人員工作和服務效率[3]。北京市氣象局基于B/S架構建成的奧運氣象服務平臺，能將數十種服務產品的制作、發布及監控集于一體，使業務服務更加穩定和便捷[12]。此外，江西省、天津市氣象局也基于CIMISS統一數據環境，在B/S架構下建立了自己的氣象服務平臺，實現產品制作與發布，改進了工作流程和服務效率。【研究切入點】針對當前貴州省決策氣象服務制作、發布方式及各行業對氣象服務需求的不斷增加，原有服務平臺越來越難以滿足現行業務需求，主要表現在數據支撐能力不足[13-14]、自動化程度欠缺、產品制作效率低、產品分發緩慢及省、市二級對外氣象服務信息聯動不暢等方面。因此，當前的氣象服務業務對貴州智能化決策氣象服務平臺的建設提出更高要求，平臺建設中不但要實現當前天氣預報服務的完整業務流程，即一個服務產品從制作到發布涉及的所有操作均可通過平臺完全實現；還要面向智能化發展，平臺建設需更多地融入業務人員經驗、習慣性操作及地方標準或規范；更要增強系統開放性，平臺中所涉及的素材除直接應用外，還可進行二次編緝應用，業務技術人員自主研發的數據或產品能夠自行接入和運行，滿足業務過程中更多的需求。【擬解決的關鍵問題】采用Hbase、Oracle和Redis內存數據庫，HDFS分布式文件管理系統以及GIS技術和Linux文件操作系統等技術手段，研制智能化決策氣象服務平臺，以期為地方政府制定防災減災決策提供氣象服務與支撐。

1 總體架構設計

1.1 平臺與系統的總體架構

基于B/S架構進行平臺總體結構設計(圖1)。為避免平臺建成后，在運行過程中造成不必要的系統之間的數據轉換、功能接口差異以及后期系統升級擴展時產生大量的維護，更好地確保其一致性和穩定性，平臺整體建設中還采用統一基礎平臺框架，其運行主要由5臺服務器進行支撐，分別是Web服務器、數據處理服務器、接口服務器、Oracle數據庫服務器和內存庫服務器。

圖1 決策氣象服務平臺結構

系統總體架構設計(圖2)包括業務對象層、業務應用層、應用組件層、數據資源層和支撐層。業務對象層根據不同業務人員需求及針對服務對象和應用，按其使用權限進行各類用戶設定。業務應用層包含智能網格產品應用系統、決策氣象服務系統、地市網格預報服務系統及接口服務4個部分，主要功能基于業務規范、專業技術流程和現行業務需求等進行各類數據處理和產品生成并用于服務。應用組件層則為系統內部各組件設計總和，為前端各系統提供公共基礎模塊組件支撐，是系統建設運行的重要保障。數據資源層負責從CIMISS數據平臺進行數據訪問及調度，是系統的核心部分，主要對所有數據進行采集、分析、存儲、管理和計算等操作。支撐層則包括系統使用過程中的硬件設備和支撐軟件總和。

圖2 系統總體架構

1.2 功能模塊

根據現行業務需求及服務流程，貴州智能化決策氣象服務平臺立足于省、市整體布局，采用B/S架構，基于CIMISS統一數據環境支撐，建立包含數據統計、預報展現及產品制作等8個功能模塊(圖3)的能滿足當前業務的較為完整、規范的應用系統。

圖3 系統主界面及功能模塊

1.2.1 數據統計模塊 完整的數據統計模塊能夠實現貴州境內各種災害性、常規性天氣的多樣化統計及對統計結果的圖、表、文本的智能展示和編輯。

1.2.2 預報展現模塊 各類客觀及常規預報產品展現與生成。

1.2.3 產品制作模塊 各類預報、決策及專題服務材料的制作，且對制作產品可進行文字、圖形及表格等二次編輯。

1.2.4 省地聯動模塊 省、市二級天氣過程服務中的上下聯動、意見反饋，以及過程中預報、服務產品及經驗共享，確保省市氣象服務材料出口的一致性和高效性。此外，在瀏覽各產品過程中，支持對其進行方向旋轉、頁面縮放、下載以及打印等功能。

1.2.5 服務科普模塊 面向政府、行業及三農服務中，對政策、規范、規章制度、農事生產建議、過程服務方案和科普文檔的上傳、查看、下載，讓用戶及時了解和掌握相應的服務科普內容和建議。

1.2.6 智能推送模塊 預報、決策及專題氣象服務產品的展示與推送分發，實現多元(多種需求)、多向(多種發布方式)、智能(根據不同需求，選擇不同產品進行不同方式發布)的新型自動化發布方式。

1.2.7 一鍵發布模塊 對各類預報、決策和專題氣象服務產品，可根據不同用戶對產品的不同需求進行多渠道(如ftp、本地共享路徑、郵箱等)的“一鍵式”分發。

1.2.8 系統管理模塊 為平臺核心模塊，支持各級用戶的管理、權限設定以及各類服務產品模板的新建、修改、刪除。能夠對用戶業務工作、實時操作進行管理和記錄，并將監控信息即時寫入數據庫，做到全流程監控留痕，還能對指定的某用戶在任意時間段的使用操作及產品制作日志進行核實查詢。

2 關鍵技術

2.1 數據處理

針對貴州決策氣象服務，特別在行業氣象、專題氣象服務與為農氣象服務中使用較廣，其主要包括降水、氣溫、風速和風向等要素的應用。舊版決策服務平臺只能進行數據計算，不能生成圖形和制作產品；使用過程中常發現數據缺失或異常值等問題，給業務帶來不少困難與麻煩。鑒于當前服務產品種類及其時、空分辨率的日益增加，實況數據將直接讀取CIMISS中經質控處理的數據。預報數據則是對原始Grib2數據根據貴州省經、緯度范圍進行裁剪和必須要素提取處理，從而減小系統運行過程中數據處理量。為進一步提升運行效率，在系統架構中還采用分布式緩存方式對內存中緩存數據減少讀寫頻數，以大幅提高系統中數據的讀取速度和穩定性。

2.2 分布式數據存儲管理

日常業務中，隨著用戶需求及產品種類的不斷增多，每天都要進行原始數據讀取、中間計算數據及最終產品數據等處理，將產生大量數據。如采用傳統的磁盤陣列進行存儲，一段時間后則會出現堵塞、緩慢或因硬盤故障導致數據短時不能恢復等各類問題而影響業務。為解決此類問題，各種數據存儲架構方式應運而生，越來越多的采用分布式HDFS進行存儲[15-17]。因此，在系統建設中采用分布式數據存儲挖掘技術，既可實現集中式數據管理，也具分布式數據管理模式，其方式更加靈活。同時，利用空間數據庫引擎將多源氣象數據置于關系數據庫中，既可擴展空間數據容量也可對數據進行管理及事務處理等功能，并大幅度提升平臺運行效率。為更符合業務規范及方便管理，貴州智能化決策氣象服務平臺的數據與產品均統一按CIMISS數據要求進行命名，較以往傳統磁盤陣列，使用效果得到明顯改善。

2.3 數據統計與實現

為提高系統的普適性，貴州智能化決策氣象服務平臺按照國家氣象局預報司《地面氣象資料實時統計處理業務規定(試行)》中的規范對數據進行統一計算處理[18]，規范各氣象要素(降水、溫度、風向風速、氣壓等)在日、候、旬、月、年等時段統計中均值、總量值、極值及其他各統計值的計算法則，規范現行業務及服務。同時，針對缺損、特殊值和不完整記錄值明確其處理方式[19]。

2.4 數據庫技術

為使平臺高效穩定運作和管理，基于現有計算機資源和網絡環境建立綜合氣象數據庫，其中包含各氣象要素的實時庫和歷史庫。在整個建設過程中，分別采用Hbase數據庫、Oracle數據庫、Redis內存數據庫、HDFS分布式文件系統和Linux文件系統等方式進行共同協作運行，根據業務運行中數據模型和類型的不同特點，分別采用不同的存儲和提取方式。數據主要包括歷史數據、實時數據、數值預報產品、影響預報數據、決策氣象服務產品及科普文檔等。

2.4.1 歷史數據 便于歷史氣象要素及氣候事件查詢、統計與分析，歷史數據包含貴州省84個縣、區建站以來的氣象觀測數據，包含氣溫(日最高、最低和平均氣溫)、降雨量、風向風速、相對濕度、氣壓、能見度、日照時數和蒸發量等氣象要素及天氣現象的記錄等。

2.4.2 實時數據 包括貴州省84個縣站和3 400余個鄉鎮兩要素(降水和氣溫)氣象站的逐時數和分鐘級數據的存儲與管理，涵蓋最近時段各種氣象要素及當前正在發生天氣現象的相應氣象數據。如降雨量、氣壓、溫度、相對濕度、能見度和風向風速等氣象要素以及雷電、冰雹和大風等災害性天氣現象和常規天氣現象等。

2.4.3 數值預報產品 包括ECMWF(歐洲中期數值預報中心)、國家氣象中心涵蓋貴州全境5 km×5 km網格預報未來10 d的降雨量、最高氣溫、最低氣溫、風向風速和云量等要素的預報數據。

2.4.4 影響預報數據 影響預報即客觀預報，主要通過歷史氣象要素、數值預報產品進行模型建立和客觀算法相結合而研發產品。如干旱指數、低溫陰雨指數及災害性天氣過程損失評估等。

2.4.5 決策氣象服務產品及科普文檔 各類預報、決策、專業氣象服務產品及科普文檔數據。如歷年及當前貴州省市縣三級制作的《重大氣象信息專報》《氣象信息報告》《氣象信息快報》和《每日氣象信息》及氣象在決策服務中所涉及的科普、宣傳及規章制度等。

2.5 網絡GIS技術

網格GIS技術是基于B/S架構實現空間數據、檢索和分析空間信息數據等功能，通過Internet在更大空間范圍提供新的動作平臺[20-22]。WebGIS在氣象行業應用甚廣，如國家公共服務中心[7]等在加工服務產品與建設服務平臺中均有很好地使用WebGIS。

為使平臺便于操作和易于維護，整個建設采用B/S架構，能有效使用Web/Service技術。但在平臺運行中，當多個用戶同時進行需求訪問時，不但需高效快速地處理大量數據，還受網格傳輸協議、實時訪問量、帶寬占用等因素的約束，如何把用戶請求和結果數據進行有效傳輸處理，也是影響系統性能的重要因素。因此，平臺建設中還采用高效的網絡GIS技術，確保系統的響應速度和對服務器資源的最小化應用，最大限度發揮服務器對大量并發訪問的有效和快速響應，從而保證系統始終處于良好的運行狀態。

3 系統軟件設計

3.1 平臺設計

為更好地完成貴州智能化決策氣象服務平臺建設工作，確保平臺的安全及穩定性，該平臺基于B/S架構，總體框架采用跨平臺程序設計，與軟件系統及設備無縫連接，具有優良的互聯互通性、可管理性、易操作性和易維護性，各項性能完全能滿足當前貴州決策氣象服務需求。為避免不必要的系統間數據轉換、功能接口、系統升級擴展時產生大量的維護，確保其一致性和穩定性，該系統還采用了統一基礎平臺建設框架。系統使用Java、JavaScript和Delphi等編程語言，接口服務器和Web服務器均采用Windows Server 2008操作系統。數據庫與內存庫服務器采用Linux系統的Centos 6.5。數據庫采用 Oracle 12G，分別建立實時庫和歷史庫2個數據庫。此外，存儲采用Hbase數據庫、Oracle數據庫、Redis內存數據庫及HDFS分布式文件系統、Linux文件系統等方式協作進行，根據數據模型及數據類型的不同而采用不同的方式進行存儲管理。客戶端只需在Windows 7.0及以上版本環境下，使用谷歌瀏覽器即可進行訪問。

3.2 系統應用及服務流程

貴州智能化決策氣象服務平臺目前已在貴州省及各市縣進行業務試用，并取得較好的評價。隨著系統的建成，也相應建立了一套相對完整、嚴格的服務流程。從圖4看出，貴州智能化決策氣象服務系統在整個制作與服務中，大致按如下流程完成操作。首先，對所需服務內容中氣象要素進行統計分析；由圖形系統對統計數據生成所需要的圖、表或相應文本數據。然后，再經產品制作系統一鍵式生成所需的各類氣象服務產品，諸如重大氣象專報、氣象信息快報及專題服務產品等，產品生成后先進入瀏覽編輯狀態，用戶可對產品進行修改審核，無誤后進行確認保存。第三，將制作的服務產品經分發系統選擇對象進行發布，完成整個服務產品制作服務過程。最后，各用戶還可針對系統使用過程中的性能、可操作性、實用性等情況在評論區進行評價并提交反饋，方便系統的二次改造和升級，有利更多用戶使用。此外，在整個系統的使用過程中，所有操作和步驟均被監管系統所記錄，不但彌補了系統的完整性，也可對歷史事件進行查詢。

圖4 決策氣象服務系統應用流程

4 應用測試

4.1 數據統計與查詢

從圖5看出平臺中統計模塊對某個暴雨歷史個例查詢展示。圖中標識1為統計模塊歷史數據中查詢事件，包括災害個例、極值排序、實況/預報距平和天數統計。選取災害個例則會出現標識2的界面，即針對不同類型的災害性天氣，可進行統計時段、測站類別/數量、閾值設定及任意時段規定的選取，確認后則會出現標識3界面。標識3為貴州省2019年1—12月20：00至翌日20：00出現5個國家站以上的暴雨(50.0 mm)量級及以上降水事件統計查詢，通過對任意查詢事件第13號的選擇，則會出現標識4中的色斑圖，即當前查詢事件的降水空間分布狀態。標識4的色斑圖可由標識5、標識6和標識7對其進行編輯和自定義修改，直到滿足用戶需求為止。同時看出，圖中降水色標非國家氣象局規定，而是當地業務應用的自定義色標。在上述全部操作中，其計算響應時間在數秒內即可完成，可見該統計模塊的設計完成，無論對服務人員還是科研預報人員，其工作量及工作時間都將大幅度減小，顯著地提高效率。

圖5 歷史個例——暴雨查詢展示

4.2 產品的制作與服務

貴州省氣象臺通過該系統平臺于2019年7月5日12:00對貴州省省委、省政府發布了服務產品《重大氣象信息專報》(圖6)。在平臺中只需前期對該產品的模板完成配置即可較為簡單地實現該產品的發布。貴州省氣象臺每天12:00前完成全省未來7 d趨勢預報制作，12:00后只需在產品制作中點擊重大氣象信息專報制作，則將一鍵自動生成模塊下的專報產品，并可對其瀏覽和編輯，直到滿足要求為止。當編輯完成后，則可保存并形成當前狀態下的最終產品。

圖6 決策氣象服務產品——重大氣象信息專報

當天氣過程結束后，可快速收集相應的實況信息并一鍵生成天氣實況(圖7)，并能對其智能文字描述。如2019年7月5日20:00至9日9:00，貴州省出現持續性強降雨天氣過程。其中，榕江、劍河、天柱和錦屏4個縣域的12個氣象雨量站累計降雨量超過200 mm(錦屏平秋最大，達282.9 mm)，52個縣(區、市)域430個氣象雨量站累計降雨量在100～200 mm，83縣(區、市)域內的920個氣象雨量站累計降雨量在50～100 mm。此外，該系統還能在本次預報服務過程期間統計出貴州省氣象臺發布“暴雨預報”3次，制作《氣象信息快報》7期，微信企業號為各相關部門服務700余人次，各市州、縣(市、區)氣象臺發布各類氣象服務材料540期。各級氣象部門和國土、防汛等部門通過國家突發事件預警信息發布系統發布預警信息605條，其中發布暴雨紅色預警信號13條，通過12379手機短信平臺為各級應急責任人發布預警信息484條，服務98.19萬人次。

可見，通過該平臺從預報開始及后期過程服務總結，均能有效地對政府決策、社會公眾及為農服務等行業提供相應的氣象信息，有助于決策者快速進行應對和調度決策。除《重大氣象信息專報》外，均可對其他決策氣象服務產品進行同樣的一鍵操作。因此，該系統為業務人員提供較大的便捷，減輕工作量，提高服務效率，節約產品的手動制作時間，可以提前將服務產品報送到決策者手里，為進行決策爭取更多時間。

5 小結

通過對當前貴州省業務運行的需求分析，在充分吸取先進省、市氣象服務平臺及貴州省原有平臺優勢基礎上，結合貴州現行業務運行流程規范，構建貴州智能化決策氣象服務平臺。目前，該平臺已投入全省業務試運行，各方面表現出較好的應用價值。

為使平臺高效穩定運行，采用了統一基礎平臺框架，其運行主要由5臺服務器進行支撐，分別是Web服務器、數據處理服務器、和接口服務器、Oracle數據庫服務器和內存庫服務器。系統采用面向服務的B/S架構設計，通過數據剪截、分布式存儲管理、規范統計方法及高效的網絡GIS技術等手段處理，大幅改進系統運行效率。系統的建成，實現了CIMISS統一數據環境下實時、歷史及預報數據的全要素的日、候、旬、月、年等任意時段的多樣化查詢統計。對統計結果進行圖、表、文本的展示輸出和二次編輯，以及各類預報、決策和專題服務產品的一鍵式制作和對其用戶自動分發，很大程度上減小了一線業務人員的工作量，提升服務效率。統計模塊中，災害性天氣歷史個例的查詢、極值排序、對比分析等功能的實現，為預報及科研人員的工作提供了極大的便捷。

實際應用情況表明，該系統運行穩定、操作簡單和內容較全面，基本能滿足貴州決策氣象服務業務規范及需求，可為用戶在預測預報及防災減災等氣象服務中提供重要的氣象服務支撐。