基于云平臺的氣象數據智能監控系統設計與應用

趙 勇，王 瑜，李全景，李 京

（棗莊市氣象局，山東棗莊 277800）

隨著氣象現代化快速發展，氣象觀測設備越來越多，數據傳輸路徑各不相同，業務流程由觀測站→市級→省級調整為觀測站→省級[1]后，氣象工作者針對不同類型設備[2-4]應用不同方式[5-12]設計和開發了許多監控系統，在業務中發揮了很好的作用。但這些系統大部分都是針對某一類觀測設備或應用某一類技術方式實現的，在實際業務應用中不太適合基層臺站。

該文應用移動互聯網和“云”服務技術，設計并實現了人工自主與機器智能相結合的多種監控方式，為有效提升綜合數據傳輸質量和設備保障能力提供助力，為業務人員全面掌握觀測設備運行和數據傳輸狀態提供便利。

1 系統總體設計

1.1 業務需求

該系統主要面向三類業務人員設計，分別是市縣級綜合氣象觀測業務行政管理人員、運行監控人員和裝備保障人員。市縣級綜合氣象觀測業務行政管理人員需要查詢和統計某段時間全市或所轄縣區綜合氣象觀測設備數據傳輸率和業務可用性情況，市縣級綜合氣象觀測業務運行監控人員、裝備保障人員需要隨時、隨地、快速、全面掌握全市或所轄縣區所有類型氣象觀測設備運行、數據傳輸和可用等情況。

為滿足上述市縣級綜合氣象觀測業務需求，首先系統要能自動監控市級氣象部門所有類型氣象觀測設備運行、數據傳輸和可用等情況，其次系統能對自動監控到的信息進行收集、統計、分析、存儲，然后系統能綜合將氣象觀測設備運行、數據傳輸和可用等情況通過WEB 網站、手機APP、微信公眾號等多種方式直觀、便捷地展示出來，并能提供歷史數據查詢和統計，最后系統需要將設備運行和數據傳輸異常情況通過疑誤短信、電話語音和微信推送等方式及時、快速傳遞給氣象業務人員，實現人工自主與機器智能相結合的多方式監控。

1.2 系統架構

該系統采用C/S（客戶端/服務器）與B/S（瀏覽器/服務器）相結合的設計架構，根據氣象業務需求和網絡安全需要，服務器分別部署在氣象內網和互聯網“云”端，對交互性強、需人工自主監控的手機APP 和微信公眾號采用客戶端模式，對時效性高、需機器智能報警的疑誤短信、電話語音和微信推送采用服務端模式，對安全性高、需直觀便捷展示的WEB 網站采用瀏覽器模式。

該系統所需的服務器有兩臺部署在氣象內網，一臺為數據服務器，主要提供定時監控和數據支撐等后端運行服務，是整個監控系統正常運行的中樞；另一臺為WEB 服務器，主要提供WEB 網站的支撐運行服務和監控信息的展示、歷史數據的查詢及統計等前端交互服務。該系統所需另一臺服務器部署在互聯網“云”端，主要提供短信和語音、微信公眾號、手機APP 等后端支撐服務，是整個監控系統實現智能報警監控功能的核心，如圖1 所示。

圖1 綜合氣象觀測數據傳輸智能監控系統設計架構

該系統客戶端是依托微信開發的公眾號和基于Android、iOS 系統開發的手機APP，部署在市縣級綜合氣象觀測業務行政管理人員、運行監控人員和裝備保障人員使用的智能手機、平板電腦、智能顯示屏等智能終端上，主要提供數據傳輸監控信息的展示、觀測設備運行情況的輪巡、疑誤短信和電話語音及微信推送信息的報警等服務，是整個監控系統實現人工自主與機器智能相結合多方式監控不可或缺的重要組成部分。

1.3 系統安全

該系統涉及氣象內網與互聯網之間進行通信，因此將網絡和系統的安全性作為整個監控系統的重點設計內容。為確保互聯網“云”服務器、氣象內網服務器和整個監控系統的運行安全，系統采用市級政務外網公共域線路連接互聯網，在政務外網和氣象內網之間架設防火墻、上網行為管理等安全設施并配置僅單向對外發送數據信息。為保證氣象內網和互聯網“云”端數據傳輸過程中監控信息的安全，系統采用加密擾動算法，有效防護竊聽和攻擊等有害行為，確保監控數據的安全和完整。為保障氣象內網WEB 網站的安全，強制使用超文本傳輸安全協議（HTTPS）交互信息，并在首次登錄系統時必須使用管理員分配的安全賬戶。

1.4 監控流程

綜合氣象觀測業務改革后，觀測數據傳輸流程由觀測站→市級→省級調整為觀測站→省級，在省級氣象信息中心經過數據采集、數據質控后及時傳輸到國家氣象大數據云平臺，經國家氣象大數據云平臺處理后快速分發到省級氣象大數據云平臺。該系統通過定時掃描省級氣象大數據云平臺API 數據接口以獲得全市綜合氣象觀測設備的運行狀態、數據傳輸和數據質量等情況，如圖2 所示。

圖2 綜合氣象觀測數據傳輸智能監控系統監控流程

具體監控流程如下：

1）部署在氣象內網數據服務器中的定時監控服務在獲得綜合氣象觀測設備運行狀態和數據傳輸信息后，經過統計、分析，然后存儲到數據服務器的SQL 數據庫并及時推送到互聯網“云”服務器。

2）部署在互聯網“云”服務器的阿里云短信和語音、微信等后端服務在接收到監控信息后，經過存儲、比對、篩選，將運行和傳輸異常的站點信息以疑誤短信、電話語音和信息推送等方式發送給市縣級綜合氣象觀測管理及業務人員，實現機器智能監控的報警方式。

3）市縣級綜合氣象觀測管理和業務人員在值班期間，通過氣象內網訪問WEB 網站，WEB 網站的支撐服務快速與數據服務器中的SQL 數據庫進行交互，通過瀏覽器展示全市綜合氣象觀測設備監控信息、歷史數據查詢及統計結果等。

4）市縣級綜合氣象觀測管理和業務人員在值班、非值班或節假日期間，使用部署在智能手機、平板電腦等智能終端上的客戶端，通過移動互聯網與部署在“云”服務器的微信公眾號、手機APP 后端支撐服務進行交互并展示、查詢綜合氣象觀測數據傳輸監控信息。

2 核心功能實現

根據系統總體設計，將系統核心功能分為數據傳輸監控模塊、WEB 網站展示模塊、智能終端服務模塊和智能終端交互模塊四部分，如圖3 所示。

圖3 綜合氣象觀測數據傳輸智能監控系統組成模塊

2.1 數據傳輸監控模塊

數據傳輸監控模塊是整個監控系統的中樞，主要提供定時監控和數據支撐等服務。定時監控服務采用PHP 語言編寫，每隔10 min 按照綜合氣象觀測站點編號和世界時間逐一掃描省級氣象大數據云平臺API 數據接口，根據獲取的綜合氣象觀測JSON 格式數據等信息自動判斷觀測站運行狀態和傳輸情況，并將自動判斷的監控信息推送給數據支撐服務和“云”服務器。數據支撐服務采用SQL 數據服務，主要存儲定時監控服務推送的綜合觀測數據、監控信息和為WEB 網站展示模塊提供數據交互服務。

2.2 WEB網站展示模塊

WEB 網站展示模塊是在氣象內網服務器采用IIS 和PHP 語言構建的綜合氣象觀測數據傳輸監控網站，主要提供監控信息的展示、歷史數據的查詢及統計等交互服務。展示內容包括綜合觀測設備分類傳輸概況、綜合觀測設備運行狀態、分類傳輸及時率、非正常站點信息和氣象專網連通狀況等，如圖4所示。查詢和統計內容包括某段時間內綜合氣象觀測同類設備傳輸及時率、單站設備傳輸及時率和全市氣象觀測設備綜合運行狀態等。

圖4 綜合氣象觀測數據傳輸智能監控系統WEB網站

2.3 智能終端服務模塊

智能終端服務模塊是整個監控系統智能化監控和報警的核心，主要提供短信和語音、微信公眾號、手機APP 等后端支撐服務。

1）短信和語音后端支撐服務分別采用阿里云開放平臺的短信、語音服務，為使用該服務首先要在互聯網“云”服務器安裝能讓PHP 語言快速訪問阿里云平臺服務的Alibaba Cloud Client for PHP 開發包，然后在阿里云開放平臺通過企業賬戶認證后，分別在開放平臺短信服務、語音服務的控制菜單中創建短信模板和文本轉語音模板。

上述配置完成后再使用PHP 語言編程接收數據傳輸監控模塊推送的綜合監控信息，經過存儲、比對、篩選，將運行和傳輸異常的站點信息通過調用阿里云短信和語音API 接口以疑誤短信、電話語音等方式推送給智能終端交互模塊。

2）微信公眾號后端支撐服務采用PHP 語言按照微信開放平臺開發標準編寫，在經過域名申請、注冊、備案和微信公眾號申請、注冊及企業賬戶認證后，將綁定“云”服務器公網IP 地址的域名添加到微信開放平臺URL 接口即完成配置。當微信公眾號后端支撐服務接收到綜合監控信息時，經過比對、篩選，將運行和傳輸異常的站點信息在微信內進行信息推送報警，綜合氣象觀測管理人員、業務人員也可通過部署在智能終端交互模塊中的微信公眾號客戶端進行查看和交互。

3）手機APP 后端支撐服務亦采用PHP 語言按照移動應用開發標準編寫，通過在“云”服務器配置移動應用服務，當綜合氣象觀測管理和業務人員操作智能監控系統手機APP 時，手機APP 后端支撐服務迅速訪問、查詢、篩選、統計綜合氣象觀測數據，傳輸監控信息并根據用戶操作展示返回結果，如圖5所示。

圖5 綜合氣象觀測數據傳輸智能監控系統手機APP

2.4 智能終端交互模塊

智能終端交互模塊包括交互展示綜合監控信息的計算機、智能手機、平板電腦、智能顯示屏等硬件和部署在智能終端系統的微信公眾號、手機APP 等客戶端軟件。智能監控系統微信公眾號是基于微信開放平臺申請開發的公眾服務號，市縣級綜合氣象觀測管理和業務人員在智能終端安裝微信應用程序并關注智能監控系統公眾號即可進行業務應用。智能監控系統手機APP 是將智能終端服務模塊中的手機APP 后端支撐服務用HBuilderX 軟件經過注冊、認證、封裝成apk 安裝包，市縣級綜合氣象觀測管理和業務人員安裝在智能終端即可交互操作。

3 系統關鍵技術

3.1 數據安全和管理

該系統在自動掃描省級氣象大數據云平臺接口之前，需按照平臺API 接口預先定義調用方式、資料代碼、時間、站號、要素、返回數據類型等參數，依據觀測設備類型和時效不同建立不同的調用方式，對獲取的觀測數據進行統計、分析、推送、儲存。為保證氣象內網和互聯網數據傳輸過程中的安全，氣象內網數據推送服務和互聯網“云”端接收服務首先進行隨機規則和擾動算法對接，然后將站號、時間、要素等按照隨機規則進行加密傳輸，對觀測數據、監控信息等進行擾動算法加密傳輸，有效防護竊聽和攻擊等有害行為，確保數據傳輸的安全和完整。為保證系統高效運轉和數據快速讀寫，將觀測數據和監控信息進行分離存放，同時分別建立實時數據庫和歷史數據庫，避免性能干擾。為保證數據庫安全，進行嚴格的防注入、防篡改、防誤刪管理，設置不同的訪問權限并強化操作日志管理。

3.2 系統優化和展示

該系統應用PHP、HTML5、CSS3、JavaScript、Ajax、HighCharts 等多種編程技術優化綜合監控信息展示和交互方式。采用PHP 語言編寫后端支撐服務和前端交互服務，利用Ajax[13]異步調用方式動態讀取監控數據庫，采用HighCharts 插件將監控信息通過折線、圓點和地圖視圖等形式動畫可視化展示；利用HTML5[14-15]、JavaScript[16-17]、CSS3[18]等技術對網頁元素進行設計和優化，使顯示內容自動適應智能終端屏幕尺寸和分辨率，有利于交互和展示。

4 結論

綜合氣象觀測數據傳輸智能監控系統是根據氣象觀測自動化改革和氣象觀測數據傳輸流程調整后，為解決基層氣象部門綜合統一監控各類氣象觀測設備運行和數據傳輸需求而設計開發的。該系統應用WEB 網站、手機APP、微信公眾號、疑誤短信報警和電話語音叫應等多種人工自主與機器智能相結合的監控方式，建立了市縣級氣象觀測數據傳輸統一與集約相結合的監控模式，提升了基層臺站氣象觀測設備的保障能力和觀測數據質量的傳輸效率。該系統投入氣象觀測業務運行以來，使市縣級觀測數據傳輸監控由分散向集中統一，由分類向綜合集約，在運行監控和裝備保障工作中發揮了重要作用，為基層氣象觀測管理人員和業務人員隨時、隨地、快速、全面掌握綜合氣象觀測設備運行和數據傳輸狀態提供了便利。