基于大數(shù)據(jù)的氣象保障應(yīng)用和基礎(chǔ)云平臺(tái)架構(gòu)

摘要：該文分析了大數(shù)據(jù)在氣象保障中的應(yīng)用，主要包括電力運(yùn)行、防災(zāi)減災(zāi)和交通出行領(lǐng)域，就氣象業(yè)務(wù)開(kāi)展過(guò)程中應(yīng)用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)支撐環(huán)境遇到的問(wèn)題，提出了以實(shí)際業(yè)務(wù)需求為導(dǎo)向，基于大數(shù)據(jù)的氣象保障云平臺(tái)架構(gòu)的設(shè)計(jì)，旨在為智慧氣象健康高效的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)；氣象保障；云平臺(tái)架構(gòu)

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.05.040

中圖分類(lèi)號(hào)：P 4；TP 3" " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2024）05-0-04

Meteorological Support Application and Basic Cloud Platform Architecture Based on Big Data

ZHAO Jianwei， ZHAO Guang， WANG Zhen， LI Qi

（Xiamen Yiligao Information Technology Co.， Ltd.， Xiamen 361001， China）

Abstract： This paper analyzes the application of big data in meteorological support， mainly in the fields of power operation， disaster prevention and reduction， and transportation. In view of the problems encountered in the application of traditional data to support the environment in the process of meteorological business development， the paper puts forward the design of meteorological support cloud platform architecture based on big data， which is oriented by actual business requirements， in order to provide reference for the healthy and efficient development of smart meteorology.

Keywords： big data; meteorological support; cloud platform architecture

隨著氣象觀(guān)測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，氣象數(shù)據(jù)的采集和獲取能力得到了大幅提升。衛(wèi)星、雷達(dá)、傳感器等設(shè)備為氣象保障提供了大量實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的氣象數(shù)據(jù)，為基于大數(shù)據(jù)的氣象保障應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。近些年全球氣候變暖導(dǎo)致的極端氣候事件頻繁發(fā)生，如暴雨、干旱、臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴等。這些極端氣候事件對(duì)人類(lèi)生活、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、基礎(chǔ)設(shè)施等方面產(chǎn)生嚴(yán)重影響，社會(huì)生產(chǎn)方方面面對(duì)氣象保障的需求越來(lái)越高[1]。互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展為氣象保障提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。大數(shù)據(jù)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海量氣象數(shù)據(jù)的快速處理、分析和挖掘，為氣象保障提供精準(zhǔn)預(yù)測(cè)和決策支持。在此背景與條件下，基于大數(shù)據(jù)的氣象保障應(yīng)用和基礎(chǔ)云平臺(tái)架構(gòu)的研究進(jìn)入相關(guān)研究人員的視野。

1" "大數(shù)據(jù)在氣象保障中的應(yīng)用

1.1 電力運(yùn)行

第一，電力需求預(yù)測(cè)。基于大數(shù)據(jù)的氣象保障可以預(yù)測(cè)氣溫、濕度、風(fēng)向等氣象因素的變化，從而預(yù)測(cè)電力需求。電力需求與氣象因素密切相關(guān)，特別是在夏季高溫季節(jié)和冬季低溫季節(jié)，氣溫的變化會(huì)對(duì)電力需求產(chǎn)生顯著影響。

第二，電力設(shè)備運(yùn)行維護(hù)。大數(shù)據(jù)氣象保障可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣象變化，為電力設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)提供預(yù)警。例如，高溫、潮濕的氣象條件可能導(dǎo)致設(shè)備散熱不良，增加故障風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控氣象數(shù)據(jù)，可及時(shí)采取措施防范潛在風(fēng)險(xiǎn)，確保電力設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

第三，優(yōu)化調(diào)度策略。基于大數(shù)據(jù)氣象保障，電力部門(mén)可以?xún)?yōu)化發(fā)電、輸電和配電的調(diào)度策略[2]。例如，在風(fēng)電、光伏等可再生能源發(fā)電方面，可以根據(jù)氣象預(yù)報(bào)調(diào)整發(fā)電計(jì)劃，提高發(fā)電效率；在輸電方面，可以根據(jù)氣象變化調(diào)整輸電線(xiàn)路的運(yùn)行參數(shù)，降低輸電損耗。

1.2 防災(zāi)減災(zāi)

第一，災(zāi)害預(yù)警。大數(shù)據(jù)氣象保障可以通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析氣象數(shù)據(jù)，提前預(yù)警暴雨、洪水、臺(tái)風(fēng)、干旱等氣象災(zāi)害。這有助于政府和相關(guān)部門(mén)及時(shí)采取措施，減少災(zāi)害造成的生命財(cái)產(chǎn)損失。

第二，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。大數(shù)據(jù)氣象保障可以對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行氣象風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，為防災(zāi)減災(zāi)工作提供科學(xué)依據(jù)。通過(guò)分析歷史災(zāi)害數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，可以評(píng)估不同區(qū)域的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，從而合理配置防災(zāi)減災(zāi)資源。

第三，跨部門(mén)協(xié)作：大數(shù)據(jù)氣象保障可以促進(jìn)各部門(mén)之間的信息共享和協(xié)作。例如，在氣象災(zāi)害發(fā)生時(shí)，電力、交通、水利、農(nóng)業(yè)等相關(guān)部門(mén)可以依據(jù)氣象數(shù)據(jù)，共同開(kāi)展防災(zāi)減災(zāi)工作，提高整體應(yīng)對(duì)災(zāi)害的能力。

1.3 交通出行

一方面，交通狀況預(yù)測(cè)。基于大數(shù)據(jù)的氣象保障可以預(yù)測(cè)氣象變化，如降雨、雪天、霧霾等，從而幫助交通部門(mén)及時(shí)掌握道路通行狀況，制定合理的交通疏導(dǎo)措施。此外，還可以通過(guò)分析歷史數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)節(jié)假日、特殊事件等時(shí)期的交通需求，為交通管理部門(mén)提供決策依據(jù)[3]。另一方面，交通運(yùn)輸安全。大數(shù)據(jù)氣象保障可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣象變化，為交通運(yùn)輸安全提供預(yù)警。例如，在雨雪天氣條件下，道路濕滑、能見(jiàn)度低，容易發(fā)生交通事故。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控氣象數(shù)據(jù)，交通部門(mén)可以提前采取措施，提醒駕駛員注意安全，降低交通事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

2" "設(shè)計(jì)基于大數(shù)據(jù)的氣象保障云平臺(tái)的

背景

氣象觀(guān)測(cè)工作隨著信息技術(shù)的發(fā)展有了愈加明顯的自動(dòng)化特征，需要分析的數(shù)據(jù)量激增。目前國(guó)家級(jí)自動(dòng)觀(guān)測(cè)站數(shù)量超過(guò)1 000，觀(guān)測(cè)時(shí)間間隔低于1 min。就數(shù)據(jù)對(duì)環(huán)境的支撐而言，氣象業(yè)務(wù)對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸、儲(chǔ)存、提取的高時(shí)效需求已經(jīng)無(wú)法從傳統(tǒng)數(shù)據(jù)環(huán)境中得以滿(mǎn)足，性能上的弊端愈發(fā)明顯。就IT基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)情況來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)不具備可調(diào)整彈性擴(kuò)展功能，無(wú)法均衡、充分的利用存儲(chǔ)、計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)這些基礎(chǔ)資源[4]。就信息系統(tǒng)建設(shè)情況而言，傳統(tǒng)氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)共享性能差，各板塊的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和邏輯聯(lián)系并不緊密，信息孤島問(wèn)題時(shí)有發(fā)生。在實(shí)現(xiàn)集約化發(fā)展的過(guò)程中，缺乏模塊統(tǒng)一、數(shù)據(jù)共享的服務(wù)平臺(tái)是難以順利融入共享服務(wù)和其他氣象應(yīng)用，只能慢慢整合信息系統(tǒng)。就氣象服務(wù)效果而言，氣象服務(wù)對(duì)象多元，主要通過(guò)氣象專(zhuān)網(wǎng)、電子政務(wù)外網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)提供服務(wù)，所以氣象數(shù)據(jù)安全性和布局合理性面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

3" "基于大數(shù)據(jù)的氣象保障云平臺(tái)架構(gòu)的

設(shè)計(jì)

3.1 總體架構(gòu)

在科學(xué)安排混合云布局的基礎(chǔ)上，聯(lián)合云計(jì)算、分布式計(jì)算和分布式存儲(chǔ)等技術(shù)，嚴(yán)格把控等級(jí)保護(hù)要求，只有在2.0以上才能繼續(xù)賦予云上平臺(tái)的安全性能，如此便可對(duì)基礎(chǔ)資源做到統(tǒng)籌管理，為共享數(shù)據(jù)奠定服務(wù)邏輯基礎(chǔ)。與此同時(shí)，以實(shí)現(xiàn)氣象大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和實(shí)時(shí)處理能力為目的建立數(shù)據(jù)加工生產(chǎn)流水線(xiàn)，選擇以數(shù)據(jù)湖的方式存儲(chǔ)各種類(lèi)型的海量數(shù)據(jù)，滿(mǎn)足不同氣象業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求。氣象保障云平臺(tái)共分為4層，分別是SaaS、PaaS、DaaS和IaaS。IaaS主要是統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)，借助云融合管理系統(tǒng)對(duì)地方氣象專(zhuān)網(wǎng)基礎(chǔ)資源、地方云平臺(tái)政務(wù)資源和互聯(lián)網(wǎng)公共資源進(jìn)行統(tǒng)籌管理，為后期彈性應(yīng)用創(chuàng)造支撐條件；DaaS主要是多方整合氣象數(shù)據(jù)形成一個(gè)資源池，以便進(jìn)行統(tǒng)一的加工處理和質(zhì)量控制；PaaS主要是提供多功能接口來(lái)滿(mǎn)足各種業(yè)務(wù)應(yīng)用需求；SaaS是選擇大數(shù)據(jù)支撐下的氣象保障云平臺(tái)為載體，創(chuàng)建4個(gè)功能各異的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，指向分別是探測(cè)、預(yù)報(bào)、服務(wù)、防災(zāi)。

3.2 平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

3.2.1 數(shù)據(jù)采集

基于大數(shù)據(jù)的氣象保障云平臺(tái)要不間斷的采集數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)化的覆蓋氣象觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)中包括個(gè)性化氣象服務(wù)產(chǎn)品、高性能計(jì)算數(shù)值產(chǎn)品、多種類(lèi)的行業(yè)數(shù)據(jù)、政務(wù)管理信息等。采集數(shù)據(jù)的模式有多種選擇，可以是圖像、文本、視頻，也可以是矢量、柵格等。采集數(shù)據(jù)的方式通常分為被動(dòng)狀態(tài)下的接收和大范圍主動(dòng)收集，數(shù)據(jù)采集方式最常用的有兩種，一是主動(dòng)收集，二是被動(dòng)接收，前者具有多數(shù)據(jù)源接入的功能，嚴(yán)格按照合理配置的協(xié)議內(nèi)容，逐項(xiàng)執(zhí)行每個(gè)采集任務(wù)，接入方式支持包括文本、消息列隊(duì)等多種格式。后者經(jīng)常出現(xiàn)在數(shù)據(jù)質(zhì)量控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，這些均屬于可直接推送省去審核環(huán)節(jié)的氣象數(shù)據(jù)，選定消息列隊(duì)類(lèi)型后建立多個(gè)功能不一的集群，如文件接收、服務(wù)接收等。

3.2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理模塊的功能主要是預(yù)處理海量數(shù)據(jù)，常用方式有二，流式數(shù)據(jù)處理和文件批處理。具體步驟如下：一是數(shù)據(jù)清洗，要去掉重復(fù)、異常或無(wú)效的氣象數(shù)據(jù)。清洗方法包括去除重復(fù)記錄、填補(bǔ)缺失值、糾正數(shù)據(jù)錯(cuò)誤等。二是數(shù)據(jù)整合，將來(lái)自不同來(lái)源的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)集。這包括將不同站點(diǎn)、不同傳感器和不同時(shí)間序列的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并。數(shù)據(jù)整合過(guò)程中需要考慮數(shù)據(jù)的一致性和兼容性[5]。三是數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，將整合后的氣象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適用于云平臺(tái)的數(shù)據(jù)格式。常見(jiàn)的數(shù)據(jù)格式包括CSV、JSON、XML等。格式轉(zhuǎn)換有助于提高數(shù)據(jù)處理和分析的效率。四是數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，聯(lián)合數(shù)據(jù)校驗(yàn)、數(shù)據(jù)審核和數(shù)據(jù)評(píng)估等方式對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制。五是數(shù)據(jù)降維，針對(duì)高維氣象數(shù)據(jù)，可通過(guò)降維技術(shù)減少數(shù)據(jù)規(guī)模，提高數(shù)據(jù)處理和分析效率。

3.2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

第一，數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，存儲(chǔ)形式普遍為歷史結(jié)構(gòu)化，應(yīng)用率最高的三種場(chǎng)景是OLAP場(chǎng)景、深度學(xué)習(xí)運(yùn)行和數(shù)據(jù)挖掘，同時(shí)還具備存儲(chǔ)PB級(jí)規(guī)模化數(shù)據(jù)的功能，能夠靈活、動(dòng)態(tài)的擴(kuò)展出多個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)；對(duì)于空間優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)，主要使用壓縮算法，圍繞Prestore提供多元查詢(xún)功能，最關(guān)鍵的是可用于OLAP場(chǎng)景的分析引擎。第二，分布式關(guān)系狀數(shù)據(jù)庫(kù)，技術(shù)支撐的首選是TiDB，存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一、動(dòng)態(tài)化采集而來(lái)的各種復(fù)雜數(shù)據(jù)。TiDB這一技術(shù)性產(chǎn)品除了可提供遠(yuǎn)程事務(wù)處理功能以外，還可進(jìn)行遠(yuǎn)程分析，有明顯的綜合性、融合性特征，新一代的技術(shù)產(chǎn)品還具有橫向收縮容量、支持MySQL協(xié)議的特點(diǎn)。第三，對(duì)象存儲(chǔ)，在明確指向目標(biāo)資料的前提下，個(gè)性化的提供云服務(wù)項(xiàng)目，把繁多復(fù)雜的氣象數(shù)據(jù)有序的完成二次加工、圖像處理等，然后逐一完好存儲(chǔ)，這是在海量數(shù)據(jù)背景下實(shí)現(xiàn)同步讀寫(xiě)和訪(fǎng)問(wèn)的重要基礎(chǔ)。第四，分布式文件系統(tǒng)，服務(wù)技術(shù)毫無(wú)疑問(wèn)的選擇基于NAS云服務(wù)的系統(tǒng)，只有這樣才能完成大體量氣象數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)。

3.2.4 數(shù)據(jù)服務(wù)

數(shù)據(jù)服務(wù)模塊經(jīng)過(guò)多元數(shù)據(jù)的封裝處理后會(huì)形成多個(gè)服務(wù)接口，統(tǒng)一接受微服務(wù)網(wǎng)關(guān)的運(yùn)行管理。數(shù)據(jù)服務(wù)接口將按照Web Service的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)提供服務(wù)，針對(duì)氣象原始數(shù)據(jù)和圖文資料，不管是查詢(xún)、讀取，還是提煉關(guān)鍵要素，每一項(xiàng)都必須作為一項(xiàng)單獨(dú)的功能發(fā)布出來(lái)，精準(zhǔn)的選擇接口才能和業(yè)務(wù)系統(tǒng)建立有效連接，經(jīng)過(guò)二次或三次加工后以全新的業(yè)務(wù)產(chǎn)品推出，不過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)的歸屬并不受影響，依然屬于氣象大數(shù)據(jù)資源池。所有數(shù)據(jù)服務(wù)接口的在線(xiàn)管理都必須在微服務(wù)網(wǎng)關(guān)下運(yùn)行，內(nèi)容有原始注冊(cè)資源、接口查詢(xún)服務(wù)、闡述性文檔等，另外還包括可遠(yuǎn)程處理的審核與發(fā)布、接口注冊(cè)，處理成功的關(guān)鍵在于同時(shí)滿(mǎn)足每個(gè)氣象數(shù)據(jù)接口的資源需求。充分利用微服務(wù)網(wǎng)關(guān)這一平臺(tái)，通過(guò)接口發(fā)布功能，將接口、實(shí)例、氣象數(shù)據(jù)、關(guān)鍵要素之間的映射關(guān)系理清楚，最終呈現(xiàn)一份整體性、權(quán)威性的數(shù)據(jù)服務(wù)給業(yè)務(wù)系統(tǒng)[6]。緊緊圍繞幾個(gè)關(guān)鍵信息，如目錄、氣象要素、原始資料名稱(chēng)等，就可高效精準(zhǔn)的鎖定目標(biāo)資料的原始數(shù)據(jù)類(lèi)別，一并查閱有關(guān)目標(biāo)資料的應(yīng)用型實(shí)例信息、服務(wù)接口以及使用說(shuō)明等。訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)服務(wù)接口必然會(huì)增加足跡信息，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析日志內(nèi)容就能為數(shù)據(jù)管理員定期維護(hù)提供參考，精準(zhǔn)追溯問(wèn)題根本所在并有效解決問(wèn)題。

3.3 性能分析

基于大數(shù)據(jù)的氣象保障云平臺(tái)相對(duì)傳統(tǒng)架構(gòu)的氣象數(shù)據(jù)支撐環(huán)境優(yōu)勢(shì)顯著，如表1所示。

3.3.1 高效處理性能

指向數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的技術(shù)主要是原始計(jì)算和分布式兩種，氣象業(yè)務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)的需求并非固定不變，所以計(jì)算資源的分配也要隨之進(jìn)行靈活調(diào)整，從調(diào)配資源到相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至庫(kù)內(nèi)的用時(shí)必須在10 s之內(nèi)，開(kāi)啟部門(mén)外共享數(shù)據(jù)的使用時(shí)間最長(zhǎng)為1 min。針對(duì)數(shù)據(jù)查詢(xún)，具體是從地面、高空還是雷達(dá)觀(guān)測(cè)中提取具體數(shù)據(jù)，要根據(jù)數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)需求做出決定，這是保證響應(yīng)快速的前提和基礎(chǔ)。

3.3.2 超強(qiáng)安全防護(hù)

針對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全，在云計(jì)算環(huán)境下將全面部署應(yīng)用各種安全防護(hù)組件，如網(wǎng)頁(yè)防篡改、防火墻、入侵防御、上網(wǎng)行為管理等，細(xì)化網(wǎng)絡(luò)區(qū)域隔離策略的同時(shí)要從橫縱向強(qiáng)化基礎(chǔ)資源的安全防護(hù)能力。針對(duì)數(shù)據(jù)安全，做到及時(shí)與氣象數(shù)據(jù)資源平臺(tái)對(duì)接，保證數(shù)據(jù)資源訪(fǎng)問(wèn)順利且隨時(shí)可追溯訪(fǎng)問(wèn)痕跡。針對(duì)應(yīng)用安全，應(yīng)用了負(fù)載均衡、數(shù)據(jù)防泄密、雙因子認(rèn)證的身份鑒別技術(shù)，為業(yè)務(wù)系統(tǒng)安全性提供保障。

4" "結(jié)束語(yǔ)

以大數(shù)據(jù)為技術(shù)支撐的氣象監(jiān)測(cè)平臺(tái)，從設(shè)計(jì)、架構(gòu)到實(shí)際運(yùn)用，都要嚴(yán)格遵照中國(guó)氣象局的相關(guān)要求和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，在技術(shù)選型方面，堅(jiān)決以氣象數(shù)據(jù)特征為重要參考，更好的保證適配性，提供集算數(shù)為一體的平臺(tái)化服務(wù)能力給氣象觀(guān)測(cè)、氣象預(yù)報(bào)和各種氣象服務(wù)。上述設(shè)計(jì)整體架構(gòu)不但能靈活擴(kuò)張，具有極高的可行性，還能在大規(guī)劃、全格局的運(yùn)行背景下，讓海量的氣象數(shù)據(jù)提取、統(tǒng)計(jì)需求得以滿(mǎn)足。以大數(shù)據(jù)的氣象保障云平臺(tái)為依托，開(kāi)展氣象信息系統(tǒng)集約化建設(shè)，可從根本上解決業(yè)務(wù)反復(fù)建設(shè)和系統(tǒng)低效使用的問(wèn)題，對(duì)于一體化氣象應(yīng)用生態(tài)化、模式化發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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