基于云平台的气象数据智能监控系统设计与应用

赵 勇，王 瑜，李全景，李 京

（枣庄市气象局，山东枣庄 277800）

随着气象现代化快速发展，气象观测设备越来越多，数据传输路径各不相同，业务流程由观测站→市级→省级调整为观测站→省级[1]后，气象工作者针对不同类型设备[2-4]应用不同方式[5-12]设计和开发了许多监控系统，在业务中发挥了很好的作用。但这些系统大部分都是针对某一类观测设备或应用某一类技术方式实现的，在实际业务应用中不太适合基层台站。

该文应用移动互联网和“云”服务技术，设计并实现了人工自主与机器智能相结合的多种监控方式，为有效提升综合数据传输质量和设备保障能力提供助力，为业务人员全面掌握观测设备运行和数据传输状态提供便利。

1 系统总体设计

1.1 业务需求

该系统主要面向三类业务人员设计，分别是市县级综合气象观测业务行政管理人员、运行监控人员和装备保障人员。市县级综合气象观测业务行政管理人员需要查询和统计某段时间全市或所辖县区综合气象观测设备数据传输率和业务可用性情况，市县级综合气象观测业务运行监控人员、装备保障人员需要随时、随地、快速、全面掌握全市或所辖县区所有类型气象观测设备运行、数据传输和可用等情况。

为满足上述市县级综合气象观测业务需求，首先系统要能自动监控市级气象部门所有类型气象观测设备运行、数据传输和可用等情况，其次系统能对自动监控到的信息进行收集、统计、分析、存储，然后系统能综合将气象观测设备运行、数据传输和可用等情况通过WEB 网站、手机APP、微信公众号等多种方式直观、便捷地展示出来，并能提供历史数据查询和统计，最后系统需要将设备运行和数据传输异常情况通过疑误短信、电话语音和微信推送等方式及时、快速传递给气象业务人员，实现人工自主与机器智能相结合的多方式监控。

1.2 系统架构

该系统采用C/S（客户端/服务器）与B/S（浏览器/服务器）相结合的设计架构，根据气象业务需求和网络安全需要，服务器分别部署在气象内网和互联网“云”端，对交互性强、需人工自主监控的手机APP 和微信公众号采用客户端模式，对时效性高、需机器智能报警的疑误短信、电话语音和微信推送采用服务端模式，对安全性高、需直观便捷展示的WEB 网站采用浏览器模式。

该系统所需的服务器有两台部署在气象内网，一台为数据服务器，主要提供定时监控和数据支撑等后端运行服务，是整个监控系统正常运行的中枢；另一台为WEB 服务器，主要提供WEB 网站的支撑运行服务和监控信息的展示、历史数据的查询及统计等前端交互服务。该系统所需另一台服务器部署在互联网“云”端，主要提供短信和语音、微信公众号、手机APP 等后端支撑服务，是整个监控系统实现智能报警监控功能的核心，如图1 所示。

图1 综合气象观测数据传输智能监控系统设计架构

该系统客户端是依托微信开发的公众号和基于Android、iOS 系统开发的手机APP，部署在市县级综合气象观测业务行政管理人员、运行监控人员和装备保障人员使用的智能手机、平板电脑、智能显示屏等智能终端上，主要提供数据传输监控信息的展示、观测设备运行情况的轮巡、疑误短信和电话语音及微信推送信息的报警等服务，是整个监控系统实现人工自主与机器智能相结合多方式监控不可或缺的重要组成部分。

1.3 系统安全

该系统涉及气象内网与互联网之间进行通信，因此将网络和系统的安全性作为整个监控系统的重点设计内容。为确保互联网“云”服务器、气象内网服务器和整个监控系统的运行安全，系统采用市级政务外网公共域线路连接互联网，在政务外网和气象内网之间架设防火墙、上网行为管理等安全设施并配置仅单向对外发送数据信息。为保证气象内网和互联网“云”端数据传输过程中监控信息的安全，系统采用加密扰动算法，有效防护窃听和攻击等有害行为，确保监控数据的安全和完整。为保障气象内网WEB 网站的安全，强制使用超文本传输安全协议（HTTPS）交互信息，并在首次登录系统时必须使用管理员分配的安全账户。

1.4 监控流程

综合气象观测业务改革后，观测数据传输流程由观测站→市级→省级调整为观测站→省级，在省级气象信息中心经过数据采集、数据质控后及时传输到国家气象大数据云平台，经国家气象大数据云平台处理后快速分发到省级气象大数据云平台。该系统通过定时扫描省级气象大数据云平台API 数据接口以获得全市综合气象观测设备的运行状态、数据传输和数据质量等情况，如图2 所示。

图2 综合气象观测数据传输智能监控系统监控流程

具体监控流程如下：

1）部署在气象内网数据服务器中的定时监控服务在获得综合气象观测设备运行状态和数据传输信息后，经过统计、分析，然后存储到数据服务器的SQL 数据库并及时推送到互联网“云”服务器。

2）部署在互联网“云”服务器的阿里云短信和语音、微信等后端服务在接收到监控信息后，经过存储、比对、筛选，将运行和传输异常的站点信息以疑误短信、电话语音和信息推送等方式发送给市县级综合气象观测管理及业务人员，实现机器智能监控的报警方式。

3）市县级综合气象观测管理和业务人员在值班期间，通过气象内网访问WEB 网站，WEB 网站的支撑服务快速与数据服务器中的SQL 数据库进行交互，通过浏览器展示全市综合气象观测设备监控信息、历史数据查询及统计结果等。

4）市县级综合气象观测管理和业务人员在值班、非值班或节假日期间，使用部署在智能手机、平板电脑等智能终端上的客户端，通过移动互联网与部署在“云”服务器的微信公众号、手机APP 后端支撑服务进行交互并展示、查询综合气象观测数据传输监控信息。

2 核心功能实现

根据系统总体设计，将系统核心功能分为数据传输监控模块、WEB 网站展示模块、智能终端服务模块和智能终端交互模块四部分，如图3 所示。

图3 综合气象观测数据传输智能监控系统组成模块

2.1 数据传输监控模块

数据传输监控模块是整个监控系统的中枢，主要提供定时监控和数据支撑等服务。定时监控服务采用PHP 语言编写，每隔10 min 按照综合气象观测站点编号和世界时间逐一扫描省级气象大数据云平台API 数据接口，根据获取的综合气象观测JSON 格式数据等信息自动判断观测站运行状态和传输情况，并将自动判断的监控信息推送给数据支撑服务和“云”服务器。数据支撑服务采用SQL 数据服务，主要存储定时监控服务推送的综合观测数据、监控信息和为WEB 网站展示模块提供数据交互服务。

2.2 WEB网站展示模块

WEB 网站展示模块是在气象内网服务器采用IIS 和PHP 语言构建的综合气象观测数据传输监控网站，主要提供监控信息的展示、历史数据的查询及统计等交互服务。展示内容包括综合观测设备分类传输概况、综合观测设备运行状态、分类传输及时率、非正常站点信息和气象专网连通状况等，如图4所示。查询和统计内容包括某段时间内综合气象观测同类设备传输及时率、单站设备传输及时率和全市气象观测设备综合运行状态等。

图4 综合气象观测数据传输智能监控系统WEB网站

2.3 智能终端服务模块

智能终端服务模块是整个监控系统智能化监控和报警的核心，主要提供短信和语音、微信公众号、手机APP 等后端支撑服务。

1）短信和语音后端支撑服务分别采用阿里云开放平台的短信、语音服务，为使用该服务首先要在互联网“云”服务器安装能让PHP 语言快速访问阿里云平台服务的Alibaba Cloud Client for PHP 开发包，然后在阿里云开放平台通过企业账户认证后，分别在开放平台短信服务、语音服务的控制菜单中创建短信模板和文本转语音模板。

上述配置完成后再使用PHP 语言编程接收数据传输监控模块推送的综合监控信息，经过存储、比对、筛选，将运行和传输异常的站点信息通过调用阿里云短信和语音API 接口以疑误短信、电话语音等方式推送给智能终端交互模块。

2）微信公众号后端支撑服务采用PHP 语言按照微信开放平台开发标准编写，在经过域名申请、注册、备案和微信公众号申请、注册及企业账户认证后，将绑定“云”服务器公网IP 地址的域名添加到微信开放平台URL 接口即完成配置。当微信公众号后端支撑服务接收到综合监控信息时，经过比对、筛选，将运行和传输异常的站点信息在微信内进行信息推送报警，综合气象观测管理人员、业务人员也可通过部署在智能终端交互模块中的微信公众号客户端进行查看和交互。

3）手机APP 后端支撑服务亦采用PHP 语言按照移动应用开发标准编写，通过在“云”服务器配置移动应用服务，当综合气象观测管理和业务人员操作智能监控系统手机APP 时，手机APP 后端支撑服务迅速访问、查询、筛选、统计综合气象观测数据，传输监控信息并根据用户操作展示返回结果，如图5所示。

图5 综合气象观测数据传输智能监控系统手机APP

2.4 智能终端交互模块

智能终端交互模块包括交互展示综合监控信息的计算机、智能手机、平板电脑、智能显示屏等硬件和部署在智能终端系统的微信公众号、手机APP 等客户端软件。智能监控系统微信公众号是基于微信开放平台申请开发的公众服务号，市县级综合气象观测管理和业务人员在智能终端安装微信应用程序并关注智能监控系统公众号即可进行业务应用。智能监控系统手机APP 是将智能终端服务模块中的手机APP 后端支撑服务用HBuilderX 软件经过注册、认证、封装成apk 安装包，市县级综合气象观测管理和业务人员安装在智能终端即可交互操作。

3 系统关键技术

3.1 数据安全和管理

该系统在自动扫描省级气象大数据云平台接口之前，需按照平台API 接口预先定义调用方式、资料代码、时间、站号、要素、返回数据类型等参数，依据观测设备类型和时效不同建立不同的调用方式，对获取的观测数据进行统计、分析、推送、储存。为保证气象内网和互联网数据传输过程中的安全，气象内网数据推送服务和互联网“云”端接收服务首先进行随机规则和扰动算法对接，然后将站号、时间、要素等按照随机规则进行加密传输，对观测数据、监控信息等进行扰动算法加密传输，有效防护窃听和攻击等有害行为，确保数据传输的安全和完整。为保证系统高效运转和数据快速读写，将观测数据和监控信息进行分离存放，同时分别建立实时数据库和历史数据库，避免性能干扰。为保证数据库安全，进行严格的防注入、防篡改、防误删管理，设置不同的访问权限并强化操作日志管理。

3.2 系统优化和展示

该系统应用PHP、HTML5、CSS3、JavaScript、Ajax、HighCharts 等多种编程技术优化综合监控信息展示和交互方式。采用PHP 语言编写后端支撑服务和前端交互服务，利用Ajax[13]异步调用方式动态读取监控数据库，采用HighCharts 插件将监控信息通过折线、圆点和地图视图等形式动画可视化展示；利用HTML5[14-15]、JavaScript[16-17]、CSS3[18]等技术对网页元素进行设计和优化，使显示内容自动适应智能终端屏幕尺寸和分辨率，有利于交互和展示。

4 结论

综合气象观测数据传输智能监控系统是根据气象观测自动化改革和气象观测数据传输流程调整后，为解决基层气象部门综合统一监控各类气象观测设备运行和数据传输需求而设计开发的。该系统应用WEB 网站、手机APP、微信公众号、疑误短信报警和电话语音叫应等多种人工自主与机器智能相结合的监控方式，建立了市县级气象观测数据传输统一与集约相结合的监控模式，提升了基层台站气象观测设备的保障能力和观测数据质量的传输效率。该系统投入气象观测业务运行以来，使市县级观测数据传输监控由分散向集中统一，由分类向综合集约，在运行监控和装备保障工作中发挥了重要作用，为基层气象观测管理人员和业务人员随时、随地、快速、全面掌握综合气象观测设备运行和数据传输状态提供了便利。