基于CIMISS的长江流域气象水文信息共享系统设计与实现研究

2022-03-22 09:34:19 | 浏览次数：

摘要

从现阶段长江流域气象水文信息共享系统的不断发展和完善出发，针对流域气象水文信息共享平台建设方面存在的诸多问题，结合2014年湖北省气象信息与技术保障中心成功开发的基于CIMISS的长江流域气象水文信息共享平台（YZMISS），指出了长江流域气象水文数据共享系统的设计目标和技术路线，在阐明YZMISS总体结构与功能的基础上，从总体数据流程、系统结构、信息收集与处理、数据存储管理、信息共享服务等方面，对YZMISS的设计内容及其实现方式进行了介绍。

关键词基于CIMISS;长江流域;共享系统设计

中图分类号 S126 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）32-11565-06

The Yangtze River Basin Meteorological and Hydrological Information Sharing Platform Design and Implementation Based on CIMISS

WANG Hongji， YANG Daicai

（Meteorological Information and Technology Support Center of Hubei Province， Wuhan， Hubei 430074）

Abstract Starting from the continuous development and improvement of Yangtze River basin meteorological and hydrological information sharing platform in current stage， aiming at the existing problems， combined with YZMISS developed by Hubei Meteorological Information and Technical Support Center in 2014， the design objectives and technical routines of Yangtze River basin meteorological and hydrological information sharing platform were pointed out. On the basis of elaborating general structure and functions of YZMISS， the content and implementation ways were introduced from aspects of data flow， system structure， information collection and processing， data storage and management， information sharing services.

Key words CIMISSbased; Yangtze River Basin; Sharing platform design

长江流域是全国7大江河流域中最大的流域，涵盖全国12个省（直辖市），其国民生产总值约占全国的36%，同时也是我国降水变率比较大、旱涝灾害频繁发生的地区之一。中国气象局一直高度重视长江流域水文气象业务的发展，为提升长江流域气象防灾减灾和应对气候变化的服务能力与水平，加强流域内跨省区、跨部门的合作和信息共享，2009年底中国气象局在湖北成立了以华中区域气象中心牵头，由长江流域12个省（直辖市）气象局组成的长江流域气象中心。依托信息共享平台建设，实现流域内信息的共享，是做好流域内监测和预报服务工作的基础，对提高长江流域气象部门的公共气象服务能力有十分重要的意义。

长江流域气象中心建成以来在数据共享方面已经取得了一定进展，杨代才等开发了长江流域气象中心实时资料共享平台，实现了常规自动站资料、区域自动气象站资料、水文资料、雷达基数据和预报产品的实时共享[1]。但随着业务的不断发展和数据的不断扩充，该共享系统已经无法满足用户的需求，在数据存储、数据采集和共享方式上都存在着弊端。此外，伴随着CIMISS系统的推广和应用，更加迫切地需要数据集约化、一体化管理，从而保证数据的准确性，也便于维护和升级，广东省气象局开发的“广东省现代农业气象业务支撑平台”率先实现了与CIMISS的对接。

1 现状与存在的问题

通过近几年的技术研究和业务建设，长江流域气象中心已初步形成了水文气象业务服务能力，已建立了由自动气象站、区域站、新一代天气雷达等新型气象探测设备组成的现代化气象观测网，开展了长江流域雷达拼图业务和定量降水估算研究，建立了中尺度暴雨数值预报系统和水文气象耦合模式预报系统。

虽然长江流域水文气象服务已经取得了一定成效，但作为数据支撑的气象信息收集、处理、存储、共享系统还保持着流域各省（市）气象部门相对独立的方式运行。随着气象观测技术的进步、气象资料种类的增加以及部门内外对气象服务需求的不断提升，相对独立和分散的数据应用方式已成为制约长江流域水文气象服务进一步发展的重要因素之一。

相比流域水文气象预报预测业务发展，长江流域气象信息汇集和共享业务发展相对滞后。因此，有必要在现有业务基础上，系统梳理流域内气象水文监测产品、预报预测、灾情、决策、应急服务等综合信息，建立长江流域气象信息共享平台，实现信息的汇集和共享，为长江流域水文气象服务提供更有力的业务支撑。

2 系统设计

2.1 设计目标

通过建立流域信息汇集和共享的机制和渠道，实现流域内气象资料、水文资料及决策服务、应急服务等信息的汇集和共享，建立基于CIMISS的长江流域气象水文信息共享平台（the YangtZe river basin Meteorological Information Sharing System，简称 YZMISS），为全面提高长江流域暴雨洪涝灾害预报水平，提升水文气象科研能力，为长江流域防汛抗旱和重大水电工程建设运行的气象保障服务提供安全、可靠、稳定的信息支撑。其设计目标具体包括：

①通过共享平台的建设，实现长江流域12个省市之间的水文气象信息的互联互通，实现共享产品的互相主动推送，包括流域各省将各自的产品主动推送至共享平台，共享平台将处理后的共享产品推送到流域各省。

②基于新一代气象通信系统和全国综合气象信息共享平台（China Integrated Meteorological Information Service System，以下简称CIMISS），建立一套完整的水文气象信息收集、处理、共享及应用的流程，为用户提供各类数据访问接口，提供数据共享服务。

③面向气象部门用户提供信息共享服务，实现与现有业务系统的整合，为MICAPS、SWAN等业务系统提供应用接口，为预报人员提供方便快捷的气象数据支持服务，实现预报人员流域水文气象信息的桌面共享。

④面向气象部门外的决策用户和行业用户提供流域气象信息服务，围绕长江流域防汛抗旱工作对气象服务的需求，长江流域水资源的合理利用和科学调度需要，提供与流域信息结合的气象数据及预报产品查看、检索、下载等服务功能，为长江流域防汛抗旱和重大水电工程建设运行提供气象资源支撑。

⑤基于长江流域水文气象服务业务需要，建立科学合理、具有流域特色的长江流域水文气象业务规范和业务流程，并在流域内应用并进行推广。

2.2 设计原则

系统设计原则是业务系统设计的关键之一，长江流域气象信息共享平台的设计主要遵循以下原则：①要结合新一代通信网络系统实现信息互联互通：依托气象部门新一代通信网络及现代化的通信技术手段，实现流域各省（直辖市）气象局之间的信息互相联通、互相推送，实现气象观测、预报预测、水文信息以及流域气象服务产品的快速传输;②要结合CIMISS系统实现数据环境及存储资源利用：以CIMISS系统为基础，建立实时数据库、资料处理、存储系统，实现流域气象观测数据存储利用，以及流域气象服务产品的存储管理，并为流域气象部门及行业用户提供各种资料及产品的发布共享服务;③结合MICAPS、SWAN等业务化系统实现流域水文气象预报预警数据的桌面应用：针对流域各省定量降水估测、预报等重点水文气象业务，提供流域各类水文气象监测、预报、预警产品，为业务人员提供桌面应用服务;④结合长江流域中心已建系统和现有的业务成果，建设长江流域气象信息共享平台，满足长江流域中心及所辖各省中心气象部门用户、长江流域防汛抗洪指挥部的决策用户，以及水利、国土资源、水电、航运等相关行业用户对流域气象信息共享服务的不同需求;⑤结合虚拟存储及云平台等新兴技术，建立以云平台为支撑的长江流域气象信息共享平台，合理分配利用计算及存储资源，为系统提供可靠稳定的运行平台。

2.3 系统组成

气象信息共享平台作为气象业务体系的4大战略平台之一[2]，在整个气象业务中具有重要作用。因此，在云平台基础上设计建设满足长江流域各省（直辖市）气象信息共享服务要求的长江流域气象信息共享平台，实现长江流域水文、气象信息的汇集和共享。

长江流域气象信息共享系统结构如图1所示。

长江流域气象信息共享平台采用分层次、组件化的原则进行设计，平台的支撑环境由基础硬件层、基础软件层组成，并且由基于以业务、技术、管理等方面的标准规范体系、安全保障体系和运维管理体系作为整体架构上的支撑和保障[3-5]。整个平台构建于由网络设备、安全系统、服务器、存储设备组成的基础硬件平台之上，通过云平台构建虚拟化服务器资源池、存储资源池，使用多种操作系统、数据库管理系统、系统安全软件作为基础软件支撑，构建支撑业务系统的虚拟机。系统所涉及的数据包括流域基本信息、气象观测数据、水文信息数据、气象预报产品、服务产品等业务数据，以及地理信息数据、元数据、用户信息数据等支撑数据，另外还包括平台在运行过程中需要使用的配置信息、产生的日志文件等。系统的业务应用层包括支撑业务应用的信息

收集与处理系统、数据存储管理系统和信息发布服务系统。接口层包括用户界面和对外接口，

平台提供平台管理界面及信息发布服务网站门户;对外接口包括对数据源的数据收集接口、提供数据服务的Web Service接口、MICAPS系统应用的接口、SWAN系统应用接口、FTP服务接口以及供气象部门内用户直接调用数据库数据的数据访问API接口。

2.4 流程设计长江流域气象信息共享平台的系统流程如图2所示。

2.4.1

信息收集与处理系统。根据收集策略对各种来源的产品和数据进行实时收集，对实时收集到的数据进行分类判断，根据数据形式进行文件解包、解压缩处理、文件名检查、数据格式检查，需要以文件方式保存的数据保存到相应的目录下，对需要入关系数据库的要素数据进行数据解码和要素提取，输出经过预处理的标准化数据到数据存储管理系统准备入库;数据加工处理根据加工处理策略对各种数据进行产品综合处理、MICAPS格式转换处理，接收来自信息发布服务系统的数据统计分析请求，从数据存储管理系统获取需要分析的数据进行排序、求极值、求平均、求总量等统计分析处理，将统计分析结果返回给信息发布服务系统;根据推送策略，通过新一代通信系统建立的省与省之间的信息传输通道，进行流域气象服务产品分发;实时监控各种数据、产品的采集、分发情况。

2.4.2

数据存储管理系统。根据数据入库策略对来自信息收集整理系统标准化数据及加工制作产品进行入库处理，存储至产品库中指定存储位置;根据数据备份策略，定期启动进程进行数据备份;当数据丢失或被损坏时，根据预先配置的数据恢复策略进行数据恢复;根据数据清除策略，定期启动进程进行数据清除;实时监控数据入库、存储资源使用情况。

2.4.3

信息发布服务系统。为气象部门或行业相关用户提供信息查询、下载、统计分析服务，同时提供FTP下载服务，统一接口服务;用户可以访问信息共享服务网站，通过目录导航选择查看以图形、表格及文件列表等方式显示长江流域气象监测、预报、预测以及水文信息，并可以进行数据检索、下载、统计分析;系统实时监控数据服务、网络资源使用情况。

图2 长江流域水文气象信息共享系统流程

2.5 安全设计

长江流域信息共享平台的安全设计需要满足3个方面的安全需求：①用户的安全：提供用户认证系统，来保证用户的身份安全和访问安全;②数据的安全：提供对数据库自身内容的安全备份和恢复功能，保证数据的准确性、可恢复性;③应用程序的安全：通过用户认证系统、信息资源目录系统对数据访问进行安全保护。

长江流域信息共享平台采用安全认证系统，为参与服务的气象部门业务人员和行业用户提供统一的权限管理机制，实现单点登录、全局访问。安全认证是和数据库系统、信息服务接口系统紧密捆绑的系统。按照用户角色不同设置不同的访问权限，使系统对每一个进入系统的用户的合法性进行检验，防止未经授权的用户进入，对合法用户在网上数据库的访问权限和内容进行控制，保证用户在权限范围内最大限度地共享信息。数据库备份恢复功能方面，提供数据库备份和恢复功能。服务产品库存储的所有内容都进行安全备份，备份数据保存时间按照数据重要性和使用时效性等规划;数据恢复功能可以及时恢复因误操作等原因丢失的数据，保证数据准确性、完整性和可恢复性。使用防火墙过滤不安全的服务，保护脆弱的服务，保护应用和数据安全;控制外部用户对系统的访问行为，阻拦非法访问行为;增强系统的保密性。

3 系统功能

长江流域信息共享系统的主要业务功能包括信息收集与处理子系统、数据存储管理子系统和信息发布服务子系统，对各子系统进行了设计。

3.1 信息收集与处理子系统

信息收集与处理子系统依托各省（直辖市）气象局间的地面宽带网络的行业部门资料交换，实现流域各省（直辖市）的水文气象信息的收集，主要包括数据收集与分类、数据预处理、数据加工处理、数据推送、数据传输监控统计等模块。其功能设计如图3所示。

3.2 数据存储管理子系统

长江流域气象信息共享系统的数据库包含实时库和历史库，数据存储基于CIMISS数据存储结构进行扩展设计和实现。实时库针对实时气象数据进行存储管理，并对实时气象业务系统提供实时气象数据资源共享服务的专用气象数据库系统，满足高响应速度需求。历史库用于存储所有的气象历史资料，从实时库中定时追加更新[6-8]。子系统主要包括数据处理入库、数据出库管理、数据备份与恢复、数据清除、数据存储监控统计5个功能模块。子系统功能设计如图4所示。

3.3 信息共享服务子系统

长江流域信息发布服务子系统采用统一访问接口、FTP共享服务、WEB网站等方式，发布和管理长江流域各种监测、预测和预警服务综合信息，为流域气象部门、决策用户及相关行业提供针对性共享服务。信息发布服务系统需要通过信息共享服务网站，以图形、表格及文件列表等方式显示长江流域气象监测、预报、预测以及水文信息，为用户提供信息查询、下载、统计分析服务，同时提供FTP下载服务，统一接口服务。其功能设计如图5所示。

图5 流域信息发布服务子系统结构

4 系统实现

2014年5月，依托气象部门新一代通信网络已经实现了长江流域各省之间的水文气象信息传输，充分吸取前期气象部门信息共享系统设计开发的成功经验[9-12]，实现了长江流域气象观测、预报预测、水文信息以及流域气象服务产品的快速收集;结合CIMISS系统初步实现了数据环境及存储资源利用，建立了实时数据库、资料处理、存储系统，实现了流域气象观测数据存储利用，以及流域气象服务产品的存储管理[14];结合MICAPS、SWAN等业务化系统初步实现了流域水文气象预报预警数据的共享应用，提供流域各类水文气象监测、预报、预警产品，为业务人员提供桌面应用服务;结合长江流域中心已建系统和现有的业务成果，初步建立了长江流域气象信息共享系统。系统界面如图6所示。

图6 基于CIMISS的长江流域气象水文信息共享系统主界面

4.1 CIMISS实况数据采集实现

长江流域气象信息共享系统的实况数据主要来源于CIMISS系统，通过CIMISS数据共享（GDS）子系统提供的WebService接口获取数据，具体实现方式为：

①引入CIMISS提供的基础jar包文件，包括Client.jar、 commons-codec-1.3.jar、commons-httpclient-3.1.jar、commons-logging-1.1.1.jar;

②使用HttpClientRequest类模拟HTTP请求，参数以xml字符串的形式传入requestStart方法，具体参数及详细API可以参考《CIMISS应用检索接口（API）用户手册》;

③调用sendData（）发送请求;④调用requestEnd（）方法来获取数据返回，返回结果根据参数设置可以为JSON格式或XML格式。获取返回数据后本地程序依照业务逻辑进行数据解析。

4.2 定时任务调度实现

系统中所有数据的获取和发布需要通过定时任务调度进行统一管理，该模块主要是定时向一个服务地址发送HTTP请求，后台服务执行相应的命令来完成处理。

定时采集的实现核心是Quartz，Quartz是OpenSymphony开源组织在Job scheduling领域又一个开源项目，它可以与J2EE、J2SE应用程序相结合，也可以单独使用。Quartz可以用来创建简单或运行10个甚至是好几万个Jobs这样复杂的程序。

定时任务工程里核心类FtpDownLoadTask是Quartz的一个任务实现，它实现了Quartz的TaskInterface接口，并在execute接口方法里通过Apache httpclient模拟一个HTTP请求发送给采集程序的控制器，将FTP连接串（param）、文件夹名称（remoteDir）、文件通配符（remoteFileNameFormator）、文件本地存储位置（localDir）、文件本地重命名后名称（localFileFormator）、回调处理函数接口名称（cbk）传递给后台控制器。

后台服务程序是单独开发的一个MVC控制器，能够接收HTTP请求，在接受到请求后根据请求内的参数（param 、remoteDir、remoteFileNameFormator、localDir、localFileFormator）可以得知需要访问的FTP服务的ip地址、端口、用户名、密码以及文件夹。

5 结语

系统在CIMISS的基础上通过二次开发，增加部分特殊功能来满足长江流域水文气象资料共享的实时业务需求。

系统于2014年6月开始在长江流域内各省气象部门投入业务试运行，运行效果良好，目前已为长江流域气象中心所属各业务单位提供了各种资料及产品的共享服务，同时结合虚拟存储及云平台等新兴技术，初步建立了以云平台为支撑的硬件平台，达到了合理分配和利用计算及存储资源的目的，为系统运行提供了可靠稳定的运行平台。基于长江流域水文气象共享业务需要，初步建立了具有流域特色的长江流域水文气象共享业务规范。

参考文献

[1]

杨代才，王海军，龚贤创.长江流域气象中心实时资料共享平台设计与开发[C]//2011年中国气象学会气象通信与信息技术委员会暨国家气象信息中心科技年会.中国气象学会，2011.

[2] 秦大河，孙鸿烈.中国气象事业发展战略研究—总论卷[M].北京：气象出版社，2005：26-27.

[3] 谢博文，黄小妹，覃信贤.气象信息共享平台的构建及其实现研究[J].科教导刊（中旬刊），2012（7）：79-80，84.

[4] 梅清银.气象信息共享管理系统的设计与实现[D].成都：电子科技大学，2010.

[5] 何小明，蒋永东.气象信息共享服务业务平台用户认证系统的设计[J].现代电子技术，2007（21）：79-80.

[6] 王胜利.新疆省级气象数据库建设及其管理系统软件设计[J].新疆气象，2003，26（5）：41-42.

[7] 王宏记，王海军，曾又枝，等. 省级气象信息综合数据库系统的设计与实现[J].暴雨灾害，2008，27（3）：283-286.

[8] 王旻燕，邓莉，赵芳，等.CIMISS中气象卫星数据存储和服务模型[J].安徽农业科学，2012（8）：4785-4789.

[9] 马永征，南凯，阎保华.基于MDS的数据网格信息服务体系结构[J].微电子学与计算机，2003（8）：1-3.

[10] 王国复，李集明，邓颖，等.中国气象科学数据共享服务网总体设计与建设[J].应用气象学报，2004，15（S1）：10-16.