海洋水文氣象數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的模塊化設(shè)計與實現(xiàn)＊

李博，王斌，葉穎，王鵬，孫成龍，閆秦

（國家海洋技術(shù)中心 天津 300112）

1 引言

海洋環(huán)境預(yù)報事業(yè)是一項社會公益性事業(yè)，對促進海洋經(jīng)濟發(fā)展、保障沿海地區(qū)人民群眾的生命財產(chǎn)安全具有重要的意義。海洋環(huán)境預(yù)報離不開觀測數(shù)據(jù)的支持，海洋觀測數(shù)據(jù)具有實時性和連續(xù)性要求高，需要長期觀測等特點［1］。因此，快速、有效、準確地對觀測到的海洋水文、氣象數(shù)據(jù)進行存儲、處理就尤為重要。目前，我國海洋水文氣象觀測數(shù)據(jù)在管理和使用上存在數(shù)據(jù)共享機制不健全、沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)管理方式不合理等問題［2］。這些問題嚴重地影響了觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，并影響到海洋災(zāi)害預(yù)報的準確性。

為此，本研究提出了基于SQL Server的數(shù)據(jù)庫設(shè)計方案，通過對數(shù)據(jù)庫的級聯(lián)更新等實現(xiàn)了數(shù)據(jù)分級存儲，提高了數(shù)據(jù)管理效率。同時，利用UML建立系統(tǒng)模型，將數(shù)據(jù)管理模塊設(shè)計為一個獨立的模塊，提高數(shù)據(jù)管理的獨立性。

2 系統(tǒng)分析與設(shè)計

2．1 系統(tǒng)需求概述

根據(jù)《GBT 14914－2006 海濱觀測規(guī)范》，氣象觀測要素主要有：風(fēng)速、風(fēng)向、相對濕度、氣溫、氣壓、降雨量和能見度等。水文觀測要素主要有：表層海水溫度、表層海水鹽度和潮汐等。其中，水文要素、氣象要素分別以北京時間24 時（不含24時）和20時（不含20時）為日界。

因此，海洋站水文氣象自動觀測系統(tǒng)主要完成對多種來源、多種時相、多種精確度的海洋水文氣象基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行有效存儲與管理，構(gòu)建包含實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、整點數(shù)據(jù)的綜合性數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)［3］。通過該數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)既可實現(xiàn)將觀測數(shù)據(jù)上傳至各級海洋環(huán)境預(yù)報部門，又可滿足海洋臺站本地使用?？紤]到系統(tǒng)的模塊化設(shè)計，還要為數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)留有對外可進行二次編程的接口（圖1）。

圖1 海洋水文氣象數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)用例分析

2．2 數(shù)據(jù)多重存儲和分級管理

數(shù)據(jù)多重存儲體現(xiàn)在同一數(shù)據(jù)既要存儲到本地數(shù)據(jù)庫中又要存儲到相應(yīng)的文件中。存儲在本地數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)即可用于本地管理與存儲，也可用于數(shù)據(jù)的查找和對外提供二次開發(fā)接口。存儲在文件中的數(shù)據(jù)以文本文件的格式被傳輸至海洋環(huán)境預(yù)報單位［4］。

數(shù)據(jù)分級管理主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計上。將水文、氣象觀測數(shù)據(jù)進行分級存儲，分為臨時數(shù)據(jù)存儲表和最終數(shù)據(jù)存儲表。臨時存儲表中存儲當(dāng)前小時進入數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并在后續(xù)小時數(shù)據(jù)進入系統(tǒng)后將臨時數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)打包插入最終數(shù)據(jù)表中。臨時數(shù)據(jù)表限定數(shù)據(jù)量閾值，超過設(shè)定閾值后臨時數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)將被自動刪除。最終數(shù)據(jù)表每個觀測要素一個表，記錄該數(shù)據(jù)當(dāng)天數(shù)據(jù)，包括該要素當(dāng)天各整點數(shù)據(jù)值、數(shù)據(jù)極值和當(dāng)天每分鐘的數(shù)據(jù)值。

2．3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

根據(jù)觀測數(shù)據(jù)使用對象的不同［5］，將系統(tǒng)進行模塊化設(shè)計為：數(shù)據(jù)上傳模塊和本地數(shù)據(jù)管理模塊。數(shù)據(jù)上傳模塊將實時觀測數(shù)據(jù)上傳至海洋環(huán)境預(yù)報單位；本地數(shù)據(jù)管理模塊用于海洋觀測站本地數(shù)據(jù)管理與存儲，并對外提供二次開發(fā)接口。此外，該模塊可根據(jù)業(yè)務(wù)需求生成數(shù)據(jù)上傳模塊所用的數(shù)據(jù)文件。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類見圖2。

圖2 海洋水文氣象數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類圖

2．4 軟件開發(fā)環(huán)境

針對上述業(yè)務(wù)需求，采用了Visual Studio C＃2010 作為軟件開發(fā)平臺，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用SQL Server 2005。其中，Visual Studio C＃2010是一種現(xiàn)代的完全面向?qū)ο蟮某绦蜷_發(fā)語言，它使得程序員能夠在新的微軟．NET 平臺上快速開發(fā)種類豐富的應(yīng)用程序。．NET 平臺提供了大量的工具和服務(wù)，能夠最大限度地發(fā)掘和使用計算及通信能力［6］。

SQL Server 2005 能提供大型系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)庫服務(wù)，可實現(xiàn)成千上萬的用戶同時連接。SQL Server 2005 為這樣的環(huán)境提供了全面的保護，具有防止問題發(fā)生的安全措施，可在多個用戶之間有效地分配可用資源。此外，還可以在一臺計算機上運行多個SQL Server 2005 實例［7］。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3．1 數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計

海洋站水文氣象觀測數(shù)據(jù)要在海洋觀測站、海洋中心站、海區(qū)預(yù)報中心及國家預(yù)報中心等各單位使用，其中：海洋觀測站端僅使用本站數(shù)據(jù)；海洋中心站使用本中心站下屬各海洋站數(shù)據(jù)；海區(qū)預(yù)報中心使用本海區(qū)下屬各海洋站數(shù)據(jù)；國家預(yù)報中心使用所有海洋站的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是連續(xù)不間斷產(chǎn)生和使用的。因此，在建立海洋站水文氣象數(shù)據(jù)庫時，必須考慮大規(guī)模數(shù)據(jù)的存儲問題。在建立數(shù)據(jù)庫的同時，構(gòu)建出符合海洋觀測預(yù)報業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)模型，設(shè)計了水文要素臨時數(shù)據(jù)表（tempdata＿sw 表）、氣象要素臨時數(shù)據(jù)表（tempdata＿qx 表）和風(fēng)要素臨時存儲表（tempdata＿wi表）、風(fēng)要素數(shù)據(jù)存儲表（WI表）、相對濕度數(shù)據(jù)存儲表（HU 表）、氣溫數(shù)據(jù)存儲表（AT表）、氣壓數(shù)據(jù)存儲表（BP 表）、降雨量數(shù)據(jù)存儲表（RN 表）、能見度數(shù)據(jù)存儲表（VB 表）、海水溫度數(shù)據(jù)存儲表（WT 表）、海水鹽度數(shù)據(jù)存儲表（SL表）、潮位數(shù)據(jù)存儲表（WL 表）等多個表格。其中，臨時表每個要素每小時1 行數(shù)據(jù)，用于存放近3d每分鐘生成的實時數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲表每個要素每天1 行數(shù)據(jù)，用于存放整點值數(shù)據(jù)、極值數(shù)據(jù)以及該天每分鐘數(shù)據(jù)（表1至表5）。

表1 tempdata＿sw表

續(xù)表

表2 tempdata＿qx表

表3 tempdata＿wi表

表4 氣溫數(shù)據(jù)存儲表（AT表）

表5 海水溫度數(shù)據(jù)存儲表（WT 表）

以上5個表為數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計所需的表，其中表1至表3為臨時數(shù)據(jù)存儲表，表4為氣象要素數(shù)據(jù)表、表5 為水文要素數(shù)據(jù)表，其余水文氣象要素數(shù)據(jù)正式表的表結(jié)構(gòu)與表4和表5結(jié)構(gòu)一致。此外，風(fēng)要素表結(jié)構(gòu)中DataXX 為風(fēng)向值與風(fēng)速值的組合，即“風(fēng)向值 風(fēng)速值”。

3．2 系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)與運行結(jié)果

3．2．1 數(shù)據(jù)庫觸發(fā)器設(shè)計

結(jié)構(gòu)化查詢語言Structure Query Language（SQL）是專門為數(shù)據(jù)庫建立的操作命令集，是一種功能齊全的數(shù)據(jù)庫語言。SQL 主要由兩部分組成：DDL（Data Definition Language）和DML（Data Manipulation Language）。其中，DDL 是建立數(shù)據(jù)庫表及列的指令群，DML 是操作數(shù)據(jù)庫記錄的指令群。以下SQL 語句實現(xiàn)了海洋水文氣象數(shù)據(jù)庫觸發(fā)器的設(shè)計。

create trigger tri＿sw／／更改水文各要素整點值，以潮位要素為例。

on tempdata＿sw

for update

if update（m00）

begin

update WL set wdXX＝i．m00where zh＝i．zh and type＝’WL’and date＝i．sdate＋’XX’

end

上述程序以潮位（WL）數(shù)據(jù)為例，實現(xiàn)了水文要素的數(shù)據(jù)臨時表向正式表的級聯(lián)更新。其中，水文要素數(shù)據(jù)更新為本時刻00 分數(shù)據(jù)到正式表本小時的更新。

3．2．2 程序設(shè)計及運行結(jié)果

根據(jù)上述業(yè)務(wù)需求，對數(shù)據(jù)管理模塊（表6）進行了程序開發(fā)，設(shè)計實現(xiàn)了以下幾個程序?qū)ν庹{(diào)用的接口。

表6 水文氣象數(shù)據(jù)管理模塊情況

利用以上函數(shù)接口，實現(xiàn)了水文氣象數(shù)據(jù)管理，并被海洋站上位機軟件調(diào)用，完成了海洋站水文氣象數(shù)據(jù)的管理。

4 結(jié)束語

系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)和面向?qū)ο蠹夹g(shù)，整合現(xiàn)有觀測設(shè)備的數(shù)據(jù)類型，實現(xiàn)了海洋觀測數(shù)據(jù)的自動化管理，有效降低了海洋觀測系統(tǒng)的管理成本，同時系統(tǒng)為海洋觀測數(shù)據(jù)的模塊化管理和使用提供了對外接口。實現(xiàn)了海洋水文氣象觀測數(shù)據(jù)的模塊化和業(yè)務(wù)化應(yīng)用，為進一步提高海洋觀測預(yù)報的精細化水平，更好服務(wù)于海洋經(jīng)濟發(fā)展管理的支持能力奠定了基礎(chǔ)。

［1］秦明慧，李平，戴永壽，等．海洋臺站數(shù)據(jù)管理及動態(tài)發(fā)布系統(tǒng)的設(shè)計［J］．海洋預(yù)報，2010，27（3）：66－71．

［2］吳向榮，陳宇東，李郅明，等．海洋臺站觀測數(shù)據(jù)生成環(huán)節(jié)及質(zhì)控分析［J］．海洋開發(fā)與管理，2014，31（4）：34－37．

［3］中國國家標(biāo)準化委員會．GB／T14914—2006海濱觀測規(guī)范［S］．2006．

［4］林春梅，余麒祥，曹宇峰，等．淺談海洋臺站工作的管理［J］．海洋開發(fā)與管理，2013，30（4）：44－47．

［5］俞永慶．自動海洋氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)庫及其Web開發(fā)應(yīng)用［J］．海洋預(yù)報，2006，23（1）：81－84．

［6］劉維學(xué)．SQL Server查詢優(yōu)化器原理與優(yōu)化實力分析［J］．計算機技術(shù)與發(fā)展，2013，23（11）：108－111．

［7］劉維學(xué)，喬麗平．SQL Server數(shù)據(jù)庫DML觸發(fā)器的研究與應(yīng)用［J］．計算機技術(shù)與發(fā)展，2013，23（11）：66－69．