賀州市區(qū)域自動氣象站監(jiān)控平臺設計與實現(xiàn)

侯江生，鄒哲馨

（賀州市氣象局，廣西 賀州 542899）

1 引言

區(qū)域自動氣象觀測站是根據(jù)中小尺度災害性天氣預警、大中城市、特殊地區(qū)和專屬經(jīng)濟區(qū)的氣象和環(huán)境預報服務需要，為提高中小尺度天氣監(jiān)測和臨近預報的水平和能力，并應當?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展需要而建設的地面氣象觀測站［1-3］。到目前為止，本市已經(jīng)建了116個自動氣象站，由于區(qū)域自動氣象站數(shù)量和種類不斷增加，區(qū)域自動氣象觀測設備故障次數(shù)也變多，氣象保障維護人員需要不斷對區(qū)域氣象觀測設備狀態(tài)進行監(jiān)控，以便及時對區(qū)域氣象設備維護和維修［4-10］。目前面臨實際情況是一方面市、縣局保障工作人員技術水平有限和人員緊張，另一方面故障報警時限長和故障判斷不準確，這些都給區(qū)域自動氣象站的穩(wěn)定運行帶來很大困難。為解決這些問題，針對區(qū)域自動氣象站設備監(jiān)控和數(shù)據(jù)質量控制，設計了本監(jiān)控平臺。本監(jiān)控平臺使用C#語言編程，按照MUSIC統(tǒng)一接口規(guī)定格式，實現(xiàn)了自動氣象站實況數(shù)據(jù)展示、氣象站數(shù)據(jù)對比查詢、質量控制，缺報次數(shù)統(tǒng)計、系統(tǒng)管理、報警信息存儲和報警信息發(fā)送等功能。

2 平臺分析

2.1 需求分析

目前大部分的市局級監(jiān)控平臺是基于區(qū)氣象局服務器數(shù)據(jù)庫，從區(qū)氣象局服務器提取區(qū)域站數(shù)據(jù)。但是從中國氣象局的規(guī)劃和布置，在各級氣象部門和業(yè)務單位逐步推廣和使用CIMISS大數(shù)據(jù)平臺（全國綜合氣象信息共享平臺），所有采集的氣象數(shù)據(jù)都要錄入該平臺，同時所有需求氣象數(shù)據(jù)也都要從該平臺獲取。因此開發(fā)一個基于CIMISS平臺的監(jiān)控平臺是非常必需的。

市縣裝備保障中心維護維修人員很多是兼職其他工作，因此需要一個平臺能夠直接給出可疑、錯誤、缺測站點的警示信息，以便判斷和圈定故障，對于可疑的可以進入下一時次繼續(xù)觀察，對于錯誤或缺測的能提醒維護維修人員及時到現(xiàn)場進行進一步判斷和現(xiàn)場維護維修。區(qū)域站報警信息及頻次應當設計合理，便于保障人員合理安排現(xiàn)場核查和維護工作。

2.2 平臺設計目標

在監(jiān)控平臺界面上，應該結合行政區(qū)和站點要素類別進行顯示，還可以提供一定時間段的數(shù)據(jù)查詢，方便直觀的進行同要素數(shù)據(jù)對比檢查；其次，對于缺測或掉線等需重點關注的站點，利用醒目的顏色標識處理，以提醒保障人員及時處理和安排現(xiàn)場核查和維護；再次，對于各站點的實時和歷史數(shù)據(jù)進行科學合理的質量控制，通過數(shù)據(jù)挖掘能分析出一些隱性和不易察覺的錯誤信息；最后報警信息的提醒頻次和合理，不能太久和太多，一天一至兩次比較合適，提醒電話和信息安排在早上和下午上班后不久。

3 平臺設計

3.1 平臺架構

根據(jù)賀州市區(qū)域站監(jiān)控平臺需求和可視化要求，平臺基于B/S結構，用VS2010開發(fā)、結合SQL2008數(shù)據(jù)庫和部分硬件應用。平臺總體上采用四層體系架構，用戶層、表現(xiàn)層、數(shù)據(jù)資源及處理層、基礎層（如圖1所示）。

3.2 平臺功能設計

平臺功能由短信貓（報警短信發(fā)送、電話撥打）和數(shù)據(jù)處理（獲取、質控、展示和存儲）和平臺設置功能組成。其中數(shù)據(jù)獲取和處理包括從CIMISS平臺獲取各轄區(qū)區(qū)域站數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)質量控制、氣象數(shù)據(jù)展示等，而平臺設置包括利用SQL數(shù)據(jù)庫表實現(xiàn)臺站參數(shù)獲取、氣象要素閾值設置和手機號碼設置及分級權限管理等。

圖1 平臺總體架構模式

4 平臺功能實現(xiàn)

4.1 開發(fā)工具及質量控制理論

本平臺是基于Net Framework 4.0的設計，使用編程語言VS2010 C#語言編程，使用SQL數(shù)據(jù)庫管理權限和部分參數(shù)，用常見的窗體應用程序進行圖像化開發(fā)，數(shù)據(jù)曲線圖和柱狀圖使用OWC11插件技術，短信貓使用串口通信原理，數(shù)據(jù)來源于CIMISS。

根據(jù)賀州市區(qū)域站站點布局、周邊環(huán)境、氣候條件和經(jīng)緯度等情況，選取了界限值檢查、極值檢查、內部一致性檢查、時間一致性檢查、相關性檢查和缺測檢查作為氣象數(shù)據(jù)質量控制方法［11］。

其中四方位空間一致性檢驗法［12］也是一種相關性檢查，它是利用某站（檢驗站）的東北—西南和西北-東南兩直線將其四周劃分為東南西北四塊區(qū)域，在四個區(qū)域內各選取與檢驗站距離最近的8個站作為比較站。對四個方位組的數(shù)據(jù)分別采用Madsen-Allerupt方法計算，只要有一組通過檢驗，則說明檢驗站的此氣象要素數(shù)據(jù)正確。在本平臺利用空間四方位空間一致性檢驗的氣象要素有溫度、氣壓、小時降水和濕度。

本平臺根據(jù)賀州市112個區(qū)域站的歷年降水資料，按照百分位法［13］排序，選出第99百分位上的值作為極端降水閾值，作為及時到現(xiàn)場檢查和設備維護維修的指標。

4.2 功能實現(xiàn)

本平臺采用VS2010 C#進行編程開發(fā)，結合SQL數(shù)據(jù)庫技術。主要實現(xiàn)了以下功能：短信發(fā)送和電話撥打、數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)對比查詢、數(shù)據(jù)質量控制、分級管理和參數(shù)設置等。

短信發(fā)送和電話撥打是通過短信貓硬件實現(xiàn)，短信報警程序首先判斷定時器是否啟動，然后判斷每個轄區(qū)對應的各站點報警信息中是否有新信息，如果有則讀取新信息，并對報警站點報警信息按照設定的格式（縣區(qū)名稱+報警信息發(fā)生時間+站點名稱+報警信息）進行組合與處理，然后在設定時間發(fā)送短信。如果沒有新報警信息則判斷本次報警無信息，自動轉到等待下一個定時啟動時進行信息獲取。

數(shù)據(jù)讀取是包括氣象數(shù)據(jù)和參數(shù)數(shù)據(jù)，參數(shù)數(shù)據(jù)是讀取本地SQL數(shù)據(jù)庫內數(shù)據(jù)。而區(qū)域站氣象數(shù)據(jù)是從CIMISS平臺內的“中國地面逐小時資料”里面讀取的，獲取數(shù)據(jù)的通過內部處理和轉換按照轄區(qū)進行分區(qū)顯示（圖2）。

數(shù)據(jù)查詢對比功能主要是用于自動判斷數(shù)據(jù)為可疑時需要人工輔助判斷，或者查詢一定時間段的要素趨勢分析。通過選擇數(shù)據(jù)可疑的站點、可疑要素、開始和結束時間、曲線圖或者柱狀圖必選參數(shù)，對比站點是周邊最近距離的兩個站點并且程序內部固定關聯(lián)。展示方式分兩欄，上半部分是表格數(shù)據(jù)，下半部分是可以選擇柱狀圖或者曲線圖來展示變化趨勢（圖3）。

數(shù)據(jù)質量控制通過設定的數(shù)據(jù)質量規(guī)則分氣象要素進行數(shù)據(jù)檢查和邏輯判斷，不能通過質控的數(shù)據(jù)按質控返回標識分別進行處理，有直接標記為錯誤數(shù)據(jù)、有的標記為等待到下一小時進行再判斷。錯誤數(shù)據(jù)存儲到報警信息內，到指定時間即通過短信或者手機進行報警，讓維護保障人員及時到現(xiàn)場進行有針對性處理。

分級管理是根據(jù)平臺需求設置了平臺管理員和市縣裝備保障人員兩種權限，平臺管理員擁有超級權限，而各市、縣區(qū)的管理員只擁有對應權限。其實現(xiàn)的方式是判斷賬號登陸信息，然后根據(jù)數(shù)據(jù)表用戶管理表內的用戶角色獲取權限標識來實現(xiàn)。

5 小結

通過賀州市區(qū)域自動氣象站監(jiān)控平臺，可以實現(xiàn)對全市區(qū)域自動氣象站進行智能監(jiān)控、數(shù)據(jù)對比查詢、報表統(tǒng)計、質量控制和故障報警等功能。特別是能及時將可疑信息和告警信息通知對應轄區(qū)的保障人員，讓保障人員能有針對性的到現(xiàn)場進行故障維護，確保區(qū)域自動氣象站設備正常運行、觀測數(shù)據(jù)正常采集傳輸和有效降低區(qū)域自動氣象站故障率。