地面氣象站BUFR數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)控報警系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

張家斌 鄺美清 李睿 紀(jì)嘉雯 黃仁滋

摘要：地面氣象站BUFR數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)控報警系統(tǒng)依托福建氣象集中監(jiān)控平臺、ISOS綜合觀測軟件，采用Microsoft Visual Studio設(shè)計開發(fā)，實現(xiàn)對地面氣象站BUFR數(shù)據(jù)服務(wù)器與本地終端的雙重監(jiān)控驗證，通過對不同報警類型進(jìn)行分級分類管理，減少了錯報和誤報次數(shù)，提高了臺站地面觀測業(yè)務(wù)質(zhì)量。本文分析了地面氣象觀測站現(xiàn)行BUFR數(shù)據(jù)格式及傳輸方式，指出BUFR數(shù)據(jù)傳輸在地面氣象觀測業(yè)務(wù)運(yùn)行中存在的問題。從解決實際業(yè)務(wù)需求出發(fā)，闡述了地面氣象站BUFR數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)控報警系統(tǒng)的技術(shù)路線和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，有效解決了出現(xiàn)BUFR數(shù)據(jù)傳輸異常時，臺站應(yīng)急處置時間不足的問題。

關(guān)鍵詞：BUFR;傳輸;監(jiān)控

中圖分類號：P409 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）09-0170-04

0 引言

世界氣象組織（WMO）定義的FM 94格式——即BUFR格式，是用連續(xù)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流表示氣象數(shù)據(jù)，可用于表示數(shù)值型或者定性類的數(shù)據(jù)[1-2]。目前福建省70個國家級地面氣象觀測站全部實現(xiàn)了 “一主一備”雙套自動氣象站運(yùn)行，其中，4個國家基準(zhǔn)站、24個國家基本站、42個國家氣象觀測站全部為華云DZZ5新型自動氣象站。全部臺站的氣溫、濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量（稱重及翻斗）、能見度、降水類天氣現(xiàn)象、日照等氣象要素已實現(xiàn)自動觀測。28個基準(zhǔn)站、基本站已實現(xiàn)大型蒸發(fā)的自動觀測。福建省地面氣象觀測自動化改革試運(yùn)行以來，面臨許多不利于BUFR數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸?shù)那闆r。如不定期出現(xiàn)BUFR分鐘數(shù)據(jù)文件傳輸失敗、BUFR小時數(shù)據(jù)文件遲報、缺報等現(xiàn)象，大大影響臺站觀測傳輸質(zhì)量。從近期異常記錄中可以發(fā)現(xiàn)，大部分缺報是因為值守班人員發(fā)現(xiàn)異常情況不及時，造成應(yīng)急處置時間不充足。然而目前常用的省級信息中心監(jiān)控報警技術(shù)，由于服務(wù)器端對已接收BUFR數(shù)據(jù)的監(jiān)控存在一定的網(wǎng)絡(luò)時延，且無法做到實時監(jiān)控。因此，地面氣象站BUFR數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)控報警系統(tǒng)的設(shè)計，采用服務(wù)器端、觀測端交叉監(jiān)控的方式，觀測端系統(tǒng)可以實時、低時延地監(jiān)控臺站BUFR數(shù)據(jù)傳輸情況，服務(wù)器端系統(tǒng)可對BUFR小時數(shù)據(jù)文件進(jìn)行校核，降低誤報次數(shù)，并作為觀測端系統(tǒng)的補(bǔ)充。

1 現(xiàn)狀分析

1988年，WMO基本系統(tǒng)委員會（CBS）批準(zhǔn)BUFR格式試驗運(yùn)行;1991年，發(fā)布BUFR第二版本;1995年，發(fā)布BUFR第三版本;2005年發(fā)布BUFR第四版本，即現(xiàn)行版本。BUFR格式具有一下特點(diǎn)：

（1）自描述性。BUFR格式數(shù)據(jù)本身帶有元數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)接收方能夠通過數(shù)據(jù)內(nèi)部自帶的元數(shù)據(jù)信息獲取該數(shù)據(jù)包含的內(nèi)容、屬性等。

（2）表格驅(qū)動特性。BUFR格式數(shù)據(jù)的編解碼所需的大量信息都在規(guī)范表格中定義，只要編碼方和解碼方維護(hù)同一套表格，即可實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的統(tǒng)一編碼和解碼。

（3）可擴(kuò)展性。BUFR格式通過維護(hù)統(tǒng)一的碼表，并基于該碼表制定不同的模板，即可擴(kuò)展表示多種數(shù)據(jù)類型。

（4）可壓縮性。BUFR格式本身采用二進(jìn)制、以比特為單位表示數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)容量方面較ASCII碼數(shù)據(jù)具有明顯的優(yōu)勢，除此之外，BUFR格式支持通過壓縮方式表示多個數(shù)據(jù)子集，更大程度上縮小數(shù)據(jù)容量。因此尤其適用于衛(wèi)星、風(fēng)廓線等大數(shù)據(jù)量的資料。

（5）平臺無關(guān)性。BUFR格式為二進(jìn)制編碼，因此與平臺無關(guān)。

2020年4月1日起，地面氣象觀測自動化改革從全國試運(yùn)行切換調(diào)整為正式業(yè)務(wù)運(yùn)行，標(biāo)志著地面氣象觀測實現(xiàn)全面自動化。根據(jù)部署，國家級地面氣象站觀測數(shù)據(jù)采集傳輸采用BUFR格式[3-7]，其流程包括：

（1）觀測數(shù)據(jù)采集傳輸。自動觀測數(shù)據(jù)在臺站設(shè)備采集端完成自動化采集，通過BUFR格式數(shù)據(jù)和新長Z文件從臺站上傳到省氣象信息中心。經(jīng)在線快速質(zhì)控后，實時將觀測數(shù)據(jù)及質(zhì)量控制碼上傳至國家級。省級、國家級CIMISS將質(zhì)控后的數(shù)據(jù)實時處理入庫，并進(jìn)行分析處理、產(chǎn)品加工等，供本節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)應(yīng)用。國家級CIMISS實現(xiàn)對全國原始自動觀測數(shù)據(jù)歸檔。

（2）狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸。各臺站按要求實時自動上傳自動觀測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)備信息至省級、國家級CIMISS存儲，并提供應(yīng)用服務(wù)。

由于氣象現(xiàn)代化的不斷發(fā)展，氣象資料數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級增長，傳輸間隔由5分鐘升級為1分鐘，數(shù)據(jù)量由KB增加到MB，具體傳輸內(nèi)容和方式如表1所示。因此，要求傳輸數(shù)據(jù)必須具有高度的可靠性和時效性，現(xiàn)行的數(shù)據(jù)監(jiān)控已經(jīng)不能滿足對國家氣象在BUFR數(shù)據(jù)監(jiān)控要求。

2 技術(shù)路線

為解決引言中所闡述的傳輸問題，當(dāng)出現(xiàn)BUFR分鐘數(shù)據(jù)文件傳輸失敗、BUFR小時數(shù)據(jù)文件遲報、缺報等現(xiàn)象時，提高人工干預(yù)應(yīng)急處置的時效性，具體流程如圖1所示。

建立B/S架構(gòu)的地面氣象站BUFR數(shù)據(jù)監(jiān)控報警平臺，服務(wù)器（Web監(jiān)控端）架設(shè)在市級氣象信息網(wǎng)絡(luò)與裝備保障中心，客戶端安裝在各氣象臺站觀測主機(jī)。采用ISOS終端和監(jiān)控平臺網(wǎng)頁端交叉監(jiān)控機(jī)制，能夠在保證現(xiàn)有氣象站數(shù)據(jù)傳輸流程維持不變：由臺站主站ISOS軟件采集生成數(shù)據(jù)通過消息傳輸客戶端，運(yùn)用消息傳輸方式上傳至省氣象信息中心CTS2.0服務(wù)器。ISOS軟件數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)控頁面如圖2所示。實現(xiàn)將本地（觀測終端）數(shù)據(jù)缺漏檢測和服務(wù)器（Web端）缺報檢測相結(jié)合，實時監(jiān)控地面氣象站數(shù)據(jù)到報情況，當(dāng)報文出現(xiàn)延遲發(fā)送或未及時到報時，通過異常類型判斷完成初步故障分析，采取不同機(jī)制的報警方式下發(fā)至臺站維護(hù)人員。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

地面氣象站BUFR數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)控報警系統(tǒng)依托福建氣象集中監(jiān)控平臺、ISOS綜合觀測軟件，采用Microsoft Visual Studio設(shè)計開發(fā)，實現(xiàn)對地面氣象站BUFR數(shù)據(jù)服務(wù)器與本地終端的雙重監(jiān)控驗證。綜合提高了BUFR數(shù)據(jù)監(jiān)控報警的準(zhǔn)確性和及時性，保證地面氣象觀測自動化順利實施。配備相關(guān)報警系統(tǒng)，有利于完善故障分級分類自動監(jiān)控報警業(yè)務(wù)，增強(qiáng)監(jiān)控維修保障過程中省、市、縣信息共享，加強(qiáng)臺站故障應(yīng)急維修處置能力。

系統(tǒng)總體上采用聯(lián)合Web開發(fā)和終端開發(fā)的技術(shù)路線，依托福建氣象集中監(jiān)控平臺開發(fā)服務(wù)器端監(jiān)控程序，依托ISOS綜合觀測軟件開發(fā)觀測端監(jiān)控程序，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

地面氣象站BUFR數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)控報警系統(tǒng)主要由四大模塊組成，分別為觀測終端監(jiān)控模塊、Web網(wǎng)頁端監(jiān)控模塊、報警類型分析模塊、報警信息分發(fā)模塊。

3.1 觀測終端監(jiān)控模塊

觀測終端監(jiān)控模塊作為客戶端主要完成觀測主機(jī)本地報文數(shù)據(jù)和發(fā)送日志的讀取，分析BUFR地面分鐘數(shù)據(jù)和小時數(shù)據(jù)的傳輸情況，并將分析結(jié)果發(fā)送給服務(wù)器端，既Web網(wǎng)頁監(jiān)控模塊。

3.2 Web網(wǎng)頁端監(jiān)控模塊

Web網(wǎng)頁端監(jiān)控模塊處于系統(tǒng)的服務(wù)器中，接收各臺站發(fā)送的觀測終端報警信息，同時完成對集中監(jiān)控平臺數(shù)據(jù)抓取，集中監(jiān)控平臺BUFR監(jiān)控頁面如圖4所示。分析各觀測臺站傳輸數(shù)據(jù)的到報情況，并將觀測終端報警信息和Web網(wǎng)頁端監(jiān)控信息共同報送給報警類型分析模塊。

3.3 報警類型分析模塊

報警類型分析模塊根據(jù)接收到的監(jiān)控信息，結(jié)合國家級、省級地面氣象觀測資料相關(guān)考核要求，將報警類型分為如表2所示四個等級。

3.4 報警信息分發(fā)模塊

報警信息分發(fā)模塊根據(jù)不同報警等級觸發(fā)報警分發(fā)機(jī)制，按照表3的方式，將報警信息分發(fā)給各級接收人。

4 結(jié)語

“地面氣象站BUFR數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)控報警系統(tǒng)”的設(shè)計，采用服務(wù)器端、觀測端交叉監(jiān)控的方式，能有效解決網(wǎng)絡(luò)時延問題。觀測端系統(tǒng)可以實時、低時延地監(jiān)控臺站BUFR數(shù)據(jù)傳輸情況，服務(wù)器端系統(tǒng)可對BUFR小時數(shù)據(jù)文件進(jìn)行校核，降低誤報次數(shù)，并作為觀測端系統(tǒng)的補(bǔ)充。地面氣象站BUFR數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)控報警系統(tǒng)的投入運(yùn)行，有效解決了出現(xiàn)傳輸異常時，臺站應(yīng)急處置時間不足的問題。一方面極大的增加了臺站應(yīng)急處置時間，另一方面減少了錯報和誤報次數(shù)，提高了臺站地面觀測業(yè)務(wù)質(zhì)量。同時，該系統(tǒng)的建立，提升了臺站地面氣象觀測業(yè)務(wù)容錯能力，為后續(xù)全市推進(jìn)觀測臺站自動化值守打下了基礎(chǔ)。