網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在自動氣象觀測系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

陶霞

（內(nèi)蒙古自治區(qū)雅布賴氣象站，內(nèi)蒙古 阿拉善盟阿拉善右旗 737300）

隨著科學(xué)技術(shù)的現(xiàn)代化水平不斷增強，在地面氣象監(jiān)測領(lǐng)域，各種自動化設(shè)備和先進控制技術(shù)正在陸續(xù)引進。當(dāng)前，各級氣象機構(gòu)的觀測工作基本上是數(shù)字化和自動化的，大部分臺站基本淘汰了人工觀測模式。在臺站氣象業(yè)務(wù)觀測中，氣象數(shù)據(jù)采集和分析設(shè)備最為常見，包含各種類型常規(guī)業(yè)務(wù)自動站、區(qū)域多要素自動站、能見度觀測儀器、自動土壤濕度儀等設(shè)備。自臺站中引入這些現(xiàn)代化觀測設(shè)備以來，從根本上改變了傳統(tǒng)人工觀測中的定時、定點、定次觀測項目，結(jié)合觀測儀器中的時鐘芯片實現(xiàn)了定期自動化觀測，并借助于網(wǎng)絡(luò)媒介將采集到的氣象觀測數(shù)據(jù)信息第一時間傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務(wù)中心來。由此不難發(fā)現(xiàn)，在采集數(shù)據(jù)環(huán)節(jié)，現(xiàn)代化的觀測儀器設(shè)備的有效應(yīng)用保證了氣象觀測的精確度水平，在網(wǎng)絡(luò)傳輸中能否成功上傳氣象信息，就成為決定自動氣象觀測系統(tǒng)監(jiān)測水平的關(guān)鍵性所在。當(dāng)前，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)主要包含有線傳輸和無線傳輸兩種主流方式，前者是將電纜、光纖和雙絞線作為傳播媒介，后者則是以無線電信號為媒介。將這兩種傳播方式進行結(jié)合，可將終端觀測設(shè)備與數(shù)據(jù)分析中心連接成為緊密的有機整體，以確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息具有較高的可靠性和準(zhǔn)確性水平。

1 計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在氣象通信中的重要性

1.1 增強氣象資料的處理效率

隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的廣泛普及，氣象設(shè)備的自動化和智能化水平愈發(fā)突出，使得系統(tǒng)可第一時間獲取所需的氣象信息，同時還能對氣象信息進行自動化處理和分析。另外，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可借助于多渠道來獲取全面、詳細(xì)的氣象信息，以保證氣象預(yù)測和決策的準(zhǔn)確度水平。實際上，氣象資料包含的內(nèi)容較多，如以前和現(xiàn)有的氣象觀測數(shù)據(jù)信息，信息量極為龐大，使得氣象信息管理難度大幅度提升，將計算機系統(tǒng)應(yīng)用到氣象通信中可有效解決這方面的問題。通過構(gòu)建系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，可使分析和管理數(shù)據(jù)效率得到提升，并將更加優(yōu)質(zhì)的氣象服務(wù)提供給社會大眾。[1]

1.2 減少人為方面的誤差

自計算機系統(tǒng)在社會各個行業(yè)中得到應(yīng)用以來，傳統(tǒng)通過人工方式處理信息的模式基本被淘汰，而自動化和智能化處理系統(tǒng)得到了推廣應(yīng)用，有效提升了我國氣象通信效率?，F(xiàn)階段，因成本低、功能全面等優(yōu)勢，使得我國自主研發(fā)的計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在氣象通信領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，在減少人為誤差對氣象服務(wù)質(zhì)量影響的同時，還能增強氣象信息的準(zhǔn)確性水平，進而為人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活提供更加可靠的氣象服務(wù)，推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作持續(xù)健康開展。

1.3 提升氣象預(yù)測的準(zhǔn)確性水平

氣象預(yù)報是各級臺站的重要服務(wù)之一，采取科學(xué)有效的方法不斷提升氣象預(yù)報的準(zhǔn)確性水平，在確保氣象服務(wù)質(zhì)量方面發(fā)揮著極其重要的作用。當(dāng)前，各級氣象部門比較關(guān)注氣象觀測儀器設(shè)備的更新?lián)Q代工作，在積極引進國外現(xiàn)代化氣象預(yù)測技術(shù)的同時，還加大了計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研發(fā)力度。我國研發(fā)的計算機系統(tǒng)的交互性功能較為突出，可全面分析氣象觀測資料信息，并通過多樣化方式，如圖表、數(shù)據(jù)等不同形式呈現(xiàn)到人們面前?？傊?，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的普遍應(yīng)用凸顯了觀測設(shè)備的自動化和智能化特性，有效增強了氣象預(yù)測工作的精準(zhǔn)度。

2 計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)類型

計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)包含局域網(wǎng)技術(shù)、云計算技術(shù)、地面通信技術(shù)和移動通信技術(shù)，其在氣象數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域均有涉及。

2.1 局域網(wǎng)技術(shù)

當(dāng)前，我國的局域網(wǎng)技術(shù)由于科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展而日趨成熟，并已應(yīng)用于社會的各個業(yè)務(wù)領(lǐng)域。高速局域網(wǎng)技術(shù)的進步主要體現(xiàn)在以太網(wǎng)的異步傳輸和交換上，為氣象信息的自動傳輸和交換提供了便利。以太網(wǎng)通常包括千兆以太網(wǎng)和萬兆以太網(wǎng)。由于萬兆以太網(wǎng)在運行時主要基于單?；蚨嗄９饫w，其傳輸速度是千兆以太網(wǎng)的近10 倍，用戶可以充分利用無限擴展的網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)更高層次的氣象信息交換。局域網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，促進了現(xiàn)實與虛擬在氣象廣播中的應(yīng)用，促進了遠(yuǎn)程廣播和高清視頻會議的順利進行，為氣象部門的日常溝通提供了有利條件。

2.2 云計算技術(shù)

云計算技術(shù)屬于一種線性計算方案，其特點是擴展性強、響應(yīng)速度快，主要是將服務(wù)器虛擬化技術(shù)與基礎(chǔ)設(shè)施相結(jié)合的產(chǎn)品，是將一個或多個數(shù)據(jù)中心的計算資源虛擬化后提供給用戶的一種服務(wù)。近些年來，因科學(xué)技術(shù)水平的快速發(fā)展，在日常運行中，氣象部門的整個業(yè)務(wù)流程由計算機自動化處理，而云計算技術(shù)的應(yīng)用可有效降低總擁有成本。在實際的氣象業(yè)務(wù)中，服務(wù)上會承擔(dān)設(shè)備采購費用，這可以顯著降低存儲數(shù)據(jù)所需的IT 設(shè)備的采購成本。與此同時，因降低了對數(shù)據(jù)空間的占用率，節(jié)省了氣象部門在租金、電力方面的資金投入。由于云計算機的運算能力較為龐大，將其應(yīng)用到氣象數(shù)據(jù)傳輸中，提升了氣象數(shù)據(jù)的運算能力，并通過虛擬數(shù)據(jù)中心的創(chuàng)建，通過匯集內(nèi)存、存儲和計算能力，服務(wù)于整個氣象網(wǎng)絡(luò)，極致的計算能力堪比“超級計算機”，可在短時間內(nèi)處理海量的數(shù)據(jù)信息，也可結(jié)合用戶實際需求來加工數(shù)據(jù)信息，提升預(yù)報服務(wù)產(chǎn)品的個性化特征。[2-4]

2.3 移動通信技術(shù)

近年來，由于科技的飛速發(fā)展，我們迎來了移動互聯(lián)網(wǎng)時代。無線技術(shù)除光纖通信技術(shù)外，還有代表性的無線局域網(wǎng)，它分為多個地址，這是通過無線通信技術(shù)完成的。由于移動通信技術(shù)的發(fā)展和成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，例如應(yīng)用于氣象通信時，可為氣象信息觀測系統(tǒng)的運行提供良好的傳播媒介，便于氣象觀測信息的采集和分析。

2.4 地面通信技術(shù)

近些年來，在密集波分復(fù)用技術(shù)的基礎(chǔ)上對新一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行構(gòu)建逐漸發(fā)展成熟，且該技術(shù)在我國大部分臺站中得到了廣泛應(yīng)用?；诘孛嫱ㄐ偶夹g(shù)主要是將格狀網(wǎng)的光纜骨干變?yōu)榄h(huán)狀網(wǎng)，通過新一代網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備，一對光纖的傳輸容量可以達(dá)到1600Gbps，從而可以在很大程度上傳輸區(qū)域內(nèi)的天氣信息，一旦在運行中發(fā)現(xiàn)環(huán)狀網(wǎng)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)可自動進行修復(fù)，使得地面通信中的人工維護支出不斷下降。

3 計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用途徑

3.1 氣象臺站

3.1.1 采集觀測信息

為了向社會大眾提供可靠的氣象信息，應(yīng)始終確保觀測數(shù)據(jù)信息的精確性和全面性水平。近年來，各級氣象部門重視起了先進技術(shù)和設(shè)備的引入，使得氣象探測設(shè)備的智能化和自動化特征愈發(fā)突出，自動站數(shù)量和占據(jù)的比例呈現(xiàn)出直線上升趨勢。自動氣象站的主要優(yōu)勢是可以布設(shè)在對氣象條件要求嚴(yán)格，且無法順利實現(xiàn)人工觀測的區(qū)域，如航天發(fā)射和回收區(qū)域、高速公路等，可確保氣象部門及時獲取到較為全面的氣象信息，并給出高精準(zhǔn)度的氣象預(yù)測結(jié)果。實際上，自動氣象站包含不同種類的傳感器，如溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓、降水量等，在采集到對應(yīng)氣象要素的模擬信號后，通過采集器可以轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，之后傳輸?shù)接嬎銠C開展深度處理。如，通過計算機對比分析數(shù)字信號，進而判斷其是否超出合理范圍，若是超出，需第一時間進行處理；若不存在，應(yīng)嚴(yán)格相關(guān)流程對氣象數(shù)據(jù)進行傳輸、儲存等一系列操作。[5]

3.1.2 信息傳輸

當(dāng)前，大部分氣象站均已構(gòu)建了氣象數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)自愈環(huán)網(wǎng)，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障問題，可在較短的時間內(nèi)確保數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)快速恢復(fù)正常，有效提升氣象數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩运?。因氣象觀測數(shù)據(jù)具有復(fù)雜性特征，可借助于計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來傳輸觀測數(shù)據(jù)信息，增強臺站氣象觀測數(shù)據(jù)的傳輸能力。

3.2 傳輸鏈路

在氣象數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)，主要是本地區(qū)所轄縣市的氣象臺或氣象臺對風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度等各種類型進行數(shù)據(jù)采集，氣象數(shù)據(jù)信息通過通信網(wǎng)絡(luò)和路由器傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理中心的中央交換機，再傳輸?shù)綒庀髷?shù)據(jù)通信系統(tǒng)。在傳輸氣象數(shù)據(jù)信息的過程中，除了影響氣象信息的可靠性水平外，還與各級氣象站間的聯(lián)系溝通產(chǎn)生影響。只有在各級氣象部門搭建統(tǒng)一的氣象數(shù)據(jù)管理平臺，才能實現(xiàn)各級氣象部門之間的數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、監(jiān)測等功能和觀測數(shù)據(jù)共享。該做法可有效提升氣象數(shù)據(jù)傳輸和管理的規(guī)范化水平，同時還能增強數(shù)據(jù)處理傳輸性能。

4 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在自動氣象觀測系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

4.1 有線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信技術(shù)

有線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信是一種傳統(tǒng)的通信方式，使用時間早，當(dāng)前仍舊是自動氣象觀測系統(tǒng)中最常用的通信方式。這種通信方式包含的設(shè)備主要有：數(shù)據(jù)采集傳感器節(jié)點、中繼設(shè)備、終端控制計算機。其中數(shù)據(jù)采集傳感器節(jié)點的作用是采集數(shù)據(jù)信息，并獲取各種類型氣象信息；數(shù)據(jù)匯總中繼設(shè)備則是匯總獲取到的數(shù)據(jù)信息，為后續(xù)數(shù)據(jù)傳輸提供便利；專用通信電纜的作用是主要的傳輸數(shù)據(jù)途徑；終端控制計算機的主要功能是對數(shù)據(jù)信息進行反向處理。在搭建自動氣象站時，因需要將數(shù)據(jù)泄露和信息安全方面的問題考慮進去，數(shù)據(jù)傳輸中會優(yōu)先選用可靠性強、質(zhì)量好的同軸電纜。這種方法可以實現(xiàn)海量的數(shù)據(jù)吞吐量，并且信號相對穩(wěn)定，可以避免外部干擾，觀測數(shù)據(jù)的安全性水平得到了保障。[6]

通過分析自動氣象觀測系統(tǒng)的組成部分，不難發(fā)現(xiàn)傳感器節(jié)點作為搜集數(shù)據(jù)的主要設(shè)備，內(nèi)部有很多感應(yīng)元件，一旦外界氣象要素，如溫度、濕度等發(fā)生改變，將電氣元件中出現(xiàn)一定量的感應(yīng)電流，該感應(yīng)電流被轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信號，在線性轉(zhuǎn)換后可分析處理各種類型氣象數(shù)據(jù)信息。在獲取分析后的數(shù)據(jù)信息后，結(jié)合對應(yīng)軟件可篩選并剔除部分異常信息，以提升觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

在數(shù)據(jù)采集器的作用下，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸端可將獲取的觀測信息傳輸?shù)浇K端控制計算機內(nèi)，在將這些數(shù)據(jù)信息審核完成后，可分類存儲，并結(jié)合規(guī)范要求做好備份工作。在終端計算上包含不同功能模塊，可根據(jù)不同需求編輯發(fā)報，進而形成氣象報告。在通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上來播報氣象信息，同時還能向數(shù)據(jù)庫傳輸最終分析結(jié)果和觀測到的氣象信息，并對其進行存儲。[7-8]

4.2 無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信技術(shù)

近些年來，因社會大眾及各個行業(yè)對氣象觀測要求不斷提升，越來越多的觀測設(shè)備都在野外布設(shè)。如自動氣象站，若是通過有線方式連接，會增加線路架設(shè)的難度，而安裝成本也會上升，在日后運行維護中會出現(xiàn)額外壓力。若是選用結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉且維護便捷的無線通信系統(tǒng)，則能確保數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)順利完成。

對部分區(qū)域觀測站來說，無線網(wǎng)絡(luò)傳輸自動氣象觀測系統(tǒng)主要包括信息采集器、太陽能電池、通信傳輸模塊。其中采集器是采集觀測數(shù)據(jù)的設(shè)備；太陽能電池主要提供電源功能。同有線傳輸系統(tǒng)相比，無線傳感器供電時主要選用的是太陽能電池，并通過4G 網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)信息。經(jīng)過多年發(fā)展，該項技術(shù)逐漸發(fā)展成熟，且具有較強的穩(wěn)定性和可靠性水平，在實際應(yīng)用中，能有效滿足各種數(shù)據(jù)傳輸需求。另外，由于該技術(shù)采用數(shù)據(jù)分組交換，可以實時保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃?，避免電路動作造成的時差，有效提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎图皶r性。目前無線數(shù)傳技術(shù)的數(shù)據(jù)吞吐量基本可以滿足氣象觀測的需要，但在實際應(yīng)用中，無線數(shù)傳技術(shù)可以滿足一對一的數(shù)據(jù)傳輸需求，還可以實現(xiàn)一對多的數(shù)據(jù)傳輸，可通過多個數(shù)據(jù)終端處理氣象監(jiān)測的全過程。