田 剛 胡爭光 王 麗 薛 峰 車 欽

1 武漢中心氣象臺，武漢 430074 2 國家氣象中心，北京 100081 3 湖北省氣象局，武漢 430074

提 要： 基于國家氣象中心MICAPS4網(wǎng)絡(luò)平臺框架，利用其有效對接全國綜合氣象信息共享系統(tǒng)(CIMISS)與氣象信息綜合分析處理系統(tǒng)第4版(MICAPS4)分布式數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢，設(shè)計了湖北省氣象預(yù)報服務(wù)一體化平臺。平臺集關(guān)注重點引導(dǎo)提醒、實況監(jiān)測共享查詢、氣候特征對比分析、天氣預(yù)報綜合分析、服務(wù)產(chǎn)品關(guān)聯(lián)檢索、產(chǎn)品制作及一鍵分發(fā)、專業(yè)服務(wù)場景應(yīng)用和信息數(shù)據(jù)系統(tǒng)管理為一體，采用了氣象大數(shù)據(jù)的集約應(yīng)用、工作引導(dǎo)的規(guī)則匹配、產(chǎn)品自動生成的定制合成、服務(wù)響應(yīng)反饋的協(xié)同聯(lián)動等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了在湖北省、市、縣三級氣象部門業(yè)務(wù)中的穩(wěn)定應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明，一體化平臺的使用大幅提升了省、市、縣氣象預(yù)報服務(wù)的業(yè)務(wù)集約和服務(wù)協(xié)同水平，推進(jìn)了信息傳輸、產(chǎn)品制作、服務(wù)分發(fā)、聯(lián)動響應(yīng)等各業(yè)務(wù)流程的規(guī)范建立。MICAPS4網(wǎng)絡(luò)框架在湖北一體化平臺建設(shè)的成功實踐，為國內(nèi)省級氣象部門及時跟蹤國家級技術(shù)發(fā)展，開展大數(shù)據(jù)應(yīng)用場景下的氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)提供了一條驗之有效的可選途徑。

引 言

隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，國內(nèi)氣象業(yè)務(wù)現(xiàn)代化、信息化水平明顯提升。以湖北氣象部門為例，目前已經(jīng)建成存儲容量超過500 TB、可支持1 000多臺虛擬機的氣象云平臺，并啟動核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)從全國綜合氣象信息共享系統(tǒng)(CIMISS；熊安元等，2015)向氣象大數(shù)據(jù)平臺的升級，省級集約化數(shù)據(jù)支撐環(huán)境和信息化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境已經(jīng)建立。然而，由于天氣與氣候，省級與市、縣級系統(tǒng)平臺各自獨立，服務(wù)應(yīng)用中集約不夠、業(yè)務(wù)流程上下協(xié)同不足。截至2015年，湖北各市、縣級業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)量多在30～50個，功能多有重復(fù)，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)不一致的現(xiàn)象普遍，氣象現(xiàn)代化建設(shè)效益未能得到有效發(fā)揮。

自2015年江蘇省、上海市嘗試集約化流程建立預(yù)報業(yè)務(wù)一體化平臺(陳奇和陳玉群，2017)以來，全國多省相繼開展集約化平臺的開發(fā)，并開始從多為分散于各個單位系統(tǒng)的鏈接式集中到應(yīng)用氣象云平臺建設(shè)共享管理平臺(楊有林等，2018)的轉(zhuǎn)變，其中部分對接氣象信息綜合分析處理系統(tǒng)第4版(MICAPS4)(高嵩等，2014)，然而以上系統(tǒng)仍集中于業(yè)務(wù)產(chǎn)品的共享顯示。湖北也曾開發(fā)過專業(yè)服務(wù)一體化平臺(崔新強等，2017)，但功能僅限于單位內(nèi)部的集中應(yīng)用，未能對全省各級業(yè)務(wù)進(jìn)行支撐。

伴隨著MICAPS系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展(李月安等，2010；吳林林等，2013；高嵩等，2017；王若曈等，2018；劉盼等，2018；賀雅楠等，2018；唐健等，2018)，繼2016年客戶端和服務(wù)器(C/S)架構(gòu)的桌面版MICAPS4投入業(yè)務(wù)應(yīng)用，國家氣象中心同時推出了支持第五代超文本鏈接標(biāo)記語言(HTML5)的瀏覽器和服務(wù)器(B/S)架構(gòu)MICAPS4網(wǎng)絡(luò)平臺(胡爭光等，2018)，該平臺與MICAPS4桌面版共享基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持，并應(yīng)用開源分布式實時計算大數(shù)據(jù)框架Storm(趙菲等，2016)，基于開源網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)框架Leaflet，能有效對接CIMISS與MICAPS4分布式數(shù)據(jù)庫，已應(yīng)用于全球預(yù)報服務(wù)共享平臺(胡爭光等，2019)和智能網(wǎng)格分析平臺(胡爭光等，2020)開發(fā)，也為省級開展大數(shù)據(jù)應(yīng)用場景下的氣象系統(tǒng)建設(shè)提供了解決方案。2017年，湖北省氣象局依托國家氣象中心提供的MICAPS4網(wǎng)絡(luò)平臺框架支持，利用氣象云平臺的建設(shè)成果，開展省、市、縣預(yù)報服務(wù)業(yè)務(wù)一體化平臺建設(shè)，為湖北省、市、縣三級氣象業(yè)務(wù)單位開展氣象監(jiān)測預(yù)報預(yù)警和長江流域氣象中心及合作單位開展流域氣象服務(wù)，提供統(tǒng)一入口的綜合集約平臺，實現(xiàn)省、市、縣及流域綜合信息的共享，并在國內(nèi)率先實現(xiàn)市、縣級監(jiān)測預(yù)報服務(wù)業(yè)務(wù)產(chǎn)品的制作發(fā)布、聯(lián)動監(jiān)控，業(yè)務(wù)管理由省級平臺統(tǒng)一提供，市、縣級可不再自行開發(fā)使用其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)。目前一體化平臺已正式業(yè)務(wù)運行，有效提升了湖北氣象部門業(yè)務(wù)集約、服務(wù)協(xié)同水平。

1 總體設(shè)計思路

面向省、市、縣三級的預(yù)報業(yè)務(wù)、行業(yè)服務(wù)和業(yè)務(wù)管理各類用戶對象，兼顧流域服務(wù)用戶對象，考慮高影響天氣應(yīng)對場景下多用戶高并發(fā)訪問、工作智能化引導(dǎo)、產(chǎn)品快速自動制作、發(fā)布一鍵式完成、服務(wù)上下聯(lián)動的需要，建立一套利用氣象大數(shù)據(jù)開展預(yù)報服務(wù)業(yè)務(wù)的核心智能應(yīng)用系統(tǒng)，推進(jìn)多元信息共享、上下實時協(xié)同、軟件規(guī)范統(tǒng)一、系統(tǒng)集約高效。并通過平臺的使用來規(guī)范省、市、縣對實況監(jiān)測、天氣分析、氣候分析、產(chǎn)品制作、服務(wù)分發(fā)以及行業(yè)應(yīng)用的相關(guān)規(guī)則，實現(xiàn)對使用用戶、分發(fā)對象、產(chǎn)品應(yīng)用和衍生業(yè)務(wù)子系統(tǒng)的規(guī)范化管理，形成信息集約共享、上下實時協(xié)同的業(yè)務(wù)流程。一體化平臺設(shè)計原則如下：

(1)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一：對系統(tǒng)運行環(huán)境、產(chǎn)品命名、數(shù)據(jù)存儲及訪問、用戶分級權(quán)限管理、系統(tǒng)留痕管理、界面風(fēng)格等方面進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范設(shè)計。

(2)資源集約：涉及省、市、縣預(yù)報服務(wù)業(yè)務(wù)的信息設(shè)備、數(shù)據(jù)資源全部納入湖北氣象云平臺管理，各級氣象臺正式業(yè)務(wù)不再保留本單位服務(wù)器；各級預(yù)報服務(wù)業(yè)務(wù)由一體化平臺統(tǒng)一提供，市、縣級除利用MICAPS進(jìn)行天氣分析外，其他預(yù)報業(yè)務(wù)均轉(zhuǎn)由一體化平臺完成。

(3)應(yīng)用智能：針對業(yè)務(wù)人員快速分析、快速發(fā)布預(yù)報預(yù)警等業(yè)務(wù)工作環(huán)節(jié)，一體化平臺做到智能引導(dǎo)人員開展工作，盡量減少人為操作環(huán)節(jié)，實現(xiàn)工作自動提醒、產(chǎn)品自動制作、服務(wù)一鍵分發(fā)，讓業(yè)務(wù)人員的精力重點集中于天氣分析和災(zāi)害研判。

(4)模塊通用：借鑒由面向服務(wù)體系結(jié)構(gòu)(SOA)演變的微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計思想，基于現(xiàn)有業(yè)務(wù)流程提煉出統(tǒng)一訪問接口、地理信息服務(wù)、監(jiān)測統(tǒng)計分析、產(chǎn)品自動制作、信息分發(fā)管理等可重用性高的公共通用模塊功能，各級專業(yè)服務(wù)子系統(tǒng)可直接進(jìn)行模塊功能調(diào)用，減少開發(fā)周期，實現(xiàn)功能復(fù)用。

2 一體化平臺總體架構(gòu)

一體化平臺是基于分布式計算框架上的氣象預(yù)報服務(wù)系統(tǒng)(秦運龍等，2019)，以基于云架構(gòu)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、支持計算和存儲的硬件系統(tǒng)來支撐構(gòu)建。一體化平臺依托MICAPS4網(wǎng)絡(luò)平臺框架開展建設(shè)，應(yīng)用其支持分布式計算的Storm大數(shù)據(jù)框架與基于Leaflet的GIS框架，利用其有效對接CIMISS與MICAPS4分布式數(shù)據(jù)庫，即開源分布式非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫Cassandra的優(yōu)勢，在氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)一服務(wù)接口(MUSIC)與MICAPS4的網(wǎng)格數(shù)據(jù)服務(wù)接口(GDS)基礎(chǔ)上擴(kuò)展建立通用的數(shù)據(jù)存儲和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問接口，使平臺開發(fā)符合氣象大數(shù)據(jù)發(fā)展方向，并可及時跟蹤國家級氣象業(yè)務(wù)發(fā)展。系統(tǒng)前端框架是基于Leaflet的開源網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)(WebGIS)，采用新一代網(wǎng)絡(luò)前端技術(shù)HTML5，支持氣象數(shù)據(jù)的高性能渲染，采取Web+GIS的瀏覽器交互，并提供移動端對接支持；后臺框架是基于Spring Boot開源框架與Storm流式處理，支持高并發(fā)、高性能數(shù)據(jù)訪問服務(wù)。其總體架構(gòu)見圖1。

圖1 湖北省氣象預(yù)報服務(wù)業(yè)務(wù)一體化平臺總體架構(gòu)Fig.1 The overall framework of Hubei Meteorological Forecast Service Integration Platform

(1)表示層：采用主流的WebGIS框架，應(yīng)用MICAPS4網(wǎng)絡(luò)平臺前端搭建瀏覽器端和移動端用戶交互平臺，提供氣象大數(shù)據(jù)智能檢索、快速導(dǎo)航、個性化推薦、人工訂正和數(shù)據(jù)可視化等人機交互功能。

(2)業(yè)務(wù)邏輯層：基于MUSIC數(shù)據(jù)統(tǒng)一訪問接口以及MICAPS4網(wǎng)絡(luò)平臺服務(wù)器端，應(yīng)用Storm集群分布式流式計算框架，提供GIS地圖服務(wù)、氣象數(shù)據(jù)解析、氣象數(shù)據(jù)加工、氣象算法服務(wù)等氣象大數(shù)據(jù)處理組件，支撐高效智能的實況資料、歷史數(shù)據(jù)、數(shù)值模式、網(wǎng)格預(yù)報、預(yù)警服務(wù)等氣象數(shù)據(jù)處理共享顯示以及多元資料融合分析。

(3)數(shù)據(jù)層：基于氣象云平臺提供的基礎(chǔ)設(shè)施支持，在CIMISS系統(tǒng)上進(jìn)行擴(kuò)展，增加了實況監(jiān)測和氣候分析中需要快速處理的實時歷史地面觀測數(shù)據(jù)、預(yù)報服務(wù)產(chǎn)品、公共管理信息等分類存儲，在MICAPS4系統(tǒng)上增加長江流域雷達(dá)衛(wèi)星延伸產(chǎn)品及本地化數(shù)值模式預(yù)報產(chǎn)品，實現(xiàn)對實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、產(chǎn)品庫以及管理信息的統(tǒng)一集中存取、系統(tǒng)備份以及安全控制。

3 一體化平臺主要功能

面向省級各業(yè)務(wù)單位、市、縣級氣象部門和長江流域服務(wù)用戶，平臺在提供常規(guī)圖像、列表、文本等方式實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的展示及輸出以外，重點支持在WebGIS“一張圖”交互方式下對湖北、華中區(qū)域和長江流域各類信息數(shù)據(jù)提供快速、高效、實時的歷史分析，提供便捷的圖層疊加、底圖切換、產(chǎn)品選擇、動態(tài)播放、翻頁顯示等功能，支持漫游、縮放和信息拾取的同步交互。并按照預(yù)報服務(wù)業(yè)務(wù)流程，從關(guān)注重點引導(dǎo)、監(jiān)測共享查詢、氣候特征分析、天氣綜合分析、服務(wù)產(chǎn)品檢索、產(chǎn)品制作及一鍵分發(fā)、專業(yè)服務(wù)場景應(yīng)用和信息數(shù)據(jù)管理等方面進(jìn)行功能設(shè)計(圖2)。

圖2 湖北省氣象預(yù)報服務(wù)一體化平臺主要功能及業(yè)務(wù)應(yīng)用流程Fig.2 The main functions and application process of Hubei Meteorological Forecast Service Integration Platform

3.1 關(guān)注重點引導(dǎo)提醒

為方便省、市、縣三級用戶快速抓住預(yù)報服務(wù)關(guān)注重點開展服務(wù)，一體化平臺通過統(tǒng)一的訪問首頁地址，比對用戶所屬單位、IP位置，針對性提供用戶關(guān)注區(qū)域的個性化信息。平臺展示內(nèi)容根據(jù)當(dāng)前天氣影響、特征氣象要素和歷史極端天氣，自動篩選用戶關(guān)注區(qū)域的災(zāi)害天氣、服務(wù)重點以及相應(yīng)的特征實況、預(yù)報預(yù)警、災(zāi)情反饋，引導(dǎo)用戶從海量數(shù)據(jù)中把握關(guān)鍵信息，及時開展服務(wù)。

3.2 實況監(jiān)測共享查詢

為跟蹤監(jiān)測天氣變化，掌握氣象影響行業(yè)信息，平臺通過基于WebGIS的綜合監(jiān)測信息查詢頁面，提供長江流域、華中區(qū)域、湖北省等不同區(qū)域氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)、行業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)及災(zāi)情反饋等監(jiān)測信息的共享查詢、顯示及輸出。對應(yīng)用頻次高的國家氣象站、區(qū)域氣象站單獨建立1 min、5 min、1 h、1 d及任意時段觀測要素的查詢模塊；對已業(yè)務(wù)化的雷達(dá)、衛(wèi)星、閃電、GPS水汽、大氣成分、農(nóng)業(yè)氣象、災(zāi)情實況等氣象監(jiān)測信息和空氣質(zhì)量、水位、流量等行業(yè)交換監(jiān)測信息建立統(tǒng)一實時查詢模塊。

3.3 氣候特征對比分析

為使用戶快速掌握關(guān)注區(qū)域的氣候特征，平臺通過氣候分析查詢頁面(圖3)提供長江流域、華中區(qū)域、湖北省等區(qū)域國家氣象站自建站以來降水、氣溫、風(fēng)等氣象要素的距平百分率、歷史排位、極端值、特征值日數(shù)統(tǒng)計，以及高溫、干旱、連陰雨等氣象災(zāi)害監(jiān)測分析和農(nóng)業(yè)四季開始結(jié)束時間、交通道路結(jié)冰日數(shù)等行業(yè)監(jiān)測統(tǒng)計。平臺支持日、旬、月等常用固定查詢和任意時段特定用戶查詢，每天自動生成1個月以來的氣候概況和亟須關(guān)注的氣象災(zāi)害特征。

圖3 湖北省氣象預(yù)報服務(wù)一體化平臺的氣候特征對比顯示分析Fig.3 Climate characteristics comparison display and analysis function of Hubei Meteorological Forecast Service Integration Platform

3.4 天氣預(yù)報綜合分析

為了實現(xiàn)市、縣級通過一體化平臺即可開展基本的天氣分析，并可分析自主開發(fā)預(yù)報產(chǎn)品的目的，平臺以WebGIS方式提供歐洲細(xì)網(wǎng)格、日本、德國、NCEP、GRAPES、華東區(qū)域、華中區(qū)域、集合預(yù)報等業(yè)務(wù)常用數(shù)值預(yù)報的交互顯示，支持多分屏方式的預(yù)報對比分析。并提供湖北省各國家站及長江流域主要指標(biāo)站預(yù)報要素的箱線圖和時序剖面顯示等本地解釋應(yīng)用產(chǎn)品分析功能。

3.5 服務(wù)產(chǎn)品關(guān)聯(lián)檢索

為便于用戶快速查找關(guān)聯(lián)性高的服務(wù)產(chǎn)品來開展相關(guān)服務(wù)，平臺提供省、市、縣三級的決策、公眾、專業(yè)等各類服務(wù)產(chǎn)品的集約共享和關(guān)聯(lián)檢索?？晒蚕頇z索的產(chǎn)品包括短時臨近預(yù)警、中短期預(yù)報、氣候預(yù)測、監(jiān)測評估、決策服務(wù)、公眾服務(wù)、專業(yè)專項服務(wù)、為農(nóng)服務(wù)、流域預(yù)報服務(wù)等。提供WebGIS圖層疊加、表格、圖表等可視化檢索，也可提供接口方式的批量檢索。

3.6 產(chǎn)品制作及一鍵發(fā)布

為支持省、市、縣三級氣象部門的聯(lián)動服務(wù)，平臺通過建立湖北省統(tǒng)一的智能網(wǎng)格預(yù)報、強天氣監(jiān)測預(yù)警和服務(wù)產(chǎn)品加工制作三個業(yè)務(wù)子系統(tǒng)來開展業(yè)務(wù)服務(wù)產(chǎn)品的制作，建立全省統(tǒng)一的發(fā)布服務(wù)器，提供多渠道發(fā)布服務(wù)。業(yè)務(wù)子系統(tǒng)產(chǎn)品制作完成后一鍵向發(fā)布服務(wù)器提交任務(wù)，發(fā)布服務(wù)器后臺自動將產(chǎn)品按照所關(guān)注區(qū)域、天氣、等級和渠道向定制對象進(jìn)行推送，并對產(chǎn)品的制作流程、留痕信息、聯(lián)動反饋提供在線查詢。平臺以流程圖的方式(圖略)，對預(yù)警信號和重要決策服務(wù)產(chǎn)品的首發(fā)與聯(lián)動響應(yīng)進(jìn)行監(jiān)控。

3.7 專業(yè)服務(wù)場景應(yīng)用

系統(tǒng)可面向行業(yè)影響的氣象輔助決策服務(wù)場景，通過一體化平臺MICAPS4網(wǎng)絡(luò)框架下的微服務(wù)模塊組合生成該服務(wù)場景下相應(yīng)行業(yè)特征的實況監(jiān)測、天氣分析、氣候分析、預(yù)報訂正、產(chǎn)品制作、影響評估的各個應(yīng)用版塊，快速形成氣象服務(wù)該行業(yè)的專業(yè)系統(tǒng)。目前已為長江水文氣象(圖4a)和航運安全(圖4b)，基層氣象防災(zāi)減災(zāi)，市、縣專業(yè)服務(wù)等多應(yīng)用場景搭建了專業(yè)化服務(wù)系統(tǒng)(田剛等，2020)。

圖4 基于MICAPS4網(wǎng)絡(luò)框架下建立的長江流域水文氣象綜合業(yè)務(wù)平臺(a)和長江航運氣象導(dǎo)航移動APP(b)界面Fig.4 The integrated hydrological and meteorological operation platform of the Yangtze River Basin (a) and the mobile APP of Yangtze River shipping meteorological service navigation (b)based on MICAPS4 network framework

3.8 信息數(shù)據(jù)系統(tǒng)管理

從用戶的系統(tǒng)瀏覽及操作權(quán)限、業(yè)務(wù)產(chǎn)品的存儲規(guī)則、服務(wù)產(chǎn)品的分發(fā)策略、值班操作的系統(tǒng)留痕、業(yè)務(wù)質(zhì)量的檢驗比對到系統(tǒng)運行及產(chǎn)品傳輸?shù)谋O(jiān)控，平臺提供全過程管理、圖形化監(jiān)控，提供異常進(jìn)程的自動重啟實現(xiàn)平臺的自維護(hù)，實現(xiàn)業(yè)務(wù)管理通報的自動生成。省、市、縣三級可通過平臺進(jìn)行預(yù)報服務(wù)和業(yè)務(wù)管理的授權(quán)管理和流程監(jiān)控，實現(xiàn)業(yè)務(wù)管理的平臺化、扁平化。

4 關(guān)鍵技術(shù)

平臺采取B/S系統(tǒng)架構(gòu)，以MICAPS4網(wǎng)絡(luò)平臺提供的Storm大數(shù)據(jù)框架和Leaflet地理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以Java為主要開發(fā)語言，應(yīng)用微服務(wù)技術(shù)思想進(jìn)行搭建。并利用氣象云平臺提供集約化的數(shù)據(jù)資源，依照CIMISS規(guī)范實現(xiàn)了氣象觀測、數(shù)值模式、業(yè)務(wù)產(chǎn)品、專業(yè)服務(wù)產(chǎn)品以及行業(yè)交換數(shù)據(jù)、社會公共數(shù)據(jù)等各類數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和存儲規(guī)范化。以34臺物理機集群為主構(gòu)建正式業(yè)務(wù)環(huán)境，以21臺虛擬機構(gòu)建備份環(huán)境。采取如下技術(shù)解決業(yè)務(wù)集約、服務(wù)協(xié)同問題。

4.1 氣象大數(shù)據(jù)的集約應(yīng)用技術(shù)

數(shù)據(jù)訪問協(xié)調(diào)控制：考慮海量異構(gòu)的氣象大數(shù)據(jù)快速訪問和實時計算分析需要，平臺采用3臺服務(wù)器建立Storm集群，一臺主節(jié)點服務(wù)器上的進(jìn)程管理工具Nimbus通過分布式協(xié)調(diào)程序Zookeeper分配各工作節(jié)點任務(wù)，并監(jiān)聽主節(jié)點故障；兩臺工作節(jié)點服務(wù)器上的進(jìn)程管理工具Supervisor監(jiān)聽處理Nimbus分配的進(jìn)程。采用緩存數(shù)據(jù)庫Redis作為消息索引存儲庫，利用MICAPS4網(wǎng)絡(luò)平臺原有的衛(wèi)星處理、雷達(dá)處理、精細(xì)化格點產(chǎn)品、數(shù)值預(yù)報處理、中期天氣分析、集合預(yù)報分析、站點處理分析共7種拓?fù)?，延伸發(fā)展了物理量診斷分析、長江流域及湖北省雷達(dá)拼圖處理等拓?fù)?，Storm集群運行中的相關(guān)拓?fù)鋵崟r從Redis隊列中獲取索引進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，保證數(shù)據(jù)處理和檢索效率。

多源數(shù)據(jù)統(tǒng)一封裝：對所有數(shù)據(jù)提供統(tǒng)一接口進(jìn)行讀寫操作，新增數(shù)據(jù)按照存儲類別進(jìn)行數(shù)據(jù)接口封裝：即CIMISS數(shù)據(jù)庫按照氣象MUSIC接口標(biāo)準(zhǔn)，MICAPS4存儲處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)按照GDS接口標(biāo)準(zhǔn)，CIMISS擴(kuò)展庫采取網(wǎng)絡(luò)服務(wù)WebService方式進(jìn)行封裝，使天氣與氣候，業(yè)務(wù)與服務(wù)，省級與市、縣級使用同一套數(shù)據(jù)，沿用同一個標(biāo)準(zhǔn)。

WebGIS規(guī)范展示：基于Leaflet的WebGIS地理信息框架和HTML5，采用Nginx網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進(jìn)行負(fù)載均衡，提供模塊化的標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)、氣象要素圖層服務(wù)以及風(fēng)險圖層服務(wù)，并提供各類場景下的數(shù)據(jù)快速疊加顯示分析。通過MICAPS4網(wǎng)絡(luò)平臺前端框架提供基于HTML5 Canvas和WebGL兩種渲染方式的標(biāo)準(zhǔn)繪圖容器，借助分布式實時計算和切片地圖Web服務(wù)(WMTS)，實現(xiàn)對矢量圖層、柵格圖層、格點圖層的快速繪制。通過規(guī)范全省GIS地圖和應(yīng)用，實現(xiàn)了省、市、縣三級業(yè)務(wù)系統(tǒng)、服務(wù)產(chǎn)品的信息展示“一張圖”。

服務(wù)產(chǎn)品統(tǒng)一分發(fā)：構(gòu)建了全省統(tǒng)一的氣象服務(wù)產(chǎn)品發(fā)布服務(wù)器(李超等，2019)和相應(yīng)中間件，按照CIMISS擴(kuò)展庫的形式進(jìn)行了接口封裝(圖5)，便于平臺各個子系統(tǒng)直接進(jìn)行對接、無需傳遞給其他發(fā)布系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)。提供短信、傳真、郵件、FTP、大屏、大喇叭、電話、微信、微博等多種分發(fā)驅(qū)動支持，并實現(xiàn)與國家突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)的對接，產(chǎn)品可分渠道、分用戶、分災(zāi)種、分等級、分落區(qū)直接在各子系統(tǒng)一鍵式發(fā)布。通過在內(nèi)網(wǎng)、內(nèi)外網(wǎng)隔離區(qū)(DMZ區(qū))各布設(shè)一套發(fā)布服務(wù)器，解決了產(chǎn)品需要跨內(nèi)外網(wǎng)發(fā)布的問題。

圖5 湖北省氣象預(yù)報服務(wù)一體化平臺的氣象服務(wù)產(chǎn)品發(fā)布服務(wù)器接口應(yīng)用示意圖Fig.5 The application diagram of meteorological service product publisher interface of Hubei Meteorological Forecast Service Integration Platform

4.2 工作引導(dǎo)的規(guī)則匹配技術(shù)

工作智能引導(dǎo)主要通過規(guī)范建立工作提醒和服務(wù)啟動的閾值規(guī)則，實時比對監(jiān)測預(yù)報服務(wù)多源信息，自動傳遞工作應(yīng)對建議來實現(xiàn)。即針對實況監(jiān)測、災(zāi)害預(yù)報預(yù)警、產(chǎn)品制作分發(fā)、災(zāi)害影響評估的實時業(yè)務(wù)開展和流程管理需求，分類建立工作循序開展的閾值規(guī)則；通過布設(shè)后臺監(jiān)視程序，將實況監(jiān)測、預(yù)報預(yù)測、服務(wù)應(yīng)對等多源信息與閾值規(guī)則進(jìn)行匹配比對，判斷確定是否需要進(jìn)行工作關(guān)注或啟動服務(wù)：當(dāng)監(jiān)測預(yù)報服務(wù)信息出現(xiàn)滿足閾值條件時，使用Spring Schedule實時監(jiān)視程序生成報警信息。并通過WebService調(diào)用報警發(fā)送接口，通過WebSocket全雙工通信協(xié)議連接，向瀏覽器頁面或移動APP發(fā)送彈窗提醒、首頁輪播、語音等頁面消息，向用戶發(fā)送短信提醒。Vue響應(yīng)式前臺框架通過智能組合瀏覽器頁面或客戶端，來展示工作人員需要關(guān)注的要素信息，并通過彈窗和聲音報警等形式提示值班人員開展相關(guān)服務(wù)。

4.3 產(chǎn)品自動生成的定制合成技術(shù)

業(yè)務(wù)平臺能否被各級業(yè)務(wù)部門接受的一大難點在于其能否能快速生成業(yè)務(wù)需要的產(chǎn)品，有效將預(yù)報服務(wù)人員從繁瑣的實況資料統(tǒng)計、預(yù)報信息導(dǎo)入和服務(wù)建議等各項內(nèi)容編排中解脫出來。針對該難點，本文所述平臺通過建立實況監(jiān)測、預(yù)報預(yù)測、服務(wù)建議等資料信息組成的數(shù)據(jù)倉庫，制定產(chǎn)品的啟動規(guī)則，搭建服務(wù)產(chǎn)品模板定制入口，提供模板內(nèi)圖片、表格、文字等各類變量的標(biāo)簽設(shè)定。產(chǎn)品制作的啟動后，通過對產(chǎn)品模板標(biāo)簽的替換實現(xiàn)產(chǎn)品的自動生成。此外，為解決基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺測或出現(xiàn)奇異值等問題，提供前端用戶界面人工交互訂正以及人工確認(rèn)功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、圖表的修正導(dǎo)入和自動替換；為實現(xiàn)B/S架構(gòu)下的Web應(yīng)用系統(tǒng)在線處理文檔，通過調(diào)用客戶端Office軟件VBA宏命令，提供網(wǎng)頁版本在線Word編輯功能，將服務(wù)器端處理文檔交互功能的壓力分?jǐn)偟娇蛻舳耍岣呶臋n交互編輯的處理效率。具體處理流程如圖6所示。

圖6 湖北省氣象預(yù)報服務(wù)一體化平臺的服務(wù)產(chǎn)品自動合成和交互訂正流程Fig.6 The flow chart of automatic composition and interactive correction of service products of Hubei Meteorological Forecast Service Integration Platform

對于格式規(guī)范、無需復(fù)雜交互的預(yù)警信號、風(fēng)險預(yù)警等產(chǎn)品，則是通過構(gòu)建省級統(tǒng)一的服務(wù)器端插件來處理Word、TXT文檔，并采用基于環(huán)形隊列的智能調(diào)度解決服務(wù)端并發(fā)處理壓力。

4.4 服務(wù)響應(yīng)反饋的協(xié)同聯(lián)動技術(shù)

針對重要天氣過程的省、市、縣三級服務(wù)，采用扁平化的發(fā)起—響應(yīng)兩級服務(wù)思想，基于WebSocket持久連接提供的同一應(yīng)用以及不同應(yīng)用之間的可靠通信管道進(jìn)行操作留痕，實現(xiàn)首發(fā)單位可向影響單位發(fā)起聯(lián)動服務(wù)提醒，影響單位接收到首發(fā)單位發(fā)起的提醒后，可根據(jù)實際情況選擇響應(yīng)發(fā)布或響應(yīng)不發(fā)，以上聯(lián)動響應(yīng)操作伴隨錄入CIMISS留痕數(shù)據(jù)庫，從而為聯(lián)動響應(yīng)監(jiān)控提供追蹤數(shù)據(jù)，實現(xiàn)省、市、縣氣象服務(wù)協(xié)同聯(lián)動的信息化、可視化管理。

5 應(yīng)用情況

5.1 高并發(fā)訪問穩(wěn)定性

采取虛擬多用戶壓力測試和實際用戶并發(fā)訪問兩種方式對平臺穩(wěn)定性進(jìn)行應(yīng)用評估。虛擬壓力測試?yán)肁pache JMeter測試工具，重點對一體化平臺的服務(wù)器性能、數(shù)據(jù)庫承載力以及軟件接口進(jìn)行測試，虛擬用戶數(shù)按10～2 500個逐步加壓。結(jié)果表明：服務(wù)器的CPU、內(nèi)存、磁盤性能可支撐1 500個用戶并發(fā)訪問，使用率上CPU不超過40%、內(nèi)存不超過70%；數(shù)據(jù)庫承載力上，可支持2 000個用戶并發(fā)訪問；接口可承載的并發(fā)用戶上限，自動站接口小時、分鐘、任意時段數(shù)據(jù)分別為1 000、400、200個，服務(wù)產(chǎn)品制作接口為250個，氣候分析接口為15個，發(fā)布服務(wù)器接口為200個。由于湖北省氣象業(yè)務(wù)單位總數(shù)不超過100個，因此除氣候分析接口需要采取訪問權(quán)限控制機制外，其余均可滿足高并發(fā)訪問需求。

實際用戶并發(fā)訪問采取省、市、縣級各業(yè)務(wù)單位全部參與，超過110個用戶同時演練同一操作的形式進(jìn)行穩(wěn)定性測試，其中氣候分析模塊已對日、旬、月等業(yè)務(wù)常用固定查詢進(jìn)行了緩存優(yōu)化預(yù)處理。結(jié)果表明：除氣候分析的任意時段查詢要對并發(fā)用戶數(shù)授權(quán)控制外，平臺其余功能的穩(wěn)定性均能滿足110個用戶同時操作的需要。

5.2 業(yè)務(wù)化應(yīng)用實用性

2018年11月，湖北省氣象預(yù)報服務(wù)業(yè)務(wù)一體化平臺開始在全省范圍投入運行，通過平臺的應(yīng)用，實現(xiàn)了省、市、縣三級層級之間、單位之間預(yù)報和服務(wù)產(chǎn)品的實時協(xié)同和聯(lián)動響應(yīng)，規(guī)范了信息傳輸、產(chǎn)品制作、服務(wù)分發(fā)、聯(lián)動響應(yīng)流程。預(yù)警信號、天氣快報等產(chǎn)品的制作發(fā)布時間從30 min以上減少至5 min以內(nèi)，有效減輕了人員工作量，提高了工作效率。目前，系統(tǒng)提供CIMISS各類監(jiān)測數(shù)據(jù)、超過120類預(yù)報服務(wù)產(chǎn)品的共享與產(chǎn)品制作交互，2019年6—10月僅通過該系統(tǒng)發(fā)布的各類短信就達(dá)1.3億條。作為全省業(yè)務(wù)服務(wù)的核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)，經(jīng)受住了2019年汛期重大過程、2020年湖北新冠肺炎防疫和罕見長江流域性大洪水等歷次高并發(fā)、高精細(xì)氣象服務(wù)的實戰(zhàn)檢驗。

依托一體化平臺構(gòu)建的專業(yè)服務(wù)系統(tǒng)也取得了明顯進(jìn)展，如根據(jù)“三峽—金沙江梯級水庫調(diào)度”“長江黃金水道船舶航運”兩種氣象服務(wù)場景，對流域服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行再造，并于2019年相繼應(yīng)用于沿江各省氣象部門、三峽集團(tuán)和長江海事局、沿江地方海事局等單位。

6 結(jié) 語

(1)依托國家氣象中心推出的MICAPS4網(wǎng)絡(luò)平臺提供的框架支持，借鑒國內(nèi)業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)驗和利用氣象云平臺的建設(shè)成果，成功搭建了B/S架構(gòu)的湖北省、市、縣預(yù)報服務(wù)業(yè)務(wù)一體化平臺。

(2)一體化平臺應(yīng)用了MICAPS4網(wǎng)絡(luò)平臺提供的支持分布式計算Storm大數(shù)據(jù)框架與基于Leaflet的GIS框架，利用了MICAPS4網(wǎng)絡(luò)平臺有效對接CIMISS與MICAPS 4分布式數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢，既符合氣象大數(shù)據(jù)發(fā)展方向，又可及時跟蹤國家級氣象業(yè)務(wù)發(fā)展。

(3)一體化平臺應(yīng)用微服務(wù)技術(shù)思想，通過依托MICAPS4網(wǎng)絡(luò)平臺研發(fā)氣象大數(shù)據(jù)的集約應(yīng)用、工作引導(dǎo)的規(guī)則匹配、產(chǎn)品自動生成的定制合成、服務(wù)響應(yīng)反饋的協(xié)同聯(lián)動等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)省、市、縣三級業(yè)務(wù)服務(wù)部門的多元信息共享、上下實時協(xié)同、軟件規(guī)范統(tǒng)一、系統(tǒng)集約高效，成為利用湖北氣象大數(shù)據(jù)開展預(yù)報服務(wù)業(yè)務(wù)的核心智能應(yīng)用系統(tǒng)。

(4)一體化平臺已投入運行，大幅提升了湖北省省、市、縣氣象預(yù)報服務(wù)的業(yè)務(wù)集約、服務(wù)協(xié)同水平，有效減輕了業(yè)務(wù)人員的工作量、提高了工作效率，并推進(jìn)了信息傳輸、產(chǎn)品制作、服務(wù)分發(fā)、聯(lián)動響應(yīng)各業(yè)務(wù)流程的規(guī)范建立，支持了專業(yè)氣象服務(wù)的發(fā)展。其構(gòu)建模式對國內(nèi)省級氣象部門整合資源開展集約化業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)有較好的借鑒價值。

(5)通過調(diào)整MUSIC接口，目前一體化平臺已完成數(shù)據(jù)從CIMISS向氣象大數(shù)據(jù)云平臺(“天擎”)轉(zhuǎn)換的平穩(wěn)切換。未來一體化平臺還將利用“天擎”的“數(shù)算一體”優(yōu)勢，調(diào)整系統(tǒng)架構(gòu)，實施算法、算力從現(xiàn)有云平臺管理的物理機、虛擬機集群中剝離與遷移，實現(xiàn)全面融入“天擎”。