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北京地区生活气象指数服务系统建设

《环球市场信息导报》 2013年5月15日 作者:马小会、丁谊、张姝丽、穆启占

文章关键词: 北京   生活气象指数  
    生活气象指数把单一的天气预报结论向前延伸至百姓生活对气象需求的各个方面,为人们的日常生活提供了全方位的气象导航,已经为媒体和老百姓所广为接受,已经成为公共气象服务中至关重要的一部分。但是,气象指数的单独开发和零散分布,使得公共气象服务产品越来越丰富的同时,生活气象指数体系也显得越发冗赘,而且各个气象指数不同的操作流程给业务员的日常工作也带来了很大负担。本文提出的北京区域生活气象指数服务系统,利用数据库、网站等计算机技术,实现了北京城区生活气象指数产品的高度集成,规范了气象指数的级别和服务用语,建立了气象指数产品数据库,实现了自动生成指数产品,在很大程度上减轻了业务负担。
     气象指数是用数字来量化人们衣食住行和行业需求与天气状况、气温、湿度和风等气象条件的关系的。近些年,一些专家对气象指数做了大量的研究(2—6),而且已经业务化,而且经过多年的发展,气象指数已经成为了北京市专业气象台公共气象服务中的不可或缺的一部分。

  但是,随着生活气象指数产品的不断丰富,每个指数产品都是单独研究开发,布置在不同的计算机上,整个生活气象指数体系越来越庞大,给业务管理造成了很大的压力。指数产品的制作过程也各不相同,服务用语的规范也各式各样,产品的获取方式和途径也五花八门,每天的重复操作相当巨大。

  2005年,曹新久(1)等研究开发了气象生活指数预报系统,实现了多种生活气象指数的集成,建立了气象要素资料库和气象生活指数库,在一定程度上规范了生活气象指数的业务体系。但是,指数产品的制作过程仍需要人工输入大量的预报要素,工作量并没有减轻。

  因此,北京市专业台的业务体系,急需一个不仅能将分散在各个角落的气象指数软件集成起来的系统,而且能够实现气象指数业务的自动化和相关产品的规范化。

  1 总体构架

  北京区域生活气象服务系统采用了三层结构框架,包括后台程序、数据库和网站。其中,数据库为系统结构上的核心,数据库中存储了用于计算指数产品的数据源、产品数据和与气象指数相关的固定数据,产品展示网站通过连接数据库,将其中产品数据。(图1)

  1.1 体系结构和技术支持

  本系统在体系结构上采用B/S(Browser/Server)模式,系统服务器端则采用C/S(Client/Server)模式,完成实时数据的采集、处理、存储等工作,通过Web再将信息发布到IIS实现网站架设。平台选择Windows Server 2003平台,数据库选择Microsoft SQL Server 2005,开发工具采用了支持C/S的VB(VB.net 和 VB 6.0)和支持B/S结构的ASP.net。

  1.2 数据下载程序和产品生成程序

  本系统在计算气象指数产品时需要的数据源种类繁多,这些数据的存储方式、存储服务器、格式都不尽相同不同。数据下载入库程序能够将所有数据源文件通过定时运行功能,采集到数据库服务器上,并按照各个数据文件的不同解析方式进行处理,然后存储到数据库相应的数据源表中,为气象指数产品生成模块提供数据基础。

  气象指数产品自动生成程序,以模块化的方式集成了各个气象指数的算法,为今后算法的调整提供了便利条件。气象指数产品自动生成程序能够通过访问数据库,从数据源表中调取气象指数算法所需的数据,再传递给具体的指数模块,自动计算出气象指数产品的级别。

  上述数据下载入库程序和气象指数产品生成程序都具有定时功能,定时访问服务器或数据库,这样对数据源文件所在服务器并不会造成很大压力。并且,这两个程序模块化的特点,保证在对不同数据处理时,可同时进行而互不干扰,数据准确及时到位。数据下载入库程序和气象指数产品生成程序,就构成了整个系统的后台部分。

  为满足业务需求,本系统由上述数据下载入库程序和气象指数产品生成程序协同运行,每天生成06时和17时两个时次的气象指数产品,每时次包括24小时和48小时两个时效。

  1.3 数据库

  本系统以Microsoft SQL Server 2005 Express为后台数据库,它具有易于部署以及快速设计原型的特点,可以自动调整数据库以达到最佳性能,重要的是与 Microsoft Visual Studio 的无缝集成,为后台数据的入库和读取提供了良好的技术支撑。本系统的数据库结构见表1。

  表1 北京区域生活气象服务系统数据库结构



  其中,天空状况、气温、风和相对湿度为常规预报要素;气压和能见度BJRUC数值预报产品;特殊天气包括积雪、道路结冰、霾等。

  1.4 系统网站

  本系统采用B/S结构,通过Windows Server 2003的IIS服,架设气象指数服务网站。

  2 网站功能

  2.1 产品数据查询

  系统网站不仅能够查询到当天最新时次的气象指数产品(预报时效包括24小时和48小时)。也可以查询产品库中的历史产品信息,展示方式与最新产品相同。

  2.2 用户管理和人工订正

  用户管理功能。本系统用户管理采用用户角色管理技术,即应用程序将支持若干用户,或如果用户列表可能随时间的推移而更改,则请考虑建立角色以管理用户访问。“角色”是组(如管理人员、销售人员或成员组)的名称。建立角色后,可以将各个用户分配到角色。然后,可以向角色授予权限,该角色中的每个用户都继承已分配的权限。因此,角色是管理用户组的权限的有效方法。

  产品订正和数据源订正。自动完成各项指定任务是本系统设计原则之一,但完全的自动化是存在缺陷的,如复杂天气时预报数据资料的不完整性、由于网络导致的数据源缺失等,而这些必须由人工经验来弥补。

  因此,本系统在设计之初考虑到了经验预报的重要性,在前期资料整理和算法二次开发阶段增加了预报资料中无法获取的信息,整理出了三种对日常生活影响最大的特殊天气要素,包括:积雪、道路结冰、霾。针对常规天气和特殊天气要素,本系统设计了天气要素订正功能,为了保证气象指数最终产品的准确性,还设计了产品信息订正功能。而天气要素订正和产品信息订正功能,操作员都是通过IE实现的。

  2.3 独立指数链接

  北京市气象科技服务中心经过多年的研究,开发了多种生活气象指数,有一些相对独立的指数产品,包括供暖气象指数、一氧化碳中毒气象指数、儿童感冒指数、太阳能气象指数、通风气象指数、花粉浓度气象指数和腹泻病气象指数。这些指数产品都是经过严格开发过程,分别形成了独立的、成熟的软件系统,算法更加复杂,而且值班预报员都经过培训才熟悉这些指数产品的制作流程,而且服务效果令人满意。

  由于本项目的开发时间有限,则采取通过网站连接这些独立指数的制作平台的方法,产品制作过程不变,值班预报员还可以按照原有的操作流程进行制作。而本系统将自动读取这些指数的产品文件,解析后保存在系统的数据库中,显示在产品查看网页中。

  3 系统关键技术

  3.1 数据库

  数据库是的北京区域生活气象指数服务系统结构核心,为本系统提供了以下功能,包括数据存储、数据查询、数据修改和表格连接等。存储的数据包括数据源、产品数据和固定数据(表1)。数据下载入库程序和本系统网站可以通过编写SQL语句,对数据库的产品和数据源数据进行查询和修改。数据库本身的“视图设计”功能可以通过可视化的方式实现产品数据和固定数据表链接,形成动态表格,为本系统网站提供数据基础。

  3.1 数据文件获取方式

  目前,北京市气象局的海量数据存储系统中,由于数据量非常庞大,所以各种数据的都是以文件形式进行存储,用户可以通过共享路径和FTP方式获取。本系统设计之初就对数据源的存储方式做了充分的调查,采用连接共享文件夹和访问FTP的方式获取数据源文件。

  3.2 ADO和The SQL Server .NET Data Provider

  数据源处理程序和产品查询网站都是通过引用.NET Framework中的.NET Data Provider for SQL Serve来访本系统的数据库,它是在System.Data.SqlClient命名空间中维护的。System.Data.SqlClient使用SQL Server自带的TDS(Tabular Data Stream)协议来连接SQL Server系统,这样可以让.NET Data Provider for SQL Server在客户端应用程序和SQL Server之间建立最快的连接。

  指数产品自动生成程序,通过ADO访问数据库来获取指数算法中所需的全部数据。ADO 是Microsoft高层数据库访问技术,具有面性对象的特点,并向VB程序员提供了很多好处,包括易于使用、熟悉的界面、高速度以及较低的内存占用。该程序主要使用了ADO的Connection、Command和Recordset三个对象,结合SQL查询语言进行数据操作。

  3.3 网站的关键技术

  以数据管理技术和WWW技术为基础,以.NET框架技术为开发平台,采用完善的面向对象的设计与开发技术手段,构建具有统一布局母版页、用户角色管理等功能并集成指数生成、管理、查看的信息管理系统。

  4 系统特点

  1.1 规范性

  本项目课题组利用2个月左右的时间,对目前专业台业务中的38个生活气象指数产品(本系统继承了秋冬两季和贯穿全年的20个和12个为独立气象指数,其余6个为春夏两季的指数,将在第二版中加入)进行了调研,调研内容包括指数产品计算的算法、相关程序和文件、数据流向、级别和服务用语。最终,对这些指数的算法进行了二次开发,丰富了参与指数算法的天气要素,从根本上保证了气象指数的先进性。对指数级别和服务用语进行了重新调整,使其更加规范化。

  本系统符合软件工程的要求,具有可修改性、有效性、可靠性、可理解性、可维护性等软件工程的特点。

  1.2 集成性

  目前,本系统集成了北京市专业气象台日常业务中的秋冬两季和贯穿全年生活气象指数产品,共32个,使不同气象指数各自为独立软件的局面彻底改善。其中包括,20个模块化的气象指数产品,他们的算法是经过二次开发的;其余12个指数都已经形成了独立的、完善的系统(本文中称这种指数为独立指数如:供暖气象指数、一氧化碳中毒气象指数、花粉浓度气象指数等),本系统通过运行独立指数的源程序,经人工交互后生成指数产品文件,将其产品文件中的产品信息解析保存入产品数据库。

  1.3 自动化

  本系统无需通过人工干预便可生成气象指数产品,实现了获取数据、产品生成、产品展示、产品发送的自动化,大大减少了预报员的工作量。

  1.4 易用性

  本系统的操作界面直观、简单,操作过程简化,业务员只需要一台连接局域网的计算机,通过IE就可以在本系统中完成全部操作,包括产品数据查询、气象要素订正和产品结果订正,将人工操作减少到最低。而且设计了即安全又简化的身份认证过程。

  1.5 可靠性

  本系统是以北京市气象局的庞大的数据系统作为数据基础,通过局域网共享数据,保证了数据的及时性和可靠性,而且符合软件工程的规范,具备软件工程的特点,系统运行稳定、相应快速,操作简便快捷。

  本系统充分考虑了人工天气预报经验在气象服务中的作用,设计了人工订正功能,使人工经验可以直接作用到气象指数算法和最终指数产品中,这种“双重订正”功能和理论算法结合的方式保证了生活气象指数产品的可靠性,使指数产品更加贴近人们的日常生活。

  北京区域生活气象服务系统以北京城区为服务对象,集成了秋冬两季和贯穿全年的生活气象指数,共36个。实现了从数据获取到产品生成的全程自动化,无需人工干预就能产看到最新的生活气象指数产品,也充分考虑了人工经验的重要性,设计了“双重订正”功能,从根本上保证了生活气象指数的合理性。而且,本系统利用了数值预报等先进的气象数据,使指数算法更加丰满、充实。重新调整的产品分级和服务用语也使生活气象指数的业务体系更加规范化。北京区域生活气象服务系统的业务化将大大改善目前的生活气象指数产品体系,工作效率将进一步提高。而且,预留了北京地区其他区县的数据和功能接口,为扩大服务范围提供了便捷。

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