广西北部湾地区自动气象站实时数据应急响应系统

2010-09-21蒋文伟谭元峰

成都信息工程大学学报 2010年1期

张钧, 王斌, 蒋文伟, 谭元峰, 邹武

（1.广西北海市气象局,广西南宁 536000;2.山西晋中市气象局,山西晋中 030600）

广西全区现有自动气象站1200多个,其中北部湾地区有数百个,近几年仍在不断地增加。自动气象站的建成对进一步做好气象灾害预防工作,提高中小尺度灾害天气的监测水平,有效利用水资源,改进灾害性天气预警能力具有重要意义,对指导农牧业生产和防灾减灾具有积极作用。随着社会经济的快速发展,各级政府和社会公众对突发性灾害天气监测的预警、发布提出了更高的要求,更加高度重视中小尺度甚至微尺度的灾害性天气灾害问题;频繁发生的中小尺度灾害性天气系统,对人民生产和生活造成了极大影响,迫切需要建立有效的城市中小尺度灾害性天气预警系统。

系统在广西北部湾地区各市气象部门经过一年多的实际试运行,其稳定性、实时性、可靠性、准确性等方面都非常好。

1 系统结构

图1是自动气象站实时数据应急响应系统（以下也称系统）结构原理实例图,目前使用单位有广西北海市、防城港市、钦洲市、玉林市气象局。

在工作主机上运行主控软件,系统完成各个初始化数据的读取后,全幕显示主控程序用户交互界面如图2所示,点击启动按钮,系统开始工作。

图1 地市级实况数据处理显示、报警系统结构图

图2 主控界面（广西钦洲市）

首先,主控程序检查本机文件资料临时文件夹是否存在合法的自动气象站原始资料标准文本文件,如果不存在,系统将在规定时间段内调用FTP文件收发进程,对省级中小尺度文件服务器的原始数据文件进行过滤,下载合适文件供本地区使用;如果存在,主控程序将在2秒钟内循环对临时文件夹的第一个文件的数据进行分析、过滤、截取、入库、比较、判断、显示、移位等处理方法,如果在此过程发现截取数据段的某一基本气象要素（如雨量）超过系统设置的临界值,主控程序立刻调用报警进程和短信息发送进程,及时对有关人员提示。由于第一个文件已经被上一循环移除,所以避免了新循环读取的文件对象和上一个文件对象的重复。

值得注意的是,由于涉及大量数据的读写操作,系统一般都要求某一地区必须配置一台服务器总线结构的计算机,否则会严重影响数据的读写速度。

2 系统设计的原则和目标

2.1 系统设计原则

系统以实用、可靠、先进、标准、开放为开发原则。实用性原则要求认真分析用户对地面观测自动站数据上的一般需求和特殊需求,设计出形象、直观、富于启发性的人机交互界面,同时完善数据库和模型库等底层设计,采用最符合地面气象数据分析的算法,得出符合客观实际的计算结果。系统设计中采用以GIS地理信息系统为基础、建立在CS/和BS/多层框架结构上的VC++的MFC架构语言编程、以meatdata数据格式建立的SQLServer数据库为应用核心、以Access、UDP和TFP协议数据分发与共享,使系统的使用效率得以充分发挥,系统标准化保证了系统的开放性。标准化原则体现在系统符合行业标准和程序设计标准化两方面。数据库、系统参数设置系统和资料查询系统应用气象、水利、农林的专业术语和行业规范,用客户熟悉的专业术语设计用户界面,保证用户和计算机的良好交互。系统编程采用集成的思想,设计不同的功能模块,模块之间的调用依靠系统内部接口进行,改动系统功能时,只要改动相应模块和模块间的接口,而不必改变整个程序。

2.2 系统性能预期及总体开发目标

系统具有良好的用户交互界面、易于使用、便于管理维护、数据更新快捷,具有优化的系统结构和完善的数据库系统,具有与其他系统数据共享、协同工作的能力。

（1）提高重大灾害性天气的预警响应速度,由于系统对自动站进行24小时全天候实时监控,通过编程方式解决了短信息发送和接收的技术难关,本部门或相关部门领导、技术专业人员可以在任何地方第一时间知道各自动站点主要气象要素达到或超过警告值的实况信息,为重大灾害性天气预报决策提供可靠的基础数据。

（2）使用客户端程序界面方式,设置气象要素显示栏和地图信息显示栏及历史数据分析、查询菜单。由于该方式对网络环境要求比较低,一般只要求网络的物理环境畅通,同时该方式安全性能非常好,减少了本机或网络滋生病毒的次数,业务人员通过该界面直观了解自动站地理分布情况以及自动站各种基础气象要素的实际变化情况,通过界面提供的菜单选项对历史气象要素进行分析、判断、统计等等。从而进一步保证全区专用气象数据网安全,提高查询速度,大幅度减少手工操作,充分显示出气象现代化的特征,提高自动气象站数据的使用率。

（3）在新一代雷达投入使用后,通过自动读取雷达最新云图数据结果,可以对即将发生的天气过程及时进行准确地判断和预警。

3 关键技术和处理技巧

系统使用VC++的MFC架构作为主要的编程工具环境,在制作过程中,首先解决自动气象站原始资料标准文本文件在网络上的有效合理传送及精确数据解读、过滤、截取。其次解决数据入库的过滤、数据表处理字段空值的方法,SQL常规表达式提供的模式匹配功能是否比通过TSQL查询语言中的LIKE运算符可用的模式匹配功能多,考虑到主要使用C++代码进行编程实现,使用 System.Text.RegularExpressions命名空间中的 RegEx类进行了一个简单包装,另外自制了一个时间转换类对自动气象站原始资料标准文本文件的时间字符串进行特定算法,自制列表扩展类改善列表控件的显示方式。还要考虑标准数据接口API编程技术如何才能节省占用的CPU资源,数据表各字段标准命名,以便为下一步可持续开发打下坚实的基础。然后,解决发送短信息需要使用UCS2、7-bit、8-bit、16-bit等PDU编码格式的合理化,AT指令对TCL35集成模块的触发等。最后考虑各个进程的协调工作问题。

图3 名称表的结构设计

3.1 地市级自动气象站基础表（名称表）的命名

图3是地市级自动气象站基础表的结构设计。从这个基础表可以一目了然地明白其中的站名称、代码、区域,可以唯一的定义某地区某个自动气象站及其基本信息,由于该表需要存放的数据记录不是很多,一般最多是300条记录,所以使用ACCESS数据模型建立。对于需要大量历史数据的数据表,使用SQL SERVER数据模型建立。系统以减少连接操作、减少关系大小及数据量、节省存储空间作为优化关系数据库的标准。

3.2 ODBC数据源的定义

系统统一定义两个ODBC用户数据源:一个是存放大量自动气象站基础数据SQL 2000数据模型的数据源,数据源驱动程序是SQL SERVER;另一个是ACCESS数据模型的数据源,数据源驱动程序是Micsoft Access Driver（*.mdb）。定义数据源有利于用户使用不同的主机时,可以根据需要将数据库安装在本机合适的分区里,只需要定义相同名称、类型的数据源就可以了。

3.3 FTP进程模块示例代码（节选）

FTP进程模块示例代码（节选）是供主控程序软件进程模块控制调用的程序代码,是在执行一系列合法省级中小尺度文件服务器的程序代码后,按自上到下的执行过程。首先得到省级中小尺度文件服务器第一个文件的文件名称,取文件名称的字符和名称表进行合法比较,如果合法,则下载到本机的固定目录 D:/数据库/NOWZDZS后移除,供主控程序软件进程模块使用,如果不合法,则移除。

3.4 SMS短信息进程模块及其编码实例技术分析

以自动发送短信息的方式提示有关业务员和各级用户第一时间了解本地区各个地段发生超过临界值的气象要素,比如雨量、风、温度等等,可以使各个工种的工作人员在任何地方任何时间及时了解特别天气的变化情况,为灾害性天气的应急响应赢得宝贵的时间,短信息进程模块是系统的一个重要组成部分。

SMS是由ESTI（Europen Telcommuncation Sdandards Institute,欧洲电信标准协会）制定的一个规范,系统根据现代移动通信发展的特点和硬件组合的实际需要出发,使用通过计算机串口连接GSM MODEM的方式发送地区自动气象站实时数据应急响应预警短信息,SMS短信息进程模块使用VC++编制,是实现进程的具体方法。

PDU模式现在已经成为公认的手机短信息发送和接收的基本编码方式,用专门的函数将文本转换为PDU格式,下面对发送“你好”到13977999403手机的PDU实例格式进行分析说明,发送内容实际形成的发送串是:

08 91 683108709705F0 11 00 0D 91 683179979904F3 00 08 00 04 4F60597D短信息服务中心地址长度,8个字节短信息服务中心号码的类型短信息服务中心号码文件头字节信息参考被叫号码长度被叫号码类型发送号码协议标准编码方式有效期用户数据长度用户数据代表“你好”