基于插件技术的湖南气象服务平台设计与实现.pdf

LLOct.2023METEOR(AVNOLOGY2023年10 月658第51卷第5期JVol.51,No.5象技科基于插件技术的湖南气象服务平台设计与实现冯洗1.2屈右铭刘晓波1朱亮1吕冠儒1潘翔宇171*（1湖南省气象信息中心，长沙410 118；2 气象防灾减灾湖南省重点实验室，长沙410 118）摘要为达到整合省级气象服务数据资源、统一气象服务出口的目标，推动气象数据产品在防灾减灾和公共服务中的高效应用，基于SpringCloud云架构，采用软件插件（Plugin）、W EB服务（WebService）等技术研发了湖南气象服务平台。本文详细介绍了此平台的分层模型和功能结构，以及所采用的多源气象数据融合处理、基于微服务的气象数据并行处理、基于可缩放矢量图形（ScalableVectorGraphics，SVG)的气象数据矢量化和数据安全交互等关键技术方法。此平台通过天擎获取气象数据产品，统一加工处理后封装为数据插件、图形插件和行业插件，通过标准接口提供观测资料、预报预警、卫星云图、雷达拼图等产品，基于气象数字对象标识符（MeteorologicalDigitalOb-jectIdentifier，M O ID)保障气象数据产品服务过程的安全性。此平台的气象服务插件已应用于湖南省应急管理厅、自然资源厅、水利厅等单位的业务系统。应用结果表明：此平台的插件服务模式适应C/S客户端、WEB网站、移动APP等不同类型的气象服务需求，实现了气象数据服务的统一管理、高效加工和规范应用，提升了省级气象服务的能力。关键词同气象服务；软件插件融合处理；微服务；数据矢量化；安全交互中图分类号：TP311.1D0I:10.19517/j.1671-6345.20220330文献标识码：A引言湖南自然灾害类型多，影响范围大，涉及领域多，应急关联部门广11，气象成为自然灾害防治以及应急管理工作的“前哨站”和“第一道防线”2，实况监测、天气预报、预警信息、雷达拼图 3、卫星云图 4等多种气象资料是科学防灾减灾工作重要支撑。如何在确保数据安全的前提下，跨行业、跨平台将上述气象数据产品快速、高效地传送到各级防灾减灾政府部门，便于各部门广泛组织、积极应对气象灾害 5，是充分发挥好气象防灾减灾第一道防线作用的现实需要，也是当前呕待解决的应用难点。现代信息技术不断发展，互联网通信技术广泛应用，为气象信息传播提供了技术基础和可行途径。气象部门相关单位基于WebGIS、H y b r i d 等技术开展了气象服务产品制作、数据服务系统设计、精细化气象服务等方面的研究 6-9，取得了一定成效。但上述服务方式依然存在以下不足：在应用场景方面，上述平台以网站形式提供服务，难以适应新形式下移动APP和小程序、服务对象自有业务系统对接等应用场景；在数据安全方面，由于气象数据关乎国家安全战略和社会公共利益 10-11，上述平台在提供气象数据产品服务的过程中，难以避免接口抓取、网络爬虫等方式违规获取气象数据；在网络结构上，上述平台基于气象内外网混合环境提供服务，在网络安全管理 12 1方面存在隐患为提升各类软件平台的扩展性和适应性，信息行业参考硬件总线结构提出了软件插件（Plugin)设计思路 13，在不改变软件平台主体的情况下，遵循一定规范编制相对独立的程序段形成插件，类似硬件插卡结构，与主程序通过接口通信，便于根据不同需求对程序段进行修改和升级，从而扩展和加htip:/气象科技湖南省气象局重点科研项目（XQKJ22A006）、湖南省应急管理科技项目（2 0 2 30 1）共同资助作者简介：冯洗，男，197 8 年生，硕士，高级工程师，主要从事气象数据处理、气象信息技术应用方面的研究，E收稿日期：2 0 2 2 年8 月4日；定稿日期：2 0 2 3年4月18 日*通信作者，Email：56 8 8 0 56 q q.c o m气象科技编辑部（CCBY-NC-ND4.O）气象科技编辑部（CCBY-NC-ND4.0）659冯洗等：基于插件技术的湖南台设计与实现第5期强软件功能，适应不同场景需求，具备可维护性、可移植性强的特点，在各类行业软件中得到广泛应用 14-16 借鉴软件插件设计思路，结合气象数据产品多类型、多场景的服务需求，湖南研发了基于插件技术的气象服务平台。该平台以数据产品服务 17 为核心，依托天擎（气象大数据云平台）18 设计统一、高效的数据处理流程，实现多源气象数据统一加工处理。针对不同应用需求，分别设计数据产品、图形图像、行业应用等服务插件，既可以通过标准接口 19对接各类气象服务应用端，也可以直接嵌人已有WEB平台、移动APP中，防止气象数据产品传输或展示过程中数据泄露，在提供融合型气象数据产品服务的同时保障数据安全。1平台设计气象服务平台采用SpringCloud分层架构 2 0 各层级间的衔接与交互采取数据服务化 2 1 设计思路，在层级间通信契约稳定的前提下采用松散耦合的逻辑设计 2 2 ，支撑各类气象服务插件独立进行功能扩展和升级，从而简化平台开发和部署过程，提高可移植性、可伸缩性和可扩展性。其分层模型如图1所示。数据服务鉴权接口层数据插件图形插件行业插件(MOID)网关集群（负载均衡、流量控制）集中控处理层制与鉴处理流水线基础资料处理多维融合处理实时分析GIS融合权管理数据消息个流文件RabbitMQ数据层Elastic虚谷CassandraMySQLKafkaMinIO/NASSearch实时个同步个实时采集个策略推送气象大数据云平台省级气象市县级数据源其他数据源（天擎湖南）业务服务产品库业务服务产品库图1平平台分层模型Fig.1Layered model of the platform（1）接口层。基于WEB服务（WebService）和数据虚拟化技术 2 3 将各类加工处理后的气象数据产品封装成插件，通过标准接口提供服务，适应不同类型的应用端需求。数据插件面向通用型需求，基于互联网通用接口协议（RepresentationalStateTransfer,REST)提供各类观测和预警预报产品服务。图形插件则面向WEB网站和移动APP需求，基于简单对象访问协议（SimpleObjectAccess Pro-tocol,SOAP)提供嵌入式数据统计分析、图形展示等功能。针对应急保障、自然资源、水利水文等特定行业，则将相关数据产品封装为行业插件，通过开放数据库互连协议（OpenDatabaseConnect，O D BC)提供定制化服务。气象服务插件详情如表1所示。（2）处理层。针对不同气象服务需求，采用微服务（Microservice）2 4 设计思路将各类气象数据加工处理过程拆分为相对独立的线程，从而控制每一类数据处理过程的复杂度。在线程管理上，设计统一表1气象服务插件应用场景及服务内容Table1Application scenarios and service content ofmeteorological service plugin类型接口应用场景服务内容观测产品、预报服务产品、预数据插件REST各类应用端警信息、卫星云图、雷达图GIS服务、等值线、色斑图、面图形插件SOAPWEB,APP雨量、时间序列、统计分析应急保障、自然资源、交通气行业插件ODBC特定行业象、水文气象等气象服务的处理流水线，将不同的数据处理线程合理分布在不同的进程单元，在提升处理效率的同时增强平台的可维护性。基础资料处理过程针对数据进行实时快速处理，具备等值线、色斑图分析功能。对于格点、影像融合资料则采用多维融合过程进行归一化处理，并可采用GIS叠加分析的方式生成图形化产660象第51卷技科品。在处理层和接口层之间构建网关集群，对应用端的并发访问进行负载均衡调度和流量控制，提升接口的可靠性，保障平台稳定运行。（3)数据层。设计采集处理模块，以流水线并发方式实时采集各类数据至支撑环境。结构化数据采用虚谷数据库存储，并根据时间序列进行分区以提升访问效率。非结构化数据产品则存储在分布式数据库Cassandra中，提供松散耦合的数据结构支撑。采用开源消息代理软件RabbitMQ支撑海量气象站点实时数据服务所需的大规模、高可用性需求。对于气象卫星、雷达等资料，则采用分布式消息队列Kafka作为消息中间件，通过数据流的方式快速处理，具备实时性强、吞吐量高的特性。构建高性能对象存储系统MinIO支撑海量气象图片产品的存储需求，而对于容量较大的数据包、文档型气象产品，则采用分布式网络附属存储NAS进行存储。(4)集中控制与鉴权管理。平台运行中的各类监控信息统一发送至集中控制模块，包括气象数据采集状况、处理线程运行状况、微服务调用状况、系统资源使用情况等，由控制模块根据预定规则自动处理。超出处理范围的则采用图标、文字告警提示，便于快速定位故障，提升系统可维护性。在鉴权管理方面，平台创新性的设计了贯穿气象数据产品服务全流程的管控功能，通过对接气象数据服务监管平台，基于气象数字对象标识符（MeteorologicalDigitalObjectIdentifier，M O ID)2 5 实现气象数据产品的统一编码和服务追溯，保障气象数据产品服务过程的安全性。2关键技术2.1多源气象数据融合处理技术气象服务平台遵循相关行业标准和气象数据管理规范，设计高可用性、分布式部署的融合型数据加工处理模块，对接天擎接口 2 6 和省级集约化数据环境获取各类观测数据、预报预警产品以及其他行业数据，通过标准化处理流程实现数据采集、加工处理和插件封装等功能。融合处理流程如图2 所示。应用端发起数据服务请求，通过网关以任务方式提交至控制中心。为保障气象服务平台运行稳定性，在控制中心设置了熔断、降级等流量控制机制，当应用端发起服务请求的总连接数或数据流量超过预设阈值，则采取限流、排队、拒绝超限请求等应对客户端请求省级天擎流量控制集约化数据环境控制中心采集控制7过程控制标准格式数据处理模块数据采集（线程池）模块微服务线程其他格式微服务线程注册元数据微服务线程存储元数据管理产品库专题库其他库模块插件封装与接口服务数据插件图形插件行业插件图2融合处理流程Fig.2Fusionprocessingflow措施，并返回错误信息，确保平台不过载。控制中心根据服务请求内容，确定数据源、下载协议、轮询策略等数据采集要素，通过定时或触发方式，由数据采集模块通过天擎接口或集约化数据环境采集相应数据产品。采集到的标准格式数据直接提交数据处理模块进行加工处理，其他格式数据则进行元数据注册，并由平台进行数据策略配置后再提交至数据处理模块，调用特定线程进行处理。数据处理模块采用微服务设计，针对各类气象数据产品分别设计不同的处理线程，分类处理地面观测、卫星雷达、预报预警和行业数据。控制中心实时监控线程池中各类线程运行状况，当某个线程发生故障或长时间无响应，则停止该线程并释放资源，同时向应用端返回错误信息，避免集群资源被某个线程不必要、长时间占用导致资源崩溃的状况存储管理模块针对数据库、文件、对象等不同类型的数据产品，根据不同业务规则分别定义定时同步、数据迁移、历史资料清除等存储管理策略。采用关系型数据库结合内存数据库的方式存储气象数据产品的元数据，包括类别、编码、要素、特征等关键信息。各类观测、卫星、雷达等通用型数据产品则存储在公共产品库，提供多应用端的访问需求。针对特661第5期冯洗等：基于插件技术的湖南气象服务立平台设计与实现定服务对象的数据和加工产品则存储至专题库，并设置安全访问权限，加工处理后的气象数据产品，采用WEB技术封装为数据插件、图形插件和行业插件提供服务，包括嵌入式页面、矢量图层、行业数据产品包等，可直接嵌人C/S、W EB、A PP等不同应用端，或者作为独立的小平台使用，从而适应不同行业、不同应用平台的需求。2.2基于微服务的气象数据并行处理技术地面观测、雷达、卫星等气象数据具有种类多、频次高、数据量大的特点，服务时效性要求高，并发处理压力大。为提升气象数据并行处理效率 2 7 ，气象服务平台采用微服务技术，针对各类气象数据分别设计不同的加工处理线程，并纳人线程池统一调度与管理，利用多线程 2 8 1并发的方式提高气象数据产品加工处理的时效性。其流程如图3所示。应用端内存加工监控模块任务标准化数据库处理微服务线程-A调度模块微服务线程-B消息中间件：产品库数据源微服务线程-N图3多线程数据加工处理流程Fig.3Multithreaded data processing flow应用端发起数据服务请求后，生成数据加工处理任务提交至调度模块。调度模块根据预置的系统服务规则，自动设置此任务的执行周期、开始时间、结束时间、并行执行数量等运行参数。调度模块根据平台实时负载和IO状态进行动态任务调度，批量提取符合执行条件的任务，分别分配一个或多个微服务线程进行数据采集和标准化处理。微服务线程通过消息中间件（RabbitMQ或Kafka)读取气象数据并进行标准化处理。通过预置规则比对同一属性但来自不同数据源的气象数据，再通过既定的元数据管理规则，剔除不符合条件的数据。标准化后的数据存储至内存数据库，作为下级处理线程的输人数据。调度模块根据不同的气象数据产品加工处理需求，再次调度相应的线程执行不同的处理任务，例如多源数据融合、数据处理分析、嵌人式矢量产品加工等，适应不同场景、不同应用端的需求。加工处理后的气象数据产品，由数据存储控制模块统一存人产品库，再通过接口服务模块封装为服务插件，供各类应用端调用。2.3基于气象数据矢量化技术在对外气象数据服务过程中，为防范接口抓取、网络爬虫等方式违规获取气象数据，气象服务平台采用可缩放矢量图形（ScalableVectorGraphics，SVG)技术 2 9，将地面观测数据、雷达或卫星云图等栅格数据加工成为动态、可交互的SVG矢量图形，利用坐标点、线条、色块、图标等形式描述气象数据，使原始气象数据具备不可提取、不可复制的特性，强化气象数据服务过程中的安全性。矢量化处理流程如图4所示。地面观测卫星雷达其他数据获取所有数据经纬度信息计算经纬度区域创建虚拟屏幕，确定像素范围计算数据坐标相对屏幕像素的比例因子计算经纬度对应屏幕的像素坐标图形样式矢量化叠加规则库处理数据标签生成SVG矢量图图4气象数据矢量化流程Fig.4Meteorological data vectorization flow662第51卷象技科首先获取气象数据经纬度信息，包括最大经度、最小经度、最大纬度、最小纬度、中心经纬度等，计算并确定地理坐标区域的经纬度范围。创建虚拟屏幕，通过式（1）和式（2）分别计算气象数据地理坐标与屏幕像素比例因子，得出每像素坐标所代表的地理经度和纬度。(LomxLomin)X3600S.(1)H（LLamin)X3600S.-amax(2)V式（1)中,S.为虚拟屏幕X轴上每像素对应的比例因子,H为虚拟屏幕X轴上每像素对应的经度秒数，Lomax和Lomin为输入数据的最大经度和最小经度；式2 中，S,为虚拟屏幕Y轴上每像素对应的比例因子，V为虚拟屏幕Y轴上每像素对应的纬度秒数，Lamax和Lamin为输人数据的最大纬度和最小纬度。通过式（3）和式（4），循环计算气象数据中每一个数据点所属经纬度对应虚屏幕中的像素点坐标。P,=(L。-Lo m in)S,X36 0 0(3)P=La-Lamin)S,X3600(4)式（3)中，P.为屏幕像素横坐标，L为当前数据点对应的经度，Lomin为最小经度；式（4)中,P,为屏幕像素纵坐标，L.为当前数据点对应的纬度，Lamin为最小纬度。依据不同数据显示规则，以点、线、色块等方式，在虚拟屏幕上进行图形绘制。地面观测数据采用圆点标志绘制气象数据点的位置，叠加文本形式的气压、降水、气温、湿度等气象要素；雷达和卫星数据则用不同颜色表示不同的数值，并标记色标值范围。最后将虚拟屏幕中的像素排列的位图基于SVG技术绘制成可伸缩矢量图形，按规则存人产品库，并建立索引提升访问效率。加工处理后的SVG矢量图数据量少，减轻了气象服务过程中网络传输压力。由于矢量图在放大或改变尺寸的情况下图形质量不会有损失，因此可以嵌人WEB、A PP等各种应用端，更好地适应跨平台应用需求。2.4内外网隔离的数据安全交互技术为保障对外气象服务过程中的信息网络安全，湖南气象服务平台部署于省级气象隔离交换区(Demilitarized Zone,DMZ)301。为解决外网环境下基础资源和数据支撑的难点，在DMZ区部署了支撑平台运行的服务器集群，同时构建了虚谷、Cas-sandra数据库，以及MinIO、NA S等存储系统，满足平台数据需求。其结构如图5所示，行业网（行业应用）气象服务平台集群插件服务接口（共享区）(行业网DMZ)防火墙天擎互联网（公众服务）数据中心（气象业务内网）插件服务接口(互联网DMZ)防火墙隔离交换设备图5气象服务平台网络结构Fig.5Network structure of meteorological service platform在安全隔离的网络环境，气象业务内网和外部网络无法直接互联。为支撑气象服务平台在外网环境的数据交互需求，在气象内网和DMZ区之间部署了跨网隔离交换系统，采用私有方式在相互隔离的网络之间传递数据，确保内部数据不外泄。在数据流程上，设计了后台同步程序，将天擎中相应气象数据以及省市县各级气象预报预警服务产品，通过内网对DMZ区主动同步、策略推送等方式，传输至DMZ区的数据支撑环境，并设置相应访问权限，满足数据服务需求。为加强安全管理，在气象内网和DMZ区之间，以及DMZ区和外网之间均部署防火墙，依据不同663第5期冯洗等：基于插件技术的湖南气象服务平台设计与实现服务对象的需求制定相应的安全交互规则，实现气象内网、DMZ区和外网之间的数据安全交换，保障整个服务流程的安全。交互规则如表2 所示。表2内外网数据安全交互规则表Table2Data security interaction rule between internaland external networks源区域目的区域规则访问规则说明气象内网与外网之气象内网互联网和行业网X间不允许直接访问只允许气象内网主气象内网DMZ区动访问互联网或行业网DMZ区允许互联网DMZ区互联网DMZ区互联网与互联网之间互相访允许行业网网DMZ行业网DMZ区行业网区与行业网之间互相访问3系统实现3.1功能结构依据上述设计，湖南研发了基于插件技术的气象服务平台并投入业务应用。气象服务平台包含运行管理、系统监控、服务接口等核心功能模块，服务插件既可以作为数据源嵌人不同的应用端，也可作为独立的小平台使用，极大简化了应用开发量，便于快速形成服务能力。其功能结构如图6 所示。湖南气象服务平台运行管理系统监控接口服务（插件）数据源配置数据编码管理系统运行控制服务接口配置用户权限管理用户行为监数据访问监访问流量监控系统日志管理实况信息产预报预警产雷达卫星产气象服务产定制数据产控控品品品品品图6 气象服务平台核心功能结构Fig.6CCore functional structure of meteorologicalserviceplatform运行管理模块负责气象元数据配置与统一管理，实现数据采集、存储、服务等子模块控制，以及加工处理流水线并发调度等功能。可基于应用端地理位置自动确定数据资料访问范围，统一管理各类接口的访问权限。系统监控模块可针对不同服务进行灵活的策略配置，对应用端的访问行为、数据访问内容、并发访问流量进行统一监控与管理。后台可对整个平台的业务节点、运行过程进行统一管理，保障平台运行稳定、可控。各类气象数据服务产品基于WEB技术快速封装成不同插件，通过接口提供标准化服务。既可以提供降水、大风、温度等实况加工产品，也可以提供天气预报、预警、强降雨警报等服务产品，还可以提供卫星云图、雷达拼图等矢量化产品，满足不同类型的应用需求。3.2服务插件针对不同服务对象、不同应用场景对气象数据产品的多样化需求，湖南气象服务平台采用WEB标准协议研发了46 类共计48 8 种气象服务插件。每一类插件根据不同的时间尺度、空间分布以及查询统计要素等关键特性进行预配置，支撑各类应用端快速、便捷访问的需求。部分典型结构化数据接口和非结构化图形接口分别如表3、表4所示。表3典型数据接口表Table 3Typicaldata interface序号接口名称插件数1分钟观测数据202小时观测数据213水库水位数据114实况网格产品55实况融合产品66雷达基数据67雷达QPE实况78雷达QPF数据39省内预警信息1210十天网格天气预报511省市指导预报1512省市指导预报15664第51卷象技科表4典典型图形接口表Table4Typical graphical interface序号接口名称插件数1风云卫星云图122单站雷达PUP产品123雷达拼图产品804降水预报图45温度预报图46观测站实景87预警信号产品68GIS基础图层39等值线叠加分析210色斑图叠加分析211数据表格展示312折线图展示分析613饼图展示分析64平台应用湖南气象服务平台在2 0 2 2 年6 月通过中试后投人业务运行，支撑湖南气象防灾减灾天气盒、拇指天气微信小程序、天帮忙APP、航空气象服务平台、旅游气象服务平台等不同类型应用，在湖南气象天气盒中的应用情况如图7 所示2022年0 7 月0 7 日1220 3富达国减+过去1小时爆网监测2022年0 7 周0 7 日12 附时0 0 分石门座乘植具苗区慧利聘福阳楼区龙山dBZ永顺晨江市保端花15图7湖南气象天气盒应用示例Fig.7An example of application in Hunan MeteorologicalNetworkTerminal在行业应用方面，湖南气象服务平台对接了湖南省应急管理厅决策指挥平台、尾矿库监测预警平台、大数据可视化系统，以及湖南省自然资源厅区域地质灾害预警系统，基于用户定位、授权位置提供实况资料、预警预报、卫星云图、雷达拼图、重要天气消息、专项服务产品等融合型气象数据产品服务。在湖南省自然资源厅尾矿库监测预警平台中的应用情况如图8 所示湖南省尾矿库安全生产风险监测预警系统E1A36图8 尾矿库监测预警平台应用示例Fig.88An example of application in tailing pond monitoringand warning platform5结论湖南气象服务平台通过接口以插件方式对接省内各级防灾减灾部门应用端，滚动展示各类气象预报预警信息，给行业用户和公众用户提供高效、便捷的气象信息服务，为切实发挥好气象防灾减灾第一道防线的作用提供良好支撑。（1)针对不同的气象服务需求分别研发不同的插件，通过统一接口对外提供服务。各服务插件之间结构清晰、相对独立，并可根据不同需求进行灵活配置。扩展服务功能只需增加相应的插件，而不影响平台整体结构，因此平台的可移植性、可维护性强，能更好地适应不同单位、不同业务、不同场景对气象数据产品共享服务的多样性需求。（2)设计了统一的加工处理模块，采用微服务、多线程等技术进行海量气象数据并行处理，并将产品封装为数据插件、图形插件和行业插件提供服务，使得应用端不需要再次进行气象数据解码、图形化展示等开发工作，简化了气象应用端开发工作量，提升了气象服务成效。（3)采用SVG技术将原始数据加工为矢量图形，避免非法获取原始气象数据的情况；对接了气象数据服务监管平台，基于MOID实现气象数据产品的统一编码和服务追溯，保障气象数据产品服务全流程的安全性。（4)平台部署在省级气象DMZ区对外提供服务，改变了行业部门通过专线直连气象业务内网开665第5期冯洗等：基于插件技术的湖南气象服务台设计与实现展服务的状况，在推进气象服务平台集约化，以及统一全省气象互联网出口、保障网络安全等方面具有重要意义。基于插件技术研发的湖南气象服务平台适应新形势下气象数据产品多行业、多场景安全服务的需求，具有较强的推广应用价值。后续将根据需求的增长不断扩展和完善各类插件功能，并加强与MOID的对接融合，进一步增强气象数据产品对外服务的全流程管控能力。参考文献1张作林.湖南长沙：六个强化一体推进打赢打好自然灾害综合风险普查开局战 J.中国减灾，2 0 2 1（11）：34-35ZhangZ IL.Changsha,Hunan:Six strengthening and integrating ef-forts to promote winning and winning in the comprehensiverisk survey of natural disasters JJ.Disaster Reduction in 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