基于云资源的青藏高原科考数据收集与传输平台设计与实现.pdf

Oct.2023METEORCSCIENCEANDIECHNOLOGY6482023年10 月第51卷第5期Vol.51,No.5象技科基于云资源的青藏高原科考数据收集与传输平台设计与实现王怀乐刘然马明贺俊彦王涛（国家气象信息中心，北京10 0 0 8 1）摘要受限于地理环境、通信条件及人员保障能力，青藏高原科学考察数据无法通过现有气象通信系统进行收集和传输，这一直是困扰着气象科研工作者的难题。本文依托电信运营商的公有云资源建立科考数据汇集与传输平台，在西藏墨脱地区开展了大量科考观测数据的收集和传输工作。该平台采用高并发数据获取和分布式并行处理框架，实现在单台服务器上数据收集、处理、分发、监控等多个应用的持续有序工作，并结合科考仪器特点对数据进行有针对性的监控和归档服务。同时，还设计实现了轻量化的数据上传客户端，解决布设于野外的科考观测设备的数据采集问题。该平台的设计可应用于其他地区的科考观测数据收集和传输工作中。关键词同青藏高原；气象资料；收集和传输；消息队列；终端安全中图分类号：P409DOI:10.19517/j.1671-6345.20220277文献标识码：A引言20世纪7 0 年代，中国开展了第一次大规模的青藏高原综合科学考察研究（简称“第一次青藏科考”）。但此后的50 年，青藏高原自然与社会环境发生了剧烈变化。为此，2 0 17 年由中国科学院牵头，中国启动了第二次青藏高原大规模综合性科考（以下简称“第二次青藏科考”），并开展十大科学考察研究任务 1-2 。中国气象科学研究院（以下简称气科院）作为十大任务之一“西风-季风协同作用及其影响”的承担单位，在地处藏东南地区水汽输送通道前沿的西藏墨脱开展了大量科学考察工作，墨脱地处河谷地区，水汽充沛，对于研究雅鲁藏布大峡谷内对流云发展及其降水特征等科学问题有着十分重要的意义 3-6 。但受限于现有条件，科研人员往往无法及时获取到当地的科考观测数据。本文依托中国移动公司在当地的网络及公有云资源，建立了墨脱观测场与国家气象信息中心的可靠连接，依此开展了科考数据的自动化收集和可靠传输，取得了较好的成效。1科考数据收集与传输概况1.1待收集数据情况气科院于2 0 19年在墨脱建立综合性的科考观测试验基地，并建立多种观测手段。测试仪器每天产生大量观测数据，其观测物理量、生成数据量等情况如表1所示。由于此次数据全部为科研性质数据，未对数据格式和数据名称标准化，因此数据采集更具灵活性。1.2场地及通信基础设施情况墨脱科考观测试验基地位于墨脱县气象局观测场内，观测场环境如图1所示。受环境所限，不宜部署PC服务器这类对供电、散热等环境有较高要求的设备。同时，墨脱县气象局为基层艰苦台站，台站信息系统能力较薄弱，对大量科考观测数据（超7 0 GB/日）缺乏有效传输手段。另外，按照气象部门网络安全管理要求 7 ，本次科考观测的计算机未能接墨脱县局局域网，不具备通过县局网络进行数据传输的条件。而且根据科考工作需要，部分仪器架设在野外，http:/气象科技第二次青藏高原综合科学考察研究项目（2 0 19QZKK0105）和国家自然科学基金项目（417 7 50 36、42 0 30 6 11）资助作者简介：王怀乐，男，1991年生，工程师，学士，从事气象信息系统设计与运维，Email：w 6 0 37 58 95 16 3.c o m收稿日期：2 0 2 2 年6 月2 9日；定稿日期：2 0 2 3年6 月2 5日*通信作者.Email：liu r a n c m a.g o v.c n气象科技编辑部（CCBY-NC-ND4.0）649第5期王怀乐等：基资源的青藏高原科考数据收集与传台设计与实现表1墨脱观测基地观测数据信息Table1Data information of Moto observation site设备名称观测物理量数据分辩率开始观测时间每日观测数据量云雷达回波强度、径向速度、速度谱宽、退偏振因子功率谱密度函数30m,4s2019年1月16GB微雨雷达回波强度、雨滴谱、粒子下落速度、雨强35m,1min2020年7 月1 GB相控阵雷达回波强度、径向速度、速度谱宽、差分反射率因子、差传播相移率30m,92s2019年7 月4GBKDP、水平垂直信号相关系数雨滴谱仪降水强度、雷达反射率因子、雨滴谱分布（32 档粒子直径和32 档1min2019年6 月10MB粒子下落速度）微波辐射计大气温度、湿度、液水含量、水汽密度50250m,2min2019年1月10MB风廓线雷达风向、风速、垂直气流、大气端流、低空急流50/100m2021年4月350MB图1墨脱观测场现场环境Fig.1Site environment of the Moto observation site只具备移动网络，这类仪器数据的收集和传输也十分困难。1.3科考数据收集及传输需求（1）自动化数据收集和传输。由于缺乏有效的数据传输手段，科考人员以往都是人工收集，通过邮寄获取。这种方式不仅时效性低，往往是几周甚至几个月，而且极易造成数据丢失，影响科考工作的开展。科考人员迫切需要建立自动化的数据收集和传输的手段，以提升数据时效和安全性。(2)统一科考数据存档和服务。墨脱科考观测试验基地每日产生约7 0 GB数据，连续归档3年可达近8 TB数据量。在数据统一存储的前提下，为科研人员提供方便、快速的数据服务。同时为保证数据安全，对数据获取权限进行严格控制，避免数据外泄。（3）系统维护和信息安全。墨脱路途遥远、现场技术人员维护能力有限，系统应提高容错性，减少人工维护。另外由于不具备县局网络数据传输的条件，网络和数据安全也须考虑。2科考数据收集与传输系统设计2.1系统架构设计数据收集和传输系统服务器采用公有云租用方式。该主机接人墨脱观测场私有局域网对观测场内的数据收集，并接人互联网，其上部署的数据传输应用可以通过互联网进行数据的分发。观测场局域网收集的数据，通过互联网直接推送到国家气象信息中心互联网DMZ区数据存档服务器，供科研人员下载 8-10 。同时，移动运营商机房也建立了直连林芝市气象局的光纤专线，与林芝市局网络物理隔离，从而解决观测场与林芝市气象局间的数据交换问题。图2 所示为收集与传输平台的系统架构及数据流程。部署在墨脱观测场的仪器，只要接人局域网，公有云主机就可对其数据进行主动收集。对于部署在野外的科考仪器，则需部署数据传输客户端，以主动推送方式将数据发送到云主机的公网IP2.2应用软件设计应用软件设计方面，整个平台分为数据收发子系统、数据上传客户端子系统及数据管理与监控子系统3部分，其应用软件架构如图3所示。2.2.1数据收发子系统数据收发子系统部署在公有云主机上，包含数据收集、处理和传输等多个应用，负责墨脱观测场和野外科考仪器等多数据源、多数据格式、多传输方式、全天候的收集。它既支持FTP数据收集，也支持基于消息方式的数据收集。FTP收集主要针对墨脱观测场内的仪器，消息方式主要针对野外的仪650象第51卷技科林芝移动中国气象局DNZ区推送数据服务器数据中转服务器FTP推送FTP拉取数据FTP拉取数据FTP下载FTP下载野外观测仪器林芝市局雷达数据服务器用户用户交换机中国气象局云雷达数据微波辐射数据雨滴谱数据微雨雷达数据相控阵雷达数据相控阵雷达微波辐射云雷达微雨雷达雨滴谱墨脱观测场图2 科考数据收集与传输流程Fig.2Collection and transmission process of scientific examination data器。该系统自动完成数据收集和传输，并确保数据传输的时效性和完整性。2.2.2数据上传客户端子系统数据上传客户端为野外科考仪器专用，该系统定时进行增量收集，然后将数据序列化为消息体，通过互联网线路将消息发送给云主机。客户端具备数据切片、加密和失败重传功能，并具有轻量化、自启动的特点，以便更适用野外仪器2.2.3数据监控与管理子系统数据管理与监控子系统接收公有云主机传输的压缩和加密的科考数据。该子系统对数据解压和解密后，按不同的数据类型、日期进行分类归档存储。同时，为了对科考数据进行更规范管理，该子系统还对数据的经纬度、海拔高度、观测时间等时空范围进行标识和归档，通过FTP和HTTP两种方式为科研人员提供数据下载服务，并对下载权限进行精细化控制。对符合描述标准的数据，还可对数据产品进行DOI认证（DigitalObjectIdentifier，数据全球唯一性认证)，建立科考数据集 1-14，支持可查可溯源，保障数据生产者的知识产权。2.3安全性设计在系统安全性方面，从网络安全、主机安全、应用安全和数据安全4个层面进行设计。其中网络安全层面采用分区划域安全防护机制，云主机依托移动运营商提供的主机安全服务，具备防火墙等网络安全设备；数据归档服务器部署在国家气象信息中心互联网DMZ安全区，依托该安全区提供访问控制、边界防护、入侵检测等防护；对墨脱观测场计算机采取与气象部门业务网络物理隔离方式降低渗透风险。同时，通过在主机安装防病毒软件 15，对主机安全事件进行监控等方式提升主机安全性，并定期对系统帐户口令进行更新。在应用安全和数据安全层面，采用IPSecVPN隧道技术实现移动运营商机房到公有云主机之间的安全可靠传输，其系统网络路由如图4所示。同时，在应用软件设计中使用数据压缩和加密技术，提升公有云传输数据安全性，并在墨脱观测场和国家气象信息中心分别建立数据备份镜像，防止重要数据丢失。651王怀乐等：基一资源的青藏高原科考数据收集台设计与实现第5期数据收发子系统FTP采集数据收集模块数据分发模块墨脱观测仪器消息收集文件收集数据分发分发用户管理墨脱观测主机数据上传客户端子系统数据处理模块数据上传模块-消息传输-数据移盘数据加密数据压缩数据定时清理数据采集模块送野外观测仪器数据监控与管理子系统数据监视模块系统监视模块数据传输通道监视磁盘使用监视进程监视气科院用户数据到达情况监视日志网关数据下载情况监视数据下载数据归档管理模块监视页数据解压数据解密归档目录管理面模块数据下载管理模块FTP下载服务下载权限管理下载记录管理图3科考数据汇集与传输平台应用软件架构Fig.3Application software architecture of scientific research data collection and transmission platform墨脱观测站中国气象局中国气象局业务系统口公有云数据专线PCPCPC林芝移动机房移动云互联网专线VPN通道云主机弹性共享IPSseVPN观察设备 观察设备观察设备安全公网IP带宽路由器林芝气象局上云数据流业务管理云主机云主机至北京数据流图4科考数据传输网络路由设计Fig.4 Route design of scientific examination data transmission network652象第51卷技科3关键技术与实现3.1高并发数据获取和分布式并行处理框架数据收发子系统采用应用调度框架，其工作原理如图5所示。该调度框架使用RabbitMQ消息中间件，共建立收集、处理、分发、监控4个任务队列，由工作流引擎驱动。其中数据收集任务由调度进程定时生成。收集进程作为队列的消费者，随时监听该队列，并按照先进先出的规则获取任务并进行数据收集。收集进程完成操作后，向处理任务队列放入处理任务消息。处理进程获取该任务后立即读取数据进行后续操作。以此类推，传输进程和监控进程也采取类似的方式，直到数据传输完毕。管理与监控MySQL数据库Web监视日志网关监控进程组SQLite数据库SQL队列FTP推送数据作业调度收集进程处理进程分发进程后台收发进程组国家气象信息中心互联网DMZ区服务器收集任务队列处理任务队列分发任务队列进程脚本数据RabbitMQ队列入口目录工作目录待分发工作目录数据库图5基于消息队列的多任务调度关系Fig.5Multi task scheduling relationship based on message queue相较于传统的气象通信系统所采用的基于定时任务和目录轮巡的解决方案，基于消息中间件构建的高并发数据获取和分布式并行处理框架，具有高速数据处理能力，并可在多进程并行模式下工作，且具备完善的消息持久化、队列管理、集群式管理等功能，可以很好地保证消息交换的完整性和稳定性 16-18 。针对科考仪器数量不断增加的特点，收发子系统的调度框架也具备良好的可扩展性，随着后期科考数据收发量的逐渐增多，通过扩充队列的消费进程数量，就可以很快提升任务处理能力。3.2轻量化数据传输客户端对于安装在野外的科考仪器，只能采用移动网络等方式连接互联网。由于无法连人墨脱观测场的局域网，也没有固定的公网地址，只能将科考数据主动上传 19-2 0 1。因此，在野外仪器相连计算机上均部署了传输客户端，主动向云主机通过固定公网进行传输。为尽量减少对科考仪器主机的资源消耗，提高运行稳定性，客户端采用了轻量化设计，避免长时间占用CPU等资源，并具备自守护和开机自启动机制。客户端子系统与收发子系统一样，使用了Rab-bitMQ消息中间件，利用中间件封装好的数据传输接口，将仪器数据序列化传输 2 1-2 2。对于大数据文件，客户端支持消息分片的方式，将大数据文件切分为多条消息，在接收端进行消息合并还原，这种方式有效提高了大数据文件的传输成功率，有效避免因互联网线路不稳定造成的文件传输失败现象。同时，客户端也保留了传统的FTP上传方式，可以将观测数据以消息方式上传的同时进行FTP数据传输。客户端的工作原理如图6 所示。653第5期王怀乐等：基资源的青藏高原科考数据收集台设计与实现本地目录消息消息体消息消息体消息消息体头分片头分片2头分片服务器1分片分片OR不分片不分片消息消息体服务器2消息传输头-FTP/HTTP消息传输OR服务器N文件传输源服务器1文件传输FTP/HTTPFTP服务器1FTP/HTTPFTP源服务器2FTP服务器2源服务器N服务器N图6 传输客户端软件工作原理Fig.6Working principle of transmission client software3.3基于数据特征的精细化监视由于科考仪器观测数据不同于业务考核的各种气象观测数据具有明确的频次、站号、数量等指标，因此科考数据监视采用了基于时间段与文件数特征的监视指标，并使用正则表达式对文件命名进行定义。根据不同观测数据的传输规律，对其收集和传输环节的数据及时性和完整性进行监控规则配置 2 3-2 41，各类资料特征及监视规则设计如表2 所示。数据采集与监视使用了ApacheFlume技术，利用Flume实现对收发子系统、传输客户端和数据库的监控信息采集，并通过Flume的通道（channel)实现监控信息的分布式传输，最终汇总至数据监控与管理子系统。表2 禾科考数据收集与传输监控规则Table2Collection and transmission monitoring rules for scientific examination data资料简称文件名表达式监视文件数监测时间微波辐射gbmrlilii_YYYY-MM-DD_HH-mm-ss_lv2.csv610:00微雨雷达mrrYYYYMMDD_HHmmss.nc2402:00相控阵雷达nrdZ_RADR_I_Ii_YYYYMMDDHHmmss_O_DOR_DXK_CAR.bin.bz21102:00yrdM(1|2|3|4)(THB|SPM)YYYYMMDDHHmmss.03021012:00云雷达(THB|SPM)YYYYMMDDHHmmss.030THBLZVWYYYYMMDDHHmmss030.jpg雨滴谱ydplili_weather_YDP_value_YYYYMMDD.txt114:00双波长闪烁仪rpg_lasYYMMDD_HHmmss.(VAR|FLX|HKDI)312:00wprIiYYYYMMDDMONITOR_(INF|UPS).TXT609:00IiiYYYYMMDDMONITOR.LOGliiiYYYYMMDDWNDFFT.LOG风廓线雷达IiiYYYYMMDDWNDOBS.LOGliiiYYYYMMDDWNDRAD.LOGZ_RADA_Iliii_YYYYMMDDHHmmss_O_WPRD_LC_FFT.(BIN|TMP)654第51卷象技科4应用情况2020年12 月，科考数据汇集与传输平台建设完成，开始对墨脱地区科考数据进行持续的收集和传输。随着平台的稳定运行，陆续有相控阵雷达、云雷达等多部科考仪器依托该平台进行收集，并经过压缩和加密后，利用互联网线路推送至国家气象信息中心DMZ区归档，由中国气象局气科院用户自行按需调用。截至2 0 2 2 年，平台已累计收集科考数据7.4TB，每日数据量2 2 GB，同时数据时效也大大提升，数据传输时效统计方法如下：D=T。-T i(1)其中,D为数据时效，T。为收集系统完成收集时间，Ti为完成观测时间。nZDDavg-1(2）n其中,Davg为平均数据时效,D；为是i个文件的数据时效，n为文件数量。各类资料的数据收集和传输情况如表3所示。表3科考数据归档Table3Archiving of scientific examination data平均数获取数据源数据量据时效时间min相控阵雷达数据林芝市局580GB每日3云雷达数据墨脱观测场4.6TB每日5微波辐射数据墨脱观测场3.5 GB每日2微雨雷达数据墨脱观测场67GB每日3雨滴谱数据墨脱观测场5.3 GB每日5风廓线雷达墨脱观测场68GB每日1双波段闪烁仪墨脱观测场12GB由观测2仪器主动推送数据汇集与传输平台替代了过去人工数据拷贝的方式，缩减人工成本的同时，使科研人员数据集获取时效性由以月为单位缩短为不超过2 4h。特别在新冠肺炎疫情持续的情况下，公务出行和物流货运都受到很大影响，自动化的数据收集和传输方式，最大限度降低了疫情影响，确保科研工作顺畅开展。自2 0 19年墨脱野外观测试验基地开展综合观测以来，科考数据收集与传输系统成功获取了墨脱地区Ka毫米波雷达、X波段相控阵雷达、微波辐射计、微雨雷达和雨滴谱仪等先进观测仪器的观测数据，并提供用户使用，其中云探测数据及雨滴谱数据，弥补了该地区云降水观测资料的空白，为今后研究该地区云和降水的宏、微观物理特征提供了数据基础，对亚洲水塔水资源变化评估具有重要的科学与应用价值 2 5-2 8 同时，国家气象信息中心通过科考数据传输监控页面（如图7 所示)建立了每日数据收集和传输情况的自动监视和告警流程，显著提高了故障发现的自动化程度和及时性。对于墨脱当地气象部门技术人员，由于收集与传输平台的建设依托移动运营商的公有云平台，极大减轻了他们日常基础平台和场地环境保障的工作量。同时，平台部署的应用程序也具备较强的容错能力，即使出现观测场断电、断网等异常情况，也能待故障恢复后自动接续工作，确保科考数据的持续传输。下一步除继续开展观测数据收集任务，也将根据科考工作需求对接更多种类观测仪器，持续提升墨脱科考综合观测基地能力。5结论与讨论青藏高原作为世界“第三极”，对其开展科学考察的意义是举足轻重的 2-31。但受限于青藏高原的地理环境，科学考察工作又往往在人烟稀少、地理环境复杂、通信条件有限的地区进行。国家气象信息中心在墨脱地区建立的科考数据汇集与传输平台，采用公有云架构设计，兼顾了数据采集、远程维护和网络安全的需要。同时，高并发数据获取和分布式并行处理框架确保了对各种仪器数据的持续自动收集和传输，也能灵活适应后续新增科考数据的接人需要。轻量化设计的科考数据传输客户端则解决了部署在野外的科考观测仪器的数据上传难题，与位于墨脱观测场内集中部署的科考观测仪器相互补充。该平台所采用的系统结构和关键技术，对于其他地点的科考数据收集和传输工作具有较强的参考借鉴价值。未来根据科考工作需要，该平台可拓展到对墨脱以外的科考工作区域数据的收集和传输工作中。655第5期王怀乐等：基云资源的青藏高原科考数据收集台设计与实现声藏高原科考观测数据汇集及传输项目数据收集与传输系统首页告警详情资料监视传输统计O12:34I数据到达情况监视1数据归档情况监视数据下载情况监视图家气象信息中心林芝移动中转站服务器数据归档情况一晚表下载一统表资料类型数据量详情科类型数据量详资料类型数据量用户名称资料类型数据量详情云需达数据1.23GB详情云需达数据1.23GB详情云霸达数据1.23G8用户1云需达数据1.23GB详情雨滴讲数据文件名蜀达时间文件大小0.11GB详情雨滴谐数据0.11GB用户2雨滴谐数据0.11GB详情微波辐射数据11.txt2020/12/2417:08:39.98223179/b23.01GB详情微波辐射数据23.01GB用户3微波辐射数据23.01GB详情微雨雪达数据2.tmp2020/12/2417:08:39.98223179/611.2G8详情微雨达数据11.2GB用户4微雨需达数捆11.2GB详情相控阵雷达数据0.28GB详情相控陈需达数据0.28GB详情相控阵需达数据0.28GB用户5相控阵雷达数据O.28GB详情珠峰科考站数据10.03GB详情珠蜂科考站数据10.03GB详情珠蜂科考站数据1.0.03GB用户6珠蜂科考站数据10.03GB详情1数据传输通道监视珠蜂科考站云雷达微波辐射微雨雷达雨滴谐相控阵雷达雷达数据服务器林芝移动中转服务器国家气象信息中心图7 科考数据汇集与传输平台监控页面Fig.7Monitoring page for scientific examination data collection and transmission platform参考文献1张冬梅，张莉宇。对话姚檀栋：走近第二次青藏高原综合科学考察 JJ.科学通报，2 0 19,6 4（2 7)：2 7 6 5-2 7 6 9ZhangDM，Zhang L Y.Dialogue with Yao Tandong:approaching the sec-ond comprehensive scientific expedition on the Qinghai TibetPlateauJ.Chinese Science Bulletin（in C h in e s e),2 0 19,6 4(27):2765-2769.2杨浩，崔春光，王晓芳，等。气候变暖背景下雅鲁藏布江流域降水变化研究进展J.暴雨灾害，2 0 19，38（6）：56 5-57 5.YangH,Cui CG,Wang X F,et al.Research progress on precipita-tion change in the Yarlung Zangbo River basin under the back-ground of climate warming J.Rainstorm Disaster(in Chi-nese)，2 0 19,38（6)：56 5-57 5.3旺杰，德庆央宗，旦增，等.2 0 12-2 0 18 西藏“雨窝”降水特征及其成因分析J.气象科技，2 0 2 0，49（2)：2 11-2 17 WangJ，Deqing Y Z,Dan Z,et al.Analysis of the precipitation charac-teristics and genesis of the rain nest in Tibet from 2012 to2018 J.Meteorological Science and Technology（i n Ch i-nese),2020,49（2)：2 11-2 17.4张琪，任景轩，肖递祥，等青藏高原东部初生雷暴云图特征及成因LJ.气象科技，2 0 18，46（5）：943-950.ZhangQ，Re n JX,Xiao D X,et al.Characteristics and genesis of 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