自动气象站实时资料查询与监控系统

自动气象站实时资料查询与监控系统分析摘要：利用Visual C++ 6.0 作为开发工具，开发设计出适用于市级的自动气象站实时资料查询与

监控系统。系统通过在远端（各自动站）控制台运行的资料提取程序，将各种原始气象观测资料进行

数据识别、资料提取、组合编码等处理后，使用控制台FTP方式，定时地发送到市局的文件服务器中

保存。在市局各个用户终端，通过终端显示软件，分类统计、检索、查询、监视、输出各种气象资料

信息，为天气预报、气象服务及业务管理提供决策依据。

关键词：自动气象站；实时资料；运行监控；软件开发

1 概述

1.1系统建设的目的和意义

固原市地处内陆，气候差异大，自然灾害频发，近年来每年都因各种气象灾害造成较大损失。如何充分利用好已建成的自动气象站、广域网等气象现代化观测系统，快速、准确、及时地获取第一手气象资料，对提高突发性、灾害性、转折性天气的监测和预警预报水平，增强防御自然灾害的能力，更好地为地方经济建设服务，确保人民群众的日常生活和生命财产安全都有着十分重要的现实意义。目前，市级决策服务已经成为气象部门向地方政府提供气象信息服务的主要手段。实现自动气象站实时资料的查询与监控，将为天气预报业务、领导部门决策、气象科技服务、以及业务管理部门了解自动气象站的实时运行情况，提供有效的手段。因此，该系统的建设具有十分重要的意义。

1.2 自动气象站实时资料查询与监控系统概述

系统采用客户机/服务器（Client/Server，简称C/S）体系结构方式。

⑴在分布于不同地域的自动气象站上（远端），安装资料提取、发送程序，采用控制台运行方式，自动地将获取的各种自动观测和人工观测的原始气象（实时和定时）资料，进行数据识别、资料提取、纠错转换、组合编码等一系列处理后，使用FTP方式，定时地发送到市局的文件服务器中。

⑵在市局的服务器中，由服务器上的控制台管理程序自动检测，将资料不断地追加到SQL SERVER 2000数据库中，保持数据库的自动更新。

⑶在各用户单位（客户端），通过专门的终端显示软件，读取服务器数据库中的数据，分类查询、监视、输出所需的各种气象资料信息和自动站状态信息，供天气预报、气象服务、领导决策、业务管理使用。在用户终端，不但能够查看到各站的实时气象资料信息，而且可以查看各要素的日最高、最低值，气温、降水、日照等常用要素的日、旬、月滑动统计值。还可以观察到各自动站的运行情况以及网络是否畅通等信息。

2 系统描述

2.1 系统的主要功能和特点

⑴远端资料提取、发送软件在控制台运行，在任务栏用图标指示，占用系统资源小，工作稳定可靠。

⑵服务器上的数据库管理和资料自动入库程序，具有较强的逻辑判断和自动纠错处理功能，对于资料延时、补传、错漏等各种特殊能够自动判断并处理，确保了数据库中数据的完整性和及时性。

⑶终端显示程序为标准的Windows视窗界面，使用工具条按钮和系统热键两种方式调用，界面友好，操作简便直观。

⑷系统设计上具有开放性和可移植性。站名、区站号、IP地址、数据存放路径等均可灵活地人工设定，具有通用性。

2.2 实现该系统需要解决的几个关键问题

实现该系统的关键问题是资料的提取和组合、数据的自动传输问题、数据库资料的自动追加和资料完整性检查、信息的终端显示以及系统运行的可靠性等。系统设计上通过以下措施予以保障：

⑴资料的提取和组合

自动气象站采集的各种资料有文本、二进制和Microsoft Access 数据库等多种格式，通过编程可以方便地从原始数据文件中提取所需资料，并按一定的规则和格式组合命名后保存为数据文件。

⑵数据的自动传输问题

宁夏区气象系统区、市、县三级广域网已于2004年底建成。网络运行稳定可靠，为自动气象站的监控和实时资料传输创造了基本条件。

⑶数据库资料的自动追加和资料完整性检查

通过在服务器上安装的数据库管理和资料自动入库程序，实现数据库资料的自动更新。同时，通过一定的算法和数据检查判断来保证数据资料的完整性、可靠性和正确性。

⑷信息的终端显示

通过专用的终端显示和监控软件，读取服务器上SQL SERVER 2000数据库中的数据，经过运算、处理，分类输出所需的各种气象资料信息和自动站运行的状态信息提供给用户使用。

⑸系统运行的可靠性

程序中设置了较为全面的纠错功能和错误陷阱处理程序，遇网络故障、系统死机等不正常情况，均能自动判断处理。经过运行证明，系统稳定可靠。

3 系统分析

3.1 业务现状与需求

我市有一个国家基准气候站、2国家基本气象站和3国家一般气象站的自动气象站建设。目前资料的传输方式是，各个自动站将采集的实时数据通过广域网方式定点、定时地传输到区级气象信息网络中心的服务器上，再经过分类打包转发到中国气象局。市一级一般不能直接监测所属各自动气象站的资料信息，只能通过中国气象局9210系统（PC-VSAT单收站）获取资料或或区域级气象服务网站中调取所需站点的资料。操作烦琐、资料难以系统保存，时效性也较差，一般需要延时1-３个小时。难以满足气象业务和服务的需求。因此，开发适应

本地区的自动气象站实时资料查询与监控系统就显得十分必要。

3.2 系统设计的总体目标和设计思想

系统设计的目标是，充分利用全市已建成的自动气象观测网络，基于现有的软、硬件设备，采用科学的管理系统开发方案，建立全市的自动气象站网资料查询与监控系统，实现实时气象资料监测的可视化、自动化、精细化。为天气预报业务、领导部门决策、气象科技服务、以及业务管理部门了解自动气象站的实时运行情况，提供有效的监测手段。

根据对“地面气象测报业务软件及其采用的数据格式”结构分析，结合实际业务中各方面的需求，从远端自动气象站地面测报软件目录中提取相应的所需资料后，分别存放为四个上传文件（文件结构见后述），并通过广域网上传到市局文件服务器中。通过在各用户单位安装终端显示软件，读取服务器上的数据文件，经过必要的处理，分类查询、统计、输出各自动气象站的各项实时和定时气象要素资料数据。要求界面简洁直观、操作简单方便、资料内容丰富全面、实时性和实用性强。

3.3 系统结构功能流程简图

系统的结构与功能流程如下图所示（图3-1）。

图3-1 系统结构流程简图

4 开发环境

4.1 软件环境

由于Visual C++ 6.0具有强大的数据库管理功能，提供了开放式数据连接，即ODBC功能，可通过直接访问或建立连接的方式使用并操作控制台大型网络数据库，并提供了简单的面向对象的库操作指令和多用户数据库访问的加锁机制，为单机上运行的数据库提供了SQL 网络接口，以便在分布式环境中快速而有效地实现客户/服务器(client/server)方案。因此，选择Visual C++ 6.0 作为系统的开发平台。

服务器端采用Windows2000 Server操作系统和SQL SERVER 2000数据库管理系统。需要为上传资料的各自动气象站开通FTP服务，设置相应的用户名和登陆口令，赋予读、写权限。

通讯方面要求开通广域网连接到市局的局域网服务器上。

终端软件可在Windows 98/2000/XP的任一平台上运行。

4.2 硬件环境

服务器端采用一台高性能微机或专用服务器；本地终端使用PⅢ800/128MB 以上普通微机均可。

5 系统设计与实现

5.1 远端资料的提取和控制台自动发送

5.1.1 系统数据结构描述

从远端自动气象站原始资料中提取的四个上传文件为：

⑴ BDSIIiiiMM.YYY：为各站的定时观测资料数据，文件大小为1-7KB。文件名中，BDS 为指示符；IIiii为区站号；MM为月份，不足两位时，前面补“0”；YYY为年份的后3位（下同）。

每个定时观测时次（02/08/14/20时）后，从地面气象测报业务软件的月基本数据库文件BIIiiiMM.YYY（Access数据库形式）的表一中提取数据，并形成上传文件，存放在定时上传目录“FtpNet”中待传。

⑵ DAYIIiiiMM.YYY：为各站的日统计观测资料数据，文件大小为1-3KB。对应地面气象测报软件中月基本数据库文件BIIiiiMM.YYY表二中的数据。

⑶ ZIIIiiiMM.YYY：直接上传地面常规要素定时数据文件，文件大小为120-150KB。

⑷ ZZIIiii.txt：该文件很小，只有218字节。对应自动站每分钟实时地面常规要素数据文件ZZ.TXT，但在文件命名时增加区站号（IIiii），然后再上传到服务器，以便区别。

5.1.2 控制台FTP功能的实现

FTP和其他的Internet服务一样，采用客户机/服务器（Client/Server，简称C/S）体系结构方式。它要求用户用本地的客户端与服务器建立连接，然后才能从服务器上获取或向服务器发送文件。FTP有一个根本的限制，那就是：如果用户未被某一服务器授权，未取得User Name和Password就不能访问该主机，实际上是不能远程登陆（Remote Login）进入该主机。因此，需要首先在服务器上为远端用户（各自动站）授权[15]-[16]。

通过在远端（各自动站）控制台运行的程序，以设定的时间间隔定时检测提取到的数据文件。如有数据等待发送，则使用FTP方式，首先检测网络，若网络畅通，则将等待发送的数据传送到远端（市局）服务器上指定位置；若网络不通，则退出本次进程，等待下一进程继续发送。

考虑到网络通讯状况，将需要上传的文件暂存于本软件的二级目录“FtpNet”下，通过添加定时器控件设定自动传输的时间间隔，定时检测，若网络畅通、服务器空闲，则上传待传文件，并将传输结果写入本系统的日志文件中。

数据发送方式一般选为“自动传输”方式，若因网络故障需要补传时，选择“人工传输”方式。

5.1.3 系统设置

通过软件的“设置”菜单，可以设置台站的区站号、地面测报软件的安装路径、资料发送选项、发送时间及间隔、远端服务器的IP地址、用户名、口令、资料保存路径等各项参数。

5.1.4 系统日志

通过软件的“传输日志”，可以查看资料发送情况。程序中，设置了日志文件的自动判断功能，当日志文件的大小超过设定值时，会自动清空日志。

5.1.5 服务器端配置

服务器端需要为上传资料的各自动气象站开通FTP服务，设置相应的用户名和登陆口令，赋予读、写权限。对市局域网内的用户，将需要映射的资料目录赋予只读权限，禁止对该目录的改写、删除等权限。

5.2 数据库设计和管理

5.2.1 建立数据库

稳定可靠的数据库是系统的核心和关键。SQL SERVER 2000是专为大量的数据处理和管理数据存储而设计的高性能关系型数据库管理系统，它具有XML支持、Internet 集成、可伸缩性和可用性、能严格保证数据的安全性、完整性、多用户对数据的开发使用及发生故障后的系统恢复等特点[2]，其引擎支持几乎所有的数据处理环境所需的功能。数据库管理员还可通过它对数据表中的任一字段增加约束条件，以保证数据的正确、有效和相容；同时设置用户的密码和存取权限，只允许有合法使用权限的用户访问允许他存取的数据，通过给数据库设置用户密码及在数据库控制台维护系统中设置登陆界面两道程序的方法来提高数据的安全性。因此，采用SQL Server 2000作为后端数据库管理系统。

数据库设计既要使其相关表之间能有机关联，又要具有较小的冗余度，同时还要便于编程、管理和维护。我们深入研究了地面气象测报业务软件生成的数据格式，分析了每一个应用的概念模型，建立3个数据表，分别存放正点观测、定时观测和日统计数据资料。另用1个数据表存放所有站点的实时滚动资料数据。 1个数据表存放授权用户的用户名、口令和所授权限等信息。还有3个表分别存放各站的温度、降水、日照等要素的多年（30年）平均值。在许多表中都设有唯一识别字段，如区站号或资料的日期时次等，可通过它来关联表，检索出用户所需的结果。

5.2.2. 数据库管理和资料的自动入库

整个数据库的维护管理和资料的完整性检查、资料自动追加、用户及权限管理等，都通过在服务器上控制台运行的系统管理和资料追加程序来处理。

该程序将各个自动气象站发送到服务器上的资料，自动地追加到SQL SERVER 2000数据库中。软件中加入了一些智能检测和判断功能。程序启动时，会自动记录启动时间，遇网络中断、系统死机或重启等不正常情况时，会自动检测未入库资料，及时将最新资料追加到数据库中，并将运行情况写入系统日志，从而保持数据库的自动更新。

5.3 本地终端的资料查询与监控软件设计

5.3.1 实时气象要素资料查询

资料以图形、数字、表格等方式显示，并能自动地动态刷新（每分钟一次），显示的值始终是最新的。自动挑取的该站截止当前时刻的气温最高、最低值和出现时间，以及极大风速、风向值，和该站截止当前时刻的日降水量最新累积值。

根据相应站名，可以分别显示选定站点的详细资料。

网络状态指示灯为绿色时，表示该站网络畅通；为红色时，表示该站网络有故障或资料传输软件没有运行。

5.3.2 正点气象要素资料查询

该资料为选定站点每小时上传的各项正点观测资料。根据不同的年、月，查看以前各时次的详细正点历史资料。

5.3.3 定时观测资料查询

可查看选定站的四次（02/08/14/20时）定时观测资料,和日极值、日统计资料；根据日期，可以查看历史资料。能够动态、滑动地统计出截至当前的气温、降水量、日照时数等要素的最新旬（月）平均值，以及日最高、最低值，日、旬、月合计值。该功能对中、长期天气预报、农业气象情报服务、决策气象服务、气候统计等业务需求十分方便有效。

5.3.4 逐日日统计资料查询

根据站点、年月显示逐日日统计资料。包括气压、气温、湿度、风向风速、地温、草面温度、蒸发、日照、天气现象、雪深、雪压、冻土等所有要素的日极值、出现时间等详细信息。

5.3.5 系统参数设置

通过对需要监测的自动站站点的增、删维护，设置数据服务器路径，风向显示方式（角度或方位）等简单配置，使得该系统可以适用于其它市级的气象台站使用。因此，系统设计上具有通用性和可移植性。