5G通讯在气象业务中的应用场景

文/徐海明

随着5G 技术的日益成熟，商业应用也逐渐的铺开，从目前的资料判断其应用场景广阔。5G 网络作为第五代移动通信网络，其峰值理论传输速度可达每秒数10Gb，比4G 网络的传输速度快数百倍。这为大量的图像和视频数据传输提供了有效的带宽通道。也能保证目前气象的业务终端设备可以全天候实时在线。在目前省级气象网络系统中，省级网络中心起到了承上启下的作用。随着移动业务的日益发展，气象业务的小型化、微型化发展势必对网络的移动性提出了更高的要求，从3G、4G 到现在即将展开的5G，带宽的日益增加为需要庞大交换数据的气象业务的移动功能得到丰富的延申。随着气象移动终端的日益丰富，原来的以有线网络为主的局域网气象业务综合系统慢慢想有线无线并行的广域网业务系统发展，并始终朝着无线化方向发展。

1 应用场景

1.1 气象自动站

自动气象站是由气象人工观测站发展而来，通过系统绑定不同的传感器对多个天气对象进行检测，常见的有五要素、六要素、多要素等自动观测站，对风速、风向、雨量、空气温度、空气湿度、光照强度、土壤温度、土壤湿度、蒸发量、大气压力等十几个气象要素进行全天候现场监测。而针对不同要素的观测可以分为土壤墒情监测站、自动雨量站、自动水位监测站、雨水情监测站、多要素自动气象站。按照监测方式分为：手持式气象站、车载式气象站、无线遥测气象站、有线遥测气象站、便携式气象站。但不管怎么分类，自动气象站的基本结构是类同的：它由传感系统、采集系统、供电系统、通讯系统、存储系统和显示系统组成。早期在无线发展之前，是通过有线电缆来进行数据传输，限于场地和设备的条件，大大限制了自动气象站的分布，而移动2G、3G、4G 的出现为自动气象站解开了手脚，自动气象站的发展有了一个极大的飞跃，支撑了整个气象业务观测体系。但由于带宽的限制、网络的稳定性导致整个气象自动站观测系统不能全实时的进行数据传输，也仅仅是上传而无法下控，在自动站故障时也无法看到现场情况，需要人工干预。而5G 实现后，我们可以增加一个视频通道实时观测设备的运行状况，数据传输可以实现双向实时。

图1：气象自动站监控系统

图2：移动探测和指挥通讯系统

图3：原来的会商通讯系统

图4：构想中的会商框架图

图5：现有的骨干网络框架图

目前单个自动气象站的数据量在1k 左右，高清视频的上传带宽为4Mbps，而5G 实际运行中能保证个人用户下行带宽为100Mbps，上行带宽50Mbps。可以保证自动气象站业务数据的实时运行，并且改变了整个观测网的运行方式，减少设备的硬件结构。减少自动站的存储和运算部分，把采集到的传感器数据直接上传到系统进行数据统计和分析，减少数据在设备中的滞留时间，增加了实时性。如图1所示。

1.2 移动指挥系统

应急指挥系统由若干部气象移动应急指挥车和若干部X 波段移动多普勒天气雷达组成。气象移动应急指挥车配备有卫星通信网络和移动通讯网络，能够实现快速组网，可实现灾害现场常规气象要素采集、储存、显示功能，气象信息接收、浏览功能，现场实景采集、传输功能，现场天气预报产品制作发布等功能。具有较高的机动性、可靠性、稳定性、可维护性及全天候的连续工作能力，可为局地灾害性天气（强降水、冰雹等强对流天气）预报、预测提供有效帮助，在人工影响天气（人工增雨、防雹）作业指挥有较好效果。在气象业务系统中，经常会碰到天气突发情况和天气极端情况带来的次生灾害，如台风、局部强对流、洪水、泥石流等，需要业务领导和专业气象工作人员到一线协同其他部门一起执行减灾防灾工作；又会在重大天气保障情况下，如重大的会议、庆典、节日等，都需要出动移动指挥车，协调保障现场的气象条件，如人工增降雨或实时预警天气情况，这些离不开现场指挥系统和后方中心的数据交换、语音视频的交流，在环境恶劣的条件下往往有线和卫星满足不了所有的情况，大容量高宽带的5G 网络可以给我们提供新的通路，并且可以在移动中不中断地进行协商、指挥，充分发挥气象业务在减灾防灾中地作用。

1.3 移动探测站

移动探测站是指在需要的场合临时安放的但要素、多要素气象探测站和地面移动自动观测系统，还包括一些雷达、土壤和水分等一些专用的气象要素监测系统，在一些灾害发生点，如地震现场、泥石流现场等，需要密切关注当地天气状况，有如在大型的体育比赛场地，需要安装多要素地气象自动探测系统保障体育比赛地进行，有如在极端天气地发生地，需要加密观测，在原有固定站点监测的情况下，临时增加站点密度，为气象预报业务提供更精密的依据。移动探测站也往往和移动指挥系统匹配，为移动指挥车提供实时的气象数据。由于它的临时性、移动性和便携性，移动通讯成了数据传输地首选依据，而5G 通讯的覆盖性、不间断性和高速性，可以作为主通道，为移动探测系统提供技术支撑。

如图2所示。

1.4 气象会商系统

气象会商系统是气象业务和气象预报中极其重要的支撑系统，它是一个全国性的高清视频会议系统，沟通中央、省级、地市和县级的预报业务，预报员可以通过该系统进行面对面的协商和交流天气预报情况，在带宽上必须达到20M 以上，而受3G、4G 带宽限制，使得会商系统以固定会场为主，移动终端为辅。在网络构建中以光纤宽带为主，无线通讯为辅，由于移动带宽的限制，一直来制约了移动终端切入会商系统的应用。但现在移动终端的广泛应用，特别是手机视频会议的开始使用，迫切需要更大宽带的移动通讯系统。5G 的50-100M 带宽恰恰能满足目前的业务需求。通过5G 系统，我们可以把移动指挥系统、本地有线会商系统、手持无线终端结合在一起，突破地域限制，为决策机构实时提供动态的图像系统和商讨过程，加强决策的科学性。这是目前现有的会商系统（图3、图4）。

1.5 骨干数据备份通道

在现代气象业务中，网络通讯起到了至关重要的作用，通过几十年的发展，目前的气象业务网络大都采用了成熟的有线网络，特别上上下级不同地域之间采用了光纤为主的宽带网络，但对于一个完整的网络系统来说，线路备份是必不可缺的，采用双路有线备份，不仅成本高，而且也做不到线路的区分，而移动宽带作为备份解决了不同通道互为备份的功能，但由于气象数据的庞大性，原先3G、4G 时代只能局部关键数据进行备份，而5G 的50M 带宽完全足够成为气象骨干网络的备份通道，在启用备份链路后完全可以替代有线网络的作用，为网络系统可以提供强有力的保障。如图5所示。

1.6 移动云数据

随着大数据时代的来临，气象部门数据业务也进入了云时代，前后建立了不同的私有云、阿里云等，面向不同用户的数据需求，而在移动互联网蓬勃发展的今天，5G 通讯在气象云数据平台中是必须存在的一环，通过5G 网关，打通有线和无线的链路，为广大移动终端用户提供更为丰富的预报数据和气象要素数据。也可以通过云平台和5G 通讯，把目前在气象部门中广泛使用的探测设备、数以千计的要素自动站、各种气象雷达设备等纳入云系统中，形成一个庞大和功能更加强大的气象云网络。

2 结语

总之，随着5G 时代的来临，我们原先的网络系统又面临一次升级的机遇。我们可以利用5G 通讯系统完善老系统和开发新的气象业务应用系统，上面所提的应用场景也仅仅是目前气象业务中已经用到的模式，我们还可以利用移动互联网的优势，继续开发出新的符合气象业务和面向公众气象需求的业务系统，在防灾减灾、社会生活需要和其他生产的方方面面提供更符合时代需求的产品。利用5G 为我们的气象业务提供更好的技术支撑。