地面气象站BUFR数据传输监控报警系统设计与实现

张家斌 邝美清 李睿 纪嘉雯 黄仁滋

摘要：地面氣象站BUFR数据传输监控报警系统依托福建气象集中监控平台、ISOS综合观测软件，采用Microsoft Visual Studio设计开发，实现对地面气象站BUFR数据服务器与本地终端的双重监控验证，通过对不同报警类型进行分级分类管理，减少了错报和误报次数，提高了台站地面观测业务质量。本文分析了地面气象观测站现行BUFR数据格式及传输方式，指出BUFR数据传输在地面气象观测业务运行中存在的问题。从解决实际业务需求出发，阐述了地面气象站BUFR数据传输监控报警系统的技术路线和系统结构，有效解决了出现BUFR数据传输异常时，台站应急处置时间不足的问题。

关键词：BUFR;传输;监控

中图分类号：P409 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）09-0170-04

0 引言

世界气象组织（WMO）定义的FM 94格式——即BUFR格式，是用连续的二进制数据流表示气象数据，可用于表示数值型或者定性类的数据[1-2]。目前福建省70个国家级地面气象观测站全部实现了 “一主一备”双套自动气象站运行，其中，4个国家基准站、24个国家基本站、42个国家气象观测站全部为华云DZZ5新型自动气象站。全部台站的气温、湿度、气压、风向、风速、雨量（称重及翻斗）、能见度、降水类天气现象、日照等气象要素已实现自动观测。28个基准站、基本站已实现大型蒸发的自动观测。福建省地面气象观测自动化改革试运行以来，面临许多不利于BUFR数据稳定传输的情况。如不定期出现BUFR分钟数据文件传输失败、BUFR小时数据文件迟报、缺报等现象，大大影响台站观测传输质量。从近期异常记录中可以发现，大部分缺报是因为值守班人员发现异常情况不及时，造成应急处置时间不充足。然而目前常用的省级信息中心监控报警技术，由于服务器端对已接收BUFR数据的监控存在一定的网络时延，且无法做到实时监控。因此，地面气象站BUFR数据传输监控报警系统的设计，采用服务器端、观测端交叉监控的方式，观测端系统可以实时、低时延地监控台站BUFR数据传输情况，服务器端系统可对BUFR小时数据文件进行校核，降低误报次数，并作为观测端系统的补充。

1 现状分析

1988年，WMO基本系统委员会（CBS）批准BUFR格式试验运行;1991年，发布BUFR第二版本;1995年，发布BUFR第三版本;2005年发布BUFR第四版本，即现行版本。BUFR格式具有一下特点：

（1）自描述性。BUFR格式数据本身带有元数据信息，数据接收方能够通过数据内部自带的元数据信息获取该数据包含的内容、属性等。

（2）表格驱动特性。BUFR格式数据的编解码所需的大量信息都在规范表格中定义，只要编码方和解码方维护同一套表格，即可实现各类数据的统一编码和解码。

（3）可扩展性。BUFR格式通过维护统一的码表，并基于该码表制定不同的模板，即可扩展表示多种数据类型。

（4）可压缩性。BUFR格式本身采用二进制、以比特为单位表示数据，在数据容量方面较ASCII码数据具有明显的优势，除此之外，BUFR格式支持通过压缩方式表示多个数据子集，更大程度上缩小数据容量。因此尤其适用于卫星、风廓线等大数据量的资料。

（5）平台无关性。BUFR格式为二进制编码，因此与平台无关。

2020年4月1日起，地面气象观测自动化改革从全国试运行切换调整为正式业务运行，标志着地面气象观测实现全面自动化。根据部署，国家级地面气象站观测数据采集传输采用BUFR格式[3-7]，其流程包括：

（1）观测数据采集传输。自动观测数据在台站设备采集端完成自动化采集，通过BUFR格式数据和新长Z文件从台站上传到省气象信息中心。经在线快速质控后，实时将观测数据及质量控制码上传至国家级。省级、国家级CIMISS将质控后的数据实时处理入库，并进行分析处理、产品加工等，供本节点业务应用。国家级CIMISS实现对全国原始自动观测数据归档。

（2）状态数据传输。各台站按要求实时自动上传自动观测设备的运行状态和设备信息至省级、国家级CIMISS存储，并提供应用服务。

由于气象现代化的不断发展，气象资料数据量呈指数级增长，传输间隔由5分钟升级为1分钟，数据量由KB增加到MB，具体传输内容和方式如表1所示。因此，要求传输数据必须具有高度的可靠性和时效性，现行的数据监控已经不能满足对国家气象在BUFR数据监控要求。

2 技术路线

为解决引言中所阐述的传输问题，当出现BUFR分钟数据文件传输失败、BUFR小时数据文件迟报、缺报等现象时，提高人工干预应急处置的时效性，具体流程如图1所示。

建立B/S架构的地面气象站BUFR数据监控报警平台，服务器（Web监控端）架设在市级气象信息网络与装备保障中心，客户端安装在各气象台站观测主机。采用ISOS终端和监控平台网页端交叉监控机制，能够在保证现有气象站数据传输流程维持不变：由台站主站ISOS软件采集生成数据通过消息传输客户端，运用消息传输方式上传至省气象信息中心CTS2.0服务器。ISOS软件数据传输监控页面如图2所示。实现将本地（观测终端）数据缺漏检测和服务器（Web端）缺报检测相结合，实时监控地面气象站数据到报情况，当报文出现延迟发送或未及时到报时，通过异常类型判断完成初步故障分析，采取不同机制的报警方式下发至台站维护人员。

3 系统结构

地面气象站BUFR数据传输监控报警系统依托福建气象集中监控平台、ISOS综合观测软件，采用Microsoft Visual Studio设计开发，实现对地面气象站BUFR数据服务器与本地终端的双重监控验证。综合提高了BUFR数据监控报警的准确性和及时性，保证地面气象观测自动化顺利实施。配备相关报警系统，有利于完善故障分级分类自动监控报警业务，增强监控维修保障过程中省、市、县信息共享，加强台站故障应急维修处置能力。

系统总体上采用联合Web开发和终端开发的技术路线，依托福建气象集中监控平台开发服务器端监控程序，依托ISOS综合观测软件开发观测端监控程序，系统结构如图3所示。

地面气象站BUFR数据传输监控报警系统主要由四大模块组成，分别为观测终端监控模块、Web网页端监控模块、报警类型分析模块、报警信息分发模块。

3.1 观测终端监控模块

观测终端监控模块作为客户端主要完成观测主机本地报文数据和发送日志的读取，分析BUFR地面分钟数据和小时数据的传输情况，并将分析结果发送给服务器端，既Web网页监控模块。

3.2 Web网页端监控模块

Web网页端监控模块处于系统的服务器中，接收各台站发送的观测终端报警信息，同时完成对集中监控平台数据抓取，集中监控平台BUFR监控页面如图4所示。分析各观测台站传输数据的到报情况，并将观测终端报警信息和Web网页端监控信息共同报送给报警类型分析模块。

3.3 报警类型分析模块

报警类型分析模块根据接收到的监控信息，结合国家级、省级地面气象观测资料相关考核要求，将报警类型分为如表2所示四个等级。

3.4 报警信息分发模块

报警信息分发模块根据不同报警等级触发报警分发机制，按照表3的方式，将报警信息分发给各级接收人。

4 结语

“地面气象站BUFR数据传输监控报警系统”的设计，采用服务器端、观测端交叉监控的方式，能有效解决网络时延问题。观测端系统可以实时、低时延地监控台站BUFR数据传输情况，服务器端系统可对BUFR小时数据文件进行校核，降低误报次数，并作为观测端系统的补充。地面气象站BUFR数据传输监控报警系统的投入运行，有效解决了出现传输异常时，台站应急处置时间不足的问题。一方面极大的增加了台站应急处置时间，另一方面减少了错报和误报次数，提高了台站地面观测业务质量。同时，该系统的建立，提升了台站地面气象观测业务容错能力，为后续全市推进观测台站自动化值守打下了基础。