基于“云+端”技术架构的气象观测业务设计思路

史静 姜明 周业娴 李宛桐 天津市气象局

气象观测是气象工作和大气科学发展的基础，为天气预报、气候分析、科学研究和气象服务提供了重要依据。随着我国气象业务70 多年的发展，气象观测从以建设预报监测网络为主要任务，以人工观测、手工传输为技术支撑的初级阶段开始，经历了探测、电信、资料、预报和服务业务技术体系发展以及以天气、气候业务为主体，由气象综合观测、信息网络、基本信息加工、分析预测和信息技术服务四大功能构成的业务技术体制阶段，逐步发展至公共气象服务体系是根本、气象预报预测系统是核心、综合气象观测系统是基础、信息和科技系统是保障的现代气象业务体系架构。在信息化技术的支撑下，适应新形势、满足新需求的新型气象业务技术体制不断发展[1]。

2020 年，中国气象局确立了以气象大数据云平台为“云”、气象业务系统为“端”的“云+端”气象技术体制和以大数据为中心的统筹集约新型气象业务体制，实现了数据管理、加工处理、应用服务的高度集约以及各项业务和系统之间有效衔接和有机互动。

因此，在当前气象现代化建设进程不断深入的时期，研究气象观测系统的技术发展方向、系统架构及布局设计、业务体系建设等方面如何与“云+端”技术体制协同发展，就显得尤为迫切[2]。

一、气象观测业务在“云+端”技术下的新内涵

（一）气象观测技术及业务发展历程简述

新中国成立之后，我国气象业务体制逐步建立、不断发展，气象观测业务也同样经历了不同的发展时期。初创阶段，观测站网开始布局建设，观测仪器逐步摆脱全部依赖进口的局面，建立了全国统一的地面、高空观测规范。现代化建设时期，以观测业务为主的业务技术体系框架正式明确，调整、充实和完善观测站网布局结构，观测技术发展迅速，遥感化、自动化特征明显，借助信息化技术观测数据普遍实现计算机编发报。

现代化加速发展阶段，气象业务技术体制开始系统性规划设计，提出了由气象综合探测系统、气象信息网络系统、基本气象信息加工分析预测系统和气象信息技术服务系统组成的业务架构。气象观测技术在气象卫星、天气雷达技术研发及应用方面成果显著，地面观测自动化取得较大进展，在特种观测“百花齐放”的局势下，观测站网结构不断优化。

在当前新型气象业务技术体制建设及深化时期，空天地一体化自动观测系统基本实现，适应“云+端”技术架构的气象观测新业态即将形成[3]。

（二）气象观测业务在“云+端”技术中的定位

任何信息化新技术的出现一定会伴随出现新的业务形态，“云+端”技术体制下，以气象大数据云平台为核心，观测、预报、服务等气象业务系统“端”共同组成的新型业务形态随之而来。气象观测作为业务“端”，将通过大数据云平台直接与“预报端”“服务端”和“管理端”产生业务互动，并向它们提供源源不断的气象观测数据服务。基于此，文章明确了“观测端”的定位，气象观测业务对预报精准和服务精细的发展起着关键性作用，是推动气象事业高质量发展的基础支撑和动力引擎[4]。

（三）“观测端”内涵及特征

按照气象观测在“云+端”技术框架中的功能定位，分析研究“观测端”，试图给出“观测端”的概念，即：以大数据云平台为核心，基于云边端分布式架构、云计算一体化，建立服务范围更广、融合程度更高、自主能力更强的智慧型气象观测业务。基于上述对“观测端”内涵的研究分析，提出“观测端”的以下特征。

1.服务于场景

一方面，行业内“观测端”的输出信息不再仅服务于数据预报模式运行、预报预测等业务，而是直接加工制作信息，对外提供本地天气实况、区域联防协同监测及预警等观测产品以及预防型运维预警、自主融合质控等装备保障信息，实现“即时观测、即时服务”愿景。另一方面，“观测端”的布局规划应按照服务对象不同重新定义，根据不同需求，灵活调整观测目标、装备精度、站网密度、数据加工模式，达到投入产出最优比[5]。

2.不断更新迭代

“云+端”技术架构布局，要求“观测端”的装备仪器具备自适应、自诊断和自标校能力。随着信息化技术的不断发展，观测装备将不断更新迭代，软、硬件解耦、云边协同将在分布式计算、异构计算的基础上，根据特定的业务场景形成弹性的耦合关系，通过开放的核心标准，摆脱硬件对最优算法的束缚，有望突破传统装备软、硬件同步升级的局限，让用户在对硬件设备无感的情况下，真正实现气象观测装备的“常用常新”。另外，通过分布式的观测装备硬件、核心算法升级以及数据持续叠加，实现观测系统不断“增值”，同时重塑气象观测装备价值的评估体系。

3.融合协同

融合信息源主要来自四个方面，一是多类气象观测设备间的融合协同，对同一气象要素相互校验、补充，对同一观测目标开展协同追踪；二是融合预报预警产品、服务应用反馈等信息，实现应对需求的自主控制、调整和输出；三是融合技术保障和历史沿革等信息，自主管理健康体征诊断预警，进行“端边”协同模式下更加丰富的观测服务产品输出；四是顺应气象观测数字化演变趋势，同步并融合智慧城市大脑信息，与城市管理、行业异构信息建立交互，在城市“数字孪生”中增加气象维度和图层。

二、基于“云+端”技术的气象观测业务设计方案

（一）设计原则

集约高效、业务智能。以建立资源集约、流程高效的业务架构为目标，加快数据汇集、系统整合和流程再造；加强气象观测领域新型业务技术发展能力建设，实现从装备智能到业务智能的优化升级。

创新融合、协同共享。以技术创新为驱动，强化物联网、人工智能、云计算、5G等关键信息技术的融合应用；深化跨业务、跨行业、跨领域的协同管理和资源共享，探索新型气象观测信息获取模式。

标准规范、安全可信。坚持标准引领，规范先行，加强顶层设计能力和技术领跑实力，助力气象观测业务提质增效；安全建设提前谋划、同步部署，构建运行环境安全、数据质量可信、业务流程可控的安全防护体系。

分步推进、动态适应。立足气象观测业务当前的基础和发展需求，坚持分类分级分阶段，实现科学合理的梯度发展；以更高标准的现代化气象观测为目标，建立动态连续的评价机制，适应不断深入推进的业务技术体制改革的要求。

（二）系统架构

文章梳理气象观测业务涉及的站网布局、技术发展、装备保障、数据应用等业务环节及相关管理职能，将其归纳为设计规划、业务运行、研发试验和应用服务四个部分，共同构成“云+端”技术体制下的气象观测业务。

四大组成部分是有机整体，它们之间具有很强的内在逻辑关系。在推进气象业务技术体制重点改革的进程中，助力气象强国建设，保障气象事业高质量快速发展是气象观测业务建设的战略目标。其中，设计规划是发挥顶层设计作用、为实现战略目标提供正确方向的根本前提，业务运行是实现战略目标的关键环节和基本路径，研发试验是实现战略目标的重要保障，应用服务为推动战略目标实施提供持续动力，其效益发挥是检验“云+端”技术体制下气象观测业务实施成效的唯一标准。

（三）技术路线

1.设计规划

设计规划环节负责气象观测业务的顶层设计，实施主体主要分为国家级和省级两个层面。在国家级层面，总体谋划全国气象观测业务。在省级层面，在国家级顶层设计框架的基础上开展设计细化、技术落地和特色规划。其业务应用场景包括技术发展谋划、站网布局设计、业务结构规划和业务流程设计等，涵盖了推动“观测端”发展的各方面。在“云+端”技术架构中涉及的技术有服务于场景的布局设计、全业务周期管理体系建设等，云环境则需支撑完成端边设备和业务环节管理。

在设计规划阶段，敏感要素及重要点位布局，相关数据的收集、存储、加工及应用，是站网规划安全能力建设的重点，要从保障国家安全和人民生命财产安全的高度，统筹谋划专业和应急气象观测站网，持续评估站网布局的合理性、科学性，并适时调整以满足新形势和新发展要求，支撑业务运行的云环境也应安全可控。

2.业务运行

业务运行环节是“云+端”气象观测业务的关键，实施主体包括各级气象观测部门，以省级及以下用户为主。其业务应用场景从观测数据获取、运行状态监控评估、装备维护维修、计量校准、备件仓储调度，到数据质量控制及产品加工，覆盖“观测端”业务全流程。其中，观测数据获取指的是行业内的气象观测数据采集以及通过对社会资源整合、挖掘及加工而获得的观测数据和气象信息。该环节“云+端”的改造实施涉及算法中台、实时/离线业务混合部署、基于负载均衡的资源调度、云边端算法快速协同等技术，在云环境中实现数据存储、算法加工和部署以及对“观测端”的指挥调度。

业务运行安全能力建设的重点是建设业务应用场景的安全运营中心。以数据为中心，建立观测设备、通信链路、数据收集平台、质控及产品加工流水线、探测环境相互间的关联分析和印证，多角度进行业务运行环节的安全分析和评估。此外，安全运维工作的流程化，还将极大地提高观测系统的效率，保证观测数据有效性和可用性。

3.研发试验

新技术、新装备和新方法的研发及相关观测试验，是提升观测装备智能化水平、推动气象观测业务高质量发展的重要手段，应遵循行业需求引领、企业技术主导、产学研用深度融合的实施思路。在以智能装备研发、测试与观测试验为主的业务应用场景中，应重点关注安全问题，一是关键芯片/传感器的自主研发及国产化，在技术体制、探测精度、核心算法等方面取得突破；二是正确的需求导向引领，避免资本逐利裹挟战略布局方向。在研发试验环节，能够与信息化技术产生更为紧密的联系，容器技术、DevOps 研发理念、标准化研发平台工具、标准化试验环境的应用，将大大提高气象观测业务的研发试验能力。此外，该环节需要云环境提供开发/测试、云端编码、云端流程管理等资源，满足敏捷开发、快速部署及迭代升级的要求。

4.应用服务

与以往气象观测业务并不注重应用服务不同，在“云+端”技术体制下，观测端不仅会与预报端、服务端和管理端产生业务交互，还与社会直接发生信息耦合。因此，应用服务就成为气象观测业务的价值窗口，各级气象部门，乃至各社会功能主体均可应用加工气象观测数据。随着实施主体范围的扩大，其应用场景也极大丰富，可包括数据融合加工、全域联动监测预警、科普教育、个性化服务及应用等，体现出“即时观测、即时服务”理念。应用服务环节可能使用的技术有面向场景的微服务、社会观测的标准化，需要大数据仓库、异构数据处理及产品发布订阅等云环境支撑，其中，数据的加密、脱敏，应用安全的治理尤为重要。

三、结语

气象观测技术及业务的发展对灾害预测、人民生产生活保障、社会经济发展具有十分重要的意义。当前，我国已基本建成布局科学、技术先进、功能完善、效益显著的综合气象观测系统，气象观测业务在综合性逐渐加强、信息化水平不断提升的基础上，智能化特征和社会化属性日趋明显，与新技术领域的融合应用日益深入，基于“云+端”技术的气象观测新业态即将来临。