劉思晗，唐晨海，張龍慶，陳哲

（國家海洋環(huán)境預(yù)報中心，北京100081）

海洋站觀測資料監(jiān)控可視化及系統(tǒng)設(shè)計研究

劉思晗，唐晨海，張龍慶，陳哲

（國家海洋環(huán)境預(yù)報中心，北京100081）

面向海洋站各類報文的監(jiān)控統(tǒng)計，解除前臺可視化與數(shù)據(jù)提取的緊耦合關(guān)系，提供統(tǒng)一部署、統(tǒng)一維護的解決方案。系統(tǒng)基于asp.net MVC框架搭建，建立報文監(jiān)控數(shù)據(jù)庫，將監(jiān)控的各類報文接收狀態(tài)及統(tǒng)計信息入庫，解決單一種類報文統(tǒng)計效率較低的問題。通過asp.net MVC技術(shù)實現(xiàn)前臺頁面的搭建，實現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯、數(shù)據(jù)實體以及視圖的分離。通過面向接口的編程方式提高系統(tǒng)的靈活性，降低各層之間的依賴程度。使用EntityFramework實現(xiàn)領(lǐng)域模型的設(shè)計方式。通過spring.net技術(shù)實現(xiàn)面向切面編程，在實現(xiàn)MVC架構(gòu)的前提下簡化開發(fā)。

海洋觀測；海洋數(shù)據(jù)；MVC；領(lǐng)域模型

1 引言

近年來，我國風(fēng)暴潮、海浪、海冰、海霧、臺風(fēng)、地震海嘯及赤潮、綠潮、海水入侵等突發(fā)性的海洋災(zāi)害及海上溢油等海洋環(huán)境污染事件頻發(fā)，給沿海地區(qū)造成了嚴重的生命財產(chǎn)損失。這凸顯了海洋環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報的重要性，也對其提出了更高的要求。我國各級政府對海洋防災(zāi)減災(zāi)給予了極大的重視，并投入了大量的人力和物力開展海洋觀測網(wǎng)和預(yù)報系統(tǒng)等方面的建設(shè)[1]。

海洋觀測站是我國海洋觀測網(wǎng)的主要組成部分，負責(zé)開展海洋氣象、潮汐、海浪、表層水溫、鹽度、海流、海冰等要素的常規(guī)觀測[2]?，F(xiàn)有的報文收集方式為海洋站通過水文、氣象觀測設(shè)備的自動化錄入或人工觀測后，形成各類格式的編碼報文，再由通信機通過VSAT鏈路及地面專線將報文上傳至上級節(jié)點。由于報文種類繁多，同時各級節(jié)點肩負著數(shù)據(jù)接收轉(zhuǎn)發(fā)的任務(wù)，所以報文的存儲主要以文件的方式保存[3]。

舊有系統(tǒng)的統(tǒng)計模式是基于文件統(tǒng)計，對于批量數(shù)據(jù)統(tǒng)計較為困難，無法根據(jù)指定時間、要素類型批量統(tǒng)計[4]。且系統(tǒng)對于長時間序列的統(tǒng)計存在數(shù)據(jù)統(tǒng)計困難、效率較差等問題。同時，現(xiàn)有的報文監(jiān)控平臺主要是C/S架構(gòu)，在不同的監(jiān)控終端需要重新安裝部署，也會造成軟件版本可控性差等問題[5]。此外，通過遠程映射的方式存在著多臺終端同時訪問增大原始報文存儲服務(wù)器的系統(tǒng)開銷的問題。

為了解決上述問題，更好的實現(xiàn)對各類海洋觀測資源的監(jiān)控，增加對長時間序列觀測資料的有效統(tǒng)計，本系統(tǒng)在用戶和功能分析的基礎(chǔ)上，開展模塊分析和設(shè)計，通過web服務(wù)技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)源與統(tǒng)計分離[6]，解除前臺可視化與數(shù)據(jù)提取的緊耦合關(guān)系，建立報文監(jiān)控數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)報文統(tǒng)計的持久化需要，解決之前多種統(tǒng)計報文查詢效率低下的問題[7-9]。通過采用若干編程技術(shù)，提高了系統(tǒng)效率和靈活性，改善了人機交互體驗[10]。

2 系統(tǒng)功能分析

本系統(tǒng)以監(jiān)控展示為主要功能，實現(xiàn)海洋站觀測報文的監(jiān)控展示、數(shù)據(jù)監(jiān)控報警、以及數(shù)據(jù)采集分析與監(jiān)控數(shù)據(jù)管理。

本系統(tǒng)對分類存儲后的報文文件進行解碼、質(zhì)控入庫，并對解碼后的各類觀測數(shù)據(jù)進行分析、顯示；獲取系統(tǒng)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫以及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的運行狀態(tài)進行狀態(tài)監(jiān)視；提供數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計功能，能夠根據(jù)需求進行各類統(tǒng)計報表的生成，并展示監(jiān)控統(tǒng)計結(jié)果。

針對上面的功能分析，現(xiàn)將本系統(tǒng)的功能分類如下：

（1）報文文件接收狀態(tài)入庫統(tǒng)計：實現(xiàn)對已分類存儲的報文文件狀態(tài)標記入庫；

（2）報文文件解碼質(zhì)控入庫：實現(xiàn)原始報文文件按照對應(yīng)的解碼算法進行數(shù)據(jù)解碼，對解碼后的數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制，將質(zhì)量控制后的觀測信息存入數(shù)據(jù)庫中；

（3）報文文件傳輸統(tǒng)計：實現(xiàn)對報文文件傳輸信息的管理，對報文文件傳輸統(tǒng)計項的定義和報文文件傳輸統(tǒng)計報表的生成功能以及統(tǒng)計報表的導(dǎo)出功能；

（4）站點狀態(tài)監(jiān)視：實現(xiàn)對站點狀態(tài)的監(jiān)控功能；

（5）實時報警：實現(xiàn)對報文文件傳輸、站點狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)的報警；

（6）歷史監(jiān)控狀態(tài)查詢：實現(xiàn)按照起止時間對歷史報文接收情況的統(tǒng)計分析功能，查詢結(jié)果可以提供趨勢圖展示分析；

（7）系統(tǒng)配置管理：實現(xiàn)對系統(tǒng)的一些配置進行管理，提供例如添加、刪除、修改、查詢等功能服務(wù)。

3 技術(shù)路線

3.1 B/S架構(gòu)

為了滿足監(jiān)控統(tǒng)計系統(tǒng)在局域網(wǎng)各電腦均可部署應(yīng)用的實際需求，由于B/S部署、維護、功能擴展的統(tǒng)一性及便利性，系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)設(shè)計。

3.2 前端展示

采用jquery+easyUi編寫前端顯示，基于ajax技術(shù)實現(xiàn)瀏覽器與服務(wù)器之間異步請求功能，減少用戶等待時間，減輕服務(wù)器的負擔(dān)，提供良好的用戶體驗。

3.3 通過單例模式控制緩存對象

本系統(tǒng)在服務(wù)端定期從數(shù)據(jù)庫中查詢各海洋站點的監(jiān)控狀態(tài)信息，并存儲至緩存，通過單例模式創(chuàng)建線程內(nèi)唯一保存有站點狀態(tài)的緩存，可實現(xiàn)不同用戶在一定時間內(nèi)訪問服務(wù)端獲取的查詢結(jié)果唯一，且可實現(xiàn)瀏覽器短時間內(nèi)多次訪問查詢站點狀態(tài)時從緩存中讀取站點狀態(tài)信息，降低與數(shù)據(jù)庫的連接，從而降低系統(tǒng)開銷。

3.4 采用面向接口編程的編程思路

系統(tǒng)底層架構(gòu)采用3層架構(gòu)，在表現(xiàn)層（M+C）中，需要調(diào)用實現(xiàn)了業(yè)務(wù)邏輯接口層的業(yè)務(wù)邏輯層對象，通過spring.net實現(xiàn)通過配置創(chuàng)建具體的業(yè)務(wù)邏輯對象，降低了表現(xiàn)層與業(yè)務(wù)邏輯層的耦合程度。表現(xiàn)層通過調(diào)用業(yè)務(wù)邏輯接口層中對應(yīng)的方法實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的交互，查詢監(jiān)控的相關(guān)內(nèi)容。

3.5 領(lǐng)域模型

使用EntityFramework實現(xiàn)領(lǐng)域驅(qū)動設(shè)計（領(lǐng)域模型）。本系統(tǒng)中將各類監(jiān)控報文在數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建對應(yīng)的數(shù)據(jù)表，并由EF創(chuàng)建為具體的對像模型。并由該對像模型通過與數(shù)據(jù)庫的交互，實現(xiàn)CRUD操作。

3.6 MVC框架設(shè)計

系統(tǒng)前臺web網(wǎng)站采用.net MVC框架設(shè)計。MVC（Model-View-Controller）模型-視圖-控制器，在分離應(yīng)用程序內(nèi)部關(guān)注點方面，MVC是一種強大而簡潔的方式。

4 系統(tǒng)框架設(shè)計及流程實現(xiàn)

4.1 框架設(shè)計

海洋站觀測資料監(jiān)控可視化系統(tǒng)基于.net MVC技術(shù)開發(fā)，系統(tǒng)的總體框架為數(shù)據(jù)實體模型（基礎(chǔ)設(shè)施層）、系統(tǒng)模型層（核心業(yè)務(wù)層）、監(jiān)控站點業(yè)務(wù)視圖（站點應(yīng)用層以及可視化層）。系統(tǒng)總體架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)控統(tǒng)計系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

數(shù)據(jù)實體模型：基礎(chǔ)設(shè)施層。實現(xiàn)了對接收到的報文文件解析、質(zhì)控并入庫的過程，以及監(jiān)控統(tǒng)計系統(tǒng)中對數(shù)據(jù)庫進行的各類CRUD操作。提供通用輔助操作功能，擴展方法，異常處理，日志記錄等功能。并使用EntityFramework作為對象關(guān)系映射模型（ORM），提供對象操作，倉儲操作。

系統(tǒng)模型層：提供與數(shù)據(jù)實體以及業(yè)務(wù)邏輯密切相關(guān)的業(yè)務(wù)功能。用于定義系統(tǒng)核心業(yè)務(wù)實現(xiàn)的數(shù)據(jù)模型的定義（與數(shù)據(jù)庫表有映射關(guān)系）；提供與業(yè)務(wù)相關(guān)的數(shù)據(jù)訪問功能的實體映射、實體類型的配置，數(shù)據(jù)遷移，倉庫操作（DBSession）的定義與實現(xiàn)。提交與web無關(guān)的業(yè)務(wù)邏輯的實現(xiàn)。

監(jiān)控站點業(yè)務(wù)視圖：站點應(yīng)用層及可視化層。網(wǎng)站業(yè)務(wù)視圖模型用于定義網(wǎng)站業(yè)務(wù)實現(xiàn)的視圖模型。通過控制器（Controller）實現(xiàn)網(wǎng)站的相關(guān)操作，把從網(wǎng)站接收的業(yè)務(wù)視圖實體轉(zhuǎn)換為核心業(yè)務(wù)模型，傳給核心層進行業(yè)務(wù)處理；處理與http密切相關(guān)的數(shù)據(jù)（session、cookie等），處理成與http狀態(tài)無關(guān)后再交由核心層進行處理。通過視圖（View）實現(xiàn)Web展現(xiàn)。頁面展示使用easyui+jquery，實現(xiàn)了較好的頁面展示效果。

網(wǎng)站業(yè)務(wù)通過過濾器（Filter）實現(xiàn)對業(yè)務(wù)執(zhí)行權(quán)限進行檢查，加強系統(tǒng)的安全性。

4.2 流程實現(xiàn)

本系統(tǒng)主要流程包括：數(shù)據(jù)分析入庫，數(shù)據(jù)庫查詢提取，系統(tǒng)管理以及結(jié)果可視化。

本系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)流程如圖2所示：海洋站通信機將報文文件以文件流的方式上傳至文件服務(wù)器。在文件服務(wù)器端部署有分發(fā)存儲子模塊，通過將接收到的已分類存儲的文件型報文解析，獲取標準化質(zhì)控后的水文、氣象要素，并判斷其是否正常，生成各類狀態(tài)信息；同時監(jiān)控服務(wù)器定時檢測與海洋站通信機的連接狀態(tài)，并監(jiān)控文件服務(wù)器接收報文的情況，最終將報文及海洋站設(shè)備監(jiān)控信息寫入數(shù)據(jù)庫。

統(tǒng)計統(tǒng)計模塊處理，形成海洋站觀測資料統(tǒng)計產(chǎn)品。

前臺展示服務(wù)器部署本系統(tǒng)網(wǎng)站服務(wù)端，架設(shè)IIS,memcache分布式緩存等服務(wù)端程序。最終通過展示系統(tǒng)進行實時發(fā)布，向值班員提供各類實時數(shù)據(jù)的顯示，并實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)歷史到報的趨勢瀏覽及曲線繪制，異常警告記錄等功能。系統(tǒng)效果圖見圖3。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程圖

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)主界面

5 結(jié)束語

本文研究的面相海洋站觀測資料的監(jiān)控系統(tǒng)解決了之前基于文件系統(tǒng)的監(jiān)控平臺統(tǒng)計長時間序列報文較為困難，且對于多種要素統(tǒng)計效率低下的問題。實現(xiàn)了對報文文件質(zhì)控入庫，增加了對歷史資料的統(tǒng)計查詢以及對站點、網(wǎng)絡(luò)及硬件狀態(tài)的監(jiān)控功能。監(jiān)控對象覆蓋面較之前有了較大提升，可以全面深入的為預(yù)報及值班人員展現(xiàn)歷史及實時的各類監(jiān)控資料。

本系統(tǒng)在運行期間較為穩(wěn)定，能夠在汛期期間較好的完成監(jiān)控統(tǒng)計的功能。顯示界面友好，可針對不同的用戶群體實現(xiàn)多種效果的展示。為值班員、預(yù)報員與各級管理人員提供了直觀有效的展示平臺。

該系統(tǒng)已部署并業(yè)務(wù)化運行一年以上，運行穩(wěn)定可靠，用戶反映良好。具有很大的推廣價值和應(yīng)用場景。

[1]靳熙芳,王碩.海洋環(huán)境數(shù)據(jù)智能化監(jiān)控的現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)[J].海洋預(yù)報,2009,26(2):95-102.

[2]方長芳,張翔,尹建平.21世紀初海洋預(yù)報系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢[J].海洋預(yù)報,2013,30(4):93-102.

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Monitor display and system design of observation data at ocean stations

LIU Si-han,TANG Chen-hai,ZHANG Long-qing,CHEN Zhe
（National Marine Environmental Forecasting Center,Beijing 100081 China）

This system implements the monitoring and statistics for received data from each ocean station.It provides an unified deployment and unified maintaining solution by removing the tight coupling relationship between the front page and data extraction.This system builds a packet monitoring database which can be used to record the relevant information of monitored packets base on asp.net mvc framework to improve the efficiency of single variety packet statistics.One core technology of this system is the separation of controller,model and view through building the front page by asp.net mvc.The second core technology is to improve the system flexibility and reduce dependent degree of each level through programming to an interface.The third one is the usage of EntityFramework model and design methods.The last one is simplify development through implementation aspect oriented programming under the premise of implementation the MVC architecture by spring.net.

ocean observation;ocean data;MVC;domain model

P717;TP311.521

A

1003-0239（2017）01-0077-05

10.11737/j.issn.1003-0239.2017.01.010

2016-04-26;

2016-06-21。

國家海洋局海洋公益性行業(yè)科研專項（201105017）。

劉思晗（1987-），男，工程師，學(xué)士，主要從事全國海洋實時數(shù)據(jù)通訊及.net相關(guān)項目開發(fā)工作。E-mail：evaseemefly@126.com