可复用和互操作的海洋水文气象观测软件系统及开发方法与流程

本发明涉及一种可复用和互操作的海洋水文气象观测软件系统及开发方法。

背景技术：

海洋水文气象观测是影响国家综合国力竞争的重要因素，在维护海洋权益、保护海洋环境、预警海洋灾害、开发海洋资源等方面起着重要作用。观测活动通过由分布在各个观测站点的海洋水文气象观测系统配合实施。观测系统负责接收、存储、显示、处理和分析海洋水文气象数据，为观测活动的准确高效进行提供软件支撑。

目前面向可复用和互操作的海洋水文气象观测软件系统开发方法缺失，导致系统结构各异、接口通用性差、数据类型多样，严重影响了系统的复用性和互操作性，带来了一系列综合性问题，主要表现在：（1）功能覆盖不完善，无法满足所有观测需求；（2）互联互通困难，阻碍大规模的海洋数据分析和应用；（3）系统开发效率低、升级改造成本高，增加海洋观测成本。因此制定一套具有统一系统架构、统一接口、统一文件格式、统一通讯协议的可复用和互操作的海洋水文气象观测软件系统及其开发方法就显得尤为重要。

有鉴于此，通过对上述问题及现有技术的深入研究，遂有本案产生。

技术实现要素：

本发明目的是克服现有海洋水文气象观测系统功能不全、互联互通困难、系统开发困难的技术难点，提出一种具有规范化的系统框架、标准数据结构、统一数据传输格式的海洋水文气象观测软件系统及其开发方法。能够满足系统互操作的需求，提高软件系统复用性，降低系统开发运维成本，满足多样化的观测需求，提升海洋大数据应用分析和综合管理能力。

本海洋水文气象观测软件系统，通过对数据输入和输出接口的设计、数据格式的制定、传输协议的选择，使观测系统既可以接收来自海洋水文气象观测设备的数据，也可以接收另一个海洋水文气象观测软件系统的数据，即本系统既可以作为数据接收方也可以作文另一个海洋水文观测系统的数据发送方。由此部署在不同环境位置的本系统可以实现互通互联，达到互操作效果。

本海洋水文气象观测软件系统，通过对软件模块的设计和制定，软件开发者仅需对软件系统内模块和软件系统运行过程进行组合嵌套，就可以将本软件系统应用于不同业务需求和使用场景，减少重复开发。另外本软件系统具有外置可配置性，即系统信息和传感器参数信息外置可配置，不同应用场景仅需对系统信息可传感器参数信息做较小改动即可实现系统的复用。

为实现上述目的，本发明的面向可复用和互操作的海洋水文气象观测软件系统及开发方法如下：

结合海洋水文气象观测需求，采用海洋水文气象复杂虚拟仪器作为系统设计参考模型，对海洋水文气象观测系统的总体架构进行设计。本系统架构由数据采集模块、控制台管理模块、平台导航模块、数据管理模块、设备状态显示模块、数据显示模块、图形显示模块、综合查询模块、计算分析模块、打印管理模块、数据导出模块、错误警告及日志记录模块、数据输出模块构成，数据通讯采用mq和rest两种协议针对不同场景自动切换。

数据采集模块负责接收海洋水文气象观测设备或其他软件系统采集发送的数据，设计观测数据输入接口和设备状态输入接口。数据输入接口设计观测数据输入、设备状态输入两个接口，分别用于接收仪器设备观测的参数数据和仪器设备运行状态数据。（1）观测数据输入接口，功能是接收仪器设备观测参数的元数据，请求参数包括观测系统编号和原始观测数据，响应为数据传输状态，0表示数据传输失败，1表示数据传输成功。（2）设备状态输入接口，功能是接收仪器设备运行状态的元数据，请求参数包括观测系统编号和仪器设备状态数据，响应为数据传输状态，0表示数据传输失败，1表示数据传输成功。

采用统一的数据传输格式，对传输数据格式进行规范化处理，传输数据格式主要包括系统信息、设备信息和观测要素信息三部分，三部分呈包含关系，一个观测系统可包含多个设备信息，一个设备可包含多个观测要素。其中：（1）观测系统信息包括软件系统编号、系统名称、开发者、时间、版本和设备信息几部分。其中软件系统编号是观测系统的全局唯一编码，开发者和时间为可选参数项。（2）设备是设备参数，包括设备编号、设备名称、制造商、版本、类型、经纬度和观测要素几部分。其中设备编号为设备相对编号，制造商和经纬度为可选参数项。（3）要素是观测要素参数，包括要素编号、要素名称、要素单位、精度、要素值几部分。其中要素编号是观测参数的全局唯一编号，要素精度为可选参数项，要素值是观测参数的参数值。

数据输出接口负责对外发送观测系统接收并整理的标准化的海洋水文气象观测数据。数据输出接口设计观测数据输出、设备状态输出两个接口，分别用于对外发送仪器设备观测的参数数据和仪器设备运行状态数据。（1）观测数据输出接口，功能是对外提供标准化观测数据，请求参数是观测系统编号、开始时间、结束时间。结束时间为可选项，若请求参数无结束时间，则表示查询截止到当前系统时间的数据。响应文件是标准化的观测数据。（2）设备状态输出接口，功能是对外提供标准化的设备状态信息，请求参数是观测系统编号、开始时间、结束时间。结束时间为可选项，若请求参数无结束时间，则表示查询截止到当前系统时间的数据。响应文件是标准化的设备状态时间。

可复用和互操作的海洋水文气象观测软件系统包括控制台管理模块、数据管理模块、平台导航模块、设备状态显示模块、数据显示模块、图形显示模块、综合查询模块、计算分析模块、打印管理模块、数据导出模块、错误警告及日志记录模块。

控制台管理模块，负责运行软件系统必要组件，加载平台导航、设备状态显示、数据显示、图形显示、综合查询、打印管理、数据导出、计算分析和错误警告及日志记录模块，生成系统图形界面，具备控制平台软件页面及功能切换的功能，能够关闭、最小化、最大化窗口，并能够对窗口进行拖动位移和拖动窗口边缘放大或缩小。

数据管理模块，能够对接收到的水文气象参数数据按照数据存储标准进行存储管理。

平台导航模块，以水平地图为背景，实现平台导航功能。能够选中水平地图上任意观测系统后，能够显示该观测系统详细参数数据；能够通过收缩和放大实现全局和局部的信息显示。

设备状态显示模块，能够以可视化的方式显示设备的实时状态，即各个设备是否正常运行。

数据显示模块，能够以列表形式对接收到的水文气象参数数据，即盐度、波周期、波高、温度、水位、流速、流向、流量、风速、风向、湿度、气压、降雨量等所有参数进行实时显示。能够根据某一具体观测系统编号实时显示一种或多种参数数据；能够以参数首字母顺序升/降序和参数数值升/降序排序规则，对列表进行排序；能够根据参数名称，在表中显示或隐藏一种或多种参数数据。

图形显示模块，能够以线形图、垂直轮廓图（可选）、垂直剖面图（可选）和温度-盐度特征图（可选）的形式对相应的水文气象参数数据进行实时显示。

综合查询模块，能够查询水文气象参数数据，并以列表、线形图、垂直轮廓图（可选）、垂直剖面图（可选）和温度-盐度特征图（可选）的形式对查询结果进行显示。

计算分析模块，对盐度、浪周期、浪高、浪方向、温度、水位、流速、流向、风速、风向、湿度、气压、降水量进行数学分析，即计算以上参数数据的平均值、方差、标准差、周期、最大值、最小值、极大值、极小值、日累积量、月累积量或年累积量。

数据导出模块，能够对所有水文气象参数数据，及数据显示、图形显示和计算分析部分所提及的各种形式的数据显示结果进行导出。

打印管理模块，能够对所有水文气象参数数据，及数据显示、图形显示和计算分析部分所提及的各种形式的数据显示结果进行打印。

错误警告及日志记录模块，对在平台导航、设备状态显示、数据显示、图形显示、综合查询、打印管理、数据导出、计算分析和错误警告及日志记录模块功能运行期间出现的运行错误进行预警，并对错误原因、出错时间、出错模块名称和出错观测系统编号进行日志记录，日志文件格式为log、err或txt。

数据传输协议，数据输出接口负责相应数据请求，对外发送数据，根据数据请求场景设计mq和rest两种数据协议。（1）mq是异步通信协议，观测系统可以实时的接收传感器采集数据并将数据传输给mq中间件，mq中间件会接收存储数据，并按照时间形成消息队列，同时监听用户接收数据请求，一旦发现用户请求则按照消息队列内数据顺序向用户发送数据，确认数据传输完毕后删除消息队列内数据。（2）rest即表述性状态传递，是一种针对网络应用的设计和开发方式，可以降低开发的复杂性，提高系统的可伸缩性，便于不同软件/程序在网络中互相传递信息。用户向观测系统发送数据请求，观测系统通过rest协议将观测数据以字符串形式发送给用户。

该可复用和互操作的海洋水文气象观测软件系统采用可复用和互操作的海洋水文气象观测软件系统开发方法实现，包括以下步骤：

（1）控制台模块初始化；

（2）数据管理模块初始化；

（3）读取设备信息；

（4）数据接口初始化；

（5）接收数据；

（6）数据存储管理；

（7）数据统计分析；

（8）数据图形化展示；

（9）接收用户请求；

（10）发送请求数据。

控制台模块初始化用于加载必要的运行环境和系统图形界面；数据管理模块初始化用于运行数据管理模块为数据的接收、存储、调用提供运行环境；读取设备信息用于读取观测系统配置信息和传感器配置信息；数据接口初始化用于开启数据接收服务，准备接收水文气象观测设备观测数据、属性或其他系统发送的数据；接收数据用于接收水文气象设备或其他系统发送的观测数据；数据存储管理，用于系统按照标准化数据格式对接收数据进行标准化管理存储；数据统计分析，用于根据用户设定对数据进行查询、统计、分析；数据图形化展示，用于对接收参数数据和设备状态数据进行实时显示，以及对统计分析结果进行图形化显示；接收用户请求，用于初始化数据发送接口，开启数据发送服务，监听用户数据请求内容；发送请求数据，用于根据接受到的用户对于数据的请求内容，定制相关数据，将标准化格式的数据发送给用户。

该可复用和互操作的海洋水文气象观测软件系统开发方法，通过统一系统架构、统一接口、统一文件格式、统一通讯协议等方式，对海洋水文气象观测软件系统开发进行规范化和标准化，以此实现系统复用和系统间的互操作特性。

该可复用和互操作的海洋水文气象观测软件系统开发方法，支持浮标、潜标、岸站仪器等自动测量的、具备数据输出接口仪器设备；提供对水温、盐度、深度、海流、海浪、气温、气压、湿度、风、降水量、能见度等海洋水文气象常用观测参数的数据的接收、存储、显示、处理和分析功能，其中观测参数和数据应用模块可根据实际情况和用户具体需求进行增加和减少；当前的海洋水文气象观测软件系统多为观测设备厂商或观测站点针对特定观测仪器设备开发，观测软件系统可复用性差，不同软件系统间互操作复杂，本发明设计了海洋水文气象观测软件的系统功能组成、数据结构类型、数据传输格式和协议以及输入输出接口，实现了不同仪器设备容易数据发送格式和数据接入接口，实现了统一观测软件系统可复用于不同的观测仪器设备，以及不同软件系统间的互联互通，实现软件系统间的互操作。提高海洋水文气象观测软件系统开发运维效率，满足多样化的观测需求，提升海洋大数据应用分析和综合管理能力。

附图说明

图1本发明可复用和互操作的海洋水文气象观测软件系统整体架构示意图；

图2本发明可复用和互操作的海洋水文气象观测软件工作流程示意图；

图3本发明可复用和互操作的海洋水文气象观测软件开发方法流程示意图；

图4本发明可复用和互操作的海洋水文气象观测软件开发方法标准化数据格式结构。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。

如图1所示，该可复用和互操作的海洋水文气象观测软件系统，包括数据输入接口、数据输出接口、控制台管理模块、平台导航模块、数据管理模块、设备状态显示模块、数据显示模块、图形显示模块、综合查询模块、计算分析模块、打印管理模块、数据导出模块、错误警告及日志记录模块。

数据输入接口负责接收海洋水文气象观测设备或其他软件系统采集发送的数据，设计观测数据输入接口和设备状态输入接口分别用于接收仪器设备观测的参数数据和仪器设备运行状态数据。

数据输出接口负责对外发送观测系统接收并整理的标准化的海洋水文气象观测数据，设计观测数据输出、设备状态输出两个接口，分别用于对外发送仪器设备观测的参数数据和仪器设备运行状态数据。

控制台管理模块，负责运行软件系统必要组件，加载软件系统运行环境和图形界面。

数据管理模块，实现对接收到的水文气象参数数据按照数据存储标准进行存储、管理、调用导出、打印等功能。

平台导航模块，以水平地图为背景，实现平台导航功能。能够选中水平地图上任意观测系统后，能够显示该观测系统详细参数数据；能够通过收缩和放大实现全局和局部的信息显示。

设备状态显示模块，能够以可视化的方式显示设备的实时状态，即各个设备是否正常运行。

数据显示模块，能够以列表形式对接收到的水文气象参数数据，即盐度、波周期、波高、温度、水位、流速、流向、流量、风速、风向、湿度、气压、降雨量等所有参数进行实时显示。能够根据某一具体观测系统编号实时显示一种或多种参数数据；能够以参数首字母顺序升/降序和参数数值升/降序排序规则，对列表进行排序；能够根据参数名称，在表中显示或隐藏一种或多种参数数据。

图形显示模块，能够以线形图、垂直轮廓图（可选）、垂直剖面图（可选）和温度-盐度特征图（可选）的形式对相应的水文气象参数数据进行实时显示。

综合查询模块，能够查询水文气象参数数据，并以列表、线形图、垂直轮廓图（可选）、垂直剖面图（可选）和温度-盐度特征图（可选）的形式对查询结果进行显示。

计算分析模块，对盐度、浪周期、浪高、浪方向、温度、水位、流速、流向、风速、风向、湿度、气压、降水量进行数学分析，即计算以上参数数据的平均值、方差、标准差、周期、最大值、最小值、极大值、极小值、日累积量、月累积量或年累积量。

数据导出模块，能够对所有水文气象参数数据，及数据显示、图形显示和计算分析部分所提及的各种形式的数据显示结果进行导出。

打印管理模块，能够对所有水文气象参数数据，及数据显示、图形显示和计算分析部分所提及的各种形式的数据显示结果进行打印。

错误警告及日志记录模块，对在平台导航、设备状态显示、数据显示、图形显示、综合查询、打印管理、数据导出、计算分析和错误警告及日志记录模块功能运行期间出现的运行错误进行预警，并对错误原因、出错时间、出错模块名称和出错观测系统编号进行日志记录，日志文件格式为log、err或txt。

软件系统通过统一的接口接收按照一定格式编写的来自观测设备或其他观测系统的海洋水文气象观测数据；接入数据根据不同需求经由各模块分析处理；最后根据用户需求通过统一的对外接口，以固定的文件格式将数据传输给系统用户。通过统一的接口和标准化的软件构架使本软件系统具有可复用和可互操作特性。

如图2所示，可复用和互操作的海洋水文气象观测软件系统工作流程如下：

（1）系统初始化；

（2）开启服务，等待接收数据；

（3）获取平台、设备、参数属性信息；

（4）数据处理与应用；

（5）用户请求数据；

（6）对外提供标准化数据。

系统初始化用于运行系统必要环境和模块组件；开启服务，等待接收数据用于开启数据输入接口，打开数据传输服务，监听数据传入请求；获取平台、设备、参数属性信息用于接收数据源的平台、设备、参数信息；数据处理与应用用于根据用户操作对数据进行分析处理；用户请求数据用于监听输出数据请求信息；对外提供标准化数据用于根据输出数据请求将标准化数据对外传输。

如图3所示，该可复用和互操作的海洋水文气象观测软件系统采用可复用和互操作的海洋水文气象观测软件系统开发方法实现，包括以下步骤：

（1）控制台初始化；

（2）数据管理模块初始化；

（3）读取设备信息；

（4）数据接口初始化；

（5）接收数据；

（6）数据存储管理；

（7）数据统计分析；

（8）数据图形化展示；

（9）接收用户请求；

（10）发送请求数据。

控制台初始化用于加载必要的运行环境和系统图形界面；数据管理模块初始化用于运行数据管理模块为数据的接收、存储、调用提供运行环境；读取设备信息用于读取观测系统配置信息和传感器配置信息；数据接口初始化用于开启数据接收服务，准备接收水文气象观测设备观测数据、属性或其他系统发送的数据；数据接收，用于接收水文气象设备或其他系统发送的观测数据；数据存储管理，用于系统按照标准化数据格式对接收数据进行标准化管理存储；数据统计分析，用于根据用户设定对数据进行查询、统计、分析；数据图形化展示，用于对接收参数数据和设备状态数据进行实时显示，以及对统计分析结果进行图形化显示；接收用户请求，用于初始化数据发送接口，开启数据发送服务，监听用户数据请求内容；发送请求数据，用于根据接受到的用户对于数据的请求内容，定制相关数据，将标准化格式的数据发送给用户。

如图4所示，采用统一的数据传输格式，对传输数据格式进行规范化处理，传输数据格式主要包括系统信息、设备信息和观测要素信息三部分，三部分呈包含关系，一个观测系统可包含多个设备信息，一个设备可包含多个观测要素。其中：

（1）观测系统信息包括软件系统编号、系统名称、开发者、时间、版本和设备信息几部分。其中软件系统编号是观测系统的全局唯一编码，开发者和时间为可选参数项;

（2）设备是设备参数，包括设备编号、设备名称、制造商、版本、类型、经纬度和观测要素几部分。其中设备编号为设备相对编号，制造商和经纬度为可选参数项;

（3）要素是观测要素参数，包括要素编号、要素名称、要素单位、精度、要素值几部分。其中要素编号是观测参数的全局唯一编号，要素精度为可选参数项，要素值是观测参数的参数值。

该可复用和互操作的海洋水文气象观测软件系统开发方法，通过统一系统架构、统一接口、统一文件格式、统一通讯协议等方式，对海洋水文气象观测软件系统开发进行规范化和标准化，以此实现系统复用和系统间的互操作特性。

该可复用和互操作的海洋水文气象观测软件系统开发方法，支持浮标、潜标、岸站仪器等自动测量的、具备数据输出接口仪器设备；提供对水温、盐度、深度、海流、海浪、气温、气压、湿度、风、降水量、能见度等海洋水文气象常用观测参数的数据的接收、存储、显示、处理和分析功能，其中观测参数和数据应用模块可根据实际情况和用户具体需求进行增加和减少；当前的海洋水文气象观测软件系统多为观测设备厂商或观测站点，针对特定观测仪器设备开发，观测软件系统可复用性差，不同软件系统间互操作复杂，本发明设计了海洋水文气象观测软件的系统功能组成、数据结构类型、数据传输格式和协议以及输入输出接口，实现了不同仪器设备容易数据发送格式和数据接入接口，实现了统一观测软件系统可复用于不同的观测仪器设备，以及不同软件系统间的互联互通，实现软件系统间的互操作。提高海洋水文气象观测软件系统开发运维效率，满足多样化的观测需求，提升海洋大数据应用分析和综合管理能力。