摘要: 主控计算机作为气象观测系统中的重要载体，承担着观测数据实时展示、处理和传输的重要工作，系统的健壮性和容错机制至关重要。为此，本文分析了气象观测数据对于气象工作的重要性、多余度灾备系统构建的必要性，并介绍了构建方法。在了解观测数据备份需求的前提下，通过调研现有方案、开发适应新要求的架构，构建多余度的数据备份系统，切实保障气象观测数据的连续性和稳定性，助力气象高质量发展。
Abstract: As an important carrier in the meteorological observation system, the main control computer undertakes the important tasks of real-time display, processing and transmission of observation data. The robustness and fault tolerance mechanism of the system are crucial. To this end, this paper analyzes the importance of meteorological observation data to meteorological work, the necessity of building a redundant disaster recovery system, and introduces the construction method. On the premise of understanding the backup needs of observation data, by investigating existing solutions and developing an architecture that adapts to new requirements, a redundant data backup system is constructed to effectively ensure the continuity and stability of meteorological observation data and promote the high-quality development of meteorology.
1. 前言
气象观测是气象工作的基础，无论是科学研究还是日常生活中的天气预报和气候分析，气象观测数据都在其中扮演着至关重要的角色。主控计算机作为气象观测系统中的重要载体，系统的稳定性对于整个观测业务具有十分重要的意义。因此，为了确保气象观测系统的稳定性，必须构建起科学有效的多余度灾备系统，以确保观测数据采集、传输的实时性、可用性。
2. 气象观测数据灾备系统的重要性
气象服务是现代社会的基础性需求，对于工农业生产、人民生活、国防军事等方面有着十分重要的意义。气象观测，是研究测量和观察地球大气的物理和化学特性以及大气现象的方法和手段的一门学科。 主要是对大气气体成分浓度、气溶胶、温度、湿度、气压、风、大气湍流、蒸发、云、降水、辐射、大气能见度、日照、地温、大气电场、大气电导率以及雷电、虹、晕等的观测。包括地面气象观测、高空气象观测、大气遥感探测和气象卫星探测等，有时统称为大气探测[1]。由各种手段组成的气象观测系统，能观测从地面到高层，从局地到全球的大气状态及其变化，是气象工作和大气科学发展的基础。由各种手段得来的气象观测数据是开展科研、预报预测服务和防灾减灾等气象工作的基础，保障气象观测系统运行的稳定性、连续性，是实现高质量气象服务的首要条件。天气系统千变万化，每时每刻的观测数据都具有独特性和不可复现性，数据灾备系统对于历史数据查询、系统崩溃后的快速恢复至关重要，对于数据安全尤为重要。
3. 多余度灾备系统的必要性
数据安全对于气象工作的重要性不言而喻，气象观测工作中历来重视数据的备份。在人工观测时代，纸质文档须按时整理并移交到规范的档案室存档。实行自动观测以来，要求电子数据定时备份，妥善保管。在四川省，气象观测中使用CAWS 600型主采集器的时代，观测要素较少，数据量较小，备份与恢复都比较快速。随着技术的进步和观测仪器的增加，现在各台站都更新了设备，主要采用DZZ5型主采集器，新型号设备采用总线式结构，观测设备可以直接接入主采集器，也可以作为分采挂接，样式灵活，增加设备方便，但由此带来的结果便是采集数据的指数级增加，同时气象高质量发展的需求对于气象观测系统提出了更高要求。如发生系统崩溃、硬件损坏等，都可能对气象观测数据的安全带来不利影响，以往的备份方案已不再适应时代需求。因此，构建稳定、高效、多余度的数据灾备系统显得尤为重要。
4. 气象观测中灾备系统现有方案及优缺点分析
在目前的气象观测工作中，要求主控计算机一主一备，按周或月的频率将主用计算机数据拷贝到备份计算机上完成数据的备份，以便在主用计算机出现故障时启用备份计算机。这样做是沿用了以往的做法，简单、可操作性强，但缺点也很明显：一是现在的观测方式和不断增加的仪器种类决定了每次备份的数据量非常惊人，动则几十GB，复制并拷贝需要漫长的等待时间；二是备份的频率仍显不够，即便是每周备份，在需要数据恢复时仍会缺很多数据。因此，未来需要进一步优化和完善数据灾备体系，以更好地保障气象观测系统的实际需求。
5. 现代气象观测对灾备系统的需求
5.1. 对设备的需求
因历史原因，x86架构计算机仍然在目前的计算体系中占据统治地位，绝大多数工业软件、行业软件、数据库软件、业务服务软件、数据处理软件、设备调试软件、开发工具等等均是按照兼容x86架构研发设计的。因此目前的气象观测工作中，所用到的业务软件均是运行于x86架构计算机中，所以观测设备主控计算机应当选用x86架构计算机。出于对稳定性、兼容性、扩展性的需求，选用可以长期稳定运行的硬件系统，才能保障业务需要。
5.2. 对系统软件的需求
目前的业务软件均需运行于Windows系统中，Windows系统版本繁杂，兼容性和稳定性不一。例如，某些版本经常更新不成功，或者更新后蓝屏、死机、甚至无法启动，或者更新后与某个或多个业务软件出现兼容性问题，或是更新本身就需要很长时间，错过了正点数据的采集传输，从而影响数据传输的及时率和可用性。出于长期稳定运行的需要，就必须经过大量测试，选用能长期稳定运行，并且系统软件服务商更新服务周期长的系统软件，确保硬件的长期无故障运行。
5.3. 对备份及恢复软件的需求
保证系统软、硬件环境需求的同时，在观测数据备份和系统出现故障时，备份/恢复软件的选取对于灾备系统同样重要。传统的复制、粘贴在处理大量、零碎的观测数据时不仅需要耗费大量的时间，而且还容易出错。备份/恢复软件种类繁多，功能不一，紧密结合灾备系统需求，选取适合的工具软件，对于保障观测系统的运行具有重要意义[2]。
6. 气象观测数据多余度灾备系统的构建
6.1. 构建合适的硬件架构
结合需求分析和调研数据，为了保障观测系统运行的稳定性、兼容性、可扩展性，需要构建合适的硬件架构。首先，根据气象观测工作需求，需要主控计算机具有数据采集、处理和传输能力，运行要足够稳定，在性能上还需要留有冗余。例如，采用高性能的x86架构的台式工作站就能很好地满足这一需求。其次，为了保障多余度备份需求，可以采用本机备份和异机备份相结合的方案，例如，选用可以安装多个硬盘的主控计算机，在不同硬盘上同时备份多份观测数据，在主硬盘故障时能及时切换到其它硬盘，从而保障恢复时效。同时，硬盘可选取读写性能(IOPS)高尤其是随机存取性能好的固态硬盘(SSD)能更好地满足需求。再者，为了保证实时备份数据的可迁移性，可以在主控计算机上面挂载一个固态移动硬盘，例如主控计算机出现硬盘以外的故障时，可以将载有备份数据和提前用Windows to go技术装好系统的移动硬盘取下，插入备份主控计算机，从移动硬盘上启动系统，恢复时间快速高效。此外，为保障系统工作的连续性和数据采集、传输的稳定性，UPS电源、双网卡、无线网卡、高速USB接口(USB 3.0及以上)、雷电防护装置等都是必要选项。
6.2. 观测系统运行环境构建
目前，在气象观测中，除了系统软件外，需要安装的软件还有ISOS、AccessDatabaseEngine、DPZ1型综合集成硬件控制器驱动程序、Network Time Protocol、VPN 应急传输软件、台站传输客户端、县级气象应急通信系统等业务软件。首先，在系统软件的选取上，考虑到安全性、稳定性为第一要务，目前Windows 7及以下系统已停止支持，病毒、漏洞等风险较大，Windows 10及以上系统版本更新较为频繁，且稳定性较差，因此可以考虑LTSB (长期服务分支)或者LTSC (长期服务频道)版本，此版本是专为企业和组织设计的Windows版本，旨在提供长期稳定性和支持，只有安全更新，没有功能更新，而且提供长达10年的支持期限，应用于气象观测系统中最为合适。其次，在系统软件的部署上，为了保证系统可以从每一块硬盘(包括接入系统的移动硬盘)均可以启动，可以采用Windows To Go技术部署。Windows To Go支持创建可从电脑上USB连接的外部驱动器启动的Windows To Go 工作区，虽然Windows 10版本2004及更高版本的操作系统中删除了这一技术，但是可以使用第三方软件如Windows To Go辅助软件、WinToUSB等进行部署，实践中使用上并无区别。最后，安装好业务软件和一些必要的工具软件，例如压缩/加压缩软件，虚拟光驱软件，文档查看软件，看图软件等，由此，观测系统运行环境搭建完成，能保障观测业务软件的稳定运行和升级需求。
6.3. 备份/恢复系统构建
备份与恢复是气象观测中的基本工作内容，贯穿观测工作全过程，其中包括对系统运行环境的备份/恢复和对观测数据的备份/恢复两大内容，其基本要求是快速、稳定、可操作性强，尽量实现自动化操作，减少人工干预，减轻工作负担。对于系统及运行环境的备份/恢复，可以利用诸如Ghost、Acronis True Image、傲梅、DiskGenius等国内外优秀的软件实现，可以在多个磁盘甚至移动硬盘上操作，保证系统及运行环境完全一致，从而实现可移植性。对于观测数据的备份，可以利用诸如Allway Sync、FreeFileSync或批处理命令实现，主要目的是实现定期增量备份，选择合适的备份频率，就能在时效与数据完整性方面取得平衡，从而保障数据安全[3]。
6.4. 加强团队建设
气象观测工作是团队协作工作，目前虽然实现了自动化观测，但是整个体系的维护仍需大量人力。对于基层台站来讲，人手不足是目前的基本现状，大轮班是基本工作机制。在工作中，加强相互学习交流，建设一支强有力的人才队伍，是维护好观测体系的根本保障。
7. 结论
气象观测工作对于观测数据的安全有很高的要求，为了确保观测数据的安全，应当构建并完善多余度的数据灾备体系，为数据安全保驾护航。灾备系统对于软、硬件环境的各类需求，应当明确并加以保证。利用高性能的硬件，安装有长期支持的系统软件，辅以稳定的工具软件及备份/恢复软件，建设一支素质过硬的人才队伍，为观测数据的安全提供强有力的保障。