王攀峰，張 濤

（北京航空氣象研究所，北京100085）

0 引 言

航空活動(dòng)涉及的地域范圍非常廣闊，航空氣象保障通常需要大范圍的原始?xì)庀筚Y料和數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品。盡管很多地方建立了不同形式的氣象信息服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行原始?xì)庀筚Y料和數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的收集和下發(fā)，但是從全局看，航空氣象保障的信息化建設(shè)的相對(duì)滯后，對(duì)分散在全國(guó)各地氣象臺(tái)、區(qū)域保障中心的計(jì)算、存儲(chǔ)、通信資源的整合利用開發(fā)不夠，還存在著原始資料收集、共享困難，區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)時(shí)效性、分辨率不高等難題。因此，有必要研究如何基于分散在各地氣象臺(tái)和區(qū)域保障中心的計(jì)算、存儲(chǔ)、通信資源為氣象臺(tái)預(yù)報(bào)保障人員提供原始?xì)庀筚Y料收集分發(fā)、數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品生成下發(fā)等一整套信息服務(wù)的新技術(shù)。

云計(jì)算模型［1］能夠有效整合分布在不同地理位置上的計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、通信資源和軟件資源，以web服務(wù)形式為聯(lián)網(wǎng)用戶提供簡(jiǎn)單易用的信息服務(wù)［2，3］。本文提出用基于云計(jì)算模型的氣象信息服務(wù)系統(tǒng)解決上述問題，下面首先介紹系統(tǒng)功能和詳細(xì)設(shè)計(jì)，然后給出核心服務(wù)的實(shí)現(xiàn)方案。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能組成

常用的航空氣象保障信息包括地面觀探測(cè)資料、天氣雷達(dá)資料、衛(wèi)星云圖資料等原始?xì)庀筚Y料和數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品。地面觀探測(cè)資料和天氣雷達(dá)資料由分布在全國(guó)各地的氣象臺(tái)站收集而來，數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品由部署在區(qū)域氣象保障中心的預(yù)報(bào)模式根據(jù)地面觀探測(cè)資料、天氣雷達(dá)資料、衛(wèi)星云圖資料計(jì)算得出。機(jī)場(chǎng)氣象臺(tái)站是原始資料的采集者，為其它機(jī)場(chǎng)氣象臺(tái)和區(qū)域氣象保障中心提供原始資料，又是其它氣象臺(tái)原始資料和區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的消費(fèi)者。本系統(tǒng)的用戶是氣象臺(tái)預(yù)報(bào)保障人員，系統(tǒng)所提供的服務(wù)信息是各類地面觀探測(cè)資料、天氣雷達(dá)資料和數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品。

從功能角度看，系統(tǒng)可分為6個(gè)子系統(tǒng)：氣象臺(tái)原始資料上報(bào)、區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)、氣象保障資料管理、氣象資料庫、氣象信息定制和氣象信息按需分發(fā)。如圖1所示，系統(tǒng)對(duì)外提供的服務(wù)信息包括從氣象臺(tái)收集的地面觀探測(cè)資料、天氣雷達(dá)資料和區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)計(jì)算得出的預(yù)報(bào)產(chǎn)品，這些資料分別由氣象臺(tái)資料上報(bào)子系統(tǒng)和區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)子系統(tǒng)向氣象保障資料管理子系統(tǒng)注冊(cè)并存入氣象資料庫。用戶通過氣象信息定制子系統(tǒng)查詢并定制氣象資料，生成定制分發(fā)表，并將最新定制分發(fā)表同步到氣象信息按需分發(fā)子系統(tǒng)，最后由氣象信息按需分發(fā)子系統(tǒng)根據(jù)定制分發(fā)表查詢資料，并對(duì)外輸出。

圖1 系統(tǒng)功能組成

1.2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

如圖2所示，本文提出的基于云計(jì)算模型的氣象信息服務(wù)系統(tǒng)框架分為3個(gè)邏輯層次：用戶界面層、需求響應(yīng)層和后臺(tái)服務(wù)層。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及信息流程

系統(tǒng)利用各區(qū)域氣象保障中心現(xiàn)有的并行計(jì)算機(jī)和若干臺(tái)PC服務(wù)器作為數(shù)值預(yù)報(bào)的計(jì)算服務(wù)器［4］，基于 MPI并行計(jì)算接口架設(shè)Cluster系統(tǒng)［5，6］作為數(shù)值預(yù)報(bào)計(jì)算環(huán)境。將數(shù)值預(yù)報(bào)計(jì)算流程和氣象資料檢索、傳輸都封裝成后臺(tái)服務(wù)，以網(wǎng)頁形式提供氣象信息定制界面，最大限度的簡(jiǎn)化操作，提高系統(tǒng)的易用性。

1.2.1 用戶界面層

用戶界面層為用戶使用本系統(tǒng)提供了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)入口，包括4個(gè)模塊：身份認(rèn)證、氣象信息定制、需求分解和用戶數(shù)據(jù)庫。它提供3方面的功能：

（1）用戶身份驗(yàn)證：本系統(tǒng)采用用戶名加密碼的方式對(duì)用戶身份進(jìn)行驗(yàn)證，并根據(jù)用戶驗(yàn)證結(jié)果賦予不同的權(quán)限，不同權(quán)限的用戶可獲取的信息種類不同。

（2）氣象信息定制：系統(tǒng)提供具有地理信息的圖形化界面讓用戶錄入定制信息，主要包括任務(wù)相關(guān)區(qū)域、時(shí)間范圍和所需的氣象信息類別。用戶可在地理信息界面中用鼠標(biāo)畫出任務(wù)相關(guān)區(qū)域，設(shè)置任務(wù)起始時(shí)間，并勾選所需的氣象信息類別。在定制界面上用戶還可查詢、增加、刪除本用戶定制的所有信息。

系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)時(shí)間自動(dòng)定時(shí)啟動(dòng)區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)模式計(jì)算程序 （也叫起報(bào)程序）。除此之外，系統(tǒng)還賦予某些高權(quán)限用戶臨時(shí)發(fā)起起報(bào)的權(quán)限。如果有特殊需要，如保障重要任務(wù)，這些用戶可以在直接在任務(wù)信息錄入完成后立即提出定制化的區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)模式計(jì)算請(qǐng)求。

（3）需求分解：系統(tǒng)對(duì)用戶提交這些定制請(qǐng)求 （時(shí)間范圍、空間方位和信息種類）進(jìn)行需求分解：對(duì)于用戶定制時(shí)空范圍內(nèi)已存在的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用氣象保障資料管理模塊從資源注冊(cè)信息數(shù)據(jù)庫 （該庫中存放氣象資料和數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的物理位置鏈接）中檢索并將結(jié)果以網(wǎng)頁鏈接形式顯示，可供用戶下載或直接查看。對(duì)于當(dāng)前還未產(chǎn)生或還未收集的未來時(shí)次的數(shù)據(jù)，在信息定制表中添加定制信息，一旦數(shù)據(jù)產(chǎn)生就由氣象資料按需分發(fā)子系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)送給用戶。用戶只需登錄并提交一次定制信息，即可自動(dòng)獲取全部所需的氣象信息。

1.2.2 需求響應(yīng)層

需求響應(yīng)層包含4個(gè)模塊：氣象保障資料管理、資源注冊(cè)數(shù)據(jù)庫、定制信息表和起報(bào)定制。

系統(tǒng)中所有新收集的觀探測(cè)資料、天氣雷達(dá)資料或新計(jì)算生成的數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品都會(huì)在氣象保障資料管理模塊中注冊(cè)，注冊(cè)之后才能被用戶訪問。氣象保障資料管理模塊對(duì)各類氣象資料的時(shí)效性進(jìn)行管理，超過時(shí)效的注冊(cè)信息會(huì)被自動(dòng)刪除，保證提供給用戶是具備時(shí)效性的有參考意義的氣象資料。

定制信息表一旦有變動(dòng)，立即同步給氣象資料按需分發(fā)子系統(tǒng)，這樣，系統(tǒng)就可實(shí)時(shí)響應(yīng)用戶的定制請(qǐng)求。

起報(bào)定制模塊接收定制起報(bào)請(qǐng)求后，首先檢查用戶權(quán)限，符合權(quán)限的才按照起報(bào)請(qǐng)求中的信息向相關(guān)區(qū)域氣象中心的數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)發(fā)出起報(bào)指令，啟動(dòng)區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)計(jì)算流程，同時(shí)添加預(yù)報(bào)產(chǎn)品定制信息。預(yù)報(bào)產(chǎn)品生成后，一方面向氣象保障資料管理模塊注冊(cè)，可用于對(duì)外服務(wù)，另一方面氣象資料按需分發(fā)模塊根據(jù)最新的定制信息表獎(jiǎng)將預(yù)報(bào)產(chǎn)品發(fā)送給指定用戶。

1.2.3 后臺(tái)服務(wù)層

后臺(tái)服務(wù)層包括區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)和氣象資料按需分發(fā)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)原始?xì)庀筚Y料收集分發(fā)和數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品制作。氣象臺(tái)原始資料經(jīng)由上報(bào)系統(tǒng)自動(dòng)匯集到區(qū)域氣象中心，并在資料管理模塊注冊(cè)；系統(tǒng)對(duì)外傳輸?shù)馁Y料全都由氣象資料按需分發(fā)子系統(tǒng)根據(jù)最新定制信息表自動(dòng)完成。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文提出的基于云計(jì)算模型的氣象信息服務(wù)系統(tǒng)是一個(gè)涉及并行計(jì)算環(huán)境、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信、web服務(wù)等多個(gè)領(lǐng)域的綜合系統(tǒng)，其中氣象保障資料管理、區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)和氣象資料按需分發(fā)是系統(tǒng)功能最核心的部分，本節(jié)介紹這3個(gè)子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。

2.1 氣象保障資料管理

數(shù)據(jù)管理是云計(jì)算的核心問題之一，不同管理策略的差異主要體現(xiàn)在為數(shù)據(jù)訪問模式、數(shù)據(jù)一致性、數(shù)據(jù)分區(qū)和數(shù)據(jù)路由4個(gè)方面［4－6］。結(jié)合航空氣象保障工作特點(diǎn)，本文提出面向用戶QoS［7］和服務(wù)器負(fù)載均衡相結(jié)合的數(shù)據(jù)管理算法。下面分3個(gè)方面描述該算法。

2.1.1 氣象保障資料描述

對(duì)一份數(shù)據(jù)用6元組進(jìn)行描述： （數(shù)據(jù)類型，存儲(chǔ)路徑，大小，生成時(shí)間，數(shù)據(jù)源，有效期，所在服務(wù)器ID）。

2.1.2 服務(wù)器負(fù)載

本文提出以當(dāng)前服務(wù)器擔(dān)負(fù)的數(shù)據(jù)分發(fā)任務(wù)數(shù)衡量負(fù)載情況，數(shù)據(jù)分發(fā)任務(wù)數(shù)按照下列公式計(jì)算得出

式中：p——服務(wù)器負(fù)載，n——該服務(wù)器當(dāng)前擔(dān)負(fù)的所有分發(fā)任務(wù)涉及的數(shù)據(jù)種類數(shù)，αi——第i種數(shù)據(jù)的權(quán)值，該權(quán)值根據(jù)不同種類數(shù)據(jù)的平均大小設(shè)置，mi——第i種數(shù)據(jù)的分發(fā)次數(shù)。

2.1.3 數(shù)據(jù)管理算法

算法描述如下：

（1）為每個(gè)區(qū)域數(shù)據(jù)服務(wù)器設(shè)置k個(gè)備份服務(wù)器，該服務(wù)器收集到的資料及時(shí)同步到備份服務(wù)器；

（2）主、備服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)之后都向氣象資料管理模塊注冊(cè)，并實(shí)時(shí)匯報(bào)服務(wù)器負(fù)載情況 （按照式 （1）計(jì)算）；

（3）應(yīng)對(duì)用戶的數(shù)據(jù)訪問請(qǐng)求時(shí)，資料管理模塊計(jì)算當(dāng)前能夠提供服務(wù)的所有服務(wù)器的p值，選擇p值最小者為用戶提供服務(wù)。

2.2 區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)

2.2.1 系統(tǒng)組成

數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。數(shù)值預(yù)報(bào)處理過程主要分為預(yù)處理、資料同化、主模式計(jì)算和后期處理4個(gè)階段［8］。區(qū)域氣象中心的多臺(tái)服務(wù)器上安裝MPI并行接口［9］和作業(yè)管理軟件，使得多臺(tái)服務(wù)器聯(lián)合起來作為一臺(tái)虛擬的 PC Cluster使用［10］。

作業(yè)管理軟件定時(shí)啟動(dòng)數(shù)值預(yù)報(bào)運(yùn)算，運(yùn)算完成后將結(jié)果注冊(cè)到氣象保障資料管理模塊。當(dāng)有臨時(shí)起報(bào)請(qǐng)求時(shí)，作業(yè)管理軟件利用空閑計(jì)算資源發(fā)起數(shù)值預(yù)報(bào)運(yùn)算，預(yù)報(bào)結(jié)果同樣注冊(cè)到氣象保障資料管理模塊，再由氣象資料按需分發(fā)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)給用戶。

圖3 數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)組成

2.2.2 精細(xì)化預(yù)報(bào)

本系統(tǒng)充分考慮了地域差異，針對(duì)各地的地形和地表特征，各個(gè)區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)采用優(yōu)化的計(jì)算模式和輸入?yún)?shù)，提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度。同時(shí)將當(dāng)?shù)貧庀笈_(tái)的地面觀探測(cè)資料和天氣雷達(dá)資料經(jīng)變分同化后輸入預(yù)報(bào)模式參與計(jì)算，進(jìn)一步提高模式分辨率。

有些保障任務(wù)涉及的空域很大，跨域多個(gè)保障區(qū)域，所需的數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品應(yīng)由多個(gè)區(qū)域預(yù)報(bào)產(chǎn)品融合而成。用戶定制信息時(shí)要指出需要哪些區(qū)域和氣象臺(tái)的原始?xì)庀筚Y料和數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品，需求分解模塊要向多個(gè)區(qū)域氣象中心服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)訪問請(qǐng)求或起報(bào)計(jì)算請(qǐng)求。

2.2.3 時(shí)鐘同步

本系統(tǒng)各區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)定期滾動(dòng)起報(bào)，每隔一段時(shí)間都要采用最新觀探測(cè)資料、天氣雷達(dá)資料和衛(wèi)星云圖資料進(jìn)行模式計(jì)算。為協(xié)調(diào)不同服務(wù)器上的數(shù)據(jù)一致性，我們?cè)诟鲾?shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)上部署了時(shí)鐘同步軟件，保持全系統(tǒng)時(shí)鐘統(tǒng)一。

2.3 氣象資料按需分發(fā)

由于氣象保障工作的特點(diǎn)，任務(wù)開始之前需要收集任務(wù)相關(guān)機(jī)場(chǎng)的地面觀探測(cè)資料、天氣雷達(dá)資料、衛(wèi)星云圖資料和數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品。任務(wù)開始之后還要持續(xù)收集地面觀探測(cè)資料、天氣雷達(dá)資料等對(duì)任務(wù)相關(guān)空域的天氣進(jìn)行跟蹤掌握。因此對(duì)地面觀測(cè)資料的需求分為事先收集和過程中持續(xù)收集兩部分。

前面已經(jīng)敘述，本系統(tǒng)提供簡(jiǎn)便的方式讓用戶輸入任務(wù)的時(shí)間范圍，該時(shí)間范圍可從過去時(shí)刻到未來時(shí)刻。過去時(shí)刻的氣象資料和數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品可立即獲取，未來時(shí)刻的數(shù)據(jù)定制成功后在任務(wù)保障過程中會(huì)自動(dòng)發(fā)送給用戶。定制分發(fā)機(jī)制是氣象資料按需分發(fā)子系統(tǒng)的技術(shù)核心。氣象通信網(wǎng)關(guān)和定制信息表是氣象資料按需分發(fā)子系統(tǒng)最重要的組件。

為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的定制分發(fā)，系統(tǒng)內(nèi)采用了特殊的通信協(xié)議，在協(xié)議報(bào)頭中規(guī)定了 “信息類型”、“信息源地址”和 “目的地地址”字段。資料發(fā)送模塊發(fā)出的每一份氣象資料，都包括有 “信息類型”和 “信息源地址”。定制信息表中每一條定制信息的格式為：（信息類型，信息源地址，目的地地址）。

系統(tǒng)收集或生成的所有資料都會(huì)發(fā)送給氣象通信網(wǎng)關(guān)，氣象通信網(wǎng)關(guān)收到一份資料后，從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議報(bào)頭中提取“信息類型”和 “信息源地址”信息，并將其與定制信息表的每一條信息進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)比對(duì)結(jié)果判斷該數(shù)據(jù)應(yīng)該分發(fā)到哪個(gè)地址。氣象通信網(wǎng)關(guān)包括3個(gè)工作線程，各線程的流程圖如圖4所示。

圖4 定制分發(fā)網(wǎng)關(guān)的流程

從圖4的流程圖可看出，定制分發(fā)網(wǎng)關(guān)對(duì)定制請(qǐng)求的響應(yīng)是實(shí)時(shí)的，定制請(qǐng)求能夠立即生效。定制請(qǐng)求由用戶定制界面發(fā)出，用戶可定制分發(fā)網(wǎng)關(guān)發(fā)出定制信息查詢請(qǐng)求、增加／刪除某條定制信息請(qǐng)求，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的氣象資料定制。

3 系統(tǒng)特點(diǎn)分析

3.1 整合現(xiàn)有資源提供便利服務(wù)

本系統(tǒng)基于云計(jì)算模型，充分利用現(xiàn)有計(jì)算資料、存儲(chǔ)資料和網(wǎng)絡(luò)資料，將同一區(qū)域中心的多臺(tái)服務(wù)器用并行計(jì)算軟件管理起來，作為一臺(tái)虛擬的并行計(jì)算服務(wù)器實(shí)施數(shù)值預(yù)報(bào)模式計(jì)算。再通過資料管理和用戶界面等子系統(tǒng)將不同區(qū)域服務(wù)器統(tǒng)一管理起來，為用戶提供一個(gè)統(tǒng)一的、簡(jiǎn)單的使用界面，屏蔽復(fù)雜的底層計(jì)算、任務(wù)分配和通信細(xì)節(jié)。

3.2 數(shù)據(jù)按需分發(fā)，傳輸智能高效

氣象保障和數(shù)值預(yù)報(bào)計(jì)算都需要機(jī)場(chǎng)氣象臺(tái)獲取的地面觀探測(cè)資料和天氣雷達(dá)資料。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了操作簡(jiǎn)便的定制分發(fā)技術(shù)，按需將氣象資料或數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品傳輸?shù)叫枰牡胤?，避免無謂的通信。

3.3 多種手段提高預(yù)報(bào)精度

當(dāng)保障任務(wù)涉及多個(gè)區(qū)域時(shí)，各個(gè)區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)采用優(yōu)化的模式和參數(shù)得到預(yù)報(bào)結(jié)果拼接成最終結(jié)果。由于考慮了不同地區(qū)的地形和地表特征，這個(gè)結(jié)果比只用一套模式和參數(shù)計(jì)算的更優(yōu)。

另外，在區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)計(jì)算過程中，引入本區(qū)內(nèi)的地面觀探測(cè)資料和天氣雷達(dá)資料，利用這些最新的觀探測(cè)數(shù)據(jù)提高數(shù)值預(yù)報(bào)精度。

3.4 重要任務(wù)可定制起報(bào)

在保障保障任務(wù)時(shí)，如果定時(shí)制作的數(shù)值預(yù)報(bào)時(shí)效性不夠，或者天氣變化與預(yù)報(bào)結(jié)果差別明顯，可由授權(quán)用戶臨時(shí)發(fā)起起報(bào)計(jì)算。

4 結(jié)束語

由于對(duì)分散在全國(guó)各地氣象臺(tái)、區(qū)域保障中心的計(jì)算、存儲(chǔ)、通信資源的整合利用開發(fā)不夠，航空氣象保障工作面臨原始資料收集、共享困難，區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)時(shí)效性、分辨率不高等難題。為此，本文提出了基于云計(jì)算模型的氣象信息服務(wù)系統(tǒng)框架，并給出了核心服務(wù)的實(shí)現(xiàn)方案。系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：提供圖形化界面讓用戶簡(jiǎn)便的獲取保障任務(wù)所需的當(dāng)前和未來一段時(shí)間的氣象資料和數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品；地面觀探測(cè)資料和天氣雷達(dá)資料按需定制分發(fā)，節(jié)約通信帶寬；不同區(qū)域采用最適合本地天氣特點(diǎn)的預(yù)報(bào)模式或參數(shù)，引入地面觀探測(cè)資料和天氣雷達(dá)資料以提高預(yù)報(bào)精度；除了規(guī)定時(shí)次的數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品外，對(duì)重要任務(wù)提供定制起報(bào)服務(wù)。

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