大數據背景下民航氣象服務的探討

郭憲超，李廷元

（中國民用航空飛行學院計算機學院，廣漢618300）

0 引言

民用航空氣象服務工作是民航運輸體系中的重要組成部分，是民航行業安全、穩定發展的重要保障。隨著科學技術的發展，民航飛機的性能有了明顯提升，空中交通管制智能化技術的應用也使得空管部門航路優化水平不斷提升，因此，由機械故障和流量控制引起的航班延誤比例下降，而由于氣象原因引起的航班延誤甚至是飛行事故比例卻在逐年增加，從我國民航運行情況統計來看，在2016年因天氣原因而受影響的航班占比高達56.52%，航空氣象儼然已經成為影響飛行安全的重大因素。如何改善航空氣象服務工作質量，為民航運輸飛行提供更加高效、便捷、精準、實時的氣象信息服務成為擺在航空氣象工作人員面前的一道難題。近年來，我國已經入大數據時代，大數據技術以其海量數據資源和全新的運算優勢吸引了民航氣象部門的關注，目前，在我國民航氣象工作的諸多方面都在運用大數據技術，如氣象資料的采集、融合、處理以及氣象產品的制作等方面，大數據技術正在深入到民航氣象工作的方方面面。

1 我國民航氣象工作現狀分析

為了安全、高效地完成飛行任務，民航運輸業需要全面和準確的氣象信息，所以，民用航空氣象服務的宗旨就是為民航活動提供精準的氣象服務。航空氣象服務工作的主要任務就是探測、采集、融合、分析處理搜集到的分鐘各樣的氣象資料，制作出航空氣象產品，準確地提供給用戶，為飛行安全提供強有力的保障[1]。

1.1 我國航空氣象機構的組成

我國的民航氣象服務從創立之初至今已經經歷了60多年，已經基本形成了一套成熟的體系。我國航空氣象系統隸屬于中國民用航空局，并且中國氣象局也對其進行工作指導，該系統是由民航氣象中心、民航地區氣象中心和機場氣象臺三級氣象機構組成的。我國已建成覆蓋全國的氣象數據庫系統，承擔著航空氣象信息的收集、分析、處理、融合、儲存以及和國際上的氣象部門進行氣象資料的交換。

1.2 我國航空氣象工作的業務范圍

我國航空氣象部門按照《中華人民共和國民用航空法》、《中華人民共和國氣象法》的相關規定來進行航空氣象服務。航空氣象系統通過搜集大量氣象資料，并對氣象資料進行處理來制作相關氣象產品，由此來開展航空氣象服務工作。

（1）氣象資料的探測

目前我們國家的主要機場已經實現了機場區域內天氣情況的實時監測，并且運用多普勒雷達、風廓線雷達、自動氣象觀測系統、天氣雷達、衛星云圖以及航空器探測等手段能夠實現對風切變、雷暴天氣、低能見度、雨、等天氣情況的探測。

多普勒雷達會向空中的氣象目標發射脈沖，然后對回波進行數據分析，從而可以得知不同高度大氣層中各種空氣湍流運動的分布情況，然后得到雨量和風的分布；風廓線雷達是通過向高空發射不同方向的電磁波束，利用大氣湍流對電磁波的散射作用對大氣風場進行探測，能夠提供以風場為主的多種基本數據產品；自動氣象觀測系統主要用來探測本場區域內的風向、風速、主導能見度、溫度、氣壓、云量云高等天氣情況，為本場進離場航空器提供可靠地氣象資料；天氣雷達主要用來監測雷雨天氣系統中云體的構造、移動情況，是氣象監測系統中的重要工具；目前我國的氣象探測手段還有航空器探測，當飛機經過事先確定好的位置報告點時會將該位置報告點的風溫情況、氣壓、空氣濕度等重要天氣信息通過地空數據鏈傳遞給地面，航空器探測是我國重要的氣象探測手段。

（2）資料的采集與處理

我國航空氣象部門的工作流程為：民航氣象中心接收來自各地的民航地區氣象中心本區域內采集到的氣象數據，經過融合、分析、處理后制作成航空氣象產品，然后根據各機場的需要發布給機場氣象臺進行廣播。

（3）氣象產品的發布

民航氣象中心將各種氣象資料收集后，經過處理，根據不同用戶的具體要求制作成相應的航空氣象產品。目前我國氣象中心的預報種類主要有機場警報、風切變警報、起飛預報、航路預報和著陸預報等；時間范圍上主要有1h、2h、6h、24h、48h以及未來一周的氣象預報、冬季夏季氣候趨勢預測等；從要素方面來看主要有風向、風速、氣溫、能見度、云高、沙塵、空氣濕度以及主導能見度等氣象要素；從空間范圍來看擁有從點（機場）到線（航路）到面（區域）的覆蓋，機場需要關于本場范圍內的風向、風速、跑道視程、主導能見度等信息，航路和區域需要云高、對流層頂高度、積冰情況、顛簸程度、雷暴云狀等氣象情況。

（4）情報的發布與國際的交換

我國氣象部門主要依賴民航氣象數據庫系統來實現氣象資料的處理、分發和交換的，并且通過航空固定電信網（AFTN）來參與國際氣象情報的交換。

1.3 我國航空氣象服務的工作方式

我國現階段航空氣象服務的主要方式為B/S和C/S模式以及其他輔助性氣象資料查詢服務。

（1）B/S模式：又稱瀏覽器/服務器模式，Web瀏覽器是客戶端最主要的應用軟件。現在，我國民航氣象部門對航空公司開放了專門的氣象資料查詢網站，航空公司可以根據自身需要登錄網站自主的獲取氣象信息，該模式可提供天氣報告圖、熱帶氣旋路徑圖、高空風溫氣象圖等氣象圖表的檢索打印功能；可提供各自動觀測點數據的搜索顯示功能以及各種氣象文件的制作[2]。

（2）C/S模式：又稱客戶端/服務器模式，服務器通常采用高性能的PC、工作站或小型機。該模式各項功能由單個客戶端程序實現，服務效果較B/S模式靈活性和擴展性較差。

（3）現場氣象服務：目前我國航空氣象部門在一些用戶單位（如航空公司）設置了專門席位，通過氣象部門向用戶面對面講解氣象情況的方式服務，該項服務可有效避免因用戶對氣象資料產生理解錯誤而造成的決策失誤，從而改善服務效果

2 大數據下云計算在航空氣象中的應用

2.1 氣象大數據分析

大數據集合的處理無法在可承受的時間范圍內進行，并且無法用常規軟件工具進行捕捉和管理。大數據具有Volume（體量大）、Velocity（要求數據處理速度塊）、Variety（多樣化）、Value（高價值）、Veracity（真實性）的5V特性。為了處理海量數據資源，必須通過云計算模式來實現，云計算模式是通過使計算機分布在大量的分布式計算機上進行數據處理工作的，是分布式計算、并行計算、網絡儲存、多核計算、虛擬化、負載均衡等傳統計算機技術和互聯網技術融合發展的產物，提供可用的、便捷的、按需的網絡訪問。我國的民用航空氣象經過幾十年的發展已經逐步形成了較為完善的民航氣象系統，在氣象資料的收集技術方面也日臻成熟。航空氣象數據具有大數據的基本特征：

（1）航空氣象資料既有中低空的風向、風速、能見度、溫度、露點溫度等信息，又有高空中氣壓分布、云量、云高、積冰層等信息，所以航空氣象數據種類繁雜，結構各異，具有大數據多樣化的特點；

（2）為保證氣象數據的更新率，氣象資料的采集時間單位一般為每天、每小時甚至是每分鐘，這就使得目前我國氣象資料的收集量在飛速增加，已經達到的PB級別，這具有大數據體量大的特點；

（3）隨著航班排布越來越密集，航空公司、空管部門等航空氣象用戶對氣象資料的及時性提出了更高的標準，這就要求民航氣象中心對氣象數據具有更高的處理能力和處理速度，具有大數據要求數據處理速度塊的特點；

（4）現階段我們對海量的航空氣象數據挖掘程度還不夠深，所以如果能夠利用好這些氣象資料，深入挖掘其中的數據潛在價值，就可以為航空飛行安全提供保障，這具有大數據高價值的特點。

2.2 民航氣象大數據服務基本框架

為了使航空氣象大數據分析得以實現，民航氣象大數據服務框架主要有以下五個層次組成：基礎設施層、云平臺層、云應用層、大數據服務層、用戶層。

（1）基礎設施層。基礎設施層是云平臺搭建的基礎，該層的搭建將直接關系到整個氣象云平臺能否正常工作，所以基礎設施層必須擁有存儲和處理航空氣象數據的硬件，如計算機處理系統、數據中心、網絡環境等。基礎設施層應具有氣象資源抽象、氣象資源監控、負載管理、存儲管理、資源部署、安全與風險管理以及計費管理等功能。需要將原有的基礎設施按照云計算環境的要求進行相應改造，要建設出基礎設施資源池，將過去各地建立的分布式民航氣象數據庫系統中的數據儲存在統一的資源池中，這樣可以有效避免數據冗余現象，降低系統的維護成本，大大提高數據的利用率[3]。

（2）云平臺層。當基礎設施層搭建好后，繼續運用云計算技術在基礎設施層上搭建平臺層。運用Hadoop可以構建分布式文件系統，可利用服務器集群，根據自定義業務邏輯，對海量氣象數據進行分布式處理。HBase的底層存儲是基于Hadoop，是一個分布式、可擴展的大數據庫，能夠實時讀寫大量數據，達到大數據檢索要求。MapReduce是一個分布式運算程序的編程框架，具有良好的擴展性，可以實現數據的并行計算。Hive是構建在Hadoop之上的數據倉庫，可以實現航空氣象靜態數據的存儲和索引。

（3）云應用層。當平臺層的搭建工作完成后就可以為應用層做技術支撐，是云計算平臺各應用軟件的集合。應用層主要是用來對相關應用執行開發工作的，運用的是平臺層的軟件工具，然后對氣象站點進行監控、云平臺監控與管理、氣象服務等。氣象監測點和檢測設備是氣象站點監控的主要監控對象。云平臺監控與管理是對區域氣象中心的服務器節點，在氣象云平臺這樣大規模的數據環境中，如果不對服務器節點加以管理，很容易就出現因負載不均衡而導致的資源閑置或上層服務性能受影響的情況。氣象服務主要為氣象數據的采集、處理然后進行氣象產品的制作。

（4）大數據服務層。當應用層為相關軟件工具進行開發工作后，大數據服務層就可以根據相關應用進行大數據氣象服務。利用HBase的實時數據索引可以進行站點監控與云平臺監控功能。利用MapReduce對氣象數據進行分布式處理就可以完成數值預報和航空氣象產品的制作工作，并做好對用戶開放的相關服務工作[4]。

3 改善大數據航空氣象服務的策略

3.1 提高氣象大數據服務的安全性

由于航空飛行活動對氣象信息的依賴性太強，氣象產品的真實性和安全性直接關乎飛行的安全性，所以大數據技術應用于航空氣象方面給我們帶來很多便利的同時我們也要對其安全性進行嚴格把控。提高航空氣象大數據服務的安全性可以從以下幾個方面來考慮：

（1）數據加密。氣象大數據本身的價值性非常高，對核心機密數據加強防護仍然是維護大數據安全的重中之重。現在各個種類的大數據系統平臺采用了實時監控、防火墻以及各種安全應用等防護措施，但其仍存在漏洞，并且存在未經授權的用戶通過其他方式獲取到實際數據的現象，所以只有加強對關鍵數據的加密防護，才能有效地保障數據信息安全。

（2）訪問控制。現階段的訪問控制主要有兩大類：自主訪問控制和強制訪問控制。自主訪問控制中用戶擁有絕對的權限，可以自主生成訪問對象，并決定可使用訪問權限的用戶類型；強制訪問控制中系統會強制性控制用戶生成的對象，并且按照事先制定好的規則決定可使用訪問權的用戶類型。大數據系統平臺通過不斷接入新的服務器、存儲設備、網絡設備，并對系統間和服務期間的訪問權限進行控制等方式提高關鍵數據的安全性。

（3）統計分析。對大數據系統內部的安全問題進行自查也是降低大數據系統安全風險的重要手段，一般可采用統計分析的方法。統計分析分為統計設計、資料收集、整理匯總、統計分析和信息反饋五個階段。我們可以根據統計分析得出的結論來評估安全問題等級，并采取相應措施預防可能會出現的安全風險。

3.2 對氣象云平臺層進行優化部署

對云平臺層的應用副本進行優化是現階段平臺層優化部署的主要針對對象，一般分為本地計算節點優化部署和存儲平臺優化部署兩個方向。

（1）本地計算節點優化部署。本地計算節點應用部署模式可以將應用副本直接整合進入虛擬鏡像內，并隨虛擬機工作。在本地計算節點應用部署模式下，將重點針對軟件的應用邏輯架構進行優化，應用組件的差異性將提高不同組件的優化效果[5]。

（2）存儲平臺優化部署。在這個優化過程中，對獨立的應用副本在不同存儲技術構件下的云平臺的優化是云平臺的重點優化方向。由此，虛擬機可以重復執行相同應用，只需在現有的虛擬機上掛載應用副本。存儲平臺優化部署模式可以提高執行方式的靈活性和虛擬機的工作效率。

3.3 運用虛擬化技術

虛擬化是指對應的計算機元件在虛擬的基礎上進行運行，虛擬化技術不僅可以擴大硬件的容量還可以簡化軟件的重新配置過程。CPU的虛擬化技術允許多個操作系統在一個平臺上同時運行，而且各個應用程序可以互不影響的運行在相互獨立的空間內，從而使得計算機的工作效率得到顯著提升。根據我國民航氣象部門三級運行機制，可以將虛擬化技術應用于航空氣象領域，能夠改善預報員工作環境，減少工作用客戶端，提高辦公效率；通過動態資源配置可以提高業務靈活性；虛擬機可以實現快速轉移和復制，縮短故障響應時間。

4 結語

民航氣象信息的準確性和及時性關乎民航飛行活動的安全，大數據云計算技術為改善民航氣象服務帶來了新思路。在大數據技術為航空氣象領域帶來便利的同時我們也要嚴肅對待其安全性。在未來的發展中，氣象大數據會深入到氣象服務的方方面面，最終會建成完善的民航氣象大數據服務系統，全面改善航空氣象服務質量。