基于云服務(wù)和WebGIS的機(jī)場氣象服務(wù)平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王偉 周麗君 陶慧青 陳沖

摘要：強(qiáng)天氣的頻繁發(fā)生嚴(yán)重影響機(jī)場的日常運(yùn)行和調(diào)度決策，收集分析機(jī)場的用戶需求后，基于阿里云服務(wù)進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了前后端分離、模塊化的WebGIS機(jī)場氣象服務(wù)平臺。平臺集成了實(shí)況、預(yù)報(bào)預(yù)警、短臨監(jiān)測模塊于一體，界面友好、響應(yīng)迅速，在多個天氣過程中為機(jī)場平穩(wěn)運(yùn)行保駕護(hù)航，切實(shí)為機(jī)場的調(diào)度決策提供了有力的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：機(jī)場氣象；阿里云；WebGIS；模塊化

中圖分類號：TP393文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2022）01-65-5

0引言

復(fù)雜的氣象條件為航空的正常運(yùn)行增添了諸多不利因素，由天氣造成的嚴(yán)重航空事故占比為10%～15%[1]，而由局地強(qiáng)對流、大風(fēng)等惡劣天氣引起的航班延誤等情況更是屢見不鮮，因此為了保障航空的平穩(wěn)安全運(yùn)行和提前風(fēng)險(xiǎn)防范，構(gòu)建專業(yè)化、集約化的航空氣象服務(wù)平臺迫在眉睫[2]。

傳統(tǒng)的航空氣象服務(wù)主要依賴于有經(jīng)驗(yàn)的預(yù)報(bào)員結(jié)合觀測資料進(jìn)行提供，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，服務(wù)平臺逐漸由功能單一的、零散的C/S平臺向資源集約化、輕量級的B/S平臺轉(zhuǎn)化[3-7]。依賴傳統(tǒng)氣象服務(wù)手段的義烏機(jī)場對功能集約、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)的航空氣象服務(wù)平臺的需求越來越強(qiáng)。

基于模塊化的設(shè)計(jì)思路可以構(gòu)建集實(shí)況、預(yù)報(bào)、預(yù)警、短臨于一體的綜合性的航空氣象服務(wù)平臺，為機(jī)場提供精準(zhǔn)的實(shí)況監(jiān)測站點(diǎn)、格點(diǎn)數(shù)據(jù)、預(yù)報(bào)格點(diǎn)數(shù)據(jù)、預(yù)警數(shù)據(jù)、雷達(dá)數(shù)據(jù)和強(qiáng)對流天氣等重要航空氣象數(shù)據(jù)。后端基于阿里云架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)，支持高并發(fā)和大數(shù)據(jù)量的計(jì)算，實(shí)時性高、穩(wěn)定性強(qiáng)。前端基于WebGIS技術(shù)，可以將大量復(fù)雜的氣象數(shù)據(jù)在地圖上進(jìn)行實(shí)時的多維度渲染，站點(diǎn)格點(diǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時繪制有效避免了傳統(tǒng)ArcGIS地圖服務(wù)資源消耗、效率低下和服務(wù)器不穩(wěn)定、地圖異常等問題。平臺前后端分離，低耦合性低、維護(hù)成本低，基于WebGIS的機(jī)場氣象服務(wù)展示更為直觀，平臺實(shí)時的氣象產(chǎn)品渲染展示為機(jī)場提供精準(zhǔn)的氣象數(shù)據(jù)服務(wù)，為航空的安全平穩(wěn)運(yùn)行提供切實(shí)有效的技術(shù)和服務(wù)支撐。

1需求分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

航空安全平穩(wěn)的運(yùn)行狀態(tài)與天氣狀態(tài)實(shí)況、未來發(fā)展趨勢等有著密切的聯(lián)系。機(jī)場所在位置的氣象要素監(jiān)測和未來天氣預(yù)報(bào)對于飛機(jī)的正常起飛和機(jī)場的正常運(yùn)營至關(guān)重要，而航空空域的天氣實(shí)況和精密預(yù)報(bào)則為航空安全保障和氣象風(fēng)險(xiǎn)防范提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。義烏機(jī)場氣象服務(wù)系統(tǒng)主要考慮機(jī)場重點(diǎn)關(guān)注的實(shí)況、預(yù)報(bào)、預(yù)警、短臨等氣象數(shù)據(jù)的集約化展示，以及針對機(jī)場的單點(diǎn)氣象服務(wù)，實(shí)況數(shù)據(jù)主要來源于浙江省網(wǎng)絡(luò)信息中心的精細(xì)化實(shí)況格點(diǎn)產(chǎn)品和自動站觀測數(shù)據(jù)，預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)主要來源于浙江省氣象臺的智能網(wǎng)格數(shù)據(jù)和其他預(yù)報(bào)產(chǎn)品，預(yù)警數(shù)據(jù)來源于國家突發(fā)預(yù)警平臺，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠、實(shí)時性高，能夠?yàn)楹娇盏钠椒€(wěn)安全運(yùn)行提供實(shí)況天氣監(jiān)測、未來天氣預(yù)測和災(zāi)害預(yù)警防范等多方位保障[8]。

基于需求分析，對義烏機(jī)場氣象服務(wù)平臺進(jìn)行如下設(shè)計(jì)：數(shù)據(jù)和后端服務(wù)模塊基于阿里云服務(wù)器設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)按不同數(shù)據(jù)類型分別存儲于云數(shù)據(jù)庫RDS和HBASE，極大地提升了數(shù)據(jù)的讀寫效率，尤其是大數(shù)據(jù)的并發(fā)處理表現(xiàn)優(yōu)異。對外接口的開發(fā)基于阿里云的企業(yè)級分布式應(yīng)用服務(wù)（Enterprise Distributed ApplicationService，EDAS），支持部署于Kubernetes，ECS，無侵入支持Java，Python，PHP，.NetCore等多語言應(yīng)用的發(fā)布運(yùn)行和服務(wù)治理，享受應(yīng)用監(jiān)控報(bào)警、鏈路追蹤及日志采集等能力。前端數(shù)據(jù)模塊基于Ajax進(jìn)行數(shù)據(jù)的異步調(diào)用和解析，加載效率高。展示模塊基于lealfet輕量級的地圖組件進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)的實(shí)時渲染和展示，解決了ArcGIS服務(wù)異常引起的GIS圖層調(diào)用異常等問題。

義烏機(jī)場氣象服務(wù)系統(tǒng)模塊如圖1所示，主要分為4個功能模塊。

2關(guān)鍵技術(shù)

2.1服務(wù)端技術(shù)

系統(tǒng)采用4層架構(gòu)設(shè)計(jì)，各層之間耦合性低，有利于分工協(xié)作，系統(tǒng)代碼重用性高，提升了開發(fā)效率，基于阿里云架構(gòu)的后端架構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性高、數(shù)據(jù)存儲安全可靠、訪問效率高、維護(hù)成本低，阿里云架構(gòu)如圖2所示。

（1）展現(xiàn)層

基于HTML/HTML5/Vue/CSS3開發(fā)Web前端頁面，兼容主流瀏覽器。展現(xiàn)層和數(shù)據(jù)層完全分離，通過跨域?qū)崿F(xiàn)前后端數(shù)據(jù)通信。基于leaflet地圖類庫、Echarts圖表插件、layui類庫對氣象實(shí)況、預(yù)報(bào)預(yù)警的站點(diǎn)和格點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀展示。

（2）通信層

基于阿里云CDN實(shí)現(xiàn)靜態(tài)數(shù)據(jù)加速；基于阿里云SLB，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器負(fù)載均衡；基于TCP/HTTP/HTTPS三種通信方式，實(shí)現(xiàn)前后端數(shù)據(jù)通信。

（3）服務(wù)層

主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)邏輯的處理，包括地圖數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理、氣象數(shù)據(jù)的解析同步操作及格式轉(zhuǎn)換，以及阿里云API接口開發(fā)。

（4）數(shù)據(jù)層

主要有以下2個板塊：

MySQL：存儲事務(wù)性數(shù)據(jù)以及關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)的數(shù)據(jù)，如氣象站點(diǎn)、站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)等。

HDFS：存儲氣象數(shù)據(jù)文件、圖片，如MICAPS4類氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、預(yù)警圖標(biāo)、地圖數(shù)據(jù)文件等。

2.2前端技術(shù)

前端界面框架開發(fā)基于HTML5、CSS3以及成熟的BootStrap、layui組件，界面交互友好、響應(yīng)快、適配性好。數(shù)據(jù)展示主要基于WebGIS進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)的可視化表達(dá)，利用leaflet輕量級地圖組件、Echarts圖表組件等進(jìn)行氣象站點(diǎn)、格點(diǎn)、短臨等多源數(shù)據(jù)的渲染展示，數(shù)據(jù)視圖更為直觀。數(shù)據(jù)調(diào)用處理基于Ajax異步實(shí)時調(diào)用，訪問迅速快、解析效率高[9]。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

3.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由后端4個子系統(tǒng)和前端平臺4部分組成，即數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、云服務(wù)系統(tǒng)以及義烏機(jī)場氣象服務(wù)平臺，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

3.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要采集來自浙江省網(wǎng)絡(luò)中心、浙江省氣象臺的信息數(shù)據(jù)庫氣象數(shù)據(jù)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)以及基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫，主要包括雷達(dá)、全省站點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、格點(diǎn)數(shù)據(jù)文件、強(qiáng)天氣預(yù)報(bào)文件、地圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等。主要實(shí)現(xiàn)對多源數(shù)據(jù)的讀取、同步、解析、數(shù)據(jù)清洗、標(biāo)準(zhǔn)化處理等操作，最終輸入到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理操作。

3.1.2數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并進(jìn)行實(shí)時處理為數(shù)據(jù)產(chǎn)品輸入需要的格式，同步至云服務(wù)模塊，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)如圖4所示。

系統(tǒng)將格點(diǎn)、站點(diǎn)數(shù)據(jù)以及強(qiáng)天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)處理是地圖服務(wù)支持的點(diǎn)線面等規(guī)范化數(shù)據(jù)格式；將雷達(dá)數(shù)據(jù)解析為GeoJSON的數(shù)據(jù)格式；將預(yù)警數(shù)據(jù)解析為JSON序列化數(shù)據(jù)格式。

3.1.3云服務(wù)系統(tǒng)

將數(shù)據(jù)處理模塊處理的各類規(guī)范化數(shù)據(jù)文件進(jìn)行存儲、分發(fā)和API接口發(fā)布。接口統(tǒng)一返回JSON格式的數(shù)據(jù)格式并支持跨域，接口安全性等級高、響應(yīng)迅速，異步加載數(shù)據(jù)支持高并發(fā)接口調(diào)用，頁面訪問更加流暢高效。

3.2平臺實(shí)現(xiàn)

3.2.1重要關(guān)注點(diǎn)氣象服務(wù)模塊

重點(diǎn)關(guān)注點(diǎn)氣象服務(wù)模塊展示了義烏機(jī)場所在位置的實(shí)時天氣信息（溫度、風(fēng)、濕度、能見度、天氣現(xiàn)象）、24 h內(nèi)的逐時預(yù)報(bào)信息（天氣現(xiàn)象、溫度、降水）以及未來3天的逐日預(yù)報(bào)信息（天氣現(xiàn)象、最低最高溫度、風(fēng)速風(fēng)向），能夠?yàn)闄C(jī)場提供精準(zhǔn)的關(guān)注點(diǎn)氣象服務(wù)，對于機(jī)場的平穩(wěn)運(yùn)行和調(diào)度決策提供有力的數(shù)據(jù)支撐。重要關(guān)注點(diǎn)氣象服務(wù)模塊如圖5所示。

3.2.2實(shí)況模塊

格點(diǎn)實(shí)況模塊如圖6所示，分為實(shí)況監(jiān)測站點(diǎn)模塊和實(shí)況格點(diǎn)產(chǎn)品模塊，分別提供全省實(shí)況自動站產(chǎn)品（風(fēng)力、降水、溫度、能見度、相對濕度、地閃、天氣現(xiàn)象）和全省實(shí)況格點(diǎn)產(chǎn)品（風(fēng)力、降水、溫度、最高溫度、最低溫度、天氣現(xiàn)象、能見度）的展示。實(shí)況站點(diǎn)模塊以站點(diǎn)標(biāo)注的形式展示各站點(diǎn)的氣象要素值信息，實(shí)況格點(diǎn)模塊則以等值線和等值面的形式進(jìn)行氣象要素的表達(dá)，數(shù)據(jù)更新頻次快、數(shù)據(jù)信息表達(dá)直觀，為機(jī)場提供準(zhǔn)確及時的氣象實(shí)況信息，格點(diǎn)實(shí)況模塊如圖7所示。

3.2.3短臨監(jiān)測模塊

短臨監(jiān)測是機(jī)場比較關(guān)注的重點(diǎn)模塊之一，短臨天氣的發(fā)展變化對于飛機(jī)的飛行以及機(jī)場的調(diào)度和決策具有重要影響。短臨監(jiān)測模塊如圖8所示，提供雷達(dá)回波、雷達(dá)回波追蹤、未來短臨4類強(qiáng)天氣（大風(fēng)、冰雹、降水、雷電）預(yù)報(bào)產(chǎn)品、衢州和金華的單站雷達(dá)產(chǎn)品，豐富的短臨產(chǎn)品對于機(jī)場掌握天氣發(fā)展趨勢、輔助機(jī)場調(diào)度和決策具有重要作用。

3.2.4預(yù)報(bào)模塊

預(yù)報(bào)模塊主要包括短期預(yù)報(bào)和短期預(yù)報(bào)產(chǎn)品，為未來24 h的逐小時格點(diǎn)預(yù)報(bào)和未來3天逐3 h預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)要素為風(fēng)、降水、平均溫度、最高溫度和相對濕度。該模塊利用WebGIS進(jìn)行要素格點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品的等值線、面、格點(diǎn)值疊加等形式，多頻次多要素的預(yù)報(bào)產(chǎn)品為機(jī)場了解短期天氣趨勢提供了有力的支撐，對于機(jī)場未來的調(diào)度安排和票務(wù)運(yùn)營具有重要的指導(dǎo)作用。

4應(yīng)用效果

機(jī)場氣象服務(wù)平臺自2019年起正式投入運(yùn)行，為機(jī)場提供氣象服務(wù)保障，系統(tǒng)應(yīng)用效果如圖10所示。在多次重要天氣過程中表現(xiàn)出色，為機(jī)場提供了實(shí)時的氣象實(shí)況短臨及預(yù)報(bào)預(yù)警信息，為機(jī)場調(diào)度和決策提供了有力的氣象支撐，有效規(guī)避了強(qiáng)天氣帶來的航空風(fēng)險(xiǎn)。并且在運(yùn)行過程中不斷地進(jìn)行優(yōu)化和改造并逐漸趨于穩(wěn)定，切實(shí)為機(jī)場提供了氣象數(shù)據(jù)的服務(wù)和強(qiáng)天氣過程的保障工作。

5結(jié)束語

在充分調(diào)研機(jī)場用戶氣象數(shù)據(jù)需求的基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)場氣象服務(wù)平臺的研發(fā)，平臺采用前后端分離的架構(gòu)模式進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，耦合度低，高度模塊化。服務(wù)端基于阿里云架構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和服務(wù)接口開發(fā)，穩(wěn)定性強(qiáng)、服務(wù)效率高、數(shù)據(jù)流程更優(yōu)化。展示端基于WebGIS進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)的可視化表達(dá)，表達(dá)直觀、渲染速度快、頁面加載迅速。平臺運(yùn)行穩(wěn)定、交互友好，創(chuàng)新了氣象服務(wù)在航空領(lǐng)域服務(wù)的手段，對未來航空氣象的進(jìn)一步發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前平臺更多地局限于航空領(lǐng)域比較關(guān)注的氣象數(shù)據(jù)的展示，在行業(yè)數(shù)據(jù)融合和影響分析方面還很薄弱，下一步將重點(diǎn)考慮航空和氣象數(shù)據(jù)的融合展示和影響分析，將氣象數(shù)據(jù)應(yīng)用和展示的更具航空特色，進(jìn)一步開拓創(chuàng)新了航空氣象的新手段、新形式。

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