虛擬化在民航氣象領(lǐng)域的應(yīng)用前景分析

曹閃

摘要：民航氣象信息事業(yè)的蓬勃發(fā)展，正引起民航氣象IT系統(tǒng)的快速增長。IT硬件眾多，軟件重復(fù)開發(fā)，IT資源利用率低等問題在民航氣象領(lǐng)域正日益凸顯。同時，民航氣象運維人員的運行維護工作壓力與日俱增；預(yù)報員辦公環(huán)境因設(shè)備與線路復(fù)雜而不整潔，預(yù)報員辦公心情與辦公效率受到影響。本文結(jié)合民航氣象的三級管理體系，從理論與技術(shù)角度、以點帶面地方式展開了虛擬化在民航氣象信息領(lǐng)域的應(yīng)用前景分析，依次分析了虛擬化在機場氣象臺、民航地區(qū)氣象中心、民航氣象中心的可能應(yīng)用情況。據(jù)分析，虛擬化有助于整合IT資源與提升預(yù)報服務(wù)質(zhì)量，但因民航氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)涉及面廣，系統(tǒng)邏輯復(fù)雜，尚需多方探討方可應(yīng)用于實踐。

關(guān)鍵詞：虛擬化；云計算；航空氣象；氣象預(yù)報服務(wù)

中圖分類號：TP303

文獻標識碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2015.08.016

0 引言

隨著民航氣象事業(yè)的快速發(fā)展，民航網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)和信息化建設(shè)均得到了大力支持，氣象信息化設(shè)備與應(yīng)用軟件不斷增多，然而事實上僅有30%的IT資源被利用。目前如何實現(xiàn)對民航氣象IT資源的高效利用、降低設(shè)備維護成本、提升氣象人員工作環(huán)境正成為需要民航氣象技術(shù)人員考慮的問題。而虛擬化針對于此的一種有效辦法和技術(shù)。

1 民航氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)現(xiàn)狀

中國民用航空氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)依托民航氣象中心.民航地區(qū)氣象中心.機場氣象臺三級結(jié)構(gòu)創(chuàng)建而成，其中機場氣象臺作為氣象數(shù)據(jù)源頭通過自動觀測系統(tǒng)采集氣象信息后上傳至民航地區(qū)氣象中心和民航氣象中心。機場氣象臺自身是一個小型數(shù)據(jù)中心，其日常除需維護采集氣象數(shù)據(jù)的設(shè)備外還需維護數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、通信服務(wù)器、監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器?？梢?，機場氣象臺的運行支撐壓力很大。

目前七大地區(qū)中心的氣象數(shù)據(jù)理論上是一致的，從IT角度看，每個地區(qū)中心都可以作為一個民航氣象數(shù)據(jù)中心，設(shè)備數(shù)量多寡不一，但網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)大體一致。且各地為了提高突發(fā)性事件的應(yīng)對保障能力，應(yīng)用系統(tǒng)越來越多地采用“一主二備三應(yīng)急”的配置方式。因此，而隨著信息化建設(shè)的持續(xù)推進，服務(wù)器數(shù)量必將出現(xiàn)爆炸式增長。

絕大多數(shù)民航氣象單位為了保障重點業(yè)務(wù)正常運行，采用了一個服務(wù)器運行一個應(yīng)用。同時為了縮短故障響應(yīng)時間，對重點業(yè)務(wù)系統(tǒng)服務(wù)器采用雙機熱備方式；對不重要應(yīng)用系統(tǒng)采用冷備措施。因此一方面導(dǎo)致了IT資源利用率低，應(yīng)用系統(tǒng)多，設(shè)備維護工作繁瑣等現(xiàn)象；另一方面機房空間飽和、空調(diào)、電力負荷過大等問題也日益凸顯。

2 虛擬化技術(shù)簡介

通俗來講，虛擬化是指將一臺物理的計算機軟件環(huán)境分割為多個獨立分區(qū)，每個分區(qū)均可以按照需求模擬出一臺完整計算機的技術(shù)。模擬出來的計算機即虛擬機（Virtual Machine，簡稱VM）。虛擬化技術(shù)的實質(zhì)是通過中間層次實現(xiàn)計算機資源的管理和再分配，實現(xiàn)資源利用的最大化。虛擬化可以進行服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)、桌面應(yīng)用程序的整合，可以提高系統(tǒng)資源利用率，提高管理靈活性，節(jié)省服務(wù)器空間和電耗成本。與傳統(tǒng)IT資源分配的應(yīng)用方式相比，虛擬化有以下優(yōu)勢：虛擬化技術(shù)可以大大提高資源的利用率；提供相互隔離、安全、高效的應(yīng)用執(zhí)行環(huán)境；虛擬化系統(tǒng)能夠方便地管理和升級資源。

3 虛擬化應(yīng)用前景分析

基于民航氣象信息與虛擬化的現(xiàn)狀，服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)等虛擬化技術(shù)均可在民航氣象領(lǐng)域得到應(yīng)用?；诿窈綒庀笾行?民航地區(qū)氣象中心.機場氣象臺的三級體系，本文給出了以下三種可能的虛擬化應(yīng)用場景并加以分析。

3.1 各氣象單位獨立使用虛擬化技術(shù)

以民航氣象中心為例，目前一個預(yù)報員常用軟件有：重要天氣預(yù)告圖制作軟件，航管科技軟件，MICAPS系統(tǒng)，東西方預(yù)報平臺，數(shù)值預(yù)報可視化二期軟件；這里將這些軟件定義為一套預(yù)報服務(wù)系統(tǒng)。每個預(yù)報員需要一套預(yù)報服務(wù)系統(tǒng)，按目前實際情況，為方便預(yù)報員開展預(yù)報服務(wù)工作，每套預(yù)報服務(wù)系統(tǒng)需要2臺終端：一臺用于制圖與制作預(yù)報結(jié)論；一臺用于查看和參考氣象資料。此外，T639、MICAPS和數(shù)值預(yù)報額外各需一臺服務(wù)器，用于處理基礎(chǔ)氣象數(shù)據(jù)資料，處理結(jié)果提供給相應(yīng)的客戶端。為防止機器故障影響重要天氣預(yù)告圖的制作，中心需為重要天氣預(yù)告圖制作平臺提供一主兩備計算機；為高空風溫生成服務(wù)器提供一主一備計算機。其他監(jiān)控與管理類軟件不是提供預(yù)報服務(wù)的重要軟件，暫不在考慮虛擬化范圍之內(nèi)。本套系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如采用服務(wù)器虛擬化解決方案（可借助現(xiàn)有軟件Citrix XenServer、Windows Server Hyper-V或VMwareESX Server），選用2臺配置較高的小型機（16核CPU.32G內(nèi)存）作為宿主機，這兩臺宿主機組成一個服務(wù)器集群，每臺宿主機上安裝10個虛擬服務(wù)器；另配一臺服務(wù)器安裝虛擬機管理軟件來管理該服務(wù)器集群，機務(wù)人員具有超級管理員權(quán)限，可管理整套虛擬化系統(tǒng)。因MICAPS服務(wù)器、數(shù)值預(yù)報可視化二期服務(wù)器和T639數(shù)據(jù)處理服務(wù)器對機器性能要求較高，故為其分配配置較高的虛擬服務(wù)器（2核CPU，4G內(nèi)存），其他虛擬服務(wù)器配置一致（單核CPU，2G內(nèi)存），虛擬化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

此虛擬化解決方案有如下優(yōu)勢：

（1）預(yù)報員工作區(qū)環(huán)境整潔，辦公高效。預(yù)報甚至僅使用一臺瘦客戶端都可以開展工作；

（2）簡化了服務(wù)器部署、管理和維護工作，通過動態(tài)資源配置提高了業(yè)務(wù)的靈活適應(yīng)能力；

（3）在機房占用空間、散熱以及電力消耗等方面顯著降低了硬件消耗，響應(yīng)了國家節(jié)能減排的號召；

（4） Micaps和數(shù)值預(yù)報計算服務(wù)器給各預(yù)報員使用的虛擬終端數(shù)據(jù)傳輸效率得到提升；

（5）便于實現(xiàn)虛擬機的快速轉(zhuǎn)移和復(fù)制，因此故障響應(yīng)時間更短。機務(wù)人員保留每臺虛擬機的快照信息，當一臺虛擬機癱瘓時，可使用快照快速創(chuàng)建新的虛擬機給預(yù)報員使用，從而避免采用冷備方案。endprint

此解決方案可在民航各氣象單位通用，具體情況結(jié)合本單位設(shè)備、軟件情況而定。據(jù)了解，已有某些機場氣象臺將該解決方案付諸實踐，效果明顯。

3.2 構(gòu)建8大數(shù)據(jù)中心/存儲中心

3.2.1 民航氣象數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

根據(jù)調(diào)研，民航氣象各單位網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)基本類似，本文將各地民航氣象數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)共性抽象為以下邏輯示意圖，見圖3。民航地區(qū)氣象中心與機場氣象臺除具備民航氣象數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)外，還具備自觀、雷達、應(yīng)用、監(jiān)控等設(shè)備與系統(tǒng)。

可見，機場氣象臺作為數(shù)據(jù)源頭，需維護的設(shè)備除通信/數(shù)據(jù)庫服務(wù)器外，自觀、雷達等設(shè)備是維護部分的重中之重，而這些設(shè)備需出外場維護，維護歷時較長。

各地機場氣象臺存在技術(shù)能力參差不一，人員數(shù)量不一，資金配備有限等狀況，目前大部分機場氣象臺，尤其是西部偏遠地區(qū)機場氣象臺運行壓力很大。眾所周知，機場氣象臺數(shù)據(jù)庫中保存的數(shù)據(jù)是民航地區(qū)氣象中心的子集。因此，機場氣象臺可謂是一個微型數(shù)據(jù)中心，這無疑是一種資源的重復(fù)配置。

3.2.2 民航地區(qū)中心采用虛擬化解決方案

如采用虛擬化解決方案，將民航氣象中心與民航地區(qū)氣象中心構(gòu)建為8大數(shù)據(jù)中心兼顧存儲中心，即3.1節(jié)方案在7大地區(qū)中心的中等規(guī)模應(yīng)用。7大地區(qū)中心各自維護一套虛擬化集群系統(tǒng)，為其管轄的機場氣象臺提供虛擬終端，那么機場氣象臺只需維護終端和保障數(shù)據(jù)傳輸即可，無需維護數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用系統(tǒng)等，采用虛擬化解決方案后的網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖4。

從圖4可以看出，機場氣象臺的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)得以精簡，設(shè)備維護數(shù)量得以減少，解除了機場氣象臺數(shù)據(jù)庫入庫信息與地區(qū)中心不一致的情況，且有利于統(tǒng)一管理空管各機場氣象臺軟件使用情況。機場氣象臺由原來的兼顧收發(fā)報文簡化為專注于發(fā)報工作，其工作量大幅降低，運行壓力得以減輕，工作人員可將精力集中于維護氣象數(shù)據(jù)采集設(shè)備。節(jié)省的服務(wù)器及相關(guān)維護資金可用于購置高精專氣象數(shù)據(jù)采集設(shè)備與建設(shè)更獨特的個性化需求上，以便進一步使民航氣象服務(wù)向高精專方向發(fā)展。

3.3 構(gòu)建民航氣象云

為了能更高效的整合民航氣象系統(tǒng)資源，可在整個民航氣象范圍內(nèi)使用虛擬化技術(shù)。但是上文中提到的虛擬機架構(gòu)不適合大規(guī)模應(yīng)用場景，因為此時不僅需要管理虛擬機還需管理存儲、網(wǎng)絡(luò)和CPU資源。而云計算系統(tǒng)正是這樣的虛擬機資源管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括虛擬機、存儲、網(wǎng)絡(luò)和CPU的管理。

云計算技術(shù)上的實現(xiàn)，需要虛擬化、并行計算、效用計算、網(wǎng)絡(luò)存儲和負載均衡等舊有的技術(shù)。按云計算的應(yīng)用場景，可將云分為私有云和公有云；二者的區(qū)別在于應(yīng)用場景，私有云僅供本單位或本系統(tǒng)使用，公有云則是面向需要云計算資源的所有單位和個人。

民航氣象數(shù)據(jù)庫業(yè)務(wù)系統(tǒng)自成一體，通過ATM網(wǎng)絡(luò)在各民航空管氣象單位傳輸數(shù)據(jù)。目前民航氣象中心為了提升民航氣象服務(wù)質(zhì)量，建設(shè)了航空氣象服務(wù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過Internet提供民航氣象數(shù)據(jù)資料、預(yù)報服務(wù)、最新機場天氣情況等。

因此可在整個民航氣象范圍內(nèi)構(gòu)建民航氣象混合云。采用混合云后，整個民航氣象系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)就發(fā)生了巨大變化，如圖5所示。

圖5涉及云計算的三層架構(gòu)，即IaaS（Infrastructure as a Service）、PaaS（Platform as a Service）、SaaS（Software as a Service）?，F(xiàn)簡單解釋如下：

IaaS基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)，包括物理機的管理、虛擬機的管理和存儲的管理等。

PaaS平臺即服務(wù)，主要為構(gòu)建好的虛擬機。

SaaS軟件即服務(wù)，主要為各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

采取該方案的優(yōu)勢：

（1）資源統(tǒng)一管理與有效利用。機務(wù)人員只需管理物理服務(wù)器，且無需了解上層應(yīng)用。按需分配虛擬機，當需求量少時，關(guān)閉空閑的服務(wù)器以節(jié)省電量。

（2）民航氣象數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)信息統(tǒng)一，各民航空管氣象單位共用同一數(shù)據(jù)庫；便于幫助各氣象臺提升氣象數(shù)據(jù)質(zhì)量。

（3）加速民航氣象應(yīng)用開發(fā)。當需要增加新的應(yīng)用時，無需從底層硬件開始搭建整個系統(tǒng)，可直接調(diào)用Paas的各接口。

（4）按需定制。各使用單位可根據(jù)自身需求確定接人云計算系統(tǒng)的哪一層。

a）技術(shù)、管理等能力強的單位，如民航地區(qū)氣象中心和民航機場氣象臺，可按需提出硬件需求，即接人IaaS層，建立自身平臺和軟件應(yīng)用；亦可接人PaaS層，在虛擬機上直接部署應(yīng)用；但可節(jié)省硬件維護成本與機房空間；

b）技術(shù)能力較差，資金壓力大的機場，如部分民航屬地化機場，可接人SaaS層，直接使用民航系統(tǒng)內(nèi)通用的預(yù)報服務(wù)應(yīng)用；民航屬地化機場只需維護PC終端即可使用質(zhì)量可靠的應(yīng)用程序，無需重復(fù)開發(fā)軟件，且更容易與先進的預(yù)報服務(wù)技術(shù)對接。

2015年是云計算系統(tǒng)在中國的落地元年，具體應(yīng)用效果尚不明朗，且民航氣象人員尚不具備過硬的技術(shù)能力，因此構(gòu)建民航氣象云將是一個長遠的浩大工程。

4 結(jié)論

本文結(jié)合民航氣象的三級結(jié)構(gòu)，從技術(shù)角度對虛擬化在民航氣象領(lǐng)域的應(yīng)用前景在理論上進行了探索與分析。民航氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)涉及范圍關(guān)系，關(guān)系民航萬千旅客的安全，故虛擬化在民航氣象領(lǐng)域的應(yīng)用尚需多方研究與探討。本文談及的三種技術(shù)方案的在民航氣象領(lǐng)域發(fā)展不一，為了能使虛擬化、云計算發(fā)揮更大的作用，本文認為具備條件的各民航氣象單位可在不影響現(xiàn)有民航業(yè)務(wù)的前提下嘗試使用虛擬化技術(shù)，以為日后深化應(yīng)用探索道路與總結(jié)經(jīng)驗。endprint