基于阿里云的臺風路徑實時發布系統研究

駱小龍等

摘 要： 在云計算和阿里云概念基礎上，詳細闡述了基于阿里云平臺的臺風路徑實時發布系統的框架結構和功能設計。通過整合相關汛情信息資源，構建云環境下一體化多終端自適應的應用服務平臺，為防汛指揮決策、氣象水情分析及社會公眾服務提供多層次全方位的信息服務。該系統充分利用阿里云平臺大規模、虛擬化、高可靠性、高可擴展性等特點，實現了計算資源的自動彈性動態調整，在實際防臺工作中得到了很好的應用。

關鍵詞： 云計算； 阿里云； 彈性計算； 臺風路徑； 汛情信息

中圖分類號：TP393 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2015）02-15-04

Research of real-time typhoon path publishing system based on Alibaba cloud

Luo Xiaolong1， Yu Kaisen1， Yu Jinming2， Huang Kang1

（1. Information Management Center of Zhejiang Water Resources， Hangzhou， Zhejiang 310009， China； 2. Zhejiang Dayu Information Technology Co.， Ltd.）

Abstract： After giving the concept of cloud computing and Alibaba cloud， the framework and function design of the real-time typhoon path publishing system based on Alibaba cloud are elaborated. Through the integration of the relevant flood information resources， a multi-terminal adaptive application service platform is constructed based on cloud environment， to provide multiple levels and a full range of information services for flood control decision， meteorological hydrological analysis and social public service. The system makes full use of the cloud platform virtualization， large-scale， high reliability and good scalability， automatic elastic dynamic adjustment of computing resources is realized. The system has a good application value in the actual defense typhoon work.

Key words： cloud computing； Alibaba cloud； elasticity computing； typhoon path； flood information

0 引言

我國是世界上遭受臺風影響最頻繁和最嚴重的國家之一，每年臺風都會給我國造成巨大的經濟損失和人員傷亡[1]。浙江省地處我國東南沿海，更是臺風的重災區，其伴隨的狂風、巨浪、暴雨及引發的風暴潮、洪澇、滑坡、泥石流等一系列災害，給人民生命財產的帶來巨大威脅。如9417、9711號臺風分別給浙江省造成了177.6億元和197.7億元的損失。2004年的“云娜”臺風，浙江省受災人口1299萬人，死亡164人，直接經濟損失達181.23億元[2]。因此，準確、及時地對臺風進行預測預警對防災減災和保障國民經濟建設具有重要意義[3]。

多年來，水利、防汛和氣象部門都在積極開展利用信息技術實現臺風信息管理和發布等方面研究，并形成了不同時期的多個版本臺風發布系統。總體而言，臺風發布系統在不同歷史時期的臺風預警預測、防災減災等工作中都發揮了很好的作用，為防汛防臺輔助決策提供了強有力的技術支撐，但是，就目前來看，之前的系統存在共同的不足之處：①受技術、硬件設施等制約，系統的并發訪問量有限，無法承載社會公眾大流量的訪問請求；②系統涉及的信息單一，除臺風信息外，無法將云圖、降雨等相關汛情信息有機串聯。

隨著互聯網，特別是移動互聯網的高速發展，網絡用戶量急劇飆升，社會公眾對臺風等災害天氣的關注程度越來越高，互聯網用戶的基數不斷增加。為打破以往臺風發布系統應用時經常面臨的“平常時刻好用不要用，關鍵時刻想用不能用”的尷尬局面，需要全新打造基于云計算環境下的臺風發布系統，建立真正面向社會公眾和行業用戶于一體，互聯網和移動互聯網自適應的防臺預警發布平臺，充分利用云計算的彈性計算能力，來解決系統突發訪問量和用戶應急響應問題。

1 云計算和阿里云

1.1 云計算

云計算是網格計算、分布式計算、并行計算、效用計算、網絡存儲、虛擬化、負載均衡等技術發展融合的產物，被認為是信息產業的又一次革命[4]。如同人們用水不需要考慮建設水廠、用電不需要考慮電力基礎設施一樣，云計算使人們在處理業務時，不需要自建應用系統、自購服務器和存儲設備，轉而通過利用云計算服務提供商的資源實現事務處理和數據保存，消費者只需為使用這些資源支付費用。

NIST（美國國家標準技術研究院）定義云計算是一個提供便捷的通過互聯網訪問一個可定制的IT資源共享池能力的按使用量付費模式（IT資源包括網絡，服務器，存儲，應用，服務），這些資源能夠快速部署，并只需要很少的管理工作或很少的與服務供應商的交互[5]。當前，NIST定義的云架構得到普遍認同，包括五個關鍵特征、三個服務模式和三個部署模型[6]。五個關鍵特征代表云計算與傳統計算模式的關系與差異，分別是①按需自服務、②寬帶接入、③虛擬化的資源池、④快速彈性架構、⑤可測量的服務。云服務的交付可以分為三種基本模式以及不同的衍生組合，三種基本模式分別是①IaaS（Infrastructure as a service）基礎設施即服務，指將計算、網絡、存儲等硬件基礎設施作為服務供用戶使用；②PaaS（Platform as a service）平臺即服務，是講程序的運行平臺作為服務提供給用戶；③SaaS（Software as a service）軟件即服務，是指講默寫特定軟件作為服務，允許用戶通過網絡來訪問這些應用。

根據云計算基礎設施擁有、管理、使用和部署場所等不同，云計算的三個部署模型劃分是私有云、公共云和混合云。私有云的基礎架構是企業或組織單獨擁有和使用的；公有云是由若干用戶或企業共享的云環境；混合云則是公有云和私有云的混合形式。由于安全性、隱私性是當前公有云面臨的嚴峻挑戰，私有云和混合云成為當前企業主要的采用形式。

1.2 阿里云

阿里云是阿里巴巴旗下全資子公司——阿里云計算有限公司打造的一款公共、開放的云計算服務平臺，其數據中心位于杭州、上海、香港等地，擁有全國最大內容分發網絡（CDN），遍布全國的200多個CDN節點，多運營商BGP接入。平臺核心為自助研發的飛天云OS，體系架構如圖1所示。云OS是融云數據存儲、云計算服務和云操作系統為一體的云智能移動操作系統， 基于Linux內核以及WebKit、OpenGL和SQLite等開源庫，為上層的飛天開放服務提供計算、存儲和調度等方面的底層支持，包括協調服務、遠程過程調用、安全管理、資源管理等構建分布式系統常用的底層服務。

飛天開放平臺負責管理數據中心Linux集群的物理資源，控制分布式程序運行，隱藏下層故障恢復和數據冗余等細節，把數以千計的服務器聯成一臺“超級計算機”，并把這臺超級計算機的存儲資源和計算資源，以公共服務方式提供給互聯網上的用戶，為用戶應用程序提供計算和存儲兩方面接口和服務。這些接口和服務包括彈性計算服務（ECS）、開放存儲服務（OSS）、開放結構化數據服務（OTS）、關系型數據庫服務（RDS）和開放數據處理服務（ODPS），并基于彈性計算服務提供了云服務引擎（ACE）作為第三方應用開發和Web應用運行和托管的平臺。

2 系統設計

2.1 系統定位

臺風路徑實時發布系統（以下簡稱“系統”）是以阿里云計算平臺為載體，以互聯網電子地圖為基礎，實時采集發布臺風路徑、實時水雨情、衛星云圖等汛情信息，并面向用戶提供發布服務的防臺減災應用系統。系統設計開發必須同時滿足以下四個方面目標。

⑴ 應用環境全云化。系統涉及數據采集、處理、存儲、發布、應用等過程均采用阿里云計算平臺，充分利用阿里云彈性計算服務、負載均衡等功能，徹底解決系統應用時高突發訪問量的響應瓶頸。

⑵ 應用終端全覆蓋。系統應用終端突破PC客戶端的限制，擴展到平板電腦、智能手機等移動終端。系統能自動判別應用終端的瀏覽器版本并推送與之適應的系統界面和功能。

⑶ 行業內外全顧及。系統發布于互聯網上，以服務社會公眾為基礎，突出行業內專業用戶的防臺減災增值服務功能，做到全面兼顧，內外有別，重點突出。

⑷ 歷史過程全回顧。系統不僅能展示臺風實時信息，也可以臺風事件為主線，全過程回顧歷史臺風發生的當時場景，包括云圖、降雨、視頻、部署等信息。

2.2 總體架構

系統基于J2EE體系架構，采用B/S（服務器端/客戶端）結構，以MyEclipse和JavaBean作為開發環境，以開源的JavaScript地圖引擎為基礎，在數據采集、處理、存儲、服務、發布等各個環節全線應用阿里云產品服務，系統總體架構如圖2所示。

⑴ 基礎設施層：以彈性計算服務（ECS）和開放存儲服務（OSS）為載體，為系統和數據提供彈性計算和存儲的環境，解決以往系統開發時構建和管理硬件資源的困擾。彈性計算服務（ECS）以分布式計算系統為基礎，基于虛擬化、分布式存儲等云計算技術，把計算和存儲的基礎資源（服務器、交換機、存儲設備等）整合在一起，通過Web方式為系統提供計算能力服務；開放存儲服務（OSS）支持系統數據的海量文件儲存，可多地同時調用呈現，簡化用戶數據管理、遷移和更新工作。

⑵ 數據庫層：利用關系型數據庫服務（RDS）和開放結構化數據服務（OTS）構建并管理系統所需的各類汛情數據庫，包括臺風、雨情、云圖、工程圖片、文檔資料等。關系型數據庫服務（RDS）提供即時接入、彈性伸縮，支持系統所需的SQL Server關系型數據庫，通過Web方式為系統提供可以在幾分鐘內生成并投入生產的、經過優化的數據庫實例；開放結構化數據服務（OTS）以數據表的形式組織數據，保證強一致性，提供跨表的事務支持，并提供視圖和分頁的功能來加速查詢。

⑶ 業務邏輯層：借助開放數據處理服務（ODPS）以WEBSERVICE方式搭建各類汛情數據和地圖訪問的接口，為系統調用提供服務。開放數據處理服務（ODPS）是大規模分布式數據處理服務，以RESTful API的形式支持基于描述性查詢語言SQL的數據處理，并提供MapReduce的并行計算框架，非常適用于系統的海量數據統計。

⑷ 系統應用層：建立面向互聯網和移動互聯網用戶的系統平臺，利用鏈路負載均衡（SLB），通過設置虛擬IP，把位于同一數據中心的多臺云服務器資源虛擬成一個高性能、高可用的應用服務池，再根據應用特性，把來自客戶端的網絡請求分發到云服務器池中。

⑸ 終端表現層：提供最終人機交互界面，將系統和數據在不同終端和不同瀏覽器中很好地展現。

2.3 安全機制

系統涉及的實時信息多，數據量大，準確性要求高。在防臺期間，系統重要性尤為顯著，因此系統的安全問題非常突出。經過深入研究，系統安全應重點做好系統數據安全和運行環境安全兩個方面。

⑴ 系統數據安全。體現于數據采集及時，數據準確，發布有序。①建立數據的多源采集機制，確保數據采得到，采得快。如，針對互聯網電子地圖數據，借助于業界更新快、圖源相對穩定的谷歌、高德和天地圖，并可自主切換。②建立數據的自動糾錯回滾機制，確保數據準確。如，針對自動采集的實時雨情信息，通過數據糾錯、比對、清洗等環節，降低數據錯誤率。③建立數據的賬戶授權訪問機制，確保數據的定向發布。系統對實時雨情、工程視頻等數據授權面向行業專業用戶訪問。

⑵ 運行環境安全：充分選用阿里云平臺專門為系統定制的云盾和云監控服務，確保系統運行環境安全。云盾為系統部署的各云服務器提供一站式安全增值服務，包括網頁漏洞檢測、網頁掛馬檢測等安全體檢和防DDOS 服務、端口安全檢測、網站后門檢測、主機密碼暴力破解防御等安全管家功能，防止系統被攻擊。云監控自動為系統提供包括網站、Ping、TCP端口、UDP端口、DNS、POP3、SMTP、FTP等端口的監控服務，可以及時發現故障并通過多種方式告警。

3 系統功能

3.1 多源地圖

系統以JavaScript地圖引擎為基礎，建立支持谷歌、高德、天地圖等多圖源的互聯網電子地圖，作為臺風路徑發布和相關汛情信息定位疊加、展示時的底圖，并通過位置糾偏矯正和地圖視野范圍預置，實現信息展示時的精確定位和視野自動縮放。多圖源調用既可避免圖源無法連接的單點故障發生，又能兼顧某類圖源更新周期過長帶來的底圖版本陳舊問題，充分保障系統有圖可用，有圖好用。不同圖源間的配置和切換由系統后臺管理統一設定，每類圖源支持以下功能。

⑴ 地圖切換：圖源提供線劃圖、地形圖、衛星圖等多種地圖模式，由用戶自主選擇。

⑵ 地圖操作：支持縮放、漫游、測距、畫筆、打印等基本地圖操作。地圖縮放分13個等級，且以第3級為界，自動顯示或隱藏臺風24小時和48小時警戒線；臺風數據加載完成后，地圖視野自動跳轉地圖第4級，以臺風中心點作為地圖中心點，查看整條臺風路徑最佳視野。

3.2 臺風路徑

系統實時采集西太平洋上當前活動的熱帶氣旋和相關信息，包括名稱、位置、中心風力、最大風速、中心氣壓、移動速度、移動方向、風圈半徑等，并整合國內外多家氣象機構的臺風預報信息[8]，按6個等級（熱帶低壓、熱帶風暴、強熱帶風暴、臺風、強臺風、超強臺風），通過不同顏色的點線方式在互聯網電子地圖上展示臺風的移動軌跡和預計移動方向，直觀表達臺風發生、發展和消亡的變化過程。除當前臺風信息外，系統還收集了1945年以來的歷年臺風信息，支持按年度、編號、名稱等關鍵字模糊檢索和按年度平鋪式瀏覽查詢。

3.3 衛星云圖

衛星云圖信息來源于日本MSTAT衛星[9]，通過地面處理接收站以30分鐘1次的頻率自動從MSTAT衛星接收高清紅外圖片，按WGS84坐標系統和墨卡托投影[10]生成，可反映西太平洋上東經85度--160度之間區域范圍的天氣情況，清晰、直觀展現西太平洋區域的云系分布情況。系統對每一張接收的衛星云圖圖片通過后臺服務程序自動進行脫底透明化和圖像壓縮等預處理工作，最終形成1024×768像素尺寸、保留云系的透明云圖。預處理后的透明云圖可供系統調用，根據云圖覆蓋范圍的經緯度坐標信息，與系統調用的互聯網電子地圖精準疊加覆蓋，并支持與電子地圖的同步縮放。

3.4 實時雨情

系統擁有浙江全省范圍內2000多個雨量站的實時降雨量信息，以每小時1次的頻率更新。根據防汛工作需要，降雨量對應的時段范圍可分最近1h、3h、6h、12h、24h和場（特指臺風影響浙江時刻起至當前時刻或臺風影響結束時刻的降雨時段）。降雨量信息展示以點狀標注和列表顯示相結合，并做到表與點聯動。在地圖上，每個信息點的位置表示雨量站所處的真實地理位置，信息點的顏色和大小表示降雨量的強度（按小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨的標準分類）。通過點的分布情況，可在地圖上直觀展示浙江全省當前的降雨范圍和雨量強度。針對影響浙江的臺風，系統還將不同時段的場雨量信息與該時刻對應的臺風路徑點信息關聯，實現通過臺風路徑點查看該時刻臺風所帶來的雨量分布情況和降雨強度。

3.5 工程視頻

系統整合各類水利工程視頻監控點資源[11]，以列表方式和地圖位置標注方式，集成展示實時視頻圖像信息。展示內容包括實時圖片和實時視頻2類。實時圖片指水利工程視頻監控點抓拍的JPG格式最新圖片，一般每個工程按1小時1次的頻率抓拍切片產生，圖片適用于社會公眾和移動終端用戶調用訪問系統的展示；實時視頻指水利工程視頻監控點的實時動態圖像，適用于行業內專業人員通過計算機客戶端訪問時調用，需通過授權操作，包括攝像頭控制，圖像縮放等。

4 結束語

本文通過臺風路徑實時發布系統的建設實踐，詳細闡述了系統基于阿里云平臺的整體架構、實現原理和功能需求，構建了云環境下面向社會公眾和行業專業用戶于一體且多終端自適應的應用服務平臺。PC端主界面如圖3所示，系統運行穩定，響應速度快，應用效果十分明顯。據CNZZ統計，系統曾在2012年防御正面襲擊浙江省的“海葵”強臺風期間，經受了單日PV（頁面瀏覽）突破350萬次訪問量的歷史峰值，達常規日訪問量的近100倍，在周邊省市類似應用系統幾乎癱瘓或宕機的同時，系統很好地根據應用訪問具體需求進行計算資源的自動彈性動態調整，輕松應對突發異常訪問量的沖擊。系統為防汛防臺工作的輔助決策分析提供了很好的技術支撐，為社會公眾關注臺風動向提供了最及時的信息，有效地提高了行業的防汛防臺保障能力。

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