虛擬化在民航氣象領域的應用前景分析

曹閃

摘要：民航氣象信息事業的蓬勃發展，正引起民航氣象IT系統的快速增長。IT硬件眾多，軟件重復開發，IT資源利用率低等問題在民航氣象領域正日益凸顯。同時，民航氣象運維人員的運行維護工作壓力與日俱增；預報員辦公環境因設備與線路復雜而不整潔，預報員辦公心情與辦公效率受到影響。本文結合民航氣象的三級管理體系，從理論與技術角度、以點帶面地方式展開了虛擬化在民航氣象信息領域的應用前景分析，依次分析了虛擬化在機場氣象臺、民航地區氣象中心、民航氣象中心的可能應用情況。據分析，虛擬化有助于整合IT資源與提升預報服務質量，但因民航氣象業務系統涉及面廣，系統邏輯復雜，尚需多方探討方可應用于實踐。

關鍵詞：虛擬化；云計算；航空氣象；氣象預報服務

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

隨著民航氣象事業的快速發展，民航網絡基礎建設和信息化建設均得到了大力支持，氣象信息化設備與應用軟件不斷增多，然而事實上僅有30%的IT資源被利用。目前如何實現對民航氣象IT資源的高效利用、降低設備維護成本、提升氣象人員工作環境正成為需要民航氣象技術人員考慮的問題。而虛擬化針對于此的一種有效辦法和技術。

1 民航氣象業務系統現狀

中國民用航空氣象業務系統依托民航氣象中心.民航地區氣象中心.機場氣象臺三級結構創建而成，其中機場氣象臺作為氣象數據源頭通過自動觀測系統采集氣象信息后上傳至民航地區氣象中心和民航氣象中心。機場氣象臺自身是一個小型數據中心，其日常除需維護采集氣象數據的設備外還需維護數據庫服務器、通信服務器、監控系統服務器。可見，機場氣象臺的運行支撐壓力很大。

目前七大地區中心的氣象數據理論上是一致的，從IT角度看，每個地區中心都可以作為一個民航氣象數據中心，設備數量多寡不一，但網絡結構大體一致。且各地為了提高突發性事件的應對保障能力，應用系統越來越多地采用“一主二備三應急”的配置方式。因此，而隨著信息化建設的持續推進，服務器數量必將出現爆炸式增長。

絕大多數民航氣象單位為了保障重點業務正常運行，采用了一個服務器運行一個應用。同時為了縮短故障響應時間，對重點業務系統服務器采用雙機熱備方式；對不重要應用系統采用冷備措施。因此一方面導致了IT資源利用率低，應用系統多，設備維護工作繁瑣等現象；另一方面機房空間飽和、空調、電力負荷過大等問題也日益凸顯。

2 虛擬化技術簡介

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

3 虛擬化應用前景分析

基于民航氣象信息與虛擬化的現狀，服務器、存儲、網絡等虛擬化技術均可在民航氣象領域得到應用。基于民航氣象中心.民航地區氣象中心.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用場景并加以分析。

3.1 各氣象單位獨立使用虛擬化技術

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

如采用服務器虛擬化解決方案（可借助現有軟件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內存）作為宿主機，這兩臺宿主機組成一個服務器集群，每臺宿主機上安裝10個虛擬服務器；另配一臺服務器安裝虛擬機管理軟件來管理該服務器集群，機務人員具有超級管理員權限，可管理整套虛擬化系統。因MICAPS服務器、數值預報可視化二期服務器和T639數據處理服務器對機器性能要求較高，故為其分配配置較高的虛擬服務器（2核CPU，4G內存），其他虛擬服務器配置一致（單核CPU，2G內存），虛擬化系統網絡結構如圖2所示。

此虛擬化解決方案有如下優勢：

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

（2）簡化了服務器部署、管理和維護工作，通過動態資源配置提高了業務的靈活適應能力；

（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，響應了國家節能減排的號召；

（4） Micaps和數值預報計算服務器給各預報員使用的虛擬終端數據傳輸效率得到提升；

（5）便于實現虛擬機的快速轉移和復制，因此故障響應時間更短。機務人員保留每臺虛擬機的快照信息，當一臺虛擬機癱瘓時，可使用快照快速創建新的虛擬機給預報員使用，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，具體情況結合本單位設備、軟件情況而定。據了解，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 構建8大數據中心/存儲中心

3.2.1 民航氣象數據庫系統網絡結構現狀

根據調研，民航氣象各單位網絡拓撲結構基本類似，本文將各地民航氣象數據庫系統的網絡共性抽象為以下邏輯示意圖，見圖3。民航地區氣象中心與機場氣象臺除具備民航氣象數據庫系統外，還具備自觀、雷達、應用、監控等設備與系統。

可見，機場氣象臺作為數據源頭，需維護的設備除通信/數據庫服務器外，自觀、雷達等設備是維護部分的重中之重，而這些設備需出外場維護，維護歷時較長。

各地機場氣象臺存在技術能力參差不一，人員數量不一，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機場氣象臺運行壓力很大。眾所周知，機場氣象臺數據庫中保存的數據是民航地區氣象中心的子集。因此，機場氣象臺可謂是一個微型數據中心，這無疑是一種資源的重復配置。

3.2.2 民航地區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氣象中心構建為8大數據中心兼顧存儲中心，即3.1節方案在7大地區中心的中等規模應用。7大地區中心各自維護一套虛擬化集群系統，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據傳輸即可，無需維護數據庫服務器、應用系統等，采用虛擬化解決方案后的網絡拓撲如圖4。

從圖4可以看出，機場氣象臺的網絡結構得以精簡，設備維護數量得以減少，解除了機場氣象臺數據庫入庫信息與地區中心不一致的情況，且有利于統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報文簡化為專注于發報工作，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據采集設備。節省的服務器及相關維護資金可用于購置高精專氣象數據采集設備與建設更獨特的個性化需求上，以便進一步使民航氣象服務向高精專方向發展。

3.3 構建民航氣象云

為了能更高效的整合民航氣象系統資源，可在整個民航氣象范圍內使用虛擬化技術。但是上文中提到的虛擬機架構不適合大規模應用場景，因為此時不僅需要管理虛擬機還需管理存儲、網絡和CPU資源。而云計算系統正是這樣的虛擬機資源管理系統，該系統包括虛擬機、存儲、網絡和CPU的管理。

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

民航氣象數據庫業務系統自成一體，通過ATM網絡在各民航空管氣象單位傳輸數據。目前民航氣象中心為了提升民航氣象服務質量，建設了航空氣象服務系統，該系統通過Internet提供民航氣象數據資料、預報服務、最新機場天氣情況等。

因此可在整個民航氣象范圍內構建民航氣象混合云。采用混合云后，整個民航氣象系統的結構就發生了巨大變化，如圖5所示。

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

IaaS基礎設施即服務，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，主要為構建好的虛擬機。

SaaS軟件即服務，主要為各種網絡應用。

采取該方案的優勢：

（1）資源統一管理與有效利用。機務人員只需管理物理服務器，且無需了解上層應用。按需分配虛擬機，當需求量少時，關閉空閑的服務器以節省電量。

（2）民航氣象數據庫系統信息統一，各民航空管氣象單位共用同一數據庫；便于幫助各氣象臺提升氣象數據質量。

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

（4）按需定制。各使用單位可根據自身需求確定接人云計算系統的哪一層。

a）技術、管理等能力強的單位，如民航地區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用；亦可接人PaaS層，在虛擬機上直接部署應用；但可節省硬件維護成本與機房空間；

b）技術能力較差，資金壓力大的機場，如部分民航屬地化機場，可接人SaaS層，直接使用民航系統內通用的預報服務應用；民航屬地化機場只需維護PC終端即可使用質量可靠的應用程序，無需重復開發軟件，且更容易與先進的預報服務技術對接。

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

4 結論

本文結合民航氣象的三級結構，從技術角度對虛擬化在民航氣象領域的應用前景在理論上進行了探索與分析。民航氣象業務系統涉及范圍關系，關系民航萬千旅客的安全，故虛擬化在民航氣象領域的應用尚需多方研究與探討。本文談及的三種技術方案的在民航氣象領域發展不一，為了能使虛擬化、云計算發揮更大的作用，本文認為具備條件的各民航氣象單位可在不影響現有民航業務的前提下嘗試使用虛擬化技術，以為日后深化應用探索道路與總結經驗。endprint