氣象實驗教學現代化信息系統的建設與實現

樊仲欣， 朱 彬， 呂晶晶， 安俊琳

（南京信息工程大學大氣科學與環境氣象國家級實驗教學示范中心，南京210044）

0 引 言

實驗教學是培養學生實際動手能力，將理論知識與實踐操作聯系起來的重要教學環節［1］，而實驗室則是訓練學生實踐創新能力的搖籃與載體［2］。出于對教學資源的優化配置考慮，高校實驗教學中心的建立可以有效整合相關資源，節約辦學資金，統一設備和人員的規范管理體制，激發實驗技術人員的積極性，實現資源的集中共享，從而發揮整體優勢，為教學、科研、專業業務等提供更為有力的支持［3-5］。對于實驗教學中心的運行和發展來說，信息化管理是必備的基礎條件，而現代化的實驗教學信息系統體系建設應該在傳統的實驗教學功能網絡化的基礎上，進一步拓展實驗教學的信息化應用范圍和深度，對整個實驗教學環節進行全方位、網絡化、智能化管理，形成較為完善的實驗教學一體化系統［6］。

1 中心信息系統體系建設現狀

大氣與環境實驗教學中心成立于2017年，由大氣科學與環境氣象實驗教學示范中心［7-8］和大氣科學與氣象信息虛擬仿真實驗教學示范中心［9-10］這兩個獲批于2013年的國家級教學示范中心所組成，其中大氣科學與環境氣象實驗教學示范中心組建于2011年，整合了氣象實習臺、氣象觀測站、農業氣象實驗站等一批氣象觀測和實習的專業實驗室，而這些實驗室的建立可以追溯到1960年建校，且經過多年的發展都具有全國一流的水平，尤其是氣象實習臺，經過2009年中國氣象局和江蘇省共同出資改造升級，將其建成了全國高校中唯一的具有中央氣象臺技術水平的天氣預報實習臺。因此大氣科學與環境氣象實驗教學示范中心組建時便具備了當時高水平的教學、科研、業務等條件，其下屬單位氣象實習臺的信息系統體系如圖1。

圖1 氣象實習臺2011年信息系統體系結構圖

2017年成立之初，大氣與環境實驗教學中心（以下簡稱“中心”）便以虛實結合、協同發展［11］為基本原則，計劃整合、提升、擴充下屬實驗室的軟硬件資源，以及開展虛擬仿真系統平臺建設等一系列工作，而在中心發展的各項建設任務中，信息化建設面臨著一些具體問題。

1.1 管理手段落后，工作效率低下

經過實驗室的擴建和新建，現在中心擁有6間實習教室、2間開放實驗室、1間虛擬仿真室，共計約400臺電腦，但由于管理人員配置受限，每人承擔著近100臺電腦的管理工作，因此每逢實習課程集中期間便需要頻繁重復解決各種軟硬件設備的故障及兼容性問題，造成人員工作負擔大但效率卻很低下的問題。①開放實驗室的使用要滿足師生隨時預約、自主實驗的需求，而傳統的人工管理方式顯然達不到其對管理效率的要求。②遠程視頻會商系統需要現場進行開關和信號切換，但由于會商經常不在工作時間范圍內，或者在管理人員不在現場時臨時有緊急會商，這便會造成管理困難而影響正常使用。

1.2 氣象資料和網絡教學資源零散孤立

中心的氣象實習臺接收的外部氣象資料，以及氣象觀測站、農業氣象實驗站等自主觀測獲取的氣象資料都是二進制或者文本文件形式的，因此各自建立了文件型數據庫按照資料的來源進行歸類存放，由此導致了這些數據庫中大量零散孤立的文件不便于管理，更無法按照氣象要素、地區范圍等進行結構化的查詢操作。而網絡教學資源和虛擬仿真資源也同樣存在資源分散，無法關聯查詢，缺乏元數據信息的問題。

1.3 信息共享及展示水平不高

中心的各個實驗室都承擔著氣象資料共享的工作職責，但以往的共享各自為政，并且采用離線拷貝的方式，需要人工進行資料的篩選和質控，因此當遇到資料拷貝量大的工作任務，便不僅消耗管理人員大量的時間和精力，而且還容易在資料處理過程中出現失誤。同時，對于虛擬仿真等教學資源的共享也缺乏在線學習平臺，無法進行考核與評價。此外，中心作為學校的窗口單位，經常需要在國內外來賓的參觀接待任務中展示實時的氣象信息，而原有的展示方式是使用多臺服務器安裝業務系統進行現場運行，這樣不僅浪費了大量計算資源而且在管理維護方面也缺乏效率。

因此，這些問題需要通過從上述各方面全方位的提升中心的信息化水平才能夠解決，而借助現代化的先進技術是建設網絡化、智能化信息系統的必由之路。

2 氣象實驗教學的現代化信息系統體系建設

經過近幾年的發展，目前中心已建立起了一整套結合虛擬桌面、云計算平臺、物聯網、數據結構化、網絡化服務以及虛擬仿真等各種先進技術的氣象實驗教學現代化信息系統體系（見圖2）。

圖2的中心信息系統體系以氣象實習臺的信息系統體系（見圖1）為核心進行了整合與拓展升級，增加了自主觀測系統、應用氣象數據庫、氣象觀測業務系統等內容，并在其基礎上進行了7個方面的信息化建設工作（如圖2中的1～7）。

圖2 大氣與環境實驗教學中心2020年信息系統體系結構圖

2.1 基于虛擬桌面的實習教室

虛擬桌面技術改變了傳統教室電腦因各自獨立運維，相互難以同步而導致管理煩瑣低效的狀況。該技術架構由云終端、虛擬桌面控制器、虛擬機管理平臺、服務器存儲設備等組成，首先通過服務器虛擬化軟件搭建具備高可用性的集群服務器環境，為用戶新建和開啟虛擬機，實現虛擬桌面及應用程序的后臺運行；然后通過虛擬桌面發布平臺將桌面資源進行整合；最后利用高效的遠程發布協議以快速、安全、穩定的方式交付給用戶，由用戶通過各種終端設備隨時隨地的接入使用。那么通過這樣一種將終端設備上的系統和應用虛擬化并集中到服務器端管理的方式，可以在多臺終端重復使用相同系統和應用的情況下極大的簡化管理維護的工作量，達到只要維護一套系統和應用就等于實現了所有教室電腦（即終端）的同步化操作，而無須再重復地解決相同的故障問題。

2.2 開放實驗室綜合管理系統

開放實驗室的特點在于實驗資源的充分共享，以滿足學生自主學習的需求［12-13］。與純粹軟件形式的開放實驗室網絡管理系統不同，開放實驗室綜合管理系統是由刷卡派位終端、實驗工位電源控制器、智能云臺攝像機和網絡對講機這些硬件，以及實驗教學綜合管理系統、預約派位與電源管理系統、在線實驗報告系統這些軟件所組成的一個整體。實驗室的排課計劃查詢以及預約審批授權通過實驗教學綜合管理系統在網絡上完成，學生到實驗室刷卡派位以后由系統預約派位的機位即可開機直到預約時間結束自動關機并生成考勤信息，在這個過程中學生可以進行實驗以及在線提交實驗報告，而實驗室管理人員則可以在無人值守的情況下，通過智能云臺攝像機監控和錄制實驗室的全程使用情況，以及應對突發狀況使用遠程語音功能與學生進行對話。這樣不僅實現了網絡化管理而且還實現了針對具體實驗設備的精細化管理，進一步提高了開放實驗室的管理水平。

2.3 遠程視頻會商系統的自動化管理

遠程視頻會商系統用于中心參加國家氣象局和江蘇省氣象局會商，是中心實驗教學的主要特色之一［14］。會商系統使用方式有定時和臨時2種，為了減少管理工作量做到無人值守下的自動運行，系統不僅實現了定時開關機同時自動切換會商模式，而且針對臨時開會的情況，采用物聯網技術設計開發了一套手機APP，可以遠程操作會商系統的開關以及模式切換，從而解決了現場管理耗時費力的難題。

2.4 大氣資料教學資源庫

為解決氣象資料和網絡教學資源零散孤立的問題，實現資源的高效整合管理，更好地為教學、科研以及虛擬仿真等平臺建設服務，中心建立了大氣資料教學資源庫［15］并且不斷充實其中的氣象資料和教學資源。大氣資料教學資源庫基于關系型數據庫技術構建，將氣象資料依據使用目的劃分為常規天氣要素預報數據庫和氣候預測數據庫，該數據庫以二維表的形式存儲，可以用結構化查詢語言實現時間區段、地區范圍、氣象要素等條件的資料篩選。此外，針對包括虛擬仿真資源在內的教學資源零散孤立的問題，大氣資料教學資源庫中專門建立了自主建設資源數據庫，用于存放各種教學資源的元數據信息。以及針對農業氣象實驗站自主觀測獲取的植被物理化學特性和土壤物理化學特性等資料，將其存入專門的應用氣象數據庫。

2.5 氣象資料數據分發系統

氣象資料數據分發系統以大氣資料教學資源庫為依托，對接學校信息門戶身份認證機制對全校師生開放，可以實現資料的目錄清單管理、用戶管理、在線查詢下載、下載記錄統計等功能，從而利用網絡化服務高效便捷的優勢消除了重復性的管理人員人工處理資料的弊端。

2.6 虛擬仿真共享平臺

國家級大氣科學與氣象信息虛擬仿真實驗教學示范中心自組建以來就著手建立了虛擬仿真實驗室以及云層虛擬仿真系統等一批虛擬仿真資源，中心建立以來，不僅不斷充實雙偏振天氣雷達虛擬仿真教學系統、新型自動氣象站安裝、半干旱區生態保護［16］等虛擬仿真資源，還將其整合入了大氣資料教學資源庫中。同時，根據教育部要求［17］，為加強實驗教學中心信息化建設，推動實驗教學資源共建共享，促進虛擬仿真實驗教學資源在線開放和高效利用，中心積極開展了虛擬仿真共享平臺的建設，該平臺基于自主建設資源數據庫的虛擬仿真教學資源開發，具有基礎信息、用戶權限、學習功能、學習記錄等基本功能模塊，同時還具備符合大氣科學學科專業特點和理念的考核評價功能，以及實現與江蘇省高校實驗教學與實踐教育中心共享平臺的對接與集成。

2.7 氣象資料的網絡化展示

在中心的參觀接待中，為了能以簡單快捷的方式展示實時的氣象信息，設計開發了一套氣象信息網絡化展示系統，該系統可以將氣象資料實時地以可視化的方式轉換成位圖圖像保存下來，這樣就將原先C/S架構的信息展示方式變為了B/S架構，用IE等瀏覽器網絡訪問即可顯示實時氣象信息，從而避免了許多安裝維護業務系統的煩瑣工作。同時，該系統也可以將氣象資料實時的對外網進行展示，從而用于中心的科普宣傳工作。

3 應用成效

氣象實驗教學現代化信息系統體系的建立使中心具備了更加優良的教學培訓環境和實踐教學手段，通過優化人力物力等各方面的資源分配，目前在中心人才培養、業務培訓、預報預測、教學案例、資料服務、科研應用、創新平臺、宣傳窗口這八大工作職能中建設效益顯著。

3.1 實現中心運行管理的高效化

中心人才培養方面大氣類各專業本科生、研究生的天氣分析預報等實踐教學工作量約每學年1 500人、10萬人時；舉辦氣象、民航預報員業務培訓班共16期（566人），WMO外籍、港澳共10期（117人），實驗室利用率可達到80%以上，因此，虛擬桌面和開放實驗室綜合管理系統的建設大幅度減少管理工作量，同時還可進行網絡遠程管理以及點對點的精細化管理，從而使工作效率有了質的提升。此外，中心每個工作日都有國家氣象局早間會商，以及不定期的臨時遠程視頻會議，這是中心預報預測職能的組成部分，而遠程視頻會商系統的自動化進一步提升了管理效率。

3.2 實現中心數據管理的規范化

中心資料和資源零散孤立的問題在大氣資料教學資源庫建立以后得以解決，數據不僅結構化存儲，而且按照常規天氣要素預報、氣候預測、自主建設資源、應用氣象分成四大類和若干小類，為中心的預報預測和教學案例提供了具有清晰對應關系的數據支撐，以便于建立規范化的預報預測思路和教學資源。

3.3 實現中心資源管理的集約化

氣象資料數據分發系統和虛擬仿真共享平臺實現了氣象資料和教學資源的集約化管理，為中心的資料服務職能提供了一種有效的機制，管理人員和師生都可以通過網絡享受一站式信息共享服務，進而助力于中心人才培養、科研應用、創新平臺的工作職能。此外，氣象信息網絡化展示系統改變了信息的展示方式，使得一臺普通電腦便可以替代數臺專業的服務器實現展示功能，從而大大節約了參觀接待和科普宣傳上需投入的人力物力。

4 結 語

大氣與環境實驗教學中心以“緊貼學校發展規劃，緊貼氣象事業業務需求，緊貼學生核心技能提升”為建設指導思想，多年來與時俱進，不斷改革創新，大力推進氣象教育事業發展，而氣象實驗教學現代化信息系統體系便是其中的一個縮影，該體系不僅能滿足對接現代氣象業務和培養應用型、復合型人才的需求，并達到了集約優化資源、高效規范管理的預期規劃，而且切實地服務于中心的各項工作職能，強化了中心的內涵建設。