基于云服務和WebGIS的機場氣象服務平臺的設計與實現

王偉 周麗君 陶慧青 陳沖

摘要：強天氣的頻繁發生嚴重影響機場的日常運行和調度決策，收集分析機場的用戶需求后，基于阿里云服務進行架構設計，設計了前后端分離、模塊化的WebGIS機場氣象服務平臺。平臺集成了實況、預報預警、短臨監測模塊于一體，界面友好、響應迅速，在多個天氣過程中為機場平穩運行保駕護航，切實為機場的調度決策提供了有力的技術支撐。

關鍵詞：機場氣象；阿里云；WebGIS；模塊化

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

0引言

復雜的氣象條件為航空的正常運行增添了諸多不利因素，由天氣造成的嚴重航空事故占比為10%～15%[1]，而由局地強對流、大風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安全運行和提前風險防范，構建專業化、集約化的航空氣象服務平臺迫在眉睫[2]。

傳統的航空氣象服務主要依賴于有經驗的預報員結合觀測資料進行提供，隨著計算機技術的不斷發展，服務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平臺轉化[3-7]。依賴傳統氣象服務手段的義烏機場對功能集約、數據精準的航空氣象服務平臺的需求越來越強。

基于模塊化的設計思路可以構建集實況、預報、預警、短臨于一體的綜合性的航空氣象服務平臺，為機場提供精準的實況監測站點、格點數據、預報格點數據、預警數據、雷達數據和強對流天氣等重要航空氣象數據。后端基于阿里云架構進行開發，支持高并發和大數據量的計算，實時性高、穩定性強。前端基于WebGIS技術，可以將大量復雜的氣象數據在地圖上進行實時的多維度渲染，站點格點數據的實時繪制有效避免了傳統ArcGIS地圖服務資源消耗、效率低下和服務器不穩定、地圖異常等問題。平臺前后端分離，低耦合性低、維護成本低，基于WebGIS的機場氣象服務展示更為直觀，平臺實時的氣象產品渲染展示為機場提供精準的氣象數據服務，為航空的安全平穩運行提供切實有效的技術和服務支撐。

1需求分析與系統設計

航空安全平穩的運行狀態與天氣狀態實況、未來發展趨勢等有著密切的聯系。機場所在位置的氣象要素監測和未來天氣預報對于飛機的正常起飛和機場的正常運營至關重要，而航空空域的天氣實況和精密預報則為航空安全保障和氣象風險防范提供了重要的數據支撐。義烏機場氣象服務系統主要考慮機場重點關注的實況、預報、預警、短臨等氣象數據的集約化展示，以及針對機場的單點氣象服務，實況數據主要來源于浙江省網絡信息中心的精細化實況格點產品和自動站觀測數據，預報數據主要來源于浙江省氣象臺的智能網格數據和其他預報產品，預警數據來源于國家突發預警平臺，數據準確可靠、實時性高，能夠為航空的平穩安全運行提供實況天氣監測、未來天氣預測和災害預警防范等多方位保障[8]。

基于需求分析，對義烏機場氣象服務平臺進行如下設計：數據和后端服務模塊基于阿里云服務器設計，數據按不同數據類型分別存儲于云數據庫RDS和HBASE，極大地提升了數據的讀寫效率，尤其是大數據的并發處理表現優異。對外接口的開發基于阿里云的企業級分布式應用服務（Enterprise Distributed ApplicationService，EDAS），支持部署于Kubernetes，ECS，無侵入支持Java，Python，PHP，.NetCore等多語言應用的發布運行和服務治理，享受應用監控報警、鏈路追蹤及日志采集等能力。前端數據模塊基于Ajax進行數據的異步調用和解析，加載效率高。展示模塊基于lealfet輕量級的地圖組件進行氣象數據的實時渲染和展示，解決了ArcGIS服務異常引起的GIS圖層調用異常等問題。

義烏機場氣象服務系統模塊如圖1所示，主要分為4個功能模塊。

2關鍵技術

2.1服務端技術

系統采用4層架構設計，各層之間耦合性低，有利于分工協作，系統代碼重用性高，提升了開發效率，基于阿里云架構的后端架構設計穩定性高、數據存儲安全可靠、訪問效率高、維護成本低，阿里云架構如圖2所示。

（1）展現層

基于HTML/HTML5/Vue/CSS3開發Web前端頁面，兼容主流瀏覽器。展現層和數據層完全分離，通過跨域實現前后端數據通信。基于leaflet地圖類庫、Echarts圖表插件、layui類庫對氣象實況、預報預警的站點和格點數據進行直觀展示。

（2）通信層

基于阿里云CDN實現靜態數據加速；基于阿里云SLB，實現服務器負載均衡；基于TCP/HTTP/HTTPS三種通信方式，實現前后端數據通信。

（3）服務層

主要負責數據業務邏輯的處理，包括地圖數據的標準化處理、氣象數據的解析同步操作及格式轉換，以及阿里云API接口開發。

（4）數據層

主要有以下2個板塊：

MySQL：存儲事務性數據以及關聯性較強的數據，如氣象站點、站點觀測數據等。

HDFS：存儲氣象數據文件、圖片，如MICAPS4類氣象預報數據、預警圖標、地圖數據文件等。

2.2前端技術

前端界面框架開發基于HTML5、CSS3以及成熟的BootStrap、layui組件，界面交互友好、響應快、適配性好。數據展示主要基于WebGIS進行氣象數據的可視化表達，利用leaflet輕量級地圖組件、Echarts圖表組件等進行氣象站點、格點、短臨等多源數據的渲染展示，數據視圖更為直觀。數據調用處理基于Ajax異步實時調用，訪問迅速快、解析效率高[9]。

3系統設計及實現

3.1系統整體設計

系統主要由后端4個子系統和前端平臺4部分組成，即數據采集系統、數據處理系統、云服務系統以及義烏機場氣象服務平臺，系統整體設計流程如圖3所示。

3.1.1數據采集系統

數據采集系統主要采集來自浙江省網絡中心、浙江省氣象臺的信息數據庫氣象數據和產品數據以及基礎地理數據庫，主要包括雷達、全省站點監測數據庫、格點數據文件、強天氣預報文件、地圖基礎數據等。主要實現對多源數據的讀取、同步、解析、數據清洗、標準化處理等操作，最終輸入到數據處理系統進行處理操作。

3.1.2數據處理系統

數據處理系統對采集到的數據進行解析，并進行實時處理為數據產品輸入需要的格式，同步至云服務模塊，數據處理系統如圖4所示。

系統將格點、站點數據以及強天氣預報數據處理是地圖服務支持的點線面等規范化數據格式；將雷達數據解析為GeoJSON的數據格式；將預警數據解析為JSON序列化數據格式。

3.1.3云服務系統

將數據處理模塊處理的各類規范化數據文件進行存儲、分發和API接口發布。接口統一返回JSON格式的數據格式并支持跨域，接口安全性等級高、響應迅速，異步加載數據支持高并發接口調用，頁面訪問更加流暢高效。

3.2平臺實現

3.2.1重要關注點氣象服務模塊

重點關注點氣象服務模塊展示了義烏機場所在位置的實時天氣信息（溫度、風、濕度、能見度、天氣現象）、24 h內的逐時預報信息（天氣現象、溫度、降水）以及未來3天的逐日預報信息（天氣現象、最低最高溫度、風速風向），能夠為機場提供精準的關注點氣象服務，對于機場的平穩運行和調度決策提供有力的數據支撐。重要關注點氣象服務模塊如圖5所示。

3.2.2實況模塊

格點實況模塊如圖6所示，分為實況監測站點模塊和實況格點產品模塊，分別提供全省實況自動站產品（風力、降水、溫度、能見度、相對濕度、地閃、天氣現象）和全省實況格點產品（風力、降水、溫度、最高溫度、最低溫度、天氣現象、能見度）的展示。實況站點模塊以站點標注的形式展示各站點的氣象要素值信息，實況格點模塊則以等值線和等值面的形式進行氣象要素的表達，數據更新頻次快、數據信息表達直觀，為機場提供準確及時的氣象實況信息，格點實況模塊如圖7所示。

3.2.3短臨監測模塊

短臨監測是機場比較關注的重點模塊之一，短臨天氣的發展變化對于飛機的飛行以及機場的調度和決策具有重要影響。短臨監測模塊如圖8所示，提供雷達回波、雷達回波追蹤、未來短臨4類強天氣（大風、冰雹、降水、雷電）預報產品、衢州和金華的單站雷達產品，豐富的短臨產品對于機場掌握天氣發展趨勢、輔助機場調度和決策具有重要作用。

3.2.4預報模塊

預報模塊主要包括短期預報和短期預報產品，為未來24 h的逐小時格點預報和未來3天逐3 h預報，預報要素為風、降水、平均溫度、最高溫度和相對濕度。該模塊利用WebGIS進行要素格點預報產品的等值線、面、格點值疊加等形式，多頻次多要素的預報產品為機場了解短期天氣趨勢提供了有力的支撐，對于機場未來的調度安排和票務運營具有重要的指導作用。

4應用效果

機場氣象服務平臺自2019年起正式投入運行，為機場提供氣象服務保障，系統應用效果如圖10所示。在多次重要天氣過程中表現出色，為機場提供了實時的氣象實況短臨及預報預警信息，為機場調度和決策提供了有力的氣象支撐，有效規避了強天氣帶來的航空風險。并且在運行過程中不斷地進行優化和改造并逐漸趨于穩定，切實為機場提供了氣象數據的服務和強天氣過程的保障工作。

5結束語

在充分調研機場用戶氣象數據需求的基礎上進行機場氣象服務平臺的研發，平臺采用前后端分離的架構模式進行系統架構設計，耦合度低，高度模塊化。服務端基于阿里云架構進行數據處理和服務接口開發，穩定性強、服務效率高、數據流程更優化。展示端基于WebGIS進行氣象數據的可視化表達，表達直觀、渲染速度快、頁面加載迅速。平臺運行穩定、交互友好，創新了氣象服務在航空領域服務的手段，對未來航空氣象的進一步發展具有重要的現實意義。

目前平臺更多地局限于航空領域比較關注的氣象數據的展示，在行業數據融合和影響分析方面還很薄弱，下一步將重點考慮航空和氣象數據的融合展示和影響分析，將氣象數據應用和展示的更具航空特色，進一步開拓創新了航空氣象的新手段、新形式。

參考文獻

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