李德泉 李集明 田建兵 田顯 穆建華 李寶梓 白向東 李圓圓

（1 中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2 中國氣象局云霧物理環(huán)境重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3 青海省人工影響天氣辦公室，西寧 810000；4 陜西省人工影響天氣辦公室，西安 710000；5 寧夏回族自治區(qū)人工影響天氣辦公室，銀川 750000；6 甘肅省人影辦，蘭州 730000；7 巴彥淖爾市人工影響天氣辦公室，巴彥淖爾 015000；8 新疆維吾爾自治區(qū)人工影響天氣辦公室，烏魯木齊 830000）

0 引言

作為防災(zāi)減災(zāi)工作的重要內(nèi)容之一，人工影響天氣（以下簡稱“人影”）業(yè)務(wù)近年來發(fā)展迅速。人影業(yè)務(wù)核心是綜合利用目前已有的各類觀測、通信、監(jiān)測、作業(yè)技術(shù)和數(shù)據(jù)分析手段，推斷作業(yè)對(duì)象的云微物理結(jié)構(gòu)和其形成、演變的云微物理過程，進(jìn)而進(jìn)行“三適當(dāng)”設(shè)計(jì)，即在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)選擇適當(dāng)?shù)牟课贿M(jìn)行適當(dāng)劑量的播散，然后在一定的有利時(shí)機(jī)和條件下，通過人工催化等技術(shù)手段，對(duì)云中局部區(qū)域的物理過程施加影響，使其按照預(yù)期有利方向發(fā)生變化，從而達(dá)到減輕或避免氣象災(zāi)害目的，形成了人工影響天氣“五段式”（過程預(yù)報(bào)、潛力預(yù)報(bào)、監(jiān)測預(yù)警、跟蹤指揮與作業(yè)實(shí)施、作業(yè)分析與效果檢驗(yàn)）業(yè)務(wù)模式?？梢钥吹?，人影業(yè)務(wù)技術(shù)核心是各類資料分析手段和處理算法，而其業(yè)務(wù)保障核心重點(diǎn)是各類數(shù)據(jù)獲取的實(shí)時(shí)性與精準(zhǔn)性、密集處理計(jì)算的快速性與穩(wěn)定性、信息發(fā)布的及時(shí)性與廣泛性。

人影業(yè)務(wù)作為研究型業(yè)務(wù)，構(gòu)建的業(yè)務(wù)體系核心為“橫向到邊，縱向到底”?！皺M向到邊”指人工影響天氣業(yè)務(wù)要遵循“五段式”流程，橫向循序漸進(jìn)，科學(xué)分析、決策、作業(yè)、評(píng)估?！翱v向到底”則是自上而下建立覆蓋國家級(jí)、區(qū)域級(jí)、省級(jí)、市級(jí)、縣級(jí)直至作業(yè)點(diǎn)的人工影響天氣業(yè)務(wù)信息流轉(zhuǎn)流程。這些信息流轉(zhuǎn)流程包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取與分析、指導(dǎo)產(chǎn)品發(fā)布與共享、指令下達(dá)與接收、作業(yè)信息上報(bào)與審核等。人工影響天氣指揮應(yīng)用系統(tǒng)，是人影部門的核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)之一，作為人影業(yè)務(wù)模式和服務(wù)理念的實(shí)際載體，其建設(shè)目的是實(shí)現(xiàn)“橫向到邊，縱向到底”業(yè)務(wù)功能支撐。

依托人工影響天氣發(fā)展規(guī)劃、人工影響天氣業(yè)務(wù)三年行動(dòng)計(jì)劃和東北、西北等區(qū)域人影工程建設(shè)，人工影響天氣業(yè)務(wù)系統(tǒng)持續(xù)研發(fā)與改進(jìn)。2016年依托人影東北區(qū)域工程建設(shè)完成的東北區(qū)域人影指揮系統(tǒng)，其突出成果為首次全面實(shí)現(xiàn)“橫向到邊，縱向到底”業(yè)務(wù)功能。東北區(qū)域人影指揮系統(tǒng)基本覆蓋“五段式”業(yè)務(wù)功能，并劃分為“一平臺(tái)四系統(tǒng)”，“一平臺(tái)”為綜合處理分析平臺(tái)，“四系統(tǒng)”為數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)、綜合管理分系統(tǒng)、共享發(fā)布分系統(tǒng)和移動(dòng)終端分系統(tǒng)。同時(shí)，各省人影部門也本地化開發(fā)各類人影業(yè)務(wù)系統(tǒng)，涉及地理信息（GIS）、綜合信息管理、資料展示、交互分析等各個(gè)方面。這些省級(jí)業(yè)務(wù)系統(tǒng)以及東北區(qū)域人影指揮系統(tǒng)基本上仍可被歸類為傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，即仍采用傳統(tǒng)的自建體系思路，沿用從收集到發(fā)布的一條龍式氣象傳統(tǒng)業(yè)務(wù)架構(gòu)。這也就不可避免地存在數(shù)據(jù)煙囪、重復(fù)收集、存儲(chǔ)集約化不夠等先天不足，進(jìn)而在傳輸鏈路、數(shù)據(jù)獲取實(shí)時(shí)性、存儲(chǔ)效率、大數(shù)據(jù)訪問效率等方面存在性能瓶頸。

隨著信息技術(shù)發(fā)展迅速，尤其是近幾年氣象部門的集約化平臺(tái)和“天擎”氣象大數(shù)據(jù)云平臺(tái)陸續(xù)業(yè)務(wù)化，客觀上對(duì)人影指揮系統(tǒng)在內(nèi)的氣象業(yè)務(wù)部門各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、計(jì)算、監(jiān)控、服務(wù)上提出了新要求。2018年開始，依托西北人影工程啟動(dòng)建設(shè)的西北區(qū)域人影指揮系統(tǒng)，順應(yīng)氣象大數(shù)據(jù)云平臺(tái)的發(fā)展趨勢(shì)，依據(jù)系統(tǒng)集約化原則，改進(jìn)形成“云+端”的新一代人影業(yè)務(wù)綜合應(yīng)用系統(tǒng)。其在“天擎”內(nèi)部實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集約、密集計(jì)算處理集約，緊密對(duì)接基礎(chǔ)氣象業(yè)務(wù)，推動(dòng)并實(shí)現(xiàn)云計(jì)算、分布式存儲(chǔ)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)在人影業(yè)務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用。在數(shù)據(jù)層將人影各類資料納入“天擎”統(tǒng)一管理并擴(kuò)展專用業(yè)務(wù)接口，在計(jì)算層實(shí)現(xiàn)人影算法庫在“天擎”加工流水線上的部署運(yùn)行，在應(yīng)用層面深入開發(fā)MICAPS應(yīng)用框架下的人影業(yè)務(wù)桌面端。在后臺(tái)“云”上，依托大數(shù)據(jù)云平臺(tái)框架實(shí)現(xiàn)人影特種資料和服務(wù)產(chǎn)品的收集、處理、存儲(chǔ)、監(jiān)控，在“端”上基于MICAPS的框架下開發(fā)完成基于云服務(wù)理念的人影綜合業(yè)務(wù)桌面，構(gòu)建移動(dòng)應(yīng)用（A端，即APP）、瀏覽器（B端，即Browser）、桌面系統(tǒng)（C端，即Client）三種業(yè)務(wù)客戶端，從而形成“4C+ABC”新型人影業(yè)務(wù)系統(tǒng)框架。

1 西北人影指揮系統(tǒng)采用的云架構(gòu)體系

西北區(qū)域人影作業(yè)指揮應(yīng)用系統(tǒng)（簡稱“西北人影指揮系統(tǒng)”，即Smart Platform of Analysis and Cloud sEeding for Northwest，SPACE-NW），是西北區(qū)域人工影響天氣能力建設(shè)項(xiàng)目（簡稱“西北項(xiàng)目”）重要建設(shè)內(nèi)容之一。作為覆蓋區(qū)域、省、市、縣、作業(yè)點(diǎn)的新型“云+端”人工影響天氣業(yè)務(wù)支撐應(yīng)用軟件，提供信息收集與傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理、綜合處理分析與作業(yè)指揮、產(chǎn)品共享指令發(fā)布等核心功能，實(shí)現(xiàn)各級(jí)人影指揮的上下互通、功能互補(bǔ)、規(guī)范集約，提高人影作業(yè)指揮的效率和科技水平。

1.1 “云+端”業(yè)務(wù)框架下人影特色的“4C+ABC”

西北人影指揮系統(tǒng)以云框架的方式重新組織和設(shè)計(jì)功能，形成具有人影業(yè)務(wù)特色的“云+端”業(yè)務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)，即新的4C架構(gòu)（云收集、云計(jì)算、云存儲(chǔ)、云服務(wù)）和ABC共3種業(yè)務(wù)端操作模式。指揮系統(tǒng)由人影特種數(shù)據(jù)云收集、云計(jì)算處理、云存儲(chǔ)、云服務(wù)4個(gè)分系統(tǒng)構(gòu)成（圖1）。

圖1 西北人影指揮系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)Fig. 1 System structure of the SPACE-NW

●人影特種數(shù)據(jù)云收集分系統(tǒng)軟件承擔(dān)人影特種觀測數(shù)據(jù)、飛機(jī)軌跡、觀測和作業(yè)數(shù)據(jù)，裝備彈藥數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)的收集、傳輸與監(jiān)控。

人影云收集分系統(tǒng)基于氣象地面業(yè)務(wù)寬帶網(wǎng)、人影空地通信網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)和無線傳輸?shù)燃夹g(shù)支撐，重點(diǎn)解決目前未實(shí)際納入基本氣象探測數(shù)據(jù)收集業(yè)務(wù)的那部分人影資料的傳輸與收集問題，實(shí)現(xiàn)人影資料的“最后一千米”收集，即主要解決試驗(yàn)示范基地及其外場試驗(yàn)區(qū)專項(xiàng)數(shù)據(jù)探測的無線傳輸和收集、空地通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)無線傳輸收集、空域信息收集等問題。該系統(tǒng)充分考慮兼容性和開放性，使其移植到全國其他省份應(yīng)用時(shí)可根據(jù)不同的實(shí)際需求進(jìn)行對(duì)接。

●人影云計(jì)算處理分系統(tǒng)負(fù)責(zé)構(gòu)建人影業(yè)務(wù)有關(guān)的算法庫，實(shí)現(xiàn)各種人影算法在“天擎”加工流水線上分布式并行計(jì)算，生成相應(yīng)的人影產(chǎn)品。

該分系統(tǒng)的核心是人影算法庫的實(shí)現(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)化封裝，以及如何與“天擎”配合，形成人影產(chǎn)品加工流水線，為實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)算法合理匹配、調(diào)度計(jì)算和存儲(chǔ)資源，按照業(yè)務(wù)自然時(shí)序銜接集成、高效運(yùn)行。

●人影數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)分系統(tǒng)在“天擎”內(nèi)建立人影專題庫，該庫作為人影業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)全集，由“天擎”進(jìn)行統(tǒng)一的監(jiān)控和管理，形成省級(jí)統(tǒng)一的人影業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)環(huán)境。

人影數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)分系統(tǒng)將收集到的（飛機(jī)、地面）作業(yè)信息、特種觀測資料、機(jī)載探測數(shù)據(jù)、飛機(jī)軌跡、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控信息、人影管理信息（人員、作業(yè)站點(diǎn)、行政區(qū)劃等）等“天擎”內(nèi)進(jìn)行存儲(chǔ)，將人影的業(yè)務(wù)產(chǎn)品和云精細(xì)化分析有關(guān)的資料存儲(chǔ)仿照MICAPS 4.0數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)相應(yīng)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，存儲(chǔ)在“天擎”內(nèi)的分布式文件系統(tǒng)之中，可以從MICAPS 4.0統(tǒng)一的接口進(jìn)行訪問。

●人影云服務(wù)分系統(tǒng)按云服務(wù)的思路設(shè)計(jì)，提供多種服務(wù)終端手段進(jìn)行人影作業(yè)指揮業(yè)務(wù)。包括有人影業(yè)務(wù)桌面子系統(tǒng)（C端）、業(yè)務(wù)門戶網(wǎng)站（B端）、移動(dòng)終端APP（A端）等多種形式。

人影業(yè)務(wù)桌面子系統(tǒng)作為云服務(wù)的C端（Client端），以MICAPS 4.0客戶端為基礎(chǔ)開發(fā)，覆蓋人影指揮所需的數(shù)據(jù)顯示、云降水交互分析、產(chǎn)品交互制作與修訂、作業(yè)預(yù)警與實(shí)時(shí)監(jiān)控、空域申請(qǐng)、指令發(fā)布、信息處理、物聯(lián)網(wǎng)彈藥管理等功能。

云服務(wù)分系統(tǒng)另外構(gòu)建具有移動(dòng)業(yè)務(wù)辦公性質(zhì)的業(yè)務(wù)門戶網(wǎng)站（B端）和人影移動(dòng)終端系統(tǒng)（A端）。兩者通過使用目前流行的HTML5技術(shù)和Web前端開發(fā)框架，可以實(shí)現(xiàn)絕大部分代碼重用。

人影4C+ABC完全基于“天擎”云基礎(chǔ)，其業(yè)務(wù)化后將大幅度增強(qiáng)省級(jí)數(shù)據(jù)共享能力。首先，云收集擴(kuò)展“天擎”資料采集渠道，為省級(jí)信息部門收集人影特種觀測提供標(biāo)準(zhǔn)化國內(nèi)通信系統(tǒng)（CTS）配置方案，使盡可能多的人影特種觀測納入“天擎”管理；其次，云存儲(chǔ)首次確立全國的省級(jí)人影統(tǒng)一數(shù)據(jù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)人影觀測、作業(yè)信息、管理信息、指導(dǎo)產(chǎn)品等在“天擎”內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化存儲(chǔ)、統(tǒng)一接口訪問，為氣象各部門開發(fā)、存取人影數(shù)據(jù)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1.2 西北人影指揮系統(tǒng)與“天擎”的關(guān)系

西北人影指揮系統(tǒng)與“天擎”同步發(fā)展，在“天擎”省級(jí)平臺(tái)投入應(yīng)用后，立即在其上部署并提供人影業(yè)務(wù)支撐能力。西北人影指揮系統(tǒng)的數(shù)據(jù)環(huán)境、計(jì)算環(huán)境、監(jiān)控環(huán)境都統(tǒng)一基于氣象大數(shù)據(jù)云平臺(tái)“天擎”基礎(chǔ)上構(gòu)建（圖2），其各部分系統(tǒng)的構(gòu)建基礎(chǔ)也是 “天擎”的標(biāo)準(zhǔn)和框架。從云平臺(tái)架構(gòu)角度看，兩者在多方面進(jìn)行深度融入。

圖2 西北人影指揮系統(tǒng)與天擎的深入融合Fig. 2 The deep integration of SPACE-NW and Sky Engine platform

西北指揮系統(tǒng)的4大系統(tǒng)縱向上又分布在氣象大數(shù)據(jù)云平臺(tái)“天擎”中數(shù)據(jù)層（DAAS）、平臺(tái)支撐層（PAAS）、應(yīng)用層（SAAS）等3個(gè)核心層面，每個(gè)層都是按照“天擎”的架構(gòu)模式對(duì)接融入。

在DAAS層，包含人影專題數(shù)據(jù)庫和人影業(yè)務(wù)應(yīng)用支撐庫的底層數(shù)據(jù)支撐。

在PAAS層，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集、處理和存儲(chǔ)；云收集依托氣象大數(shù)據(jù)云平臺(tái)和國內(nèi)通信系統(tǒng)（CTS），實(shí)現(xiàn)人影云收集分系統(tǒng)，解決人影特種資料的實(shí)時(shí)采集問題，為其他子系統(tǒng)提供人影特種資料的采集來源；云計(jì)算處理基于“天擎”統(tǒng)一的任務(wù)調(diào)度框架、流程編排與管理、算法管理等支撐，實(shí)現(xiàn)對(duì)人影業(yè)務(wù)各種算法的注冊(cè)、分類、審核、發(fā)布和管理，并得到計(jì)算結(jié)果；云存儲(chǔ)基于MUSIC接口規(guī)范，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的增刪改查及常用統(tǒng)計(jì)功能的數(shù)據(jù)管理界面，提供人機(jī)交互接口。

在SAAS層，構(gòu)建三種云服務(wù)終端。端依托于“天擎”中不同的“云”后臺(tái)數(shù)據(jù)和計(jì)算支持，形成不同業(yè)務(wù)場景應(yīng)用。

可以看到，西北人影指揮系統(tǒng)整體構(gòu)建在“天擎”云業(yè)務(wù)構(gòu)架下，形成新的業(yè)務(wù)流程和數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)通道：省級(jí)通信系統(tǒng)被擴(kuò)展可以接收人影特種觀測資料和人影云模式、衛(wèi)星云反演產(chǎn)品，這些資料在“天擎”內(nèi)均具有對(duì)應(yīng)的解碼和入庫流程；“天擎”內(nèi)構(gòu)建新的數(shù)據(jù)庫用于存放人影有關(guān)的預(yù)報(bào)、觀測、作業(yè)信息和指導(dǎo)產(chǎn)品；加工流水線上部署了人影算法，在數(shù)據(jù)抵達(dá)后立即自動(dòng)執(zhí)行并生成各類人影指導(dǎo)產(chǎn)品及入庫；所有的人影數(shù)據(jù)只要進(jìn)入“天擎”，就可以通過標(biāo)準(zhǔn)的“天擎”訪問接口被ABC三種云服務(wù)終端實(shí)時(shí)調(diào)顯。

2 人影業(yè)務(wù)深度融入“天擎”的關(guān)鍵技術(shù)

人影業(yè)務(wù)深度融入“天擎”主要從5個(gè)方面著手，收集環(huán)境、存儲(chǔ)環(huán)境、計(jì)算環(huán)境、監(jiān)控環(huán)境和端的改造。

2.1 收集環(huán)境融入

收集環(huán)境基于西北人影數(shù)據(jù)需求，在各省CTS節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置文件擴(kuò)展，不對(duì)CTS軟件本身進(jìn)行改造。由于涉及資料配置文件修訂及采集傳輸，其融入必須得到各省信息部門的許可及權(quán)限支持。圖3表明針對(duì)寧夏人影部門的特種觀測資料收集流程設(shè)計(jì)，特種觀測數(shù)據(jù)建立起傳輸通道，統(tǒng)一由省級(jí)CTS接入并最終入庫，確保人影特種觀測在省級(jí)“天擎”上獲取。

圖3 寧夏特種觀測的云收集流程Fig. 3 Cloud collection process of special observation in Ningxia

2.2 存儲(chǔ)環(huán)境融入

此項(xiàng)工作分為專題庫和支撐庫2個(gè)方面建設(shè)。

2.2.1 專題庫

西北人影指揮系統(tǒng)的云存儲(chǔ)分系統(tǒng)在“天擎”中創(chuàng)立了人影專題庫框架。通過對(duì)人影各類資料和產(chǎn)品進(jìn)行系統(tǒng)性梳理，形成《人工影響天氣數(shù)據(jù)分類與編碼》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并據(jù)此指導(dǎo)完成人影數(shù)據(jù)在“天擎”中的數(shù)據(jù)編碼申請(qǐng)與存儲(chǔ)設(shè)計(jì)。表1展示人影數(shù)據(jù)經(jīng)梳理后，歸入14大類氣象資料的人影資料數(shù)量統(tǒng)計(jì)。

表1 人影資料梳理與歸類數(shù)量Table 1 Data sorting and classification quantity of weathermodification data

基于“天擎”數(shù)據(jù)存儲(chǔ)規(guī)范，并與國家氣象信息中心共同設(shè)計(jì)確定，已完成43種人影資料的數(shù)據(jù)編碼申請(qǐng)，設(shè)計(jì)存儲(chǔ)表42個(gè)，提供MUSIC服務(wù)接口44 個(gè)。人影資料首次在“天擎”內(nèi)按照MUSIC標(biāo)準(zhǔn)封裝為服務(wù)接口，供前端調(diào)顯。例如人影云模式（CPEFS）、風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星（FY-2）云反演產(chǎn)品及機(jī)載云微物理觀測等業(yè)務(wù)重點(diǎn)關(guān)注的資料，都已完成數(shù)據(jù)與應(yīng)用融入。

2.2.2 支撐庫

依托“天擎”中已有的Cassandra分布式數(shù)據(jù)支撐設(shè)計(jì)，西北人影業(yè)務(wù)支撐庫在其上存儲(chǔ)人影業(yè)務(wù)專用的模式、反演產(chǎn)品、融合產(chǎn)品等數(shù)據(jù)，為大量的C端實(shí)時(shí)并發(fā)訪問提供分布式支撐。一方面，“天擎”Cassandra數(shù)據(jù)庫已經(jīng)存在的數(shù)據(jù)（如EC高分辨率數(shù)值預(yù)報(bào)、雷達(dá)組網(wǎng)數(shù)據(jù)資料、雷達(dá)單站數(shù)據(jù)、衛(wèi)星數(shù)據(jù)等），由“天擎”直接面向人影C端提供數(shù)據(jù)訪問接口服務(wù)；另一方面，人影業(yè)務(wù)急需的專用數(shù)據(jù)（如CPEFS、人影特種觀測、人影業(yè)務(wù)產(chǎn)品等）納入“天擎”Cassandra數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)管理，擴(kuò)展形成“天擎”內(nèi)人影分布式支撐庫，并最終面向人影C端提供數(shù)據(jù)快速訪問接口服務(wù)。

測試表明，使用“天擎”支撐庫后，C端數(shù)據(jù)訪問效率提升明顯。數(shù)據(jù)解析效率大幅度提升，數(shù)據(jù)從接收到寫入支撐庫分系統(tǒng)平均僅需5 s，單個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平均寫入時(shí)間為0.3 ms。數(shù)據(jù)查詢時(shí)效從秒級(jí)提升為毫秒級(jí)，平均查詢時(shí)間為10 ms（不計(jì)算網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)長）。

2.3 計(jì)算環(huán)境融入

計(jì)算環(huán)境融入，不僅僅是形成人影算法庫并在“天擎”產(chǎn)品加工流水線部署和運(yùn)行，而是通過使用容器中間件（Docker）的算法封裝，使算法部署標(biāo)準(zhǔn)化、可移植，使運(yùn)行環(huán)境和算法開發(fā)環(huán)境剝離，避免因部署環(huán)境變更導(dǎo)致算法部署和執(zhí)行困難的問題。

針對(duì)西北人影算法運(yùn)行需求，國家氣象信息中心與中國氣象局人工影響天氣中心共同確定人影算法庫在“天擎”產(chǎn)品加工流水線的對(duì)接、部署標(biāo)準(zhǔn)。人影算法庫在“天擎”內(nèi)部署及運(yùn)行直至生成產(chǎn)品的流程如圖4所示。

圖4 人影算法庫在“天擎”部署及運(yùn)行流程Fig. 4 Deployment and operation process of algorithm library in Sky Engine

西北人影指揮系統(tǒng)目前在每個(gè)省“天擎”集成的算法平均約50余種，涵蓋潛力區(qū)、預(yù)警區(qū)、作業(yè)區(qū)等區(qū)域識(shí)別、指導(dǎo)產(chǎn)品生成等專業(yè)算法，以及格式解析、外推、插值等通用氣象算法。這些算法主要基于Python、Java語言開發(fā)，經(jīng)過嚴(yán)格測試后提交成算法包。算法包與Docker基礎(chǔ)鏡像共同封裝，構(gòu)建成一個(gè)個(gè)可以被“天擎”Docker容器加載運(yùn)行的容器鏡像。容器鏡像被部署在“天擎”加工流水線的容器內(nèi)，統(tǒng)一接受“天擎”的加工流程在線編排，并設(shè)置該加工流程被驅(qū)動(dòng)的觸發(fā)條件（定時(shí)驅(qū)動(dòng)或者數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)），從而形成了“微服務(wù)”（RestFul）形態(tài)的算法。微服務(wù)算法被調(diào)用后，會(huì)生成產(chǎn)品結(jié)果供ABC三種端隨時(shí)調(diào)顯。微服務(wù)形態(tài)算法雖然需要占用少量資源，但是其對(duì)氣象應(yīng)用具有2項(xiàng)優(yōu)勢(shì)：一是進(jìn)行流程定義時(shí)，所編排的算法或環(huán)節(jié)能夠支持相互之間的數(shù)據(jù)傳遞；二是快速響應(yīng)并運(yùn)行的處理能力突出，因此對(duì)氣象數(shù)據(jù)交互、產(chǎn)品生成等高并發(fā)、密集計(jì)算類的應(yīng)用具有天然優(yōu)勢(shì)。

此外，西北人影指揮系統(tǒng)在“天擎”加工流水線內(nèi)進(jìn)行了多項(xiàng)算法部署技術(shù)嘗試，包括：對(duì)算法進(jìn)行編排、組合，由原來的多個(gè)算法，組合串接形成新的算法，新組合的算法也可用于任務(wù)編排；添加人影算法的服務(wù)狀態(tài)的監(jiān)視，便于任務(wù)編排時(shí)識(shí)別算法的可服務(wù)或可使用的狀態(tài)；基于數(shù)據(jù)源狀態(tài)的實(shí)時(shí)分析，按條件觸發(fā)下游產(chǎn)品加工，大幅度提升以前定時(shí)加工產(chǎn)品的性能；在西北省份部署時(shí)，依托“天擎”提供算法批量遷移、批量部署的支持。

2.4 監(jiān)控環(huán)境融入

基于大數(shù)據(jù)云平臺(tái)技術(shù)的新一代業(yè)務(wù)監(jiān)控系統(tǒng)“天鏡”由國家氣象信息中心主持建設(shè)，又稱“氣象綜合業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)”，2020年12月21日投入業(yè)務(wù)運(yùn)行。

西北人影指揮系統(tǒng)基于“天鏡”監(jiān)控體系構(gòu)建省級(jí)人影業(yè)務(wù)監(jiān)控環(huán)境：基于天鏡監(jiān)控代理（Agent），實(shí)現(xiàn)對(duì)人影業(yè)務(wù)相關(guān)服務(wù)器及基礎(chǔ)服務(wù)監(jiān)控；基于天鏡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)接口，實(shí)現(xiàn)人影系統(tǒng)監(jiān)控DI、EI數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；基于“天鏡”眾創(chuàng)接口，構(gòu)建西北人影指揮系統(tǒng)在省級(jí)收集、計(jì)算、存儲(chǔ)、服務(wù)的全流程監(jiān)控界面，面向一線值班人影和業(yè)務(wù)運(yùn)行各環(huán)節(jié)制定告警策略，實(shí)現(xiàn)人影業(yè)務(wù)全流程監(jiān)控，并實(shí)現(xiàn)告警信息的對(duì)信息部門、人影部門的定向微信推送。

2.5 端的改造

端面向人影一線業(yè)務(wù)人員，提供人影“五段式”分析工具支撐。以人工增雨支撐來說，人工增雨的一般流程是：云系作業(yè)條件（或增雨潛力）的判別，然后持續(xù)監(jiān)測，分析并選擇催化技術(shù)，確定催化時(shí)間、部位、催化劑量，實(shí)施催化作業(yè)后，獲取作業(yè)信息并開展催化效果評(píng)估。端為這個(gè)流程的每個(gè)環(huán)節(jié)提供對(duì)應(yīng)的分析功能，典型的功能包括：引入數(shù)值模式分析判別增雨潛力，基于雷達(dá)、衛(wèi)星資料滾動(dòng)監(jiān)測潛力區(qū)變化并設(shè)計(jì)、調(diào)整作業(yè)方案，發(fā)布作業(yè)指令并監(jiān)視作業(yè)實(shí)施過程，分析作業(yè)合理性并生成效果評(píng)估報(bào)告等。

端的改造主要指西北指揮系統(tǒng)把原來“數(shù)算顯”一體化的終端軟件進(jìn)行拆解，把數(shù)據(jù)解析、算法、產(chǎn)品處理等從端中剝離出來放入云后臺(tái)形成接口，把顯示保留在端內(nèi)，最終將前端改造成支持標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)接口、應(yīng)用接口的交互顯示端。

需要指出的是，從用戶感受來看，改造前和改造后的端似乎都是一樣的，數(shù)據(jù)和分析工具功能變化不大。但實(shí)際上，改造后的端必須依托云才能完整實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能。同樣是一類資料展示，改造前，端需要通過網(wǎng)絡(luò)下載該資料文件到本地，然后自行解析、加工處理、顯示。而改造后，端不需要下載資料到本地，只是將需要顯示的內(nèi)容作為參數(shù)傳遞給云，云反饋加工處理完畢的結(jié)果給端顯示。交互分析過程中，數(shù)據(jù)也不再是先下載到本地再由端分析計(jì)算，而僅僅是獲取屏幕交互，形成參數(shù)傳給云，云后臺(tái)執(zhí)行“數(shù)算一體”計(jì)算，將結(jié)果數(shù)據(jù)返回給端上顯示。端的執(zhí)行效率不再依靠客戶端硬件條件，而是依賴于云計(jì)算能力和網(wǎng)絡(luò)帶寬。顯然，端被改造后其分工更明確，其工作重心是交互參數(shù)獲取和云返回結(jié)果的顯示。端原來的數(shù)據(jù)、算法則被抽出來“上云”，在云上執(zhí)行數(shù)算一體，不僅提高計(jì)算效率，也更利于計(jì)算資源標(biāo)準(zhǔn)化、集約化利用。

端的改造對(duì)象主要是C端。A端、B端因使用HTML5技術(shù)開發(fā)，通過數(shù)據(jù)和應(yīng)用接口調(diào)用后臺(tái)云服務(wù)，已實(shí)現(xiàn)剝離，改造工作很少。C端改造方法如下：

● 針對(duì)C端的改造，關(guān)鍵是要求C端內(nèi)部采用三層設(shè)計(jì)（每層均須標(biāo)準(zhǔn)化），三層主要?jiǎng)澐譃檎故緦?、邏輯層和?shù)據(jù)層。

● 數(shù)據(jù)層，支持標(biāo)準(zhǔn)化格式（nc/Grib/hdf/json等）的人影相關(guān)要素級(jí)格式解析，或者將不同格式統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)格式或矩陣式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這樣可以一定程度屏蔽資料和廠家差異。

● 邏輯層，主要是對(duì)端的顯示進(jìn)行配置化和簡要邏輯處理，通過配置可以設(shè)定數(shù)據(jù)源和顯示源，標(biāo)準(zhǔn)化格式的數(shù)據(jù)可以通過配置直接在端上顯示，避免端過多的個(gè)性化開發(fā)和一類一類資料的單獨(dú)解析適配工作。

● 針對(duì)氣象數(shù)據(jù)特點(diǎn)，端的展示層針對(duì)資料提供要素級(jí)顯示和分析手段，并且顯示數(shù)據(jù)內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)盡量采用矩陣式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，便于接口開放和數(shù)據(jù)解析交換。

改造后的C端的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 改造后的客戶端的內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig. 5 Internal multilayer structure of upgraded client

3 系統(tǒng)部署及應(yīng)用效益

西北人影指揮系統(tǒng)于2019年11月開始啟動(dòng)部署，首先在西北區(qū)域的青海、陜西2省的省級(jí)人工影響天氣業(yè)務(wù)平臺(tái)上開展試用，并根據(jù)省級(jí)使用反饋進(jìn)行多輪迭代更新。其中，西北人影指揮系統(tǒng)的A端和B端中的空域申報(bào)功能，在青海省投入業(yè)務(wù)運(yùn)行，形成作業(yè)點(diǎn)至省級(jí)并最終送達(dá)空管部門的完整的申報(bào)、審批、回復(fù)的自動(dòng)化流程，已成為全省作業(yè)空域申報(bào)的關(guān)鍵性業(yè)務(wù)支撐。

2020年下半年，西北區(qū)域各省 “天擎”陸續(xù)上線試用，西北人影指揮系統(tǒng)也在各省人影部門、信息部門的支持下，啟動(dòng)在省級(jí)“天擎”上的部署與試運(yùn)行工作。2020年10月，西北人影指揮系統(tǒng)在新疆、青?！疤烨妗鄙祥_展聯(lián)調(diào)聯(lián)試及試用驗(yàn)證，取得第一手試驗(yàn)運(yùn)行能力分析資料。12月中旬，“天擎”“天鏡”陸續(xù)發(fā)文開始正式業(yè)務(wù)化運(yùn)行，中國氣象局人工影響天氣中心也會(huì)同國家氣象信息中心在內(nèi)蒙古“天擎”上開展業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化部署試點(diǎn)。2021年6月，試點(diǎn)完成并形成標(biāo)準(zhǔn)化版本，標(biāo)志全國首個(gè)基于業(yè)務(wù)化“天擎”云平臺(tái)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化融入的省級(jí)人影業(yè)務(wù)系統(tǒng)的正式運(yùn)行。2021年7月，陜西、新疆陸續(xù)更新成標(biāo)準(zhǔn)化版本。在陜西，該系統(tǒng)已成為陜西“十四屆全運(yùn)會(huì)”保障活動(dòng)的核心業(yè)務(wù)支撐，在全省范圍內(nèi)投入業(yè)務(wù)運(yùn)行；在新疆，該系統(tǒng)成為天山試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行研究試驗(yàn)的關(guān)鍵性數(shù)據(jù)分析工具支撐。圖6展示的是新疆省級(jí)標(biāo)準(zhǔn)化融入后B端運(yùn)行時(shí)的界面。系統(tǒng)將在2021年底前完成西北區(qū)域所有省的安裝部署并全面試運(yùn)行。

圖6 新疆B端運(yùn)行界面Fig. 6 Runtime interface in Brower of Xinjiang

4 結(jié)論及討論

西北人影指揮系統(tǒng)在新疆、青海、內(nèi)蒙古的試用、標(biāo)準(zhǔn)化部署與運(yùn)行表明，人影部門已經(jīng)基于“天擎”氣象大數(shù)據(jù)云平臺(tái)，初步建立起一套能夠跨區(qū)域聯(lián)合作業(yè)的人工影響天氣能力建設(shè)作業(yè)指揮應(yīng)用軟件，打通西北區(qū)域聯(lián)合作業(yè)通道，開展全方位空地立體化的人工影響天氣作業(yè)，并實(shí)現(xiàn)人影數(shù)據(jù)在業(yè)務(wù)上的共享互通。西北人影指揮系統(tǒng)將向規(guī)?；?、集約化的方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)各省信息無縫銜接，并針對(duì)大規(guī)模天氣作業(yè)條件進(jìn)行統(tǒng)一指揮、決策、協(xié)調(diào)、部署，完成跨省（自治區(qū)、直轄市）人工影響天氣作業(yè)調(diào)度運(yùn)行決策機(jī)制，提高人影作業(yè)的科學(xué)性和規(guī)模效益。西北人影指揮系統(tǒng)作為省級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)改造融入的先行示范，可以充分利用“天擎”大數(shù)據(jù)云平臺(tái)各類資源，實(shí)現(xiàn)人影數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)，人影產(chǎn)品加工的統(tǒng)一調(diào)度管理，五段業(yè)務(wù)全流程的統(tǒng)一監(jiān)控，保障數(shù)據(jù)應(yīng)用的一致性，提升業(yè)務(wù)運(yùn)行和管理效率。同時(shí)，也應(yīng)看到，近年來人影業(yè)務(wù)新方向也對(duì)西北人影指揮系統(tǒng)未來發(fā)展提出新的需求，例如目前熱點(diǎn)的空中云水資源分析技術(shù)、無人機(jī)指揮、部分新型探測儀器資料分析等業(yè)務(wù)新方向還沒有對(duì)應(yīng)功能支撐，需要后續(xù)補(bǔ)充完善。

可以看出，從東北到西北區(qū)域工程設(shè)計(jì)思路的改變，正是在近年來氣象信息化、集約化大背景下，人影新技術(shù)、新數(shù)據(jù)不斷涌現(xiàn)，人影業(yè)務(wù)與基本氣象業(yè)務(wù)深度融合，共同推進(jìn)“智慧氣象”“智慧人影”的必然結(jié)果。人影業(yè)務(wù)系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢(shì)是“統(tǒng)一框架、模塊迭代、算法眾創(chuàng)、功能自主”，即在統(tǒng)一框架下，各省可自主發(fā)展特色算法和本地功能模塊，進(jìn)行算法眾創(chuàng)并在業(yè)務(wù)平臺(tái)上靈活試驗(yàn)，從而形成統(tǒng)一的、完整的、可持續(xù)的人影業(yè)務(wù)軟件良性發(fā)展生態(tài)。西北人影指揮系統(tǒng)的“4C+ABC”的應(yīng)用框架，也將是中部、西南等各個(gè)后續(xù)人影工程延續(xù)發(fā)展的重點(diǎn)，從而通過持續(xù)性的技術(shù)投入，促使全國人影業(yè)務(wù)系統(tǒng)不斷升級(jí)改進(jìn)，為人影精細(xì)化作業(yè)、科學(xué)化作業(yè)、安全作業(yè)提供業(yè)務(wù)基礎(chǔ)支撐。