虚拟化在民航气象领域的应用前景分析

曹闪

摘要：民航气象信息事业的蓬勃发展，正引起民航气象IT系统的快速增长。IT硬件众多，软件重复开发，IT资源利用率低等问题在民航气象领域正日益凸显。同时，民航气象运维人员的运行维护工作压力与日俱增；预报员办公环境因设备与线路复杂而不整洁，预报员办公心情与办公效率受到影响。本文结合民航气象的三级管理体系，从理论与技术角度、以点带面地方式展开了虚拟化在民航气象信息领域的应用前景分析，依次分析了虚拟化在机场气象台、民航地区气象中心、民航气象中心的可能应用情况。据分析，虚拟化有助于整合IT资源与提升预报服务质量，但因民航气象业务系统涉及面广，系统逻辑复杂，尚需多方探讨方可应用于实践。

关键词：虚拟化；云计算；航空气象；气象预报服务

中图分类号：TP303

文献标识码：A

DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2015.08.016

0 引言

随着民航气象事业的快速发展，民航网络基础建设和信息化建设均得到了大力支持，气象信息化设备与应用软件不断增多，然而事实上仅有30%的IT资源被利用。目前如何实现对民航气象IT资源的高效利用、降低设备维护成本、提升气象人员工作环境正成为需要民航气象技术人员考虑的问题。而虚拟化针对于此的一种有效办法和技术。

1 民航气象业务系统现状

中国民用航空气象业务系统依托民航气象中心.民航地区气象中心.机场气象台三级结构创建而成，其中机场气象台作为气象数据源头通过自动观测系统采集气象信息后上传至民航地区气象中心和民航气象中心。机场气象台自身是一个小型数据中心，其日常除需维护采集气象数据的设备外还需维护数据库服务器、通信服务器、监控系统服务器。可见，机场气象台的运行支撑压力很大。

目前七大地区中心的气象数据理论上是一致的，从IT角度看，每个地区中心都可以作为一个民航气象数据中心，设备数量多寡不一，但网络结构大体一致。且各地为了提高突发性事件的应对保障能力，应用系统越来越多地采用“一主二备三应急”的配置方式。因此，而随着信息化建设的持续推进，服务器数量必将出现爆炸式增长。

绝大多数民航气象单位为了保障重点业务正常运行，采用了一个服务器运行一个应用。同时为了缩短故障响应时间，对重点业务系统服务器采用双机热备方式；对不重要应用系统采用冷备措施。因此一方面导致了IT资源利用率低，应用系统多，设备维护工作繁琐等现象；另一方面机房空间饱和、空调、电力负荷过大等问题也日益凸显。

2 虚拟化技术简介

通俗来讲，虚拟化是指将一台物理的计算机软件环境分割为多个独立分区，每个分区均可以按照需求模拟出一台完整计算机的技术。模拟出来的计算机即虚拟机（Virtual Machine，简称VM）。虚拟化技术的实质是通过中间层次实现计算机资源的管理和再分配，实现资源利用的最大化。虚拟化可以进行服务器、存储、网络、桌面应用程序的整合，可以提高系统资源利用率，提高管理灵活性，节省服务器空间和电耗成本。与传统IT资源分配的应用方式相比，虚拟化有以下优势：虚拟化技术可以大大提高资源的利用率；提供相互隔离、安全、高效的应用执行环境；虚拟化系统能够方便地管理和升级资源。

3 虚拟化应用前景分析

基于民航气象信息与虚拟化的现状，服务器、存储、网络等虚拟化技术均可在民航气象领域得到应用。基于民航气象中心.民航地区气象中心.机场气象台的三级体系，本文给出了以下三种可能的虚拟化应用场景并加以分析。

3.1 各气象单位独立使用虚拟化技术

以民航气象中心为例，目前一个预报员常用软件有：重要天气预告图制作软件，航管科技软件，MICAPS系统，东西方预报平台，数值预报可视化二期软件；这里将这些软件定义为一套预报服务系统。每个预报员需要一套预报服务系统，按目前实际情况，为方便预报员开展预报服务工作，每套预报服务系统需要2台终端：一台用于制图与制作预报结论；一台用于查看和参考气象资料。此外，T639、MICAPS和数值预报额外各需一台服务器，用于处理基础气象数据资料，处理结果提供给相应的客户端。为防止机器故障影响重要天气预告图的制作，中心需为重要天气预告图制作平台提供一主两备计算机；为高空风温生成服务器提供一主一备计算机。其他监控与管理类软件不是提供预报服务的重要软件，暂不在考虑虚拟化范围之内。本套系统的基本结构如图1所示。

如采用服务器虚拟化解决方案（可借助现有软件Citrix XenServer、Windows Server Hyper-V或VMwareESX Server），选用2台配置较高的小型机（16核CPU.32G内存）作为宿主机，这两台宿主机组成一个服务器集群，每台宿主机上安装10个虚拟服务器；另配一台服务器安装虚拟机管理软件来管理该服务器集群，机务人员具有超级管理员权限，可管理整套虚拟化系统。因MICAPS服务器、数值预报可视化二期服务器和T639数据处理服务器对机器性能要求较高，故为其分配配置较高的虚拟服务器（2核CPU，4G内存），其他虚拟服务器配置一致（单核CPU，2G内存），虚拟化系统网络结构如图2所示。

此虚拟化解决方案有如下优势：

（1）预报员工作区环境整洁，办公高效。预报甚至仅使用一台瘦客户端都可以开展工作；

（2）简化了服务器部署、管理和维护工作，通过动态资源配置提高了业务的灵活适应能力；

（3）在机房占用空间、散热以及电力消耗等方面显著降低了硬件消耗，响应了国家节能减排的号召；

（4） Micaps和数值预报计算服务器给各预报员使用的虚拟终端数据传输效率得到提升；

（5）便于实现虚拟机的快速转移和复制，因此故障响应时间更短。机务人员保留每台虚拟机的快照信息，当一台虚拟机瘫痪时，可使用快照快速创建新的虚拟机给预报员使用，从而避免采用冷备方案。endprint

此解决方案可在民航各气象单位通用，具体情况结合本单位设备、软件情况而定。据了解，已有某些机场气象台将该解决方案付诸实践，效果明显。

3.2 构建8大数据中心/存储中心

3.2.1 民航气象数据库系统网络结构现状

根据调研，民航气象各单位网络拓扑结构基本类似，本文将各地民航气象数据库系统的网络共性抽象为以下逻辑示意图，见图3。民航地区气象中心与机场气象台除具备民航气象数据库系统外，还具备自观、雷达、应用、监控等设备与系统。

可见，机场气象台作为数据源头，需维护的设备除通信/数据库服务器外，自观、雷达等设备是维护部分的重中之重，而这些设备需出外场维护，维护历时较长。

各地机场气象台存在技术能力参差不一，人员数量不一，资金配备有限等状况，目前大部分机场气象台，尤其是西部偏远地区机场气象台运行压力很大。众所周知，机场气象台数据库中保存的数据是民航地区气象中心的子集。因此，机场气象台可谓是一个微型数据中心，这无疑是一种资源的重复配置。

3.2.2 民航地区中心采用虚拟化解决方案

如采用虚拟化解决方案，将民航气象中心与民航地区气象中心构建为8大数据中心兼顾存储中心，即3.1节方案在7大地区中心的中等规模应用。7大地区中心各自维护一套虚拟化集群系统，为其管辖的机场气象台提供虚拟终端，那么机场气象台只需维护终端和保障数据传输即可，无需维护数据库服务器、应用系统等，采用虚拟化解决方案后的网络拓扑如图4。

从图4可以看出，机场气象台的网络结构得以精简，设备维护数量得以减少，解除了机场气象台数据库入库信息与地区中心不一致的情况，且有利于统一管理空管各机场气象台软件使用情况。机场气象台由原来的兼顾收发报文简化为专注于发报工作，其工作量大幅降低，运行压力得以减轻，工作人员可将精力集中于维护气象数据采集设备。节省的服务器及相关维护资金可用于购置高精专气象数据采集设备与建设更独特的个性化需求上，以便进一步使民航气象服务向高精专方向发展。

3.3 构建民航气象云

为了能更高效的整合民航气象系统资源，可在整个民航气象范围内使用虚拟化技术。但是上文中提到的虚拟机架构不适合大规模应用场景，因为此时不仅需要管理虚拟机还需管理存储、网络和CPU资源。而云计算系统正是这样的虚拟机资源管理系统，该系统包括虚拟机、存储、网络和CPU的管理。

云计算技术上的实现，需要虚拟化、并行计算、效用计算、网络存储和负载均衡等旧有的技术。按云计算的应用场景，可将云分为私有云和公有云；二者的区别在于应用场景，私有云仅供本单位或本系统使用，公有云则是面向需要云计算资源的所有单位和个人。

民航气象数据库业务系统自成一体，通过ATM网络在各民航空管气象单位传输数据。目前民航气象中心为了提升民航气象服务质量，建设了航空气象服务系统，该系统通过Internet提供民航气象数据资料、预报服务、最新机场天气情况等。

因此可在整个民航气象范围内构建民航气象混合云。采用混合云后，整个民航气象系统的结构就发生了巨大变化，如图5所示。

图5涉及云计算的三层架构，即IaaS（Infrastructure as a Service）、PaaS（Platform as a Service）、SaaS（Software as a Service）。现简单解释如下：

IaaS基础设施即服务，包括物理机的管理、虚拟机的管理和存储的管理等。

PaaS平台即服务，主要为构建好的虚拟机。

SaaS软件即服务，主要为各种网络应用。

采取该方案的优势：

（1）资源统一管理与有效利用。机务人员只需管理物理服务器，且无需了解上层应用。按需分配虚拟机，当需求量少时，关闭空闲的服务器以节省电量。

（2）民航气象数据库系统信息统一，各民航空管气象单位共用同一数据库；便于帮助各气象台提升气象数据质量。

（3）加速民航气象应用开发。当需要增加新的应用时，无需从底层硬件开始搭建整个系统，可直接调用Paas的各接口。

（4）按需定制。各使用单位可根据自身需求确定接人云计算系统的哪一层。

a）技术、管理等能力强的单位，如民航地区气象中心和民航机场气象台，可按需提出硬件需求，即接人IaaS层，建立自身平台和软件应用；亦可接人PaaS层，在虚拟机上直接部署应用；但可节省硬件维护成本与机房空间；

b）技术能力较差，资金压力大的机场，如部分民航属地化机场，可接人SaaS层，直接使用民航系统内通用的预报服务应用；民航属地化机场只需维护PC终端即可使用质量可靠的应用程序，无需重复开发软件，且更容易与先进的预报服务技术对接。

2015年是云计算系统在中国的落地元年，具体应用效果尚不明朗，且民航气象人员尚不具备过硬的技术能力，因此构建民航气象云将是一个长远的浩大工程。

4 结论

本文结合民航气象的三级结构，从技术角度对虚拟化在民航气象领域的应用前景在理论上进行了探索与分析。民航气象业务系统涉及范围关系，关系民航万千旅客的安全，故虚拟化在民航气象领域的应用尚需多方研究与探讨。本文谈及的三种技术方案的在民航气象领域发展不一，为了能使虚拟化、云计算发挥更大的作用，本文认为具备条件的各民航气象单位可在不影响现有民航业务的前提下尝试使用虚拟化技术，以为日后深化应用探索道路与总结经验。endprint