IT信息技术在云南人工影响天气空域申请中的应用

杜 峰

云南省人工影响天气中心 云南 昆明 650000

1 云南省人工影响天气中心空域自动化申请系统功能简介

系统项目建设主要围绕人工影响天气作业的空域申请展开,建设的人影地面作业空域自动化申请系统软件部分共分为:人工影响天气作业申报管理平台、人工影响天气作业申报软件、人工影响天气作业语音申报平台及人工影响天气作业实时监控系统四个子系统。

1.1 人工影响天气作业申报管理平台

包含组织架构管理、用户权限管理、作业点管理、作业记录管理、作业记录统计报表等功能。通过该平台,便于管理部门有效管理作业点信息,及时了解作业点动态;准确记录作业情况,进行数据统计分析,为管理工作决策提供有效数据支撑。

1.2 人工影响天气作业申报软件

包含作业申请、作业审批、作业情况回复、作业时间预警、系统自动同步对时五个子功能。主要用于完成人工影响天气作业中的作业空域申请申报及批复。

1.3 人工影响天气作业语音申报平台

包含作业申请、作业查询、作业取消、作业情况语音留言回复四个子功能。采用智能语音系统进行语音导航,在没有条件使用人工影响天气作业申报软件的地区使用该平台完成空域申请的自动化申报及批复。同时在作业申报软件系统因网络或其他突发因素导致系统离线时,该平台作为备份系统,保证人工影响天气作业工作的顺利完成。

1.4 人工影响天气作业实时监控系统

包含GIS地理信息、管制区域信息、航线信息、作业点信息、作业情况实时显示。省级空管部门和各级人工影响天气指挥中心通过该系统,可以对全省的作业情况进行实时监控。

2 系统分析及设计

2.1 业务分析及设计

2.1.1 省、市（区县）人影办的监控和作业管理设计

在云南省、市、区县三级人影指挥中心安装的作业空域监控与申请终端主要完成自动接收作业点的作业申请与空域申请批复,实现作业点动态信息显示和作业空域申请情况监控,并将作业申请信息实时传递到军航管制中心人影作业批复席位,接收该席位的批复信息,实时监测的同时向相应作业点下达准确的作业指令。同时具备地理信息背景上的作业动态信息显示、监控能力、一级地理信息背景的控制操作能力;具备静态作业数据、动态申请批复信息的记录处理管理能力;具备与军航作业批复席位同步的时钟自动校准能力。做到准确传递作业申请、作业批复信息与显示,准确监控作业动态,达成作业空域申请批复的自动化,提高作业批复效率,从而提高作业效率。

云南省人工影响天气空域自动化申请管理系统的基本定位:作业点申请空域时省、市、区县三级人影指挥中心都必须具有空域申请监控功能,实时的自动接收各级空域申请及席位批复信息情况。

2.1.2 军、民航空管分析与设计

军队及民航空管部门对人影对空射击空域的总体要求是:建立人工影响天气管理与控制系统,是为了提高人工影响天气空域申请的时效性,增强管制人员飞行调配的预见性、计划性、实时性和准确性,更好地为人工影响天气服务。

军、民航管制中心要求在管制员席位上完成作业情况监控和作业申请批复,为了保证空中飞行安全,该席位必须具备自动校准时钟和准确时钟显示和导入的能力;管制员还需要对所辖人影作业点及其申请计划的动态掌握,所有作业申请被及时处理成炮射信息,并在地理信息背景上动态显示;与此同时,作业地理背景的基本需求,必须具备各类图层显示控制、地图测量工具、地图控制工具、动态距离测量（航迹与作业点间的动态距离）作业点数据管理等能力。由此,空管中心的人影作业批复席位可以真正实现完成自动批复、作业状态监控,达成提高作业效率的最终目标,并可以确保空中飞行安全。

2.1.3 提高管制值班效率

人工申报,平均每次审批需要5-8分钟,平均每小时只能批复20余次作业申请。使用对空射击自动申报系统后,对空射击管理所需的信息可以自动显示在一个平台上,审批时间明显缩短,可以控制到平均1-2分钟可审批一次,预期每小时可审批40-50次申请。

2.1.4 提高信息精准度

原有对空射击审批方式以语音通话为主,通话过程中可能由于口音、口误、通话线路质量等原因在信息传递中造成差错,存在安全隐患。新系统则以气象宽带网和数字专线网络通信方式保证了信息传递的可靠性、精准度,杜绝了由此可能引发的危及飞行安全情况的发生。

2.1.5 明确坐标信息

以往管制员在接到申请后,需要人工查找对空作业点,查看雷达信号,依据空中飞行动态进行批复,不能精确掌握炮射作业点与航空器之间的相对位置关系。为确保飞行安全,管制员不得不缩短作业时间,扩大炮射活动飞行限制区,空域利用率较低。新系统则使炮射活动与空中航空器的相对位置一目了然,空域利用率提高了51%。

2.1.6 实现GPS统一授时

由于人工影响天气作业点均为地方工作人员,申请的时间均以自己的手表为依据,值班期间多次出现手表时间与管制值班系统的GPS时间不一致情况。新系统实现了三方统一授时,解决了时间误差给飞行安全带来的隐患问题。

2.1.7 进一步规范监管。

新系统使用前,炮射作业的申请批复流程不够清晰,责任不够明确,管理手段也很单一,管制员对人工影响天气炮射的实时监管难以实现。新系统则及时填补了这一空白,架起了炮射单位与空域管理单位之间的桥梁,开通了作业点与管制大厅之间的高速通道,使整个申请批复过程变得明确、规范。

2.2 系统设计

2.2.1 核心业务流程设计

业务流程图如下:

如上图:作业点通过甚高频与县级申报终端交互,县级申报终端收到作业申请后①县级申报终端根据实际情况和操作权限在终端设备上提出申请,申请数据直接送达省级业务调度中心,并将申请转发至该县的所有上级部门（注:此时上级部门可以根据权限取消该作业申请）,同时根据业务调度规则将业务申请发送至空管气象专席。②省级调度中心将作业申请发送到空管气象专席。③空管气象专席在收到业务申请后操作受理功能,受理结果发送至省级调度中心。④省级调度中心将空管气象专席的受理通知发送到申请发起单位。⑤空管气象专席对已受理的申请进行空域申请,并将批复结果发送到省级调度中心。⑥省级业务调度中心将审批结果发送给县级申报终端,并同步抄送给该县的上级管理部门（注:此时上级部门可以根据权限紧急叫停该作业）。⑦作业点在作业结束（注:可能是被叫停,或天气变化作业取消）后将作业结果通知县级申报终端,并由县级申报终端回复至省级业务调度中心。⑧省级业务调度中心将作业结果发送至空管气象专席。

2.2.2 系统总体横切分层设计

浏览器和客户端向使用者提供UI交互,完成系统业务展现,并通过WEB服务器（非实时业务）和实时业务传输服务器（作业申请等核心业务）接入应用服务器事件总线,整个系统进入拓扑实时在线状态。

应用服务器处理业务逻辑和数据访问,详细架构下节描述。

2.2.3 服务端软件架构

云南省人工影响天气中心空域自动化申请系统服务端基本架构设计分为四层:顶层是人工影响天气地面对空射击作业业务层,包括人工影响天气对空射击作业空域申请,空域使用计划、空域批复指令和对空射击作业信息的接收、转发,作业状态动态监控显示等;

第二层是运行支撑层,提供对空射击作业点的信息资料管理、用户管理、权限甄别,流程定义,系统管理等功能,为地面对空射击作业业务运行提供支撑;

第三层是数据服务层,主要进行数据的高速缓存,事务控制,对象级重组和封装,并对数据进行业务层面的汇总、流转,为支撑层和底层提供数据信息支持;

底层是传输层,处理并发和流控,对内通过气象广域网进行信息交互,对外通过综合接入网关与全军空管通信网路骨干节点进行信息交换。

2.2.4 功能设计

整个系统功能分为实时业务和非实时业务两大块,实时业务处理空域申请相关的核心业务,非实时业务处理基础维护和作业点审核等功能。

3 云南省人工影响天气中心空域自动化申请系统创新性

3.1 综合创新

系统的主要特点简略来说可概括为以下几方面“审批直达,提高效率。全程监管,随时介入。流程灵活,自动伸缩。统一授时,避免差错。数字化沟通,避免歧义。全程记录,业务重现。”下面根据业务职能进行分别论述。

3.1.1 一线单位

使用系统后,人工影响天气作业申请从以往的独占式顺序处理（一个人接一个电话受理一次申请,电话不断,受理阻塞）变成了并发处理,全省作业可以同时上报民航空管中心气象专席,受理通道不会阻塞。自动获取作业点经纬度、联系人等相关信息,可以有效避免信息误报,并同时降低工作量,提高工作效率。全省各部门使用统一的系统时间,减少计时工具不统一带来的风险。作业信息存储于数据库,便于统计和产生报表,减少一线单位的统计和上报工作。杜绝由于地方口音、语速等问题导致的传统电话申请误报问题

3.1.2 上级监管部门

整个审批流程的数据自动记录便于统计、查询。形成有效的监管和总结,并且在事故产生后产生有迹可查的线索,明确责任划分。可根据上级监管部门的临时紧急情况,直接在全市系统中紧急叫停,方便特殊情况应急处置。

3.1.3 空域管制部门

通过民航空管气象专席客户端结合航线图的申报受理系统,可由民航空管中心培训民航空管气象专席,对上报作业进行批量预处理后再上报民航空管中心（处理模式可与空管中心协商形成操作规程）。这样可以极大的减轻民航空管中心的审批工作量。

3.1.4 全省综合效能

随着民航事业和空军的发展,空域使用越来越饱和,可以用于人工影响天气作业的间隙越来越碎片化。因此,快速直通的申请模式和高效传输的审批流程成为了人工影响天气作业中必须要解决的首要问题。系统使用多播模式简化申请流程,并采用授权功能监管作业申请。在云南省使用多年的经验显示,极端情况下的审批也不超过1分钟,效率大大提升。系统采取了构架于传统PSTN电话网的自动语音申报（全电话按键操作）+构架于广域网的多网同步传输技术,解决了可靠性问题,两个传输系统数据互通,互为备份,实现了全天候无故障的申请保障。

3.2 技术创新

3.2.1 系统基于WCF,架构模式采用SOA,后端应用服务采用多层设计,解耦彻底明确。多线程和并发模型清晰。通过设计有限状态机来处理服务端智能分发,实现处理高并发且便于业务调整。后台系统采用多层架构处理并发,减少延时。

3.2.2 领先的多网传输方案。实时系统的核心能力在于实时、并发处理和传输保障。以前的同类系统大多依靠且仅依靠电脑+网络,出现系统故障时系统无法运行。而实际应用中,系统环境更加复杂,譬如线路故障,机器故障等等。为了应对实时系统中的种种问题,系统开创性的使用了自动语音申报技术作为主系统的实时备份,依靠传统电话网实现系统并行在线,自动语音申报的所有数据与主系统共存,无须切换。

3.2.3 界面简洁,操作简单。根据一线操作人员的大量反馈,将所有操作压缩到一至两个操作,方便快捷。同时界面业务元素突出直观,所有的业务信息通过颜色,声音,真正、动等方式一目了然,快捷高效。

3.2.4 系统于2019年融入了智能穿戴,通过定制手环的方式将智能设备融入到业务当中,在大大增加了一线业务人员的灵活性的同时,强化了业务通知的及时性。

4 云南省人工影响天气中心空域自动化申请系统现状

云南省人工影响天气中心空域自动化申请系统全省上线以来,以系统的简洁明了,高效可靠获得了一线单位的一致好评。对传统业务的提升主要体现在以下几个方面:

4.1 人工影响天气作业申请实现了并发无阻塞,避免了以前因为电话占线产生的申请无法及时送达。

4.2 系统自动采集作业相关信息,高效准确,同时避免了以往因为地方口音和语速问题导致的申报传递不准确。

4.3 地理信息系统准确反应位置,便于和雷达图进行对比观测,使作业申请更具科学性。

4.4 自动报表减少了数据统计和上报工作,解放了部分生产力。

4.5 按照权限处理紧急叫停,在毫秒级送到一线单位,实现高效的紧急情况处理。

4.6 上级管理部门和领导按照权限实时在地理信息系统上监控和查看一线作业情况,便于指挥决策和查询。

5 未来发展方向

5.1 操作系统和应用软件国产化,确保核心技术自主可控。完全脱离对境外软件的依赖。确保人工影响天气作业空域申报这样的保障系统,不再随时可能面临境外技术封锁

5.2 适配气象大数据云平台-天擎环境,实现系统平稳移植和灵活部署。把业务托管于天擎云之上,可以有效地使用天擎云的存储及计算资源,并可以使用天擎云上的共享数据和算法,为以后拓展更多的应用模式打下良好的平台基础。

5.3 面向人工影响天气作业申请信息系统的典型应用场景,构建以天擎云为底层支撑,国产自研微服务框架为主干,将整个系统按微服务划分,容器化部署,实现业务容器集群保障和外部访问统一服务网关。达到以人工影响天气申请信息系统为发起点,开放融入其他业务系统的业务引擎平台的目的。