民航气象运行质量信息管理系统的设计

2024-10-01

民航气象运行质量信息管理系统的设计（共3篇）

民航气象运行质量信息管理系统的设计篇1

民航气象运行质量信息管理系统的设计

运行质量信息管理系统是为适应民航东北空管局气象中心业务运行质量管理的.需求而设计开发的软件系统,主要完成对民航东北地区空管各机场气象台工作质量信息的的统计和分析,旨在减轻业务管理人员的工作量,提高工作效率和管理能力.

作者：傅东瑜作者单位：民航东北地区空中交通管理局气象中心,辽宁,沈阳,110043 刊名：科技信息英文刊名：SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 年，卷(期)： “”(29) 分类号：关键词：质量信息管理系统

民航气象运行质量信息管理系统的设计篇2

随着信息技术的日益进步, 网络监控技术从早期的单一技术逐渐发展为一种综合应用, 它将监测技术和系统管理集成在一起, 并利用网络传输技术来远程获取被管网络中设备的运行信息, 通过智能分析手段来提供一种安全的管理服务。目前民航气象信息服务的特点及面临困难:

第一、信息种类和应用的多样性使得信息维护工作量大

民航气象服务所需要应用的信息有地面和高空风温资料、气象雷达图形资料、气象卫星资料、航路及机场实况资料、各类Micaps资料及报文产品等, 资料的获取途径也各不相同, 应用的形式多样。因此, 应用终端多, 网络结构复杂, 这给气象设备维护人员保障信息安全带来了较大的工作量。

第二、信息接收、发布要求及时, 而信息安全监控难度大

目前民航空管系统的气象观测、预报业务及其它用户服务终端设备分布较分散, 包括机场飞行区观测室、航管楼塔台、预报室和雷达塔等有之间存在一定空间跨度, 设备维护工作要同时兼顾所有气象信息终端的监控巡视维护工作。目前, 民航空管气象信息安全监控主要通过设备维护人员定时巡视为主, 其次是气象信息应用人员的监督。但民航气象信息中各类数据接收、发送时间并不一致。而设备人员巡视时间间隔固定, 信息不安全事件是随机发生的。因此, 信息不安全事件在巡视时间间隔内发生时, 不易被维护人员及时发现, 并采取有效措施解决。直到应用人员使用时发现, 一方面必然给气象服务保障工作造成一定程度的影响;另一方面, 给设备维护人员的应急处置造成一定程度的紧迫性。

本文所设计开发的民航气象信息安全综合监控系统, 目的为了进一步提高信息安全保障服务质量和气象信息应用质量, 有效减少气象设备保障中错、忘、漏等情况的发生。

该系统通过实时监控气象服务的各个终端的运行环境、硬件、系统、网络、数据接收情况等信息, 并将监控结果集中显示到监控平台上。当发生信息不安全情况时, 在监控端通过图形、声音、文本或短信的方式进行预警, 并以文字形式提供建议性处理方案。将各个系统运行情况存入日志文件中, 可以按年、月、日统计生成设备运行报表。本系统在实际应用中能够进一步提高气象信息安全和气象服务质量, 同时在一定程度上提高气象设备维护人员和气象信息应用人员的工作质量, 有效缓解设备维护人员的工作压力。

二、系统总体设计

在民航气象信息安全综合监控系统中, 通过网络远程监控技术实现对气象信息的各终端的重要信息进行监控。本系统拟采用网络化、集成化的C/S与B/S相结合总体架构模式, 通过在各终端安装监控代理, 监控代理在终端上采集相应的信息, 并进行安全性判断, 将判断结果发送给服务器, 在服务器端将信息分类整理存入数据库。并根据监控显示终端的要求将相关信息提取显示到监控界面上或管理员的手机上, 同时服务器也支持WEB访问, 终端运行情况通过WEB获取。该数据流向分别如图1所示。

三、系统模块设计

民航气象信息安全综合监控系统包含监控服务器系统和监控代理系统两个子系统。监控代理系统用于监控信息的采集和简单诊断, 监控服务器系统主要用于对监控代理发送的监控信息的接收、存储管理、智能决策、告警信息发布、案例收集、统计分析等。

四、系统主要功能设计

4.1 监控功能

网络:气象信息服务局域网网络运行实况;CPU、内存:终端的cpu、内存使用率;

进程:终端重要进程监控;USB:终端usb使用情况;资料接收:终端气象资料接收情况监控 (气象资料接收、采集的完整性、有效性、及时性) ;机房环境:机房的温、湿、烟监控。

4.2 案例收集和智能决策功能

在本系统设置智能决策模块, 管理员将信息安全处理方案和应急预案不断积累整理录入解决方案数据库中, 存储在监控服务器中。当发生不正常情况, 用户确认收到告警信息时, 系统智能决策模块根据当前情况进行判断, 从解决方案数据库中搜索相应或相近的处理方案和应急预案显示到监控终端上, 以供用户解决问题时参考。

4.3 告警功能

本系统对监控的到异常信息进行实时告警, 以便维护人员及时关注设备状况。告警的形式为声音告警、图像、文本、短信告警相结合的方式。当故障出现5分钟内值班员还没有确认知道告警时, GPRS模块以短信的方式将告警内容的简述发送到值班人员的手机中, 以防值班员离开监控终端时影响监控的及时性。

4.4 信息安全事件日志管理功能

在监控过程中, 如果发生信息安全事件, 在监控服务器中记录所有发生的信息安全事件发生的时间、主机或网络设备名称、内容等信息以便后期工作中查阅。

4.5 设备运行统计和报告功能

系统可以按小时、天、月、年统计对设备按类型进行故障统计, 并形成报告文档。对于设备风险评估、设备更新有情业务提供有力的科学依据。

五、系统安全性设计

本系统应用过程中要将监控代理分系统安装至被监控终端上, 监控信息从各个被监控的终端上汇总到监控服务器中。为了保证业务系统能够正常运行, 监控系统要求安全可靠。因此, 设计过程中将系统的可靠性和安全性, 如表1所示。

六、总结

本系统的设计立足在信息安全保障的监控过程中, 减少人的参与度。同时利用信息化和智能化, 在信息不安全事件处理过程中, 充分发挥人的作用。有助于缩小因维护人员水平差距对信息安全保障带来的影响。民航气象信息安全监控系统的设计, 实现对民航空管气象服务局域网网络内部设备、运行环境、资料等进行实时监控。从本根上解决民航气象服务中数据交换、处理等服务中面临的困难, 有效提高气象信息服务保障效率和水平, 减少工作中错、忘、漏等情况。信息化在空中交通管理行业应用的前景还很广阔, 需要不断地学习和积累, 才能使我们更好地建设集成度更高的信息化空管服务。

参考文献

[1]张友生.系统分析师教程[M].机械工业出版社.2010.

[2]Leszek A Maciaszek, Bruc Lee Liong.Practical Software Engineering:A Case Study Approach[M].Pearson Education2005.

[3]刘滔.基于BS架构的民航气象信息综合服务系统[D].上海:上海交通大学信号与信息处理系.2009.

民航气象运行质量信息管理系统的设计篇3

随着民航产业飞速发展和气象学、气象观测技术手段的不断进步,与民航飞行相关的各类气象信息、数据不断增加,这一点主要体现在数据的观测密度的提高、数据的类别增加、数据的来源增加。随着观测手段的不断进步,对传统气象参数的数据采集的频率不断的提高,某些气象数据甚至可以达到实时;可观测的数据的类别也在不断的增加,如:云图、不同飞行高度层的温度、湿度、风力风向、云区、天气现象、急流带、积冰、颠簸等等,而且不同的气象参数所需要进行的分析方式存在较大差异,如等直线分析,伪彩色分析等,所输出的图像也有所不同;此外数据的来源也逐渐丰富起来,除有来自民航气象系统、国家气象局、各地方台站得到的数据外,还有众多参与WMO组织进行气象数据交换的各国家地区。这些民航气象数据的特点体现为数据量巨大,数据的更新较快,格式复杂、解析困难,数据格式的准确性无法得到全面保障等。

目前国内外尚没有一款合适的、面向我国民航业应用的、可以处理各种气象数据的商用气象软件。目前主流的软件通常仅针对非常有限的几类气象数据,而且不同的软件通常立足于不同的地理信息系统,无法将各软件输出的图样有效的结合起来。根据这一情况,民航华东空管局气象中心与上海交通大学电子工程系联合开发了“民航气象信息综合服务系统”。该系统面向我国民航业对气象系统软件的需求,以数据图形化、综合信息处理能力强为目标,进行设计和开发。该系统在奥运期间投入运行,在实际的运用中接受用户的检验,证明了该系统的先进性和适用性。

本文所讨论的气象信息综合服务系统采取目前较为流行的浏览器/服务器(BROWSER/SERVER,BS)架构,在此基础上配合以伺服服务器程序,同时支持多用户在线浏览、工作。所有气象数据均采用矢量图形化,可以对图像数据进行任意尺度的缩放而不失真。此外该系统配合以多层次的地理信息数据,可以由用户选择不同层次的地理信息标识以及投影方式。另外具有良好的人机界面结构并支持用户对自己的工作平台进行充分的个性化设置,并可以加以保存。

在后续的章节中对该系统的设计及开发细节进行了细致的讨论,其中第二节讨论了该系统的基本结构和工作原理,第三节中就该系统的核心算法做了简单介绍,第四节展示了部分数据的图形化结果,第五节中对该系统的未来发展进行了展望。

1 系统结构

本软件系统要解决的问题是在Web浏览器上实现各类民航气象信息在同一个地理信息系统下的叠加显示,具体的说,需要解决以下的问题:

(1) 从数据库中快速检索出所需的气象数据,并根据编报标准,完成解析。

(2) 对解析出的气象数据作进一步处理,绘制出对应的气象图形。

(3) 在WEB浏览器中,将不同种类的气象数据图形在同一个地理信息系统中相互叠加。

(4) 与用户交互,响应用户命令,提供多种气象数据图形化浏览机制。

(5) 设计Browser与Server的通信协议,并解决多用户同时访问的实时性问题。

本软件的系统结构采用较为成熟的、有数据库支持的B/S模式。系统的基本软件架构将如图1中所示。

该软件系统通过HTTP服务为使用者提供客户端的界面。由于该软件系统要求图形化程度高而且能够支持用户的任意缩放及拖动,所以图形都采用矢量图格式,图形的渲染都交由客户端来完成。为了保障系统的性能和容错能力,各种气象数据的处理、投影变换以及用户权限管理都由服务器负责。数据库部分主要负责气象数据查询和资料的实时更新。所以,在纵向上,可将系统划分成3块。

按照该软件系统需要处理的数据的类别,在横向上可以将其划分成为十三个模块,分别是:地理信息系统模块(GIS)、卫星云图模块、雷达模块、重要天气现象模块(SWM,SWH)、热带气旋模块、高空风温模块、气象物理量模块、常规地方气象模块、航线剖面图模块、航站自动观测模块、民航报文模块、文件服务模块以及用户管理模块。

1.1 服务器

服务器处于数据库与客户端之间,承担了系统大部分的运算工作和各类资源的管理维护工作。它是整个系统中最繁忙的部分,运行效率对系统的性能有着至关重要的影响。因此,采用C语言作为服务器的开发语言,并结合了多线程技术对性能进行优化。服务器与客户端通过Socket通信,而与数据库的通信则是利用ProC在C中内嵌SQL语句来实现的。

服务器可分为五个功能模块,分别是伺服模块,数据处理模块,定时模块,投影变换模块,控制模块。伺服模块负责监督客户的连接情况,为每一个成功连接的客户分配独立的服务单元。数据处理模块负责前面提到的十三个大类别的数据的提取和解读。并且由于各种原因,有一部分数据的格式不正确,所以该模块还必须具备数据容错的能力。投影变换模块负责气象数据在经纬度投影、柱面投影和锥面投影之间的相互转换。控制模块负责对连接到服务器上的客户身份、数量进行实时控制,设置客户的权限等。定时模块定时的对大块的数据文件定时地进行预处理,将不能直接解析的大文件分解成可独立响应客户需求的小文件,在实现数据解读的同时避免了重复地对大文件进行读写和解析,加快了系统的响应时间。

1.2 客户端

由于要求客户端必须具备矢量图形渲染、渲染参数修改以及图像的无失真放大、缩小能力,本系统的客户端与普通的BS系统客户端有所不同。它不仅负责与用户进行交互、显示图形,也承担了小部分的计算任务以及图像渲染功能。这样,就将渲染、叠加的计算分担到了每个用户上,减小了服务器的负载,提高了系统的运行速度和负载能力。

客户端利用JAVA进行开发,提供图形渲染功能。并通过将JAVA Applet嵌入html中,用户只需通过Web浏览器即可获得系统提供的各类服务。客户端具有良好的人机界面结构并支持用户对自己的工作平台进行充分的个性化设置,并可以加以保存。首先,客户端验证用户的合法性,若通过则还须为该用户进行个性化设置,然后响应用户的请求。根据是否需要与服务器通信,将用户的请求分为2类。一类无须与服务器进行通信,例如改变等值线间隔、气象图形颜色等,则只需在客户端进行相应的数据的处理和图像渲染,必要时还需要在渲染前对现有的数据进行处理,如插值,曲线拟合等。另外,对于天气图,还要根据各气象站数据进行重要天气区域的分析;另一类需要后台提供服务,则应向服务器发出数据请求,等待服务器响应之后,再完成图形的渲染。对于Sigmet报和航站自动观测资料,还需要设置定时器,定时向后台发送数据请求。

1.3 数据库

气象数据包括重要天气现象数据、民航报文数据、常规地方气象数据、热带气旋等数十种,数据量巨大,数据请求频繁,因此必须使用大型ORACLE数据库,并开发出一套高效的数据库操作算法才能够满足快速响应的要求。数据库部分用SQL语言进行开发,并结合服务器的多线程技术,使用了ORACLE的多线程连接池技术,有效的缓解了数据库压力,提高了系统的吞吐量。

2 关键技术

2.1 投影变换

地球旋转椭球体面是一个不可展开的曲面,地球投影就是在直角坐标系下建立地球经纬度从球面到平面的映射。本系统的投影方式有3种,分别是等经纬度投影,麦卡托投影以及兰博托投影。不同的投影方式得到的经纬度网格线不同,相对于地球本身的经纬度网格都有所变形。等经纬度投影映射的经纬线间隔都相等,经线与纵轴平行,纬线与横轴平行;麦卡托投影是一种柱面投影,它映射后的经线间距离相等,与纵轴平行,纬线距离从低纬度到高纬度逐渐增大,与横轴平行;兰博托投影是一种等角锥面投影,它将地球表面映射为一个扇面,经线对应扇面的母线,纬线对应扇面上不同位置的扇弧。

投影变换作为一个独立的功能模块,它运行在后台服务器端,负责完成各类投影方式下经纬度与平面坐标之间的正映射和逆映射。系统的默认投影方式为等经纬度投影。除非客户端运行在等经纬度模式下,所有与经纬度信息有关的数据都必须通过该模块进行投影变换,得到正确的图形渲染坐标。

在麦卡托投影变换中,南纬90度和北纬90度都被分别投影至正无穷处和负无穷处,考虑到用户对高纬度区域不感兴趣,允许一定程度的变形,因此将纬度高于85度的区域都按照等经纬度投影的方式进行映射。

在兰博托投影变换中,由于地理信息系统以0经度为中心轴,而用户观测最频繁的区域是东经60度到东经150度,北纬20度到北纬60度的东亚区域,该区域在经过一般的兰博托投影后,位于扇面的右上方且表现为倾斜,不利于用户观测,因此,在完成锥面投影后,还需将坐标沿顺时针进行旋转,使得该区域中心的经线与纵轴平行。

2.2 克里金(Kridging)插值

本系统中的许多图形,例如重要天气现象图,气象物理量图,常规气象天气图等等,都要求绘制出准确、平滑的气象要素曲线或者等值线。由于原始报文中气象要素只在有限的离散经纬度上有数据描述,因此需要对接收到的数据的坐标进行插值计算。考虑到气象要素变量存在区域相关性,本系统使用空间自协方差最佳插值法,即克里金算法进行插值计算。

克里金插值法又称空间自协方差最佳插值法,它是以法国D.G.Krige的名字命名的一种最优内插法。它首先考虑的是空间属性在空间位置上的变异分布。确定对一个待插值点有影响的距离范围,然后用此范围内的采样点来估计待插点的属性值。该方法在数学上可对所研究的对象提供一种最佳线性无偏估计的方法。它是考虑了信息样品的形状、大小及与待估计块段相互间的空间位置等几何特征以及品位的空间结构之后,为达到线性、无偏和最小估计方差的估计,而对每一个样品赋与一定的系数,最后进行加权平均来估计块段品位的方法。

设x1,x2,…,xn为区域上一系列观测点,Z(x1),Z(x2),…,Z(xn)为相应点上的观测值。区域变化量在x0处的值Z*(x0)可采用一个线性组合来估计。

$Ζ^{*} (x_{0}) = \sum_{i = 1}^{n} λ_{i} Ζ (x_{i}) (1)$

无偏性和估计方差最小被作为选择λi的标准。由此得到克里金方程组, $\bar{C}$ 为协方差。

${\begin{cases} \sum_{i = 1}^{n} \bar{C} (x_{i} - x_{j}) λ_{i} - u = \bar{C} (x_{0} - x_{j}) \\ \sum_{i = 1}^{n} λ_{i} = 1 \end{cases} (2)$

解上面的n+1元方程组,得到λi的解后代入(1)式,求得区域变化量x0的值Z*(x0)。

3 图形结果

本系统提供了良好的人机交互界面,并且为用户提供了多层次的观测视角,每个模块之间和部分模块内部的气象要素图形都可以在同一地理信息系统中准确的叠加和消隐,并提供准确的经纬度标识。由于各气象要素的颜色都可以实时地更改,要素的重叠完全不会造成信息的混淆。

系统同时还赋予用户很大的灵活性,允许用户根据自身的观测需要和习惯,进行个性化设置,包括:默认的感兴趣区域,各类气象图形的颜色,卫星云图的过滤门限,等值线的最大值、最小值、间值,自定义METAR、TAF报的告警级别等。在云图和雷达图中,按常规的气象观测标准设置了默认的渲染模式,用户也可以根据自身的需要自定义默认的渲染配色方案。用户也可以通过多种方式,调整观测区域:选择固定的区域,如中国区域、华东区域、美洲区域等;对图形进行任意放大、缩小及拖动;通过选择航线,选择感兴趣的区域。由于矢量图格式的原因,所以任意地放大、缩小操作都不会损失图片的信息精度。

另外,本系统还能够在不同的地球投影方式下,以多个视角,观测各类气象数据图形。当用户需要改变投影方式时,系统会自动的将当前显示的所有要素信息在新的投影方式下重新正确地显示。

图3、图4分别是等经纬度投影下和兰博托锥面投影下相同时次,相同区域,相同气象要素的叠加图形。从图中可以看出,在不同投影方式下的变换不会损失精确度。

最后,系统的文件服务提供了“一键出图”的服务:用户只需选定要观测的航线及其时次,系统将自动生成该航线上云图、重要天气现象图、高空风文图、航线剖面图等,以及起始航站在有效飞行时段中的METAR报、TAF报和SIGMET报。作为一套完整的系统,还提供了图像的导出、存盘和打印功能。

4 结束语

本文所讨论的气象信息综合服务系统采取目前较为流行的浏览器/服务器架构,通过网络浏览器,为用户提供各类民航天气现象的图形化综合服务。它解决了来自世界不同数据发布中心报文解析的问题,将数十种气象要素集成于同一个地理信息系统中,功能十分强大;并且具有十分友好的人机交互界面,为用户提供多层次、不同投影的观测方式,使用户能够对气象图形进行任意的叠加和消隐而不影响观测效果。在服务器端采用C作为开发语言,使系统同时具备高性能、稳定和跨平台运行的特点。

在本文中,客户端使用的是二维的地理信息系统,便于图片的打印。若应用3维的地理信息系统,直接在地球模型的表面进行图形渲染,可以使用户的观测更加直观,同时还能够轻易的解决东经180度与西经180度之间数据接合的问题。

摘要：随着民用航空产业的飞速发展,对民航气象信息服务的多样性、实时性和准确性提出了更高要求。在参考目前国际主要气象行业软件的基础上,本文面向我国民航气象领域应用的需求,讨论了“民航气象信息综合服务系统”的设计和实现。该系统采用B/S结构,以气象信息的矢量图形化为基础,可以解析、显示来自民航气象中心以及国外数据交换中的各类气象数据,此外本系统具有良好的图形化人机界面、可以显示输出各类图形图像信息以满足民用航空业对气象信息的需求。该系统目前已经在民航华东空管局气象中心投入运行。

关键词：民航气象,浏览器/服务器,叠加

参考文献

[1]W Richard Stevens,Stephen A.Rago.Advanced Programming in theUNIX Environment Second Edition[J].人民邮电出版社,2006.

[2]乌伦,等.地理信息系统原理方法和应用[J].科学出版社,2004.

[3]Joshua Bloch.Effective Java[M].2nd ed.Prentice Hall PTR,2007.

[4]张宏,温永宁,刘爱利.地理信息系统算法基础[J].科学出版社,2006.

【民航气象运行质量信息管理系统的设计】推荐阅读：

民航空管运行06-06