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云计算在气象检定系统中的应用

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白长清++矫宏鹤

摘要：信息技术的迅猛发展使得人们对气象业务的要求进一步提高，传统的气象探测系统在性能和所提供的服务方面都有待提高，基于云计算的系统能够解决相应问题。通过对云计算及其相关技术的研究以及对当前气象探测系统的状况的分析，提出基于云计算的气象探测系统架构，并对系统的架构进行说明。该系统可满足业务对强大的运算能力和海量的存储能力的要求，并且能够提升资源和数据的分享和利用率。通过与传统气象系统的对比探讨其优势，同时总结其存在的问题。云计算与气象业务的融合提升了系统的性能和服务的水平，能够推进气象事业的良好发展，是未来的发展趋势。

关键词：云计算；气象探测；虚拟化

中图分类号：TP311

文献标识码：A

DOI： 10.3969/j.issn.1003-6970.2015.11.009

0 引言

随着信息技术的高速发展，气象数据越发呈现多样化，海量化的趋势。地球的气候系统复杂，影响气候的因素和条件多种多样，因此要保持天气预测结果的准确性就要求对相应区域大范围，长时间，多角度的探测，并且对所得数据进行正确地处理分析。这就要求气象探测系统要有海量的数据存储能力和高速的处理能力，并要有一定的抗灾能力，以确保数据的高可靠性。传统的气象信息处理系统在数据的海量存储和高速处理方面性能欠佳。各地方气象部门间的信息共享没有实现完全互通，不同的数据中心可能存在一定的数据存储冗余，降低了资源的利用率。而云计算的出现解决了这一问题，云计算是分布式、虚拟化等技术的融合，它能够将服务器集群组合成逻辑上统一的云。基于云计算的气象探测系统将采集的数据置于云端，高强度、高速度的大规模运算也在云端进行，云平台通过提供一系列的应用服务来满足不同用户对数据的需求，在此过程中，用户无需知道运算和存储发生的具体位置。云计算为系统的性能带来了提升，具有可观的效益。

1 云计算概述

1.1 云计算的概念

云计算将计算任务分布在大量计算机构成的资源池上，使各种应用系统能够根据需要获取计算能力、存储空间和各种软件服务。云计算将一切资源都以服务形式提供给用户，用户通过互联网连接访问即可使用所需资源，是一种网络服务方式，它的规模也能够动态变化。图1为云计算系统的体系结构：

云计算体系结构可分为三层：

基础设施层：包括计算资源，存储资源等。经过虚拟化后的硬件资源和相关管理功能的集合可作为服务向用户提供，即IaaS（基础设施即服务）。该层可实现硬件资源按需配置，根据用户需求提供个性化的基础设施服务。

平台层：是具有通用性和复用性的资源的集合，包括并行程序设计和开发环境、分布式系统存储管理、海量数据分布式文件系统和系统管理工具等，是整个云计算架构的核心层。该层建立在基础设施层之上，可以为云应用提供可靠的分布式编程框架和开发、管理、运行以及监控等平台资源，因此称之为PaaS（平台即服务）。

应用层：该层将应用软件以服务的形式提供给用户，即SaaS（软件即服务）。这些应用建立在基础设施层的资源和平台层的环境之上，用户可以根据自己的实际需求通过网络获得软件服务。

建立在此架构基础之上的云计算具有高可靠性，高扩展性等优点。许多大公司如Amazon、Google、IBM、微软和Yahoo等都拥有自己的云平台。

1.2 云计算的关键技术

云计算是分布式计算，网格计算，虚拟化等技术的融合。它以虚拟化的硬件体系资源为基础，在高效的服务管理平台上为用户提供伸缩性强、可靠性高、扩展性好的资源服务。

虚拟化技术：虚拟化技术是云计算的核心技术之一，通过它可以对硬件资源进行统一封装和资源再分配。该技术将计算机物理资源如CPU、内存以及I/O资源等以抽象、虚拟形式呈现出来，虚拟资源不受现有资源的架设方式和物理组态的限制。虚拟化技术可在一台物理机上抽象出多个虚拟机，每个虚拟机都相互独立不会彼此干扰，可以运行不同的操作系统。这克服了非虚拟化环境中资源难以管理，灵活性不足的弊端。物理机经过虚拟化后隐藏了特定计算平台的实际物理特性，提供了抽象统一的模拟环境，使云平台脱离了对特定硬件平台的依赖，从而提高了硬件的利用率，提升了资源调度的灵活性，加强了对硬件资源的管理能力。

海量数据存储技术：云计算的基础设施资源是由大量的服务器组成的，需要为大量用户提供海量的存储空间。数据的存储既要考虑存储系统的I/O性能，同时还要以冗余的方式保证文件系统的高可靠性。图2为Google实现的GFS体系结构：

它是一个面向数据密集型应用的具有伸缩性的分布式文件系统。GFS是为Google自身的应用程序设计的，在内部部署了很多GFS集群。通过服务器和客户端的联合设计，GFS对应用支持达到性能与可用性最优。

云平台的核心技术还包括编程模型、云平台管理技术等，正是这些技术的融合使云计算在提供强大的计算性能和海量的存储容量的同时，还具有高可靠性和高可扩展性，能够根据客户的需求提供个性化服务。随着国内外学者对云计算研究的不断深入，其技术也越加成熟。

2 云计算在气象业务中的应用

2.1 气象系统的需求

由于信息技术的高速发展和网络技术的迅猛提高，气象业务相关的信息数据量也飞速增长。气象业务数据量大，数据种类繁多，数据处理复杂，气象数据具有典型的大数据特征。处理这些大数据，充分利用数据资源并从中挖掘出价值含量高的信息尤为重要，这也是提高气候预测准确性和自然灾害预警能力的必然要求。

传统的气象探测系统为满足运算和存储能力，需要具有类似超级计算机运算性能的资源，同时还要有大容量的存储设施。不同区域气象部门的数据中心可能具有不同的存储技术，且不同部门的气象数据可能存在一定的冗余存储，因此无法建立一个统一的行业间的气象数据分享平台，这降低了气象资源和硬件资源的利用率。

2.2 基于云计算的气象探测系统

为了满足对气象大数据的运算和存储的需求，提高资源利用率，应采用基于云计算的气象探测系统。

图3为基于云计算的气象探测系统，与传统气象系统不同的是，数据的存储与处理都放置于云端，经采集器采集的数据发送到云端即可，云计算平台提供了相应的服务接口API。用户对数据的处理和浏览不再局限于设备的物理配置，只要设备可以连接网络，即可从云中获得相应的数据和服务。设备可以是笔记本电脑、台式机，也可以是手机等移动终端设备，这极大地方便了用户操控数据的能力。气象数据可以用于气象局的相关业务，也可以供科研机构和高等院校研究气候变化。与此同时，个人也可通过应用服务方便的获取相应的气候信息。因此，基于云计算的气象探测系统提高了信息的利用率和分享率。

图4为云气象探测系统的架构。其中物理资源层由多CPU，大容量的磁盘阵列和网络资源构成，它是一切服务的承载实体，能够提供强大的运算能力和海量的存储能力。对物理资源进行虚拟化后，可得到抽象的可管理和调度的逻辑单元，这有利于屏蔽底层的异构特性，向上层提供统一化的并行计算环境访问。基础设施的统一管理与运用提高了单位资源的利用率，方便扩展，使得存储和运算的能力可根据需要进行弹性的伸缩，为以后的容量扩充或性能提升降低了难度。

在虚拟化的资源之上的是气象数据处理开发平台。对于云探测系统，该层可根据需要选择合适的数据库来进行气象数据的存储，将效率高的算法用于数据运算处理，同时提供可靠的数据管理T具和应用开发所需的中间件。为使系统能够保持高效正常运转，在此层也提供了系统监控工具，可提供系统运行的参数，方便随时了解系统运行状况，以此为依据进行合理的资源调度，实现系统的最优化运行和使用。由于用户群体种类的增加，使得数据的安全访问成为必须，因此在该层还引入了身份认证和授权服务。为了便于上层服务应用的开发，气象数据处理平台还提供了相关的开发接口可供服务软件调度使用，为应用的扩展提供了开发基础。

在软件服务这一层包括了内容丰富，面向群体广泛的各式应用。气象数据展示平台可供个人用户浏览相关气象信息，获取最新的气象资讯，用户可通过该平台了解气象局相关业务以及气象局发布的一些公开信息。一些数据处理应用可供研究人员对气象数据进行分析处理，仿真应用可以通过对数据的仿真研究模拟各种气候环境，预测气候变化。该层的应用调用了开发平台提供的接口，每一项应用都有相应的独立的计算资源和存储资源，通过安全访问机制使彼此的信息互不干扰。用户通过相应的权限来访问应用，维护了数据的安全。

3.3 云系统的性能分析

与传统气象探测系统相比，引入了云计算的气象探测平台具有超强的计算能力和海量的存储能力，可以极大的提升工作效率；统一化的数据存储方式可以避免冗余存储，提高了资源的利用率；可以根据气象数据的增长趋势实现系统性能的动态扩展，避免了由数据量变化而造成的更新主机和硬件设施的情况；工作基本都置于云端，只需能够访问网络即可享受云服务，不受地域和设备的局限，提高了数据的共享性和利用率。因此，基于云计算的气象探测系统性能优越，可以较好地适应未来的发展。

尽管云计算平台有着出色的性能，但也面临着一定的挑战。在数据安全与隐私维护方面：由于数据是存储在云端而非本地存储介质上，因此会有数据被非法窃取、分析、利用的风险；云计算对网络具有很强的依赖性，一旦网络不稳定，将极大地影响服务的访问和使用。

作为创新的信息产业，云计算得到了社会广泛的关注。许多大型IT企业都加强了与高校，研究机构，开源社区的合作，以期提高云平台的性能。Eucalyptus，Openstack等开源云平台的出现也方便了云计算服务的普及，加快了云计算技术的深入研究。

4 结论

气象行业是影响国民经济的重要行业之一，它与国家的经济发展和人们的日常生活息息相关，充分利用气象数据并提取有价值的信息是气象服务的关键。随着云计算与气象探测系统的不断融合，气象业务领域中的服务性能有了很大的提高。机遇与挑战并存，尽管云计算为气象业务带来了发展的契机，在发展过程中仍存在着一系列的问题，因此云计算还有很大的研究空间。相信随着技术的不断深入发展，云计算会使气象服务功能的完善性、业务的全面性和数据的准确性和安全性都得到进一步的提升，推动气象事业持续地向前发展。

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