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飞机作业监测移动应用系统的设计与实现

李德泉 李抗抗 李宏宇 戴艳萍 李集明

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飞机作业监测移动应用系统的设计与实现

    通信作者: 李集明, lijm@cma.gov.cn
  • 资助项目: 中国气象局科技与气候变化司“研究试验总设及成果集成”(RYSY201909)

Design and Implementation of Mobile Application for Real-time Monitoring of Weather-modification Aircraft Operations

    Corresponding author: Li Jiming, lijm@cma.gov.cn
  • 摘要: 设计并实现人工影响天气飞机作业实时监测移动应用系统(TEAM),对飞机作业实时监测并可视化与共享,以解决飞机作业监测中作业信息采集渠道多样、标准不统一、共享范围小、飞机内外场交流渠道不畅等业务问题。TEAM基于人工影响天气飞机作业实时监测的移动应用平台框架(RMPF-WMA)构建并在移动终端上实现。该框架包括海事卫星、北斗卫星双链路传输、安全加固体系和分层策略,可作为数据和移动终端技术实现的标准化解决方案。TEAM基于HTML5混合开发模式与Ionic/Angular JS开发,提高开发效率和终端运行性能。TEAM实时可视化显示飞机准备情况、轨迹、播撒动态以及飞行简报、通知,提升飞机作业各环节沟通效率和共享覆盖度。全国人工影响天气作业飞机中,TEAM可实时监测并实现信息共享的飞机占总数的80%以上,应用于东北、华北、西北、西南、中部等多个区域日常飞机作业监测和重大应急服务一线指挥。移动应用程序响应迅速,运行稳定,作业监测和可视化效果良好。
  • 图 1  以单点地面中心为主的内外场协同流程

    Fig.1  Collaborative workflow for internal and external field to conduct aircraft based on single ground center

    图 2  以移动终端为主的内外场协同流程

    Fig.2  Collaborative workflow for internal and external field to conduct aircraft based on mobile terminals

    图 3  人工影响天气飞机作业实时监测平台框架(RMPF-WMA)

    Fig.3  A real-time monitoring platform framework for weather-modification aircraft operations (RMPF-WMA)

    图 4  TEAM的系统结构

    Fig.4  System structure of the mobile application TEAM

    图 5  TEAM后台数据更新流程

    Fig.5  Process for background-end of TEAM to update data

    图 6  TEAM功能结构

    Fig.6  System function structure diagram of TEAM APP

    图 7  TEAM普通版(a)与增强版(b)操作界面

    Fig.7  Different user interface between universal version(a) and enhanced versions(b) of TEAM

    图 8  增强版的飞行过程统计分析和作业统计

    (a)飞行过程跟踪,(b)飞行简报上报,(c)飞行变量曲线,(d)作业量统计

    Fig.8  Statistical analysis for flight process of enhanced version

    (a)flight, (b)briefing report, (c)flight variable, (d)seeding count statistics

    图 9  TEAM手机端对扑火飞机的监测

    Fig.9  Flight process in TEAM

    表 1  TEAM对人工影响天气飞机监测范围覆盖情况

    Table 1.  Coverage of weather-modification aircraft by TEAM monitoring

    省(区、市) 现有飞机数量 纳入TEAM监测
    的飞机数量
    北京 2 0
    上海 0 0
    天津 1 1
    河北 3 3
    山西 3 3
    内蒙古 8 8
    吉林 1 1
    辽宁 3 3
    黑龙江 2 2
    河南 1 1
    山东 2 2
    安徽 2 0
    江苏 0 0
    湖南 1 1
    湖北 1 1
    陕西 2 2
    甘肃 1 0
    青海 2 2
    宁夏 1 1
    新疆 5 5
    江西 2 2
    浙江 0 0
    福建 0 0
    广东 1 1
    海南 0 0
    四川 2 2
    重庆 1 1
    广西 1 1
    贵州 1 1
    云南 2 2
    西藏 0 0
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  • [1] 雷恒池, 洪延超, 赵震, 等.近年来云降水物理和人工影响天气研究进展.大气科学, 2008, 32(4):967-974. 
    [2] 郭学良.大气物理与人工影响天气.北京:气象出版社, 2010.
    [3] 郭学良, 付丹红, 胡朝霞.云降水物理与人工影响天气研究进展(2008~2012年).大气科学, 2013, 37(2):351-363. 
    [4] 姚展予.中国气象科学研究院人工影响天气研究进展回顾.应用气象学报, 2006, 17(6):786-795. doi: 10.3969/j.issn.1001-7313.2006.06.016 
    [5] 王广河, 姚展予.人工增雨综合技术研究.应用气象学报, 2003, 14(增刊Ⅰ):1-10. doi: 10.3969/j.issn.1001-7313.2003.z1.001
    [6] 胡志晋.层状云人工增雨机制、条件和方法的探讨.应用气象学报, 2001, 12(增刊Ⅰ):10-13. doi: 10.3969/j.issn.1001-7313.2001.z1.002
    [7] 洪延超, 雷恒池.云降水物理和人工影响天气研究进展和思考.气候与环境研究, 2012, 32(6):967-974. 
    [8] 洪延超, 周非非.层状云系人工增雨潜力评估研究.大气科学, 2006, 30(5):913-926. 
    [9] 陶树旺, 刘卫国, 李念童, 等.层状冷云人工增雨可播性实时识别技术研究.应用气象学报, 2001, 12(增刊Ⅰ):14-22. doi: 10.3969/j.issn.1001-7313.2001.z1.003
    [10] 李军霞, 李培仁, 陶玥, 等.山西春季层状云系数值模拟及与飞机探测对比.应用气象学报, 2014, 25(1):22-32. 
    [11] 杨小强, 黄智刚, 张军, 等.基于空地数据链的飞机状态监控系统的实现.电讯技术, 2003, 43(1):68-72. doi: 10.3969/j.issn.1001-893X.2003.01.017
    [12] 王鑫, 张彦仲, 于龙洋, 等.一种低空飞行器定位监视终端的设计与实现.电子测量技术, 2012, 35(5):99-102. doi: 10.3969/j.issn.1002-7300.2012.05.024
    [13] 马舒庆, 郑国光, 汪改, 等.一种人工影响天气微型无人驾驶飞机及初步试验.地球科学进展, 2006, 21(5):545-550. doi: 10.3321/j.issn:1001-8166.2006.05.014
    [14] 李茂仑, 金德镇, 汪晓梅, 等.飞机人工增雨空地传输系统.应用气象学报, 2001, 12(增刊Ⅰ):194-199. doi: 10.3969/j.issn.1001-7313.2001.z1.026
    [15] 杜春丽, 丁建芳, 李昊, 等.河南省飞机增雨空地信息传输系统建设及应用.气象与环境科学, 2014, 37(2):85-88. doi: 10.3969/j.issn.1673-7148.2014.02.014
    [16] 游积平, 冯永基.广东省人工增雨作业指挥系统的设计.广东气象, 2006(1):57-59. doi: 10.3969/j.issn.1007-6190.2006.01.017
    [17] 周毓荃, 张存.河南省新一代人工影响天气业务技术系统的设计、开发和应用.应用气象学报, 2001, 12(2):173-184. 
    [18] 曹玉杰.基于Android的低空飞行器监视系统的设计与实现.北京:北京工业大学, 2016.
    [19] 丁梦雨, 吴嘉扬, 葛玢.基于Android系统的手持式无人机地面控制端的设计.现代计算机, 2015(11):36-42. 
    [20] 池文羽, 周杰, 杜景林.基于Android人工影响天气智能终端的研制与应用.湖北农业科学, 2013, 52(4):940-943. 
    [21] 丁岳强, 唐林, 赵新兵, 等.基于PDA的人工增雨火箭车载终端的设计与实现.安徽农业科学, 2010, 38(25):13898-13899. 
    [22] 章国材.气象云建设的研究与思考.气象与环境科学, 2015, 38(4):1-11. 
    [23] 熊安元, 赵芳, 王颖, 等.全国综合气象信息共享系统的设计与实现.应用气象学报, 2015, 26(4):500-512. 
    [24] 于连庆, 李月安, 高嵩, 等.集合预报产品综合分析显示平台关键技术与实现.应用气象学报, 2015, 26(3):369-377. 
    [25] 李永生, 曾沁, 徐美红, 等.基于Hadoop的数值预报产品服务平台设计与实现.应用气象学报, 2015, 26(1):122-128. 
    [26] 高嵩, 毕宝贵, 李月安, 等.MICAPS4预报业务系统建设进展与未来发展.应用气象学报, 2017, 28(5):513-531. 
    [27] 杜帅, 鄂海红, 许可.混合移动应用开发模式的新策略.软件, 2015(6):12-17. 
    [28] 顾学海, 胡牧, 蒋厚明, 等.基于HTML5的混合移动应用开发.计算机系统应用, 2016, 25(5):236-239. 
    [29] 刘维峰, 左泽军, 赵利强, 等.基于HTML5的生产装置实时监测可视化.计算机工程与设计, 2015(3):809-813. 
    [30] [2019-04-01]百度开发者中心.百度地图API介绍.http://developer.baidu.com/map/.
  • [1] 樊志超,  周盛,  汪玲,  周长青,  李琼,  彭月.  湖南秋季积层混合云系飞机人工增雨作业方法 . 应用气象学报, 2018, 29(2): 200-216. DOI: 10.11898/1001-7313.20180207
    [2] 郭学良,  方春刚,  卢广献,  楼小凤,  苏正军,  于子平,  李培仁,  杨泽厚.  2008—2018年我国人工影响天气技术及应用进展 . 应用气象学报, 2019, 30(6): 641-650. DOI: 10.11898/1001-7313.20190601
    [3] 李宏宇,  王华,  贾丽佳,  胡向峰,  陶玥,  汪晓滨.  利用声学方法采集人工影响天气高射炮作业数据 . 应用气象学报, 2015, 26(5): 590-599. DOI: 10.11898/1001-7313.20150508
    [4] 许焕斌,  田利庆.  强对流云中“穴道”的物理含义和应用 . 应用气象学报, 2008, 19(3): 372-379.
    [5] 陈金华,  杨再强,  杨太明,  李永秀.  安徽省土壤水分监测预测系统 . 应用气象学报, 2011, 22(2): 249-256.
    [6] 毛节泰,  郑国光.  对人工影响天气若干问题的探讨 . 应用气象学报, 2006, 17(5): 643-646.
    [7] 单海滨,  关敏,  刘玉洁,  余涛,  戎志国.  风云二号卫星空间天气监测预警系统开发及其应用 . 应用气象学报, 2008, 19(2): 250-256.
    [8] 王建捷,  王迎春.  北京地区中尺度非静力数值预报系统的开发与实时预报应用 . 应用气象学报, 1999, 10(4): 384-393.
    [9] 蒋贤安,  朱永褆.  9414 号热带气旋移动路径异常影响因子的数值研究 . 应用气象学报, 1998, 9(1): 38-47.
    [10] 周霞琼.  非对称的非绝热加热对热带气旋移动影响的数值研究 . 应用气象学报, 1999, 10(3): 283-292.
    [11] 王红艳,  刘黎平,  王改利,  庄薇,  张志强,  陈小雷.  多普勒天气雷达三维数字组网系统开发及应用 . 应用气象学报, 2009, 20(2): 214-224.
    [12] 张小伟,  李正泉,  杨忠恩,  姚益平,  蔡菊珍.  多作业管理方式在风能资源数值模拟中的应用 . 应用气象学报, 2010, 21(6): 747-753.
    [13] 刘聪,  顾建,  吴国平,  袁成松,  黄世成.  基于GPRS的远程气象观测数据实时采集传输系统及其应用 . 应用气象学报, 2004, 15(6): 712-718.
    [14] 石宇虹,  李国春.  应用NOAA/AVHRR资料监测水稻长势的研究 . 应用气象学报, 1999, 10(2): 243-248.
    [15] 何杰颖,  张升伟.  FY-3B/MWHS性能参数在轨实时监测 . 应用气象学报, 2016, 27(6): 709-715. DOI: 10.11898/1001-7313.20160607
    [16] 刘玉宝,  游来光.  北疆冬季降水的中小尺度结构与人工增水作业潜力和自然条件探讨 . 应用气象学报, 1990, 1(2): 113-122.
    [17] 庄立伟,  卫建国,  毛留喜.  软件设计模式在农业气象系统开发中的应用 . 应用气象学报, 2011, 22(5): 631-640.
    [18] 赵平,  周秀骥.  近40年我国东部降水持续时间和雨带移动的年代际变化 . 应用气象学报, 2006, 17(5): 548-556.
    [19] 周红妹.  地理信息系统在NOAA卫星遥感动态监测中的应用 . 应用气象学报, 1999, 10(3): 354-360.
    [20] 陈爱军,  刘玉洁,  杜秉玉.  应用AMSU资料监测中国地区雪盖的初步研究 . 应用气象学报, 2005, 16(1): 35-44.
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-07-29
  • 修回日期:  2019-10-30
  • 刊出日期:  2019-11-01

飞机作业监测移动应用系统的设计与实现

  • 1. 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室, 北京 100081
  • 2. 中国气象局云雾物理环境重点开放实验室, 北京 100081
  • 通信作者: 李集明, lijm@cma.gov.cn
资助项目: 中国气象局科技与气候变化司“研究试验总设及成果集成”(RYSY201909)

摘要: 设计并实现人工影响天气飞机作业实时监测移动应用系统(TEAM),对飞机作业实时监测并可视化与共享,以解决飞机作业监测中作业信息采集渠道多样、标准不统一、共享范围小、飞机内外场交流渠道不畅等业务问题。TEAM基于人工影响天气飞机作业实时监测的移动应用平台框架(RMPF-WMA)构建并在移动终端上实现。该框架包括海事卫星、北斗卫星双链路传输、安全加固体系和分层策略,可作为数据和移动终端技术实现的标准化解决方案。TEAM基于HTML5混合开发模式与Ionic/Angular JS开发,提高开发效率和终端运行性能。TEAM实时可视化显示飞机准备情况、轨迹、播撒动态以及飞行简报、通知,提升飞机作业各环节沟通效率和共享覆盖度。全国人工影响天气作业飞机中,TEAM可实时监测并实现信息共享的飞机占总数的80%以上,应用于东北、华北、西北、西南、中部等多个区域日常飞机作业监测和重大应急服务一线指挥。移动应用程序响应迅速,运行稳定,作业监测和可视化效果良好。

English Abstract

    • 人工影响天气是防灾减灾工作的重要内容。人工影响天气作业指利用飞机、地面高炮或火箭等作业手段,对局部天气作业对象实施影响。飞机人工增雨作为开发空中云水资源的一种有效手段,在抗旱、森林防火灭火、增加水库蓄水、改善和保护生态环境等方面发挥着重要作用[1-10]

      人工影响天气飞机作业具有实时性强、飞行地域跨度广、飞行时间长、涉及人员众多等特点,近年来作业规模也不断扩大。一个典型的飞机作业过程,包括预报与飞机计划上报、潜力区识别和作业方案设计、空域申请、航线设计与飞行方案上报、飞机跟踪及指挥动态共享、作业结束后的飞行报告及轨迹上报等阶段,涉及地面指挥中心、飞行机组和机上作业人员、飞机外场人员、现场指挥领导及专家指导组等。

      基于航空安全和人工影响天气作业监控的考虑,地面指挥中心需要实时监控飞机的动态,了解飞机运行情况,结合气象状况和飞行区域的作业潜力分析,及时提醒飞机飞行安全、作业执行或动态调整,即对人工影响天气飞机的监控需求与其他航空器类似[11-13]。但人工影响天气飞机与其他商业航空器不同,兼备探测和作业职能,作业时间和范围完全依据作业潜力科学制定,在重大活动中备受关注。但目前飞机实时监测常局限在地面指挥中心,指挥中心外的其他各方人员较难第一时间获取最新状态。随着飞机作业区域的不断扩大,作业信息的实时共享成为迫切需求。

      近年来,作业指挥系统及空地信息传输取得明显进展,地面能够实时获取飞机动态信息[14-17]。依托广域网的手机移动终端对各类飞行器进行监控,具有直观友好、小巧灵活、覆盖范围广的优势[18-19]。此外,目前开发及投入业务应用的人工影响天气业务终端或监控应用均基于地面作业流程,缺乏对全国飞机作业的有效监测[20-21]。与此同时,气象信息技术尤其云技术的发展已经为各类气象业务,尤其是移动终端系统发展提供了必要的资源基础和数据支撑环境[22-26]。因此,设计并实现飞机作业实时监测的移动终端系统,完成飞机、地面指挥中心、飞机外场地面服务人员、当地服务对象之间的飞机作业实时监测和信息交流、共享,既可以解决全国性人工影响天气业务实际问题,又可以提供一个新的轻量化、覆盖广、易用性高的人工影响天气业务移动终端开发解决方案。

    • 飞机作业过程中,通过机上携带的卫星定位系统和机载探测设备,可实时获取机载探测仪器数据及飞机当前位置信息(经纬度、海拔高度、航速、航向等)。由于作业飞机多位于3000 m以上高度并处于高速飞行状态,地面实时获取数据主要通过卫星实时传输。考虑传输成本,多数飞机使用北斗卫星传输,少数飞机使用海事卫星传输,极少数飞机采用甚高频通信方式传输。由于历史原因,飞机携带的北斗传输系统大多由当地人工影响天气业务部门建设,只传输到本地的地面接收设备,格式不统一且对外不共享。

      飞机作业监测数据接入设计需解决信息采集方式多样化的问题,针对海事卫星和北斗卫星制定统一的地面接收和传输通道,并统一传输协议格式,不同卫星均建立标准化采集通道和服务接口,从数据源上避免采集多样性。

    • 大部分省级作业飞机采用北斗卫星的短报文功能进行空地之间通信传输,飞机作业信息编码为短信报文形式,由机上北斗通信端通过北斗卫星发送至地面的北斗指挥机。北斗指挥机通常位于当地地面指挥中心且单机运行,导致只能在当地指挥,并局限于小范围实时查看及共享飞行动态,而飞机起飞和降落机场的外场保障人员、非当地指挥中心现场的有关人员、空地一体化作业时的地面作业人员等都无法长期、稳定、实时地获取飞机飞行动态、作业动态和作业效果。

      若飞机实施跨省作业,问题更突出。除了飞机所属省的指挥中心可获取飞机作业动态外,飞机所服务的目标省及相关外场服务人员均缺乏信息共享渠道。虽然部分飞机配有移动指挥设备,可提前在目标省内架设,但该移动指挥设备仍属工作站范畴,获取飞机作业信息后的共享范围仍十分有限,少部分人可查看,大部分相关人员无法实时查看。

      作业信息实时获取后,更多局限在当地指挥中心的地面指挥端查看,而飞机外场和机上作业人员、各处分散的指挥人员往往无法实时查看。

      因此,需要在飞机作业监测平台框架的数据存取访问上,建立双通道收集方式(国家级通道以海事卫星为主、北斗卫星为辅,省级通道以北斗卫星为主),对各个采集渠道的飞机作业信息进行统一处理(也称数据一体化处理),合并为统一的飞机作业信息库,并提供标准化数据获取接口。

    • 内场特指分散在各地的地面指挥中心,包括飞机所属省指挥中心、服务目标省指挥中心、区域指挥中心和国家指挥中心等;外场指人工影响天气作业飞机停靠、起落和备降机场。由于各地飞机外场目前普遍未接入气象业务内网,如果飞机频繁奔赴不同地点作业,如何保障不断增加的飞机外场和飞机运维场地简便快捷地获取飞机动态、服务状态和作业效果,就成为障碍性问题。另外,内外场之间的交流互通也缺乏协同工具。

      图 1为一个以单点地面中心为主的内外场协同流程,这种流程模式在省级飞机作业中较普遍。其内外场交流渠道不畅的缺点很明显:数据汇集至单点地面指挥中心,导致信息共享交流渠道受限于飞机所属省指挥中心,若不具备共享条件,则很多环节无法实时获取信息;服务需求省不能实时获取飞行动态和作业实况,作业需求变更时无法第一时间获取反馈;国家指挥中心无法实时监控全国飞机飞行动态和作业实况。

      图  1  以单点地面中心为主的内外场协同流程

      Figure 1.  Collaborative workflow for internal and external field to conduct aircraft based on single ground center

      依托已有的国家级业务和数据基础,有必要开发一个方便快捷的移动终端,实现内外场人员的移动终端实时数据同步,共享并交流作业方案、飞机动态、飞行简报,各地人员联动形成业务流程。

      图 2为采用移动终端有效驱动各个业务协同环节流程图。与图 1相比可以看到其优势明显:不再受任一省级地面指挥中心限制,实现所有相关环节的数据实时同步;服务范围更广,各方无差别同步获取有关信息,更多异地的服务人员、管理人员甚至公众可以参与信息共享和交流;国家级指挥中心可以实时监控全国飞机飞行动态和作业实况。

      图  2  以移动终端为主的内外场协同流程

      Figure 2.  Collaborative workflow for internal and external field to conduct aircraft based on mobile terminals

      飞机作业实时监测业务特性决定了须从数据端和终端两个方面实现飞机作业实时监测业务目的。数据端为后端,通过卫星传输通道、数据存取和接口整合解决数据、业务底层支撑;终端为前端,以移动应用终端(APP)为关键手段,解决使用人员分散、内外场交互渠道与作业动态实时共享问题。

    • 针对飞机作业监测的业务需求,通过飞机实时监测平台框架(Real-time Monitoring Platform Fra- mework for Weather-modification Aircraft Operations,RMPF-WMA)解决数据接入、整合、存取等问题(后端),针对终端使用人员分散的特点,选取移动应用作为业务终端(前端),进一步细化终端层设计,形成最终的移动终端方案并开发完成。

    • 人工影响天气飞机实时监测平台框架(RMPF-WMA)完整覆盖飞机作业全程业务链,包括多源作业信息传输通道数据整合、业务控制逻辑、终端分类应用、前后台交流互动等。基于该框架实现移动终端应用。

      RMPF-WMA框架如图 3所示,分为终端层、业务控制层、数据一体化接入层、网络硬件资源层4个组成部分。终端层又称为前台,其他层统称为后台。

      图  3  人工影响天气飞机作业实时监测平台框架(RMPF-WMA)

      Figure 3.  A real-time monitoring platform framework for weather-modification aircraft operations (RMPF-WMA)

      终端层:也称为业务展现层,面向不同用户,在不同的终端上展现人工影响天气飞机作业动态和相关信息并人工交互操作。根据业务需求,不同的终端采用不同的技术架构和部署形式。手机移动终端还可继续细分为手机端和终端后台服务端,部署于互联网数据隔离区(Internet DMZ)。业务门户网站也部署于互联网隔离区。业务分析桌面和业务监控终端部署于气象业务内网核心隔离区。

      业务控制层:部署于气象业务内网核心隔离区,将预定的业务逻辑编排成流程引擎中可执行的预定流程,再分解成各项任务,在云计算平台调度执行。如根据预定的业务逻辑设置,飞行轨迹同步流程构建轨迹数据同步业务适配器任务,从数据一体化接入层获取实时轨迹数据,再将轨迹数据从核心隔离区推送至位于互联网隔离区的终端层有关后台服务端。这一层还对系统的配置进行管理,包括用户、数据、流程的配置等。

      数据一体化接入层:部署于气象业务内网核心区,通过定时或条件触发启动自动化处理进程,实现从业务内网各处采集数据,进行数据质量控制、信息扰动处理、一体化格式存储,并统一对外提供访问服务,提供给业务控制层使用。包括内网实时气象观测数据收集、作业信息收集、质量控制、数据集成与存储、日志管理、监控分析、统一访问接口等。

      网络硬件资源层:提供空地通信、网络、服务器、存储设备等硬件资源。

      另外,作为移动互联应用,构建完备的信息安全防护体系尤为重要。框架依托国家气象信息中心现有安全体系,针对终端层、业务控制层、数据一体化接入层和网络硬件资源层4层分别对应提供安全性防护,即移动安全、业务安全、数据安全、资源安全4种安全防护,从而形成完善的信息安全防护体系,作为平台框架的必要组成部分。

    • 图 3 RMPF-WMA框架基础上,对终端层细化设计,进一步提出基于该框架实现飞机作业实时监测移动应用的系统框架,并在该框架内使用HTML5技术实现移动终端应用系统,即人工影响天气飞机实时监测移动端(plaTform of sEeding Aircraft Monitoring,TEAM)。

      TEAM使用的移动终端框架实际是RMPF-WMA框架在终端层的更详尽设计方案,重点对终端层进一步切分和延伸设计:将终端层细分为终端层前端部分(移动终端)、终端层后端部分(移动后台)两部分。而业务控制层、数据一体化接入层、网络硬件资源层仍然沿用,作为移动终端的后端支撑。

      采用分层设计,终端层前端部分和后端部分还可进一步细分层次。终端层前端部分进一步划分为展示层、逻辑层和数据层。终端层后端部分又分为后端接口层和后端数据层。基于以上框架形成的TEAM移动终端结构如图 4所示。

      图  4  TEAM的系统结构

      Figure 4.  System structure of the mobile application TEAM

    • TEAM前端指其在终端设备上实现的部分,即人工影响天气业务具体应用和安全管理。包括前端展示层、前端逻辑层和前端数据层3个部分。

      前端展示层采用HTML5框架的视图设计,实现地图显示、飞行轨迹显示、作业状态显示、预警显示、互动提醒、查询统计等交互界面。实现技术包括HTML5(超文本标记语言,Hyper Text Markup Language 5)、层叠样式表(cascading style sheets,CSS)、Java脚本语言(JavaScript)等。

      前端逻辑层采用HTML5框架的模块设计,重点实现针对手机端实时获取数据的业务逻辑处理,如获取预警信息后的业务告警处理。

      前端数据层通过调用移动后台层数据接口获取各类数据,将数据保存于手机端缓存数据库,如飞机飞行状态、作业实况、交互信息、查询反馈数据等。

    • TEAM后端指TEAM作为移动应用,在移动应用服务器上的实现部分。TEAM后端部署于互联网隔离区,分为后端接口层和后端数据层。这种层次划分是因为互联网隔离区为单向隔离区,只允许由内部核心区单向地访问互联网隔离区,而不允许互联网隔离区直接向内的任何访问。

      后端接口层提供数据接口和处理接口。数据接口由前端直接从后端数据库中获取数据,将数据通过接口返回前端数据层,如用户状态、在航飞机列表、作业状态(飞机飞行轨迹和作业实况)等。处理接口则根据前端调用接口时各种参数,执行相应的后台计算,将计算结果保存进后端数据库,并返回前端数据层,如区域飞行报警、查询统计等。

      后端数据层提供数据库临时存储接口层处理结果,同时还可以接收并存储业务控制层推送的实时数据,包括飞机飞行状态、作业实况、气象观测数据等。这两种接口均采用REST(表征状态转移,representational state transfer)形式的API(应用程序编程接口,application programming interface)设计。

    • TEAM在移动终端上重点监测和共享信息包括:飞机动态,如飞行位置(经纬度、海拔高度)、航向、航速以及舱外温度、湿度和人工影响天气作业实施信息(催化剂厂家、型号、类型、用量、次数、持续时间等);作业关键时段的机载探测实况数据,重点为云微物理有关谱;飞行简报,如起飞和降落的时间与地点、机组及作业人员、飞行区域、作业层高度、催化类型和用量、仪器状况、服务小结等。

    • 随着移动设备普及和移动互联网技术的发展,移动应用服务的范围不断扩大,同时移动设备性能不断提高,存储能力和处理能力不断增强,使快速、高性能、跨平台的移动应用成为开发热点。目前主流的移动应用开发模式包括传统的原生应用开发、基于HTML5的Web应用开发和基于HTML5的混合移动应用模式开发。原生应用在用户体验、系统性能上有更优异的表现,但原生应用存在着开发困难、更新维护周期长等问题,尤其在应对一些开发周期短、需求变化频繁的业务应用上,或当基于同一应用要短时间内快速推出不同功能的产品时,往往面对的开发瓶颈和难题较多。而基于HTML5的Web应用开发虽然可以解决这种困境, 但存在用户体验与性能较差等问题。因此,基于HTML5的混合模式开发正好兼顾解决上面两种模式的问题,将两者混合使用,达到开发难度、维护灵活性和系统性能的均衡, 在近几年得到了快速发展并成为主流开发技术[27-29]。因此,TEAM的开发策略首选HTML5混合开发模式。

      混合开发模式兼顾原生开发和网页视图开发的技术优势,其开发难度在于二者之间界限的划分,即找出最适合利用原生代码开发的部分和适合使用网页视图开发的部分。

      从业务实际出发,进行如下界限分割:对于信息集中展示和定期刷新显示部分,使用网页视图开发,而对于需要用户信息交互和实时图片获取与缩放操作部分,采用原生的插件开发模式,以支持从卫星传输上实时获取的探测资料的动态展示和粒子图像实时翻阅,避免用户体验较差。

      界限分割后,TEAM在移动终端开发框架选择业界轻量级框架,即运用Cordova与Ionic/Angular JS相结合, 进行HTML5混合模式开发。这主要基于如下技术优势因素的考虑:开发效率高,轻量级框架,性能优化效果好且运行速度快,界面组件库交互性能优异,组件丰富,适于前端交互设计,操作体验接近原生,适于插件结合使用。

      前端开发结构采用Ionic/Angular JS与SPA(single page web application,单页面应用)结合方式。使用SPA设计有利于提升用户体验,除在最初加载时间稍长外,使用过程中有很好的响应速度和动画流畅度。另外,网页中结合AJAX(Asynchronous JavaScript and XML),将业务逻辑均在前端实现,在前端本地操作,提升响应速度,而数据需要通过AJAX同步、获取、提交给后端,用户体验感更好。由于数据层和界面交互层的分离,对人工影响天气业务变更可以快速修改,迅速调整显示内容而不需要修改数据层服务相关部分,也不需要重新加载整个页面。

      虽然SPA应用程序应对地图导航类应用的性能不占优势,但在人工影响天气移动应用中,地图主要用于人工影响天气作业飞机轨迹叠加展示,无导航类应用需求,因此,适合采用SPA应用。

    • TEAM针对地图展示方面的支持要求,主要集中在人工影响天气作业飞机轨迹叠加显示,以及飞机轨迹中重要阶段的标注(如催化播撒起始和结束的位置、时间、作业类型等)。在API上选择使用Web API,即通过远程调用地址(URL)实现地图服务,尽管Web API没有缓存,需要消耗较多手机流量,运行相对缓慢,但优势也很明显,即服务调用简单,无需额外软件安装支撑,对于用户系统无专业性要求。另外,飞机作业的频率毕竟不高,每次飞行的持续时间绝大部分低于4 h,耗费的流量资源有限。技术方案最终采用Web API方式调用百度地图API[30]。这样,用户不需要安装地图类软件,只需访问互联网,便可随时在手机调用显示百度地图,并在Web形式百度地图上查看飞机轨迹。

    • TEAM前端通过AJAX获取实时数据,通过REST API获取JSON格式数据,解析后用于更新前端数据显示。使用MVC(model-view-controller)设计模式进行数据、逻辑与显示的分离,从而确保整体运行的灵活性。

      TEAM前端实时监测数据处理主要由前端控制器触发,业务逻辑存储在前端本地上。按照规则触发后,通过AJAX向后台服务器(模型)提出数据获取请求,获取的数据以JSON格式返回,由前端控制器进行解析,判读视图层中需要更新的部分,将视图层的有关数据更新。视图层监测到数据变化后,实时刷新,完成可视化绘制。可视化绘制包括飞行轨迹中新增部分的绘制、新增关键作业位置的标注、由于航向或航姿变化带来的重绘、地图重绘工作等,形成快速动画效果。

      TEAM前端属于数据密集任务型应用,即后端频繁更新数据,前端需要实时更新显示并保证高效的人机交互响应。解决手段包括:数据采用JSON标准,便于高效解析;采用AJAX承担此类数据密集任务型的实时控制器开发;采用Ionic/AngularJS框架进行分层控制,视图层不会因为数据获取时间而影响用户响应时间,视图层的交互操作也不影响数据获取的进程,提高用户的流畅性感受。当数据获取进程完成后,新提取到的轨迹结果会及时更新,交由TEAM前端的视图层渲染。整个流程分工明确,使用流畅。

    • 图 4表明TEAM在逻辑层和数据层两层均提供API接口。在开发中,这些接口均采用REST形式,接口的定义强调调用的可读性和自描述性,返回的数据结构均为JSON数组。API可分为两类:逻辑处理API和数据处理API。

      逻辑处理API用于判断飞机是否起飞、是否降落、是否已过实时监测时限(如飞机降落4 h后,系统将不再于TEAM中实时显示该架次航迹信息)。

      数据处理API,分为数据存储API和数据查询API。存储API用于接收各类输入参数值,将其存入后台的作业信息库和航迹数据库、提交飞行简报入库。数据查询API用于查询用户、飞机、当前在飞状态的所有飞机、飞机最近一次的飞行位置、依据飞机编号查询飞机详细信息、作业信息查询、历史轨迹查询等。

    • 后台的数据一体化接入层是整个人工影响天气飞机监测的底层数据支撑,在其上进行实时监测数据处理。实时监测数据处理的核心是多源通道数据整合处理和一体化存储,即利用不同卫星通信传输通道(海事卫星和北斗卫星),获取各类作业飞机的飞机轨迹和机载探测数据,进行质量控制、信息加工处理和一体化格式存储,通过统一数据接口对外提供访问服务。位于内网核心区的数据同步处理程序将最新数据推送至互联网隔离区的移动应用服务器,供移动终端访问。数据处理流程见图 5所示。

      图  5  TEAM后台数据更新流程

      Figure 5.  Process for background-end of TEAM to update data

    • 监测平台依托海事卫星和北斗卫星建立双星分工明确、优势互补并覆盖全国的双链路飞机作业信息卫星传输网络完成数据收集。这种双卫星链路的作业信息收集设计与卫星特点和飞机传输需求密切相关。省级一般作业飞机(通常配备探测仪器较少,以作业为主)主要传输文本形式的作业信息,正切合北斗卫星覆盖广、短报文为主、定时定点传输稳定、经济性好的技术特点,因此,省级飞机作业信息传输通常使用北斗卫星链路。国省级高性能飞机(通常配备探测仪器较多,探测和作业兼备,速度更快,航程更长)则需要实时完成文本、音视频、精细化作业信息、机载探测资料等大容量信息传输,而海事卫星具备带宽较高、高速飞行时信号较稳定、流传输为主、传输间隔短的优点,满足高性能飞机的数据传输需求。因此,针对两种卫星不同传输技术特点进行分工并相互备份,从而形成双链路飞机作业信息卫星传输网络,实践证明经济可行。

      针对不同的卫星通信传输通道和数据形式,监测平台开发不同的收集和存储适配器,屏蔽卫星数据传输过程细节,形成统一接口。用户只需要按照约定接口即可获得标准格式数据。

    • 数据集成与统一存储,根据传输通道和数据种类,进行分类归并存储,便于进行各类业务统计分析。

      数据存储前进行质量控制。质量控制包括正确性检验和异常值检查,并对轨迹数据、机载探测数据的系统误差进行修正。质量控制在后台自动化实时运行,经质量控制后,数据作为数据接口层的数据源。

      数据同步方法,解决核心隔离区、互联网隔离区和移动终端三者之间的数据同步问题。同步方法采用由内向外同步方式,即数据同步程序部署于核心区,主动将互联网隔离区需要的数据推送至互联网隔离区数据缓存暂存(同时定期清除缓存内数据),供移动终端访问。

    • TEAM不属于气象数据服务类系统,而是围绕人工影响天气飞机作业,提供实时飞行动态的信息共享类系统。使用人员范围也限于人工影响天气部门及气象系统管理部门,属于内部用户范畴。另外,系统在互联网隔离区存放的数据均为临时缓存,每架次飞行结束4 h后自行清除。

      系统目前在互联网隔离区临时存放的数据仅包括实况和产品两类。实况:只存放当前时刻前4 h内有关飞行架次的飞行轨迹和作业数据,不存放机载探测数据以及雷达、卫星、雨量等。产品:存放已发布的地面指挥中心制作的飞行计划与作业方案、应急通知、外场上报的飞行简报等,不提供其他气象文档或服务产品共享服务。

      图 5表明:各数据存放流程、飞行轨迹及作业信息数据由数据集成与统一存储由海事卫星、北斗卫星通道获取后,负责推送到互联网隔离区的数据缓存中;飞行计划与作业方案、通知类产品由地面指挥中心的指挥业务平台将产品存储入库,由数据集成与统一存储负责推送到互联网隔离区的数据缓存。飞行简报由外场人员通过互联网上报,存入互联网隔离区的数据缓存,再由数据集成与统一存储从内网核心区发起请求,由互联网隔离区的数据缓存中获取后入库。

    • TEAM作为移动终端,属于人工影响天气指挥系统的一个流程环节,既是业务系统,又属于移动应用,安全性显得十分重要。根据图 3监测平台框架(RMPF-WMA)的结构和数据流程,系统进行对应的安全方面的设计和加固,构建覆盖从终端层至资源层的安全防护体系,包括资源安全、数据安全、业务安全、移动安全等各级安全防护。目前针对TEAM系统框架的每层均已实现至少一种安全加固手段,并且还在持续加固中。

      资源安全:首先为确保网络安全,依托国家气象信息中心的网络安全体系,将TEAM移动终端的数据核心服务器部署于核心区,将移动应用服务器部署于专门的互联网隔离区,两类服务器针对网络硬件资源层,利用入侵检测、防篡改等工具防范网络攻击,利用漏洞扫描加强对服务器、数据库系统软件的漏洞检测和补丁增强。

      数据安全:针对数据层加强用户权限管理、用户行为日志记录,对敏感数据的行为记录并预警,同时对用户信息、飞机信息加密并禁止明文传输,对轨迹信息进行加密和数据扰动处理。数据管理类用户进行双身份认证,即用户信息和VPN账户双认证,以便增强认证可信度。增强数据主动防护,通过磁盘阵列、数据备份等容灾手段保证数据的安全。移动应用服务器上仅进行少量数据缓存,这些数据由数据核心服务器控制推送并用于显示,定时清除,不实现永久信息存储。

      业务安全:针对业务控制层,加强登录保护,对节点进行筛查,识别并防止代理节点登录,对用户登录次数进行限制,防对用户账户密码进行暴力破解,防撞库攻击以应对恶意使用被盗账户进行批量登录。防机器批量注册,针对用户登录设备模型进行限定,并进行绑定,防止机器批量注册。用户信息中增加单位和人员实名,并人工审核。提供人机验证方式,如登录时的短信验证码、滑动连线图案完成行为式验证等安全手段,防止账号被盗用后冒认运行。

      移动安全:针对移动终端层进行加固。对生成的安卓系统APK打包文件进行二次加密保护,防逆向工具分析源代码,防止调试工具进行代码注入;对手机端数据存储加密,阻止TEAM在手机端的临时存储数据被捕获、劫持和篡改。针对SDK的JAR包代码、接口、核心逻辑和API的调用逻辑都进行加固保护,避免业务核心逻辑泄漏。

    • 基于人工影响天气飞机作业监测平台框架及关键实现技术,开发完成的国家级人工影响天气飞机实时监测移动应用系统(TEAM)于2017年投入业务应用。该系统对国家级人工影响天气飞行运维、内外场协同指挥、确保飞行任务在多地间联合开展无缝衔接起到核心支撑作用。TEAM的功能结构图如图 6所示。

      图  6  TEAM功能结构

      Figure 6.  System function structure diagram of TEAM APP

      用户向中国气象局人工影响天气中心提出并通过申请后,可下载TEAM并按照分配的用户登录使用。基于不同用户的使用特点及业务管理便利性,TEAM分为普通版(轨迹共享版本)和增强版(内外场业务专业版本),操作界面见图 7。普通版主要面向飞机日常一般性管理需求,针对各省人工影响天气普通人员和相关部门用户,主要集中共享、展示全国飞机作业实况相关信息,提升用户范围和影响力。增强版本则重点针对内外场人员、业务管理用户,在内外场信息交流、飞行轨迹回放、作业过程分析、作业统计、业务管理上提供更全面的业务数据展示、分析。

      图  7  TEAM普通版(a)与增强版(b)操作界面

      Figure 7.  Different user interface between universal version(a) and enhanced versions(b) of TEAM

      日常业务中,内外场人员通过TEAM实现起飞前实时共享作业方案和作业筹备情况、作业中实时跟踪飞行实况并采取相应行动、停机后共享飞行简报、对飞行过程的飞行变量(经纬度、高度、航速、航向等)和本周作业情况进行简要分析统计。图 8为2018年10月24日B-3726飞机在湖北执行增雨作业任务的过程分析内容。

      图  8  增强版的飞行过程统计分析和作业统计

      Figure 8.  Statistical analysis for flight process of enhanced version

      TEAM自2017年起,作为人工影响天气飞机业务移动应用,随着国家级飞机在全国各地参与开展增雨雪、飞行探测、大气科学试验和重大保障活动,在全国范围内逐步投入业务应用和推广。TEAM率先在国家级和东北区域试用,由于其信息获取方便快捷,随后在全国各省人工影响天气部门迅速推广并广泛使用。目前全国51架人工影响天气作业飞机中,TEAM可实时监测并实现信息共享的飞机为43架,占总数的84%。用户范围上,目前向国家人工影响天气中心申请并使用TEAM对本省飞机进行监测的业务用户已扩大至东北、西北、华北、西南和中部区域。TEAM对全国人工影响天气飞机的实时监测覆盖情况见表 1

      表 1  TEAM对人工影响天气飞机监测范围覆盖情况

      Table 1.  Coverage of weather-modification aircraft by TEAM monitoring

      省(区、市) 现有飞机数量 纳入TEAM监测
      的飞机数量
      北京 2 0
      上海 0 0
      天津 1 1
      河北 3 3
      山西 3 3
      内蒙古 8 8
      吉林 1 1
      辽宁 3 3
      黑龙江 2 2
      河南 1 1
      山东 2 2
      安徽 2 0
      江苏 0 0
      湖南 1 1
      湖北 1 1
      陕西 2 2
      甘肃 1 0
      青海 2 2
      宁夏 1 1
      新疆 5 5
      江西 2 2
      浙江 0 0
      福建 0 0
      广东 1 1
      海南 0 0
      四川 2 2
      重庆 1 1
      广西 1 1
      贵州 1 1
      云南 2 2
      西藏 0 0

      重大服务保障过程中,TEAM与各级指挥中心的地面指挥系统相互配合,确保轨迹实时共享、信息准确传递、内外场有效协同。2017年5月TEAM首次参与大兴安岭毕拉河飞机增雨扑火任务重大服务保障,整个服务保障中4架飞机的紧急调拨、指挥和作业过程,外场人员均通过该移动应用进行有效监测和共享。图 9是TEAM对承担扑火任务的B-3435飞机进行作业执行情况监测。TEAM提供的飞行实况和信息传递直观、简洁、快速、及时,有效提升扑火过程中协作部门间的工作效率。自2017年以来有国家级飞机参与的历次抗旱、扑火、消减雨等重大人工影响天气保障活动中,前后方均使用该系统顺利完成保障任务,一线人员使用后对系统响应度、易用性、展示实时性均给予良好评价。

      图  9  TEAM手机端对扑火飞机的监测

      Figure 9.  Flight process in TEAM

    • 1) 在分析人工影响天气飞机监测业务现状的基础上,提出通用的人工影响天气飞机作业实时监测平台框架(RMPF-WMA),作为人工影响天气飞机作业实时监测领域一种新的移动方式解决方案,采用海事卫星及北斗卫星双链路传输和分层设计,兼顾技术、业务灵活应对的平衡性。

      2) 基于HTML5混合开发技术和Cordova、Ionic/Angular JS等典型移动应用开发引擎,构建国家级人工影响天气飞机作业实时监测的移动应用终端(TEAM)。TEAM实现了多种卫星信道来源的飞机监测数据的同步,实时可视化显示全国各类人工影响天气飞机作业动态,系统解决了多区域不同人员之间的飞机作业实时监测和信息共享,有效降低了人工影响天气作业飞机全国跨区域运行时的沟通成本,保障飞机在各地安全有序运行。

      3) TEAM自2017年起在全国范围逐步业务应用,目前已可监测全国80%以上的人工影响天气飞机,使用人员覆盖至东北、西北、华北、西南和中部等区域。

      TEAM的部分功能亟待增强,如增加空地指挥短报文功能,使地面人员可通过移动终端发送卫星短报文以实时指挥飞机,这将是后续工作的提升重点。此外,将继续增强TEAM的信息安全体系建设,除了依据网络安全等级保护2.0标准体系达到移动互联安全扩展要求外,未来还将依托中国气象局的统一密钥管理系统、统一密码管理平台,加强TEAM用户权限管理、用户多重认证与验证及数据存储加密等。

参考文献 (30)

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