氣象實驗教學(xué)現(xiàn)代化信息系統(tǒng)的建設(shè)與實現(xiàn)

樊仲欣， 朱 彬， 呂晶晶， 安俊琳

（南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)與環(huán)境氣象國家級實驗教學(xué)示范中心，南京210044）

0 引 言

實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實際動手能力，將理論知識與實踐操作聯(lián)系起來的重要教學(xué)環(huán)節(jié)［1］，而實驗室則是訓(xùn)練學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的搖籃與載體［2］。出于對教學(xué)資源的優(yōu)化配置考慮，高校實驗教學(xué)中心的建立可以有效整合相關(guān)資源，節(jié)約辦學(xué)資金，統(tǒng)一設(shè)備和人員的規(guī)范管理體制，激發(fā)實驗技術(shù)人員的積極性，實現(xiàn)資源的集中共享，從而發(fā)揮整體優(yōu)勢，為教學(xué)、科研、專業(yè)業(yè)務(wù)等提供更為有力的支持［3-5］。對于實驗教學(xué)中心的運行和發(fā)展來說，信息化管理是必備的基礎(chǔ)條件，而現(xiàn)代化的實驗教學(xué)信息系統(tǒng)體系建設(shè)應(yīng)該在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)功能網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)上，進一步拓展實驗教學(xué)的信息化應(yīng)用范圍和深度，對整個實驗教學(xué)環(huán)節(jié)進行全方位、網(wǎng)絡(luò)化、智能化管理，形成較為完善的實驗教學(xué)一體化系統(tǒng)［6］。

1 中心信息系統(tǒng)體系建設(shè)現(xiàn)狀

大氣與環(huán)境實驗教學(xué)中心成立于2017年，由大氣科學(xué)與環(huán)境氣象實驗教學(xué)示范中心［7-8］和大氣科學(xué)與氣象信息虛擬仿真實驗教學(xué)示范中心［9-10］這兩個獲批于2013年的國家級教學(xué)示范中心所組成，其中大氣科學(xué)與環(huán)境氣象實驗教學(xué)示范中心組建于2011年，整合了氣象實習(xí)臺、氣象觀測站、農(nóng)業(yè)氣象實驗站等一批氣象觀測和實習(xí)的專業(yè)實驗室，而這些實驗室的建立可以追溯到1960年建校，且經(jīng)過多年的發(fā)展都具有全國一流的水平，尤其是氣象實習(xí)臺，經(jīng)過2009年中國氣象局和江蘇省共同出資改造升級，將其建成了全國高校中唯一的具有中央氣象臺技術(shù)水平的天氣預(yù)報實習(xí)臺。因此大氣科學(xué)與環(huán)境氣象實驗教學(xué)示范中心組建時便具備了當(dāng)時高水平的教學(xué)、科研、業(yè)務(wù)等條件，其下屬單位氣象實習(xí)臺的信息系統(tǒng)體系如圖1。

圖1 氣象實習(xí)臺2011年信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

2017年成立之初，大氣與環(huán)境實驗教學(xué)中心（以下簡稱“中心”）便以虛實結(jié)合、協(xié)同發(fā)展［11］為基本原則，計劃整合、提升、擴充下屬實驗室的軟硬件資源，以及開展虛擬仿真系統(tǒng)平臺建設(shè)等一系列工作，而在中心發(fā)展的各項建設(shè)任務(wù)中，信息化建設(shè)面臨著一些具體問題。

1.1 管理手段落后，工作效率低下

經(jīng)過實驗室的擴建和新建，現(xiàn)在中心擁有6間實習(xí)教室、2間開放實驗室、1間虛擬仿真室，共計約400臺電腦，但由于管理人員配置受限，每人承擔(dān)著近100臺電腦的管理工作，因此每逢實習(xí)課程集中期間便需要頻繁重復(fù)解決各種軟硬件設(shè)備的故障及兼容性問題，造成人員工作負擔(dān)大但效率卻很低下的問題。①開放實驗室的使用要滿足師生隨時預(yù)約、自主實驗的需求，而傳統(tǒng)的人工管理方式顯然達不到其對管理效率的要求。②遠程視頻會商系統(tǒng)需要現(xiàn)場進行開關(guān)和信號切換，但由于會商經(jīng)常不在工作時間范圍內(nèi)，或者在管理人員不在現(xiàn)場時臨時有緊急會商，這便會造成管理困難而影響正常使用。

1.2 氣象資料和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源零散孤立

中心的氣象實習(xí)臺接收的外部氣象資料，以及氣象觀測站、農(nóng)業(yè)氣象實驗站等自主觀測獲取的氣象資料都是二進制或者文本文件形式的，因此各自建立了文件型數(shù)據(jù)庫按照資料的來源進行歸類存放，由此導(dǎo)致了這些數(shù)據(jù)庫中大量零散孤立的文件不便于管理，更無法按照氣象要素、地區(qū)范圍等進行結(jié)構(gòu)化的查詢操作。而網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源和虛擬仿真資源也同樣存在資源分散，無法關(guān)聯(lián)查詢，缺乏元數(shù)據(jù)信息的問題。

1.3 信息共享及展示水平不高

中心的各個實驗室都承擔(dān)著氣象資料共享的工作職責(zé)，但以往的共享各自為政，并且采用離線拷貝的方式，需要人工進行資料的篩選和質(zhì)控，因此當(dāng)遇到資料拷貝量大的工作任務(wù)，便不僅消耗管理人員大量的時間和精力，而且還容易在資料處理過程中出現(xiàn)失誤。同時，對于虛擬仿真等教學(xué)資源的共享也缺乏在線學(xué)習(xí)平臺，無法進行考核與評價。此外，中心作為學(xué)校的窗口單位，經(jīng)常需要在國內(nèi)外來賓的參觀接待任務(wù)中展示實時的氣象信息，而原有的展示方式是使用多臺服務(wù)器安裝業(yè)務(wù)系統(tǒng)進行現(xiàn)場運行，這樣不僅浪費了大量計算資源而且在管理維護方面也缺乏效率。

因此，這些問題需要通過從上述各方面全方位的提升中心的信息化水平才能夠解決，而借助現(xiàn)代化的先進技術(shù)是建設(shè)網(wǎng)絡(luò)化、智能化信息系統(tǒng)的必由之路。

2 氣象實驗教學(xué)的現(xiàn)代化信息系統(tǒng)體系建設(shè)

經(jīng)過近幾年的發(fā)展，目前中心已建立起了一整套結(jié)合虛擬桌面、云計算平臺、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化、網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)以及虛擬仿真等各種先進技術(shù)的氣象實驗教學(xué)現(xiàn)代化信息系統(tǒng)體系（見圖2）。

圖2的中心信息系統(tǒng)體系以氣象實習(xí)臺的信息系統(tǒng)體系（見圖1）為核心進行了整合與拓展升級，增加了自主觀測系統(tǒng)、應(yīng)用氣象數(shù)據(jù)庫、氣象觀測業(yè)務(wù)系統(tǒng)等內(nèi)容，并在其基礎(chǔ)上進行了7個方面的信息化建設(shè)工作（如圖2中的1～7）。

圖2 大氣與環(huán)境實驗教學(xué)中心2020年信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

2.1 基于虛擬桌面的實習(xí)教室

虛擬桌面技術(shù)改變了傳統(tǒng)教室電腦因各自獨立運維，相互難以同步而導(dǎo)致管理煩瑣低效的狀況。該技術(shù)架構(gòu)由云終端、虛擬桌面控制器、虛擬機管理平臺、服務(wù)器存儲設(shè)備等組成，首先通過服務(wù)器虛擬化軟件搭建具備高可用性的集群服務(wù)器環(huán)境，為用戶新建和開啟虛擬機，實現(xiàn)虛擬桌面及應(yīng)用程序的后臺運行；然后通過虛擬桌面發(fā)布平臺將桌面資源進行整合；最后利用高效的遠程發(fā)布協(xié)議以快速、安全、穩(wěn)定的方式交付給用戶，由用戶通過各種終端設(shè)備隨時隨地的接入使用。那么通過這樣一種將終端設(shè)備上的系統(tǒng)和應(yīng)用虛擬化并集中到服務(wù)器端管理的方式，可以在多臺終端重復(fù)使用相同系統(tǒng)和應(yīng)用的情況下極大的簡化管理維護的工作量，達到只要維護一套系統(tǒng)和應(yīng)用就等于實現(xiàn)了所有教室電腦（即終端）的同步化操作，而無須再重復(fù)地解決相同的故障問題。

2.2 開放實驗室綜合管理系統(tǒng)

開放實驗室的特點在于實驗資源的充分共享，以滿足學(xué)生自主學(xué)習(xí)的需求［12-13］。與純粹軟件形式的開放實驗室網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)不同，開放實驗室綜合管理系統(tǒng)是由刷卡派位終端、實驗工位電源控制器、智能云臺攝像機和網(wǎng)絡(luò)對講機這些硬件，以及實驗教學(xué)綜合管理系統(tǒng)、預(yù)約派位與電源管理系統(tǒng)、在線實驗報告系統(tǒng)這些軟件所組成的一個整體。實驗室的排課計劃查詢以及預(yù)約審批授權(quán)通過實驗教學(xué)綜合管理系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)上完成，學(xué)生到實驗室刷卡派位以后由系統(tǒng)預(yù)約派位的機位即可開機直到預(yù)約時間結(jié)束自動關(guān)機并生成考勤信息，在這個過程中學(xué)生可以進行實驗以及在線提交實驗報告，而實驗室管理人員則可以在無人值守的情況下，通過智能云臺攝像機監(jiān)控和錄制實驗室的全程使用情況，以及應(yīng)對突發(fā)狀況使用遠程語音功能與學(xué)生進行對話。這樣不僅實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化管理而且還實現(xiàn)了針對具體實驗設(shè)備的精細化管理，進一步提高了開放實驗室的管理水平。

2.3 遠程視頻會商系統(tǒng)的自動化管理

遠程視頻會商系統(tǒng)用于中心參加國家氣象局和江蘇省氣象局會商，是中心實驗教學(xué)的主要特色之一［14］。會商系統(tǒng)使用方式有定時和臨時2種，為了減少管理工作量做到無人值守下的自動運行，系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了定時開關(guān)機同時自動切換會商模式，而且針對臨時開會的情況，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計開發(fā)了一套手機APP，可以遠程操作會商系統(tǒng)的開關(guān)以及模式切換，從而解決了現(xiàn)場管理耗時費力的難題。

2.4 大氣資料教學(xué)資源庫

為解決氣象資料和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源零散孤立的問題，實現(xiàn)資源的高效整合管理，更好地為教學(xué)、科研以及虛擬仿真等平臺建設(shè)服務(wù)，中心建立了大氣資料教學(xué)資源庫［15］并且不斷充實其中的氣象資料和教學(xué)資源。大氣資料教學(xué)資源庫基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫技術(shù)構(gòu)建，將氣象資料依據(jù)使用目的劃分為常規(guī)天氣要素預(yù)報數(shù)據(jù)庫和氣候預(yù)測數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫以二維表的形式存儲，可以用結(jié)構(gòu)化查詢語言實現(xiàn)時間區(qū)段、地區(qū)范圍、氣象要素等條件的資料篩選。此外，針對包括虛擬仿真資源在內(nèi)的教學(xué)資源零散孤立的問題，大氣資料教學(xué)資源庫中專門建立了自主建設(shè)資源數(shù)據(jù)庫，用于存放各種教學(xué)資源的元數(shù)據(jù)信息。以及針對農(nóng)業(yè)氣象實驗站自主觀測獲取的植被物理化學(xué)特性和土壤物理化學(xué)特性等資料，將其存入專門的應(yīng)用氣象數(shù)據(jù)庫。

2.5 氣象資料數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)

氣象資料數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)以大氣資料教學(xué)資源庫為依托，對接學(xué)校信息門戶身份認證機制對全校師生開放，可以實現(xiàn)資料的目錄清單管理、用戶管理、在線查詢下載、下載記錄統(tǒng)計等功能，從而利用網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)高效便捷的優(yōu)勢消除了重復(fù)性的管理人員人工處理資料的弊端。

2.6 虛擬仿真共享平臺

國家級大氣科學(xué)與氣象信息虛擬仿真實驗教學(xué)示范中心自組建以來就著手建立了虛擬仿真實驗室以及云層虛擬仿真系統(tǒng)等一批虛擬仿真資源，中心建立以來，不僅不斷充實雙偏振天氣雷達虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)、新型自動氣象站安裝、半干旱區(qū)生態(tài)保護［16］等虛擬仿真資源，還將其整合入了大氣資料教學(xué)資源庫中。同時，根據(jù)教育部要求［17］，為加強實驗教學(xué)中心信息化建設(shè)，推動實驗教學(xué)資源共建共享，促進虛擬仿真實驗教學(xué)資源在線開放和高效利用，中心積極開展了虛擬仿真共享平臺的建設(shè)，該平臺基于自主建設(shè)資源數(shù)據(jù)庫的虛擬仿真教學(xué)資源開發(fā)，具有基礎(chǔ)信息、用戶權(quán)限、學(xué)習(xí)功能、學(xué)習(xí)記錄等基本功能模塊，同時還具備符合大氣科學(xué)學(xué)科專業(yè)特點和理念的考核評價功能，以及實現(xiàn)與江蘇省高校實驗教學(xué)與實踐教育中心共享平臺的對接與集成。

2.7 氣象資料的網(wǎng)絡(luò)化展示

在中心的參觀接待中，為了能以簡單快捷的方式展示實時的氣象信息，設(shè)計開發(fā)了一套氣象信息網(wǎng)絡(luò)化展示系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以將氣象資料實時地以可視化的方式轉(zhuǎn)換成位圖圖像保存下來，這樣就將原先C/S架構(gòu)的信息展示方式變?yōu)榱薆/S架構(gòu)，用IE等瀏覽器網(wǎng)絡(luò)訪問即可顯示實時氣象信息，從而避免了許多安裝維護業(yè)務(wù)系統(tǒng)的煩瑣工作。同時，該系統(tǒng)也可以將氣象資料實時的對外網(wǎng)進行展示，從而用于中心的科普宣傳工作。

3 應(yīng)用成效

氣象實驗教學(xué)現(xiàn)代化信息系統(tǒng)體系的建立使中心具備了更加優(yōu)良的教學(xué)培訓(xùn)環(huán)境和實踐教學(xué)手段，通過優(yōu)化人力物力等各方面的資源分配，目前在中心人才培養(yǎng)、業(yè)務(wù)培訓(xùn)、預(yù)報預(yù)測、教學(xué)案例、資料服務(wù)、科研應(yīng)用、創(chuàng)新平臺、宣傳窗口這八大工作職能中建設(shè)效益顯著。

3.1 實現(xiàn)中心運行管理的高效化

中心人才培養(yǎng)方面大氣類各專業(yè)本科生、研究生的天氣分析預(yù)報等實踐教學(xué)工作量約每學(xué)年1 500人、10萬人時；舉辦氣象、民航預(yù)報員業(yè)務(wù)培訓(xùn)班共16期（566人），WMO外籍、港澳共10期（117人），實驗室利用率可達到80%以上，因此，虛擬桌面和開放實驗室綜合管理系統(tǒng)的建設(shè)大幅度減少管理工作量，同時還可進行網(wǎng)絡(luò)遠程管理以及點對點的精細化管理，從而使工作效率有了質(zhì)的提升。此外，中心每個工作日都有國家氣象局早間會商，以及不定期的臨時遠程視頻會議，這是中心預(yù)報預(yù)測職能的組成部分，而遠程視頻會商系統(tǒng)的自動化進一步提升了管理效率。

3.2 實現(xiàn)中心數(shù)據(jù)管理的規(guī)范化

中心資料和資源零散孤立的問題在大氣資料教學(xué)資源庫建立以后得以解決，數(shù)據(jù)不僅結(jié)構(gòu)化存儲，而且按照常規(guī)天氣要素預(yù)報、氣候預(yù)測、自主建設(shè)資源、應(yīng)用氣象分成四大類和若干小類，為中心的預(yù)報預(yù)測和教學(xué)案例提供了具有清晰對應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)支撐，以便于建立規(guī)范化的預(yù)報預(yù)測思路和教學(xué)資源。

3.3 實現(xiàn)中心資源管理的集約化

氣象資料數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)和虛擬仿真共享平臺實現(xiàn)了氣象資料和教學(xué)資源的集約化管理，為中心的資料服務(wù)職能提供了一種有效的機制，管理人員和師生都可以通過網(wǎng)絡(luò)享受一站式信息共享服務(wù)，進而助力于中心人才培養(yǎng)、科研應(yīng)用、創(chuàng)新平臺的工作職能。此外，氣象信息網(wǎng)絡(luò)化展示系統(tǒng)改變了信息的展示方式，使得一臺普通電腦便可以替代數(shù)臺專業(yè)的服務(wù)器實現(xiàn)展示功能，從而大大節(jié)約了參觀接待和科普宣傳上需投入的人力物力。

4 結(jié) 語

大氣與環(huán)境實驗教學(xué)中心以“緊貼學(xué)校發(fā)展規(guī)劃，緊貼氣象事業(yè)業(yè)務(wù)需求，緊貼學(xué)生核心技能提升”為建設(shè)指導(dǎo)思想，多年來與時俱進，不斷改革創(chuàng)新，大力推進氣象教育事業(yè)發(fā)展，而氣象實驗教學(xué)現(xiàn)代化信息系統(tǒng)體系便是其中的一個縮影，該體系不僅能滿足對接現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)和培養(yǎng)應(yīng)用型、復(fù)合型人才的需求，并達到了集約優(yōu)化資源、高效規(guī)范管理的預(yù)期規(guī)劃，而且切實地服務(wù)于中心的各項工作職能，強化了中心的內(nèi)涵建設(shè)。