（系统分析与集成专业论文）人工影响天气指挥系统设计与实现.pdf

中文摘要 气象部门经常开展人工影响天气作业活动，通过高炮、火箭、飞机播撒、地面燃烧等 方式将催化剂播散到云层中，以此来达到人工增雨、人工防雹等目的。为了提高t 作效率， 需要开发一套完整的人t 影响天气指挥系统。本文详细介绍了基于g i s 、j 2 m e 和g p r s 的 人工影响天气指挥系统的设计与实现过程。 本系统采用c l i e n t s e r v e r 结构，由指挥系统、指令中转服务器程序以及指令接收程序 三部分组成。指挥系统使用g i s 技术显示作业地区的地理信息，实时获取并显示气象局内 部网络中的雷达图、卫星云图、风向图等资料，为作业指挥人员的决策提供数据支持。指 挥人员确定作业区域和时间后，软件自动为相关火箭、高炮作业点生成详细作业参数，并 将作业指令通过中转服务器发送给一线作业人员。指令中转服务器程序安装在具有独立公 网l p 地址的服务器上，接收来自指挥中心和作业点的数据包，对其进行数据校验和格式调 整，并转发到对应的目的地。此外指令中转服务器还通过心跳包机制实现连接故障的确认 和自动重连功能。系统使用智能手机作为指令接收终端，指令接收程序使用j 2 m e 开发， 通过g p r s 网络连接到指令中转服务器，接收并显示来自指挥中心的作业指令，并能够将 作业人员输入的同执信息反馈到指挥中心。系统在实现基本工作流程外，还拥有较为完善 的人员点名、操作确认、操作日志和数据库记录功能。 本系统已经在山东省气象系统内得到推广，在实际运行过程中具有运行稳定可靠、指 令接收延时小等优点，基本达到了预定的设计目标。 关键字：人工影响天气，g i s ，j 2 m e ，g p r s ，s o c k e t a b s t r a c t w 色a t h e rm o d i f i c a t i o no p e r a t i o n sa r eo f t e ne x e c u t e db ym e t e o r o l o g i c a la d m i n i s t r a t i o n b u r e a u s e e d i n ga g e n ti ss p r e a di n t oc l o u db yc a r m o n s ，r o c k e t s ，a i r p l a n e sa n dg r o u n dg e n e r a t o r s f o ra r t i f i c i a lr a i np r e c i p i t a t i o na n dh a i ls u p p r e s s i o n i no r d e rt oi m p r o v et h eo p e r a t i o ne f f i c i e n c y , aw e a r h e rm o d i f i c a t i o nc o m m a n ds y s t e mi sn e e d e d t h i sp a p e rd e s c r i b e dt h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no faw e a t h e rm o d i f i c a t i o nc o m m a n ds y s t e mb a s e do ng i s j 2 m f ea n dg p r s w r e a t h e rm o d i f i c a t i o nc o m m a n ds y s t e mu s e st h ec l i e n t s e r v e ra r c h i t e c t u r e i tc o n t a i n st h r e e p a r t s ：t h ec o m m a n ds y s t e m ，t h ei n s t r u c t i o nt r a n s i ts e r v e ra n dt h ei n s t r u c t i o nr e c e i v et e r m i n a l t h ec o m m a n ds y s t e mu s e sg i st e c h n o l o g yt or e v i e wt h eg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o no fo p e r a t i o n a r e a r e a l - t i m er a d a rm a pa n dm e t e o rc l o u dm a pa r eu s e dt op r o v i d ef u n d a m e n t a ld a t as u p p o r t f o rt h ed e c i s i o no fo p e r a t i o nd i r e c t o r d e t a i lo p e r a t i o np a r a m e t e r sc a nb eg e n e r a t e da u t o m a t i c a l l y b yt h i ss y s t e ma f t e ro p e r a t i o nd i r e c t o rd e c i d et h eo p e r a t i o na r e a , o p e r a t i o nt i m ea n dn e c e s s a r y e l e m e n t s t h e s ep a r a m e t e r sc a nb eb r o a d c a s t e dt oa 1 1r e l a t e do p e r a t i o ns t a t i o nt h r o u g ht h et r a n s i t s e r v e r t h et r a n s i ts e r v e ri si n s t a l l e do nas e r v e rw h i c hh a sa ni n d e p e n d e n ti pa d d r e s s i t r e c e i v e si n s t r u c t i o n sc o m ef r o mc o m m a n ds y s t e m a n dt r a n s m i tt h e mt oo p e r a t i o ns t a t i o n sa f t e r d a t af o r m a tc o n v e r s i o na n dv a l i d a t i o n ah e a r t b e a ta l g o r i t h mi sd e s i g n e dt or e c o g n i z ea b n o r m a l d i s c o n n e c t i o na n dr e c o n n e c tt os e r v e ra u t o m a t i c a l l y t h ei n s t r u c t i o nr e c e i v et e r m i n a li s d e v e l o p e dw i t hj 2 m e ，a n dc a r lb er u no na n yc e l l p h o n ew i t hs u p p o r t sj a v am i d p2 i tc o n n e c t s t ot r a n s i ts e r v e rv i ag p r sn e t w o r k o p e r a t i o np a r a m e t e r sc a nb ed i s p l a y e do nc e l l p h o n es c r e e n a f t e ri n s t r u c t i o n sc o m ef r o mc o m m a n ds y s t e m r e c e i p tc a nb ep o s t e dt oc o m m a n d s y s t e ma f t e r a l lw o r ki sd o n e f u r t h e r m o r e m a n yu s e f u lf u n c t i o n ss u c ha sw o r k e r sc a l l o v e r , o p e r a t i o n a c k n o w l e d g e m e n t ，d a t a b a s es t o r a g ea r ep r o v i d e d t h i ss y s t e mi sd e p l o y e dt os h a n d o n gp r o v i n c em e t e o r o l o g i c a la d m i n i s t r a t i o n t e s t i n gr e s u l t i n d i c a t et h a ti th a v es e v e r a la d v a n t a g e ss u c ha sw o r k ss t a b l ea n ds m a l lt r a n s m i s s i o nd e l a y t o s u m u p ，t h i ss y s t e mh a sr e a c h e dt h ep r e d e t e r m i n e dd e s i g ng o a l s k e y w o r d s ：w e a t h e rm o d i f i c a t i o n ，g i s ，j 2 m e ，g p r s ，s o c k e t 学位论文独创性说明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。 3 、本论文中除了引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本文除了引文和致谢的内容外，不包含其他人或其他机构已经发表或撰写过的研 究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢意。 作者签名：醚 e l 期：巡：左! l 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定、学校有权保留学位 论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版：有权将学位论文用于非 赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关 数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用 本规定。 作者签名：蒸趁 e l 期：丝2 壁：垒：i 第一章前言 1 1 课题的研究背景 天气现象与人类生活密切相关，干旱、洪涝、冰雹等灾害性天气在许多地方频繁发生， 常常会给农业生产和经济活动造成严重损失。自古以来，人类一直在探索减轻自然灾害的 途径。气象科学对人t 影响天气技术已经进行了上百年的研究，对气象灾害的机理有了较 为深入的理解，总结出了一套行之有效的人工影响天气技术。自2 0 世纪7 0 年代以来，世 界上大约有4 0 多个国家或地区在持续开展约1 0 0 多项人工影响天气的试验计划，使用高炮、 火箭弹、地面燃烧和飞机播洒催化剂等方式，在人工降雨、消雾和防雹等方面的取得了很 明显的成果i lj 。 中国是一个农业大国，十几亿人口的生存和发展离不开天气，在很大程度上仍属于靠 天吃饭。由于气象因素，每年造成的农业灾害面积约达4 6 亿亩。其中旱灾占6 2 ，涝灾 占2 4 ，风雹灾占8 ，每年平均减产粮食约2 0 0 亿斤，其中干旱影响约占5 0 。自从1 9 5 6 年中央气象局局长涂长望在全国气象工作会议上将人工降雨、人工消雾、人工消除冰雹列 入我国第三个五年计划的研究任务以来，人工影响天气工作经过几代人的不懈努力在许多 省、市已作为一项常规业务服务社会1 1 j 。截- i f = 至2 0 0 5 年，我国已有1 9 5 2 个县开展人工影 响天气作业，拥有高炮7 0 7 1 门，各类火箭架4 6 8 7 具，地面作业总次数达6 3 3 6 0 测4 1 。从 1 9 8 9 年黑龙江初步建立了第一套人工影响天气综合技术系统以来，全国2 0 多个省、市、 区在开展人工影响天气作业中，根据自身条件开展了人工影响天气技术系统的研究，建立 了不同程度、不同设计、不同软硬件配置的综合技术系统i 7 l 。然而由于当时条件所限，再 加上人工影响天气业务涉及面广、环节多、时效性强、技术难度人，这些系统人多以单项 业务运行为主，实时业务化程度比较低，通常没有很好的决策技术支持，不能有效的利用 雷达、卫星、常规气象资料以及云物理探测资料等基础气象数据进行决策指挥，很难提高 增雨、防雹作业水平。现有的人工影响天气作业指挥系统通常采用电话、短消息通知等现 场指挥方式，从发出作业指令到作业点收到的时间间隔较长，特别是在防雹作业时，在批 准得到几分钟的空域时间内较难完成通讯和发射任务，直接影响了作业效果。在全国新一 代气象业务系统已投入业务运行的基础上，研究建立一个实际业务中急需的流程合理、专 业特色突出、能实时运行、可满足人工影响天气不同作业决策时段需求的人工影响天气综 合决策指挥系统，就具有特别重要的意义。 本项目来源于南京信息工程大学和山东省气象科学研究所合作开发的人工影响天气作 业指挥系统。本系统实现了与地理信息技术的有机结合，能够获取实时气象资料，并且通 过无线网络技术直接指挥作业点，缩短作业指令传递时间，提高作业指挥的科学性。 1 2 课题的主要研究内容 课题的主要工作是设计一个具有实际应用价值的人工影响天气指挥系统。该系统由指 1 - 挥系统、指令中转服务器程序以及指令接收终端三部分组成。指挥系统使用g i s 技术显示 作业地区的地图和其他地理信息，通过气象局内部网络获取包括雷达图在内的各种气象资 料帮助指挥人员进行决策。指挥人员通过鼠标操作在地图上选取作业范围并给出必要的参 数后，程序自动生成详细作业参数，并将参数通过中转服务器发送给各作业点操作人员。 指令中转服务器程序负责维护指挥系统和作业点之间的数据连接，同时采用多种手段保证 网络连接的可靠性与数据包的正确性。指令接收程序使用j 2 m e 开发，运行在支持j a v a m i d p2 0 的手机上。程序通过g p r s 网络连接到指令中转服务器，接收并显示来自指挥中 心的作业指令，并能够将作业人员输入的回执信息反馈到指挥中心。系统在实现基本工作 流程外，还应该拥有较为完善的人员点名、操作确认、操作日志和数据库记录功能。 1 3 论文结构安排 本文共分为六章，各章内容安排如下： 第一章引言 简单介绍了人工影响天气技术的现实意义和发展情况，叙述了本系统的开发背景，列 举了本系统的主要研究内容。 第二章相关技术理论介绍 首先介绍了人工影响天气技术的理论基础和目前国内外人工影响天气作业的基本工作 模式；其次描述了j 2 m e 技术的体系结构以及基于j 2 m e 的手机应用程序开发的基本知识； 接下来叙述了地理信息系统的知识以及基本开发方法；之后分析了s o c k e t 网络程序开发 方面的要点；最后介绍了g p r s 无线通信方面的内容。 第三章系统总体结构 介绍了人工影响天气指挥决策系统的基本功能以及工作流程。描述了系统的部署方式 和模块设置，并介绍了各模块的功能。 第四章系统设计与实现 介绍系统的实现框架，包括指挥中心系统设计、指令中转服务器设计以及作业指令接 收机设计。 第五章系统运行说明 首先介绍了系统中各个部分的安装方法和参数配置方法，然后以一次完整的人工影响 天气作业为例，演示了使用本系统进行决策和指挥的过程。 第六章总结和展望 首先对系统开发工作进行了简要地总结和回顾，其次对系统推，“运行过程中遇到的问 题进行了分析，最后提出了下一步工作计划和对系统未米发展情况的展望。 第二章相关技术理论介绍 2 1 人工影响天气技术简介 人工影响天气技术是涉及多学科、多部门的一项复杂系统j t 程，是一项发展中的、具 有巨大潜力的科学技术。人t 影响天气技术利用有利的自然气候和天气条件，通过科技手 段对人气物理、人气化学过程进行影响，实现增雨、防雹、消雾、防霜等目的，达到避免 或者减轻气象灾害、合理利用气候资源的作用。数百年前人类就对人t 影响天气进行了探 索。1 8 3 9 年美国的e s p y 提出了首次有科学根据的人工降雨建议，此后还有美国的p o w e r s 、 荷兰的v e r a a 等人都提出或实践过有关人t 影响天气的设想。早期云物理学研究集中于实 验室，在云室和风洞中对核化、水滴和冰晶增长的影响因子进行研究，同时开始从云物理 研究转向人工对云和降水的催化影响试验。随着云物理的探测、实验和理论研究的发展以 及播云催化剂的发现，2 0 世纪5 0 7 0 年代初期人工影响天气技术的科学试验和理论研究发 展迅速，对各种气象现象发生的原理和控制方法有了较为深刻的了解。 云是悬浮在空气中的小水滴和冰晶的一种气溶胶可见聚合体。虽然自然云中含有大量 水气，但是大多数云并不具备直接产生降水的条件。按照国际分类的2 9 种云状中，能产生 到达地面的降水( 包括雨、毛毛雨、雪、冰粒、雹) 的云仅占少数，称为降水性积云，主 要有雨层云、蔽光高层云、蔽光层积云、积雨云，在一定条件下层云、蔽光高积云、浓积 云也可能出现小的降水。从云滴转化为雨滴或雪晶，要经历复杂的增长过程。云滴之间的 相互碰撞与合并引起云滴的不连续增长，即云元素的碰撞增长，它是暖云降水的主要形成 机制。冷云中冰晶下落与过冷却云滴碰撞产生的凇附现象则是冷云降水的主要成因。冰晶 之间的碰连聚集则可形成雪花。一旦进入降水发展阶段，则大水滴的主要来源是云中雨滴 的碰撞破碎和变形破碎。云滴碰并增长和雨滴破碎繁生相配合形成了暖云的降水机制。冷 云降水机制则主要通过并进的凇附、聚集增长米实现。 人工影响天气是以云和降水物理为基础的科学技术减灾手段，它涉及多学科、多部门， 具有时间性强，专业性、安全性突出，技术要求高等特点。作业对象以积云为主，不确定 因素多，在短时间内必须完成多个技术环节，只有周密、细致、严格地组织，才能保证作 业顺利进行。目前常见的人工影响天气作业主要有人- t 增雨和人工防雹两类。人工增雨作 业的主要物理依据是静力催化和动力催化，通过提高云的降雨效率，增加降水量。冷云降 水一般是由冰品通过凝华过程及随后的凇附或碰并过程形成的。静力催化就是在冷云中引 入适量的人r t 冰晶，加强上述过程，使云产生更多的降水。动力催化则是在云的过冷却部 位引入人量人工冰品，使云中过冷水迅速转化为冰品，并加强凝华过程，释放大量冻结潜 热和凝结潜热，增加云体温度和浮力，促使云体在垂直和水平方向发展，延长云的生命期， 从而增加降水。人工防雹作业的主要物理依据是过量催化和爆炸影响技术。通过过量催化 改变云和降水及冰雹的微物理结构，改变冰雹生长形成的物理过程，大量增加云中人工冰 雹胚胎，争食水分，降低成雹条件，抑制冰雹的增长或化为雨滴。通过爆炸破坏积云形成 冰雹的自然气流结构，特别是强上升气流区的垂直结构，促使大量小冰雹( 雹胚) 在增大 之前提前下落，融化为雨滴或小冰粒落到地面。 人们常常通过向云中投放碘化银、干冰、盐粉等催化剂的方式来改变和控制天气现象， 投放催化剂的方法主要有以下几类： ( 1 ) 通过高炮和火箭弹头在高空爆炸形成点源。 ( 2 ) 飞机播撒催化剂、火箭焰弹和施放焰弹或发射焰弹形成线源。 ( 3 ) 地面燃烟或喷射催化剂入云作为点源或面源。 除人工降水、人工防雹作业以外，常见的人工影响天气作业还包括人工消雾、人工消 云、人工引发或抑制闪电、人t 防霜等。虽然目前还很难精确地认定人工影响天气作业的 实际经济效益，但仍能实际感受到人工影响天气活动所带来的益处远远超过实施作业的财 务支出。 2 2j 2 m e 技术简介 j a v a 是s u n 公司于1 9 9 5 年5 月推出的j a v a 程序设计语言和j a v a 平台的总称。j a v a 平 台由j a v av m ( j a v a 虚拟机) 和j a v aa p i ( 应用编程接口) 构成。j a v aa p i 为j a v a 应用提 供了一个独立于操作系统的标准接口，只要在硬件或操作系统上安装一个j a v a 平台就可运 行j a v a 应用程序。这样j a v a 程序只需要编译一次就可以在各种系统中运行，真正具有了跨 平台的能力。为了区分不同的应用，s u n 公司将j a v a2 分为三个版本：j 2 e e 、j 2 s e 和j 2 m e 。 j 2 e e ( j a v a2e n t e r p r i s ee d i t i o n ) 主要用于企业级开发，j 2 s e ( j a v a2s t a n d a r de d i t i o n ) 主 要用于桌面级开发，而j 2 m e ( j a v a2m i c r oe d i t i o n ) 主要用于消费类电子设备和嵌入式设 备的应用开发。j 2 s e 支持所有的j a v a 基本类型，并实现了j a v a 标准中所定义的所有核心 类库。j 2 e e 在j 2 s e 的基础上有所扩充，加入了许多片j 于服务器程序开发的类库。而j 2 m e 则相当丁j 2 s e 的一个子集，只支持j 2 s e 中的一些基本类库和数据类型。与此同时，为了 更好地适应嵌入式软件开发，j 2 m e 中加入了许多j 2 s e 核心库外的类库【2 酤2 9 j 。 j 2 m e 使用配置( c o n f i g u r a t i o n ) 和简表( p r o f i l e ) 定义j 2 m e 程序的运行环境【8 j 。配置 定义了某一类设备所使用的j a v a 虚拟机以及j a v a 类库的最小集合。j 2 m e 把设备分为连接 设备( c o n n e c t e dd e v i c e ) 和连接受限设备( c o n n e c t e dl i m i t e dd e v i c e ) 。其中连接设备主要 指运算能力较强、有外接式电源的嵌入式设各，如电冰箱、机顶盒等。而连接受限设备主 要指运算能力较弱、主要使用电池供电的设备，如手机、p d a 等。j 2 m e 使用两种配置对 应这两种设备，分别是c d c ( c o n n e c t e dd e v i c ec o n f i g u r a t i o n ) 和c l d c ( c o n n e c t e dl i m i t e d d e v i c ec o n f i g u r a t i o n ) 。 配置只是对不同能力设备的一个粗略划分，但即使是同为c d c 或同为c l d c 的设备 在具体性能指标上仍存在着巨大的差别。为进一步定义各种嵌入式设备上j a v a 程序的开发 方式及它们所应具备的功能，j 2 m e 使用不同的简表( p r o f i l e ) 区分拥有相同配置的不同设 4 备。简表架构在配置之上，它也提供了一组a p i ，其中包括了用户界面等未被配置支持的 功能。在手机上使用的简表是m i d p ( m o b i l ei n f o r m a t i o nd e v i c ep r o f i l e ) ，其最新版本是 m i d p2 1 。其他简表包括c d c 上的r m ip r o f i l e 、f o u n d a t i o np r o f i l e 、p e r s o n a lp r o f i l e ，c l d c 上的p d ap r o f i l e 等。 除了配置和简表外，j 2 m e 还提供了一些可选包供设备制造商选择，以便加强设备的性 能。这些可选包也是一系列a p i 的集合，但是它们并不定义整个应用程序的运行环境，而 是通过对标准运行环境的扩展来支持特定设备的特定属性，所以可选包必须同配置和简表 联合起来使用。较为常见的可选包有：m o b i l em e d i a a p i ( j s r1 3 5 ) 、w i r e l e s sm e s s a g i n g a p i ( j s r1 2 0 ) 、j a v a a p i sf o rb l u e t o o t h ( j s r8 2 ) 等。可选包通常以j s r 的形式出现，j s r 的 全称是j a v a 规范请求( j a v as p e c i f i c a t i o nr e q u e s t s ) ，它是j a v a 界的一个重要标准。j s r 的 含义和r f c 类似，任何人都可以向j c p ( j a v ac o m m u n i t yp r o c e s s ) 提交一个j s r ，以向j a v a 平台增添新的a p i 和服务。 j a v a 体系架构如图2 1 所示。 二二三量三二二 二至亟二 二巫巫 二匝二二j 巫二二 二至二叵 图2 - ij a v a 体系架构图 2 3g i s 技术简介 g i s 是地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 的缩写，它是一个对海量地理数据 进行采集、存储、管理、分析、显示与应用地理信息的计算机系统【1 1 】。它集计算机科学、 地理学、测绘遥感学、环境科学、信息科学和管理科学等为一体，是一门新兴的边缘学科。 目前g i s 已经广泛地应用于资源调查、环境评估、区域发展规划、公共设施管理、交通安 全等领域。 g i s 工程的开发通常有三种模式：独立开发、单纯二次开发和集成二次开发。独立开 发是指不依赖丁任何g i s 工具软件，从空间数据的采集、编辑到数据的处理分析及结果输 出，所有的算法都由开发者独立设计，然后选用某种程序设计语言，在一定的操作系统平 台上编程实现。这种方法的工作量太大，现在地理信息系统的开发已经很少采用这种方案。 单纯二次开发指完全借助于地理信息系统工具软件提供的二次开发语言进行应用系统开 发。目前，商业化的地理信息系统工具软件已经相当成熟，它们大多提供了可供用户进行 二次开发的宏语言，如e s r i 的a r c v i e w 提供了a v e n u e 语言，m a p i n f o 公司研制的m a p l n f o 提供了m a p b a s i c 语言等。用户可以利用这些宏语言开发出自己的应用程序。这种方法虽然 能够节省开发时间，但是功能较弱，难以处理复杂问题。集成二次开发指利用专业g i s 工 具软件或其提供的组件来实现g i s 的基本功能，采用d e l p h i 、v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 、 p o w e rb u i l d e r 等作为开发平台，进行二者的集成开发。目前已有许多软件厂商推出了各自 的组件产品，如e s r i 公司的a r c o b j e c t s 、m a p o b j e c t s ，m a p l n f o 公司的m a p x ，北京大学 的c i t y s t a r ，中国地质大学的m a p g i s 等【1 孓泊j 。 2 4s o c k e t 通信技术简介 2 0 世纪8 0 年代初，美国政府的高级研究计划署( a r p a ) 资助b e r k e l e y 的c a l i f o r n i a 大学在u n i x 操作系统下实现t c p i p 协议。在这个项目中，一组研究人员为t c p i p 网络 通信开发了一个被称为b e r k e l e ys o c k e t ( 套接字) 的a p i 。s o c k e t 接口为是目前最为通用 的t c p i p 通信a p i 之一，它定义了许多函数和例程，程序员可以使用它们米开发网络应用 程序【2 7 】。s o c k e t 已经在许多硬件和操作系统上有具体实现，最常见的两个实现是u n i x 环 境下的b s ds o c k e t 和w i n d o w s 环境下的w i n s o c k 。 s o c k e t 提供三种类型的套接字：流式套接字( s o c ks t r e a m ) 、数据报套接字 ( s o c kd g r a m ) 以及原始套接字( s o c kr a w ) 。流式套接字使用t c p 协议提供面向 连接、可靠的数据流传输服务，数据报套接字使用u d p 协议提供无连接、不可靠的数据报 传输服务，原式套接字允许对低层协议进行直接访问。在实际开发中，流式套接字和数据 报套接字的应用最为广泛。 网络通信最终是由两台主机上的两个进程完成的，两个进程通过网络传输它们之间的 数据。网络通信对话的每一端称为一个端点，当使用s o c k e t 接口对网络通信编程时，s o c k e t 是网络通信过程中端点的抽象表示。在实践中，s o c k e t 由主机地址和端口号组成。为了通 过s o c k e t 接口进行网络通信，程序在网络对话的每端都需要一个s o c k e t 。两个s o c k e t 之间 的通信可以是面向连接的，也可以是面向无连接的。因此，从网络的角度看，s o c k e t 是通 信连接的端点，从程序员的角度看，s o c k e t 是编写网络通信程序的a p i 。在t c p i p 网络应 用中，通信的两个进程之间相互作用的主要模式是客户机服务器模式( c l i e n t s e r v e r ) ，即 客户机向服务器发出请求，然后服务器向客户机提供相应的服务。c s 模式使用的是主动 请求方式，流式套接字t 作模式下服务器端进程的工作流程是： ( 1 ) 创建一个s o c k e t 绑定到某一端口进行监听，告诉本地主机它愿意在该端口上接 6 收客户端请求。 ( 2 ) 等待客户连接请求到达该端口，建立一个新的s o c k e t 接收此连接。 ( 3 ) 新的s o c k e t 接收客户端的请求，处理该请求并发送应答信号。 ( 4 ) 服务完成后，断开连接并等待接收新的客户请求。 客户端进程的工作流程是： ( 1 ) 创建一个s o c k e t ，向服务器主机的特定端口发出连接请求。 ( 2 ) 连接成功后向服务器发出请求报文，等待并接收应答。 ( 3 ) 请求结束后断开连接。 面向连接的s o c k e t 应用程序的基本流程如图2 2 所示。 服务器程序 调用s o c k e t ( ) 初始化套接字 调用b i n d ( ) 绑定本地端口 调用l i s t e n ( ) 开始监听端口 调用a c c e p t ( ) 接受客户端连接 阻塞以等待客护端连接请求 i 发起连接 客户端程序 调用s o c k e t ( ) 初始化套接字 调用c o n n e c t ( ) 连接服务器 调用r e c v ( ) s e n d ( ) 发送或接收数据 接收连接 相互通信 调用i - e c v ( ) s e n d ( ) 发送或接收数据 通信完毕 图2 2 面向连接的s o c k e t 程序基本流程图 2 5g r p s 网络简介 g p r s 的全称是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) ，它是利用现有g s m 网络向第三代移动通信网络( 3 g ) 过渡过程中的一种新型分组数据承载业务。作为第二代 移动通信技术g s m 向第三代移动通信( 3 g ) 的过渡技术，g p r s 在现有g s m 的基础上增加 了以下功能实体：分组控制单元( p c u ) 、服务支持节点( s c s n ) 和g p r s 网关支持节点 ( g g s n ) ，并对软件进行升级，抛弃了传统g s m 独占电路交换方式，采用分组交换技术， 为用户提供端到端的、广域的无线i p 连接，是目前阶段解决移动通信信息服务的一种较完 美的方案1 9 1 。g p r s 为用户提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务，特别适用于间断 的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也可用于偶尔的大数据量传输。g p r s 的计费 方式也与g s mc s d 业务不同，后者根据时间收费，而g p r s 用户只需按数据通信量付费， 而无需对整个链路占用期间付费。在人r t 影响天气作业过程中，一部手机可能连接服务器 的时间长达数小时，却只需支付少量的流量费用，使业务的运行成本火人降低。 中国移动提供的g p r s 接入方式有c m w a p 和c m n e t 两类。这两种接入方式实际 上是中国移动为了区分不同应用而人为划分出来的，它们在实现方式上并没有任何差别， 只是市场定位不同，资费标准也不同。c m w a p 主要提供手机w a p 上网服务，而c m n e t 主要是为p c 、笔记本电脑、p d a 等提供无线上网服务。通过c m w a p 上网的用户使用“终 端+ w a p 网关+ w a p 服务器”的模式来访问网络资源，与普通的i n t e r n e t 访问方式相比， 中间多了一层w a p 网关。w a p 网关仅仅实现了h t t p 代理的功能，并朱完成路由、n a t 等局域网网关的功能，因此在业务应用中受到一定限制。而c m n e t 拥有完全的i n t e r n e t 访问能力，用户连接到g p r s 内网当中，然后通过类似n a t 的方式访问i n t e r n e t 中的服务 器。人工影响天气指挥系统中基于手机的作业指令接收程序需要访问气象局自己架设的指 令中转服务器，因此选择使用c m n e t 方式接入g p r s 网络。 第三章系统总体结构 3 1 系统总体结构 3 1 1 系统部署方式 本系统由指挥系统、指令中转服务器和作业指令接收机三部分组成，系统部署如图3 1 所示。指挥系统安装在气象局人工影响天气部门的计算机上，使用g i s 技术在屏幕上直观 地显示作业区域地图和作业点分布位置，通过气象部门内部网络获取最新雷达资料、卫星 云图等基础数据并在地图上叠加图层显示。指挥人员对实时气象资料进行分析后在地图上 选择作业区域或若干个作业点，输入人工影响天气作业所需要的环境场参数，然后由程序 自动形成包括方位角、仰角和用弹量在内的作业指令。待指挥中心向空军空域管理部门申 请空域批复后，指挥系统将作业指令发送到指令中转服务器【4 1 。指令中转服务器安装在具 有独立公网i p 地址的服务器上，负责维护指挥中心和作业点之间的连接，接收来自指挥中 心的作业指令并将其转发到各个作业点配备的指令接收机。作业指令接收程序使用j 2 m e 开发，安装在各作业点配备的智能手机上。指令接收程序通过无线g p r s 网络连接到指令 中转服务器，即时获得作业信息并显示在手机屏幕上。一线作业人员根据收到的参数进行 作业，然后将实际操作情况反馈回指挥系统。最后指挥中心将实际作业情况存入数据库系 统，以便后续资料分析和处理。 气象局内部网络 s q 数据 手机型 指令接收机 图3 - 1 系统总体结构图 i n t e r ne 1 g 誉，今 白 手机型 指令接收机 白瓣指 3 1 2 系统模块分解 指挥中心系统、中转服务器以及指令接收终端的模块分解如图3 2 至图3 4 所示： 指挥- 心系统 图3 2 指挥中心系统模块分解图 图3 3 中转服务器系统模块分解图 图3 - 4 作业点系统模块分解图 1 0 系统日志模块用户权限模块系统设置模块 数据库存取模块 回馈处理模块指令发布模块指令生成模块网络连接模块 气象资料获取模块 g s 子模块 指挥中心系统各模块功能说明如下： l 、g i s 子模块 人工影响天气地理信息显示平台：利用m a po b j e c t s 开发包进行设计，提供人t 影响天 气基本信息显示，包括作业区域地理边界图、水系图、炮点分布图、火箭点分布图等。 雷达资料分析：分析作业区域雷达图并在g i s 系统中进行叠加，便于指挥人员确定作 业范围和作业参数。 2 、气象资料获取模块 作业天气预警包括业务平台和综合气象信息两部分。m i c a p s 显示平台提供增雨进场 预警天气预报和实施作业预报，m m 5 精细化数值预报终端提供本省每小时精细的天气演变 与区域降水预报。综合气象信息包括中短期预报产品信息和干旱、降水指标( 包括旱情分 析、气候特征、降水天气类型、云系特征、天气特征经验指标、降水回波特征、卫星云图 指标、云的微物理特征、增雨可播性判别指标等方面) 。 3 、网络连接模块 利用i n t e r n e t 网络，通过t c p i p 连接中转服务器，设置适当的通信速率和差错控制功 能，实现指挥机和中转服务器的连接。 4 、指令生成模块 指挥人员在地图上通过鼠标操作绘制作业区域并输入必要参数，程序对g i s 子模块和 预警信息接收模块的资料进行综合分析处理后生成高炮和火箭作业所需的参数，包括最佳 作业时段、作业部位、发射角度( 方位、仰角) 、剂量等。 5 、指令发布模块 将自动生成或手动填写的作业指令通过网络发送到中转服务器，然后由中转服务器转 发到各作业点。 6 、回馈处理模块 通过中转服务器和g p r s 网络接收各高炮和火箭作业点的作业回执信息，实时显示当 前作业点的状况。 7 、数据库存取模块 将各作业点完成任务后返回的作业情况存储到人工影响天气数据库。此外还提供数据 查询功能。 8 、系统设置模块 系统环境设置功能用来设置菜单、选项、图层显示等杂项。 9 、用户权限设置模块： 根据实际的人员等级确定用户权限。不同的权限的用户使用不一样的功能菜单。系统 在运行时需要严格地审核操作者所具有的权限。 1 0 、系统日j 基模块 记录和检索用户在使用本系统时的关键信息，如用户登录记录、指令操作记录等。 1 1 中转服务器系统各模块功能说明如下： l 、数据格式检查模块 校验指挥机、中转服务器以及作业点之间传递的指令与数据的完整性和正确性。 2 、连接保持模块 检测g p r s 通信网络性能。检测各作业点接收机和服务器的网络状况，保证各作业点 实时在线。通过一c , , n t 包机制进行网络连接的维护，实现作业点掉线自动重连功能。 3 、网络连接模块 作为指挥机和作业接收机的中转服务器，实现与指挥端之间的有线网络连接以及与作 业点之间的g p r s 连接。 4 、指令格式转化模块 实现指挥机与中转服务器、手机之间数据包编码格式的转换。 5 、作业维护模块 实时检测和维护多个指挥机与指令接收机的在线情况，验证接入中转服务器的指挥机 和作业接收机的身份，实现同名替换等功能。 6 、操作目志模块 记录和维护各种作业操作信息以及指挥机和作业机的实时信息。 7 、系统设置模块 记录系统相关信息，设置服务器i p 地址、端口号，程序自动加载以及相关设置功能。 作业点系统各模块功能说明如下： l 、数据格式检查模块 检验及校对作业点到中转服务器指令与数据的完整性和正确性。 2 、连接保持模块 通过中转服务器定时发送检测包到作业机的方式检测g p r s 通信网络性能，通过超时 计数等功能实时了解作业机是否在线，实现掉线后自动重连功能。 3 、网络连接模块 通过s o c k e t 实现作业机与中转服务器的g p r s 网络连接。 4 、作业指令解析 根据接收到的作业指令的命令格式码解析各种作业指令，并在作业机上实时显示。 5 、提醒报警模块 根据作业指令解析的情况，使用不同的报警声音实时提示作业人员完成相应的作业操 作。 6 、作业回馈模块 作业人员根据作业情况，通过g p r s 网络将当前参数反馈给中转服务器。 7 、文件存取模块 保存作业信息，防j ：作业机因意外掉线或误操作导致信息丢失，使得程序重新启动后 可以自动恢复到出错之前的状态。 8 、系统设置模块 改变目标服务器的i p 地址和端口号，设置本机i d 号，以及其他定制功能。 3 2 系统工作流程 系统- t 作流程主要分成作业准备和作业程序两个阶段。在作业准备阶段，人工影响天 气指挥中心工作人员密切注意天气变化情况，同时根据国家、省、市级短期天气预报判断 未来2 4 小时内是否有可能出现可作业天气。若有条件实施作业则进入作业预备状态，并提 前一天通知下级人影部门做好作业准备，下级人影部门接到作业通知后安排人员、车辆和 弹药，在预定时间进入作业现场。指挥中心进入作业准备状态后开始加大观测密度，问隔 一小时雷达扫描观测作业地区附近是否有降水同波。如果降水回波位于2 5 0 公里范围内并 向作业地区移动则进行作业准备，间隔15 分钟进行一次2 5 0 公里距离圈至少2 个仰角的 p p i 扫描，对准1 5 度仰角的p p i 强度的最强中心做r h i 。如果回波向远离作业地区的方向 移去则解除作业准备【4 】。确定作业时间和作业范同后开始进入作业程序阶段，具体作业流 程如图3 5 所示。 确定作业时间 进入作业程序 根据气象资料 分析作业区 画出作业区域 调整作业参数 形成作业指令 向空军申请空域 发送作业指令 作业点未收到指令 使用电话发出 作业指令 是 结束作业 新一轮作业? 注销窄域 更新数据库 作业完毕 反馈作业情况 进行人t 影响天气 作业 图3 5 人工影响天气系统作业程序流程图 人工影响天气指挥系统通过气象局内部网络获取实时更新的雷达回波图，并将雷达图 叠加在作业区域地理信息图上不断刷新显示，指挥人员可以通过分析雷达回波移动方向和 强度变化确定人工影响天气作业范围。为了更好的完成人工影响天气作业，指挥中心应该 提前3 个小时向预计作业区域内的各有关作业点发出作业预警通告，留出充足的人员准备、 设备检查等预备时间。 确定作业范罔后，指挥人员可以使用鼠标操作在地图上绘制一个覆