氣象局超級電腦媲美全球100強，靠分散架構預測天氣更準更在地

坐落於北一女中及臺北市立大學中間的中央氣象局（簡稱氣象局），低調地維運一臺可進入排名全球百大的超級電腦，透過它，氣象主播們才能告訴觀眾，究竟今天上班要拿著雨傘出門，抑或注意今日防曬裝備是否準備充足。

這一臺超級電腦是來自於富士通所開發的超級電腦「京」，在2011年為排名全球第一的超級電腦，運算速度達到1.2PFLOPS，目前可列入百大等級的超級電腦。

氣象局目前提供的氣象預報尺度為3公里，逐步在向2公里邁進，為了要提升預報準確率，每天新增的資料集多達數十TB，現有儲存架構也達到10PB的等級，未來還可望擴充到50PB。

一手掌管氣象局IT架構的中央氣象局氣象資訊中心主任程家平表示，氣象局資訊中心成立的目的，就是要支援中央氣象局數值天氣預報作業，「將人類理解的科學現象，用數學公式表達，再用電腦求解。」而數值天氣預報作業是全世界所有氣象局最核心的任務，都必須借助超級電腦的複雜運算能力。

用分散式系統概念打造IT架構

利用超級電腦模擬大氣現象，需經過一長串複雜的過程，從最起頭的接收氣象資料、過濾資料，中間經由電腦運算，最後才產生民眾常見的降雨機率、溫度，以及一周天氣預報等訊息，因此，必須打造一套自動化系統才能完成如此的任務，程家平稱它叫即時導向批次處理系統（Real Time Oriented Batch Processing System）。

從小喜歡玩積木的程家平，高中時開始接觸無線電、音響等類比電子設備，到了大學雖然就讀氣象學系，仍然自己摸索電子學、邏輯電路等學問。程家平表示，資訊科學學習的是基本原則，就像玩積木，「可以用元件組合出想要的東西。」而他也將這樣的思維落實在工作中。

在1995年至2001年，資訊中心正在處於氣象業務全面電腦化的第三期計畫，當時程家平利用分散式系統的概念，設計了一個應用程式框架，叫做網路資訊交換環境系統（Network Information exChange Environment，NICE），「這套系統，就是利用組裝積木的概念設計。」

「理論相當重要，不能只靠直覺式的設計。」因此，在開發NICE框架時，程家平大量地借鏡分散式系統、物件導向的理念，像是在上世紀末開始流行物件導向的設計概念，其中包含多型（Polymorphism）、繼承（Inheritance）、封裝的想法，而每個獨特概念，都能解決開發者所面對的不同問題。程家平認為，要設計物件導向系統時，首先要利用抽象角度審視問題，將特定領域問題抽象化，化約為結構化的思考形式，「開發者就可以利用更廣泛角度，面對不同類型的問題。」

「NICE是一個高度抽象化、物件導向框架」，其中總共有包含數個重要元件，包含管理資訊脈動的資訊路由系統（Information Routing）、程序管理系統（Process Management）、系統監控管理系統（System Monitoring Control）等組件，藉以串接起整套自動化流程。

程家平解釋，首先是掌管資訊流動的資訊路由系統，由於NICE是由許多子系統所組成，而資訊在各系統元件中流竄，因此必須透過資訊路由系統，控制各元件間資訊傳遞的過程。

第二則是程序管理系統，管理系統程序的啟動時機、啟動條件，以及某程序和其他程序間的流程關係。

再者是系統監控管理系統，程家平表示，由於系統所牽涉到的程序、運行邏輯複雜，萬一某子系統故障，將會影響到後續的系統作業，「因此必須在早期階段偵測系統運作。」但是，數以萬計的程序同時在系統中運行，無法透過人力管理，「一定得要藉由電腦管理電腦。」

用電腦管理電腦才有效率

這套監控管理系統總共分為3層架構，第一層是運行程序的電腦，第二層則是集結數百臺機器系統的運作狀況，統一整合至訊息中心。最後一層，則是透過人工解讀監控系統回報的結果，「這個觀念叫做儀表板，但是氣象局已經行之有年。」

設計這套系統時，程家平也引入了溯源（Drill Down）的設計想法，除了把系統切分成子系統，進一步把子系統劃分成更小的元件。當系統故障時，也使用不一樣的燈色警示。他認為，透過整合不同層次系統的資訊，「這樣才能提升監控效率。」

「這樣就算是一統天下了。」程家平表示，過去還沒有NICE這個通用的框架時，每個資訊部門人員都是各自作業，「開發者都會碰上自動化的難題，像是程序管理、擷取資料等操作。」

他認為，資訊系統是為了服務業務而存在。因此，資訊部門若能使用統一應用程式框架進行開發，IT人員就可以專注在其真正負責的業務領域。因此，利用NICE開發框架，資訊部門就可以降低發展壓力，在開發人員都熟悉這套自動化機制後，「資訊人員也比較容易互相支援。」

程家平認為，NICE可以帶來兩項好處，第一是減輕開發人員壓力，第二則是讓各系統負責人能互相備援，即使碰上故障問題，其他人也能較簡單地排除。他解釋，自動化系統在運作時，常因為網路、電力及設備等原因而故障，「但是只要應用程式可正常運作，通常問題不大」，即使特定功能的程序出問題，往往也只要重新啟動，就能進行問題排除。

中央氣象局氣象資訊中心主任程家平表示，資訊科學學習的是基本原則，就像玩積木，「可以用元件組合出你想要的東西。」

不只系統架構，硬體架構也要能水平擴展

儘管設計了自動化流程，在管理全臺灣規模最大的超級電腦時，程家平仍然免不了許多例行公事。他表示，其中最重要就是資源管理，目前中央氣象局資料儲存的規模達到10PB，在未來還預計要擴展到50PB。為了節省不必要硬體開支，他並不打算一次購入過多卻又用不到的閒置硬體，但是考量到未來發展，「得要讓系統具備高度擴充性。」

目前總共有兩種可行做法，第一種是垂直擴展（Scale-up），在單一機器內預留未來升級空間，例如記憶體、硬碟插槽。但程家平認為，採用垂直擴展得提前多花預算預留升級空間，「成本門檻很高。」

因此，就如NICE的設計理念，程家平使用分散式系統中水平擴展（Scale-out）的想法，將每個運算、儲存叢集都視為可擴充元件，隨著運算、儲存需求增加，未來再讓規模逐一擴張即可。

根據各業務重要性，分配超級電腦資源

但是，管理超級電腦讓程家平最為苦惱的問題，就是如何有效地分配資源，以及優化使用效率。因為這臺超級電腦不僅提供氣象局內部使用，也開放部分資源給學術機構，或是美國海洋暨大氣總署（NOAA）。

「不管多快的電腦，對氣象局來說永遠都不夠用。」程家平表示，最耗費精神的工作為協調各個單位使用電腦時間，避免系統過度負荷，「不要讓大家為了資源而搶破頭。」所以，他得根據各單位業務的重要性，訂定使用權重順序，例如，天氣預報是氣象局的首要目標，當碰上使用尖峰時刻，仍然以產出預報結果需求為第一順位。

目前氣象局的正式環境主要架構在內部私有雲中，程家平表示，無論是公有雲、私有雲，還是混合雲，其適用環境都不一。氣象局在導入雲端運算時，他認為其中重要考量因素為：「必須謹慎地管理資源需求」，在進行運算、模擬時，常常會突然增加許多新的資源請求。雖然市面上有為數不少公有雲服務，但程家平仍認為，現階段還沒有業者能夠達到氣象局的要求，「因為我們的運算有即時性、高計算量、高儲存量、高頻寬，以及24小時作業等特性。」

因此，在架構私有雲時，氣象局也採用了虛擬化技術，將單一伺服器細分為不同虛擬機器，讓硬體資源更充分被利用，同時，也可以根據不同應用程式消耗資源的尖峰時段，安排不一樣的使用排程，「讓效率變得更好。」

其實公有雲、私有雲也並非新概念，都可追溯至過去的網格運算（Grid Computing），只是隨著實務面需求增加，技術逐漸成熟，「開始有人用系統面的方式檢視此類問題。」程家平笑著說，雲端一詞出現頻繁的現今，氣象局早在10年前，就已經與中華電信合作，準備額外伺服器，應付突然暴增的系統請求。

像是中央氣象局網站，1年瀏覽人數約落在1.3億，相較於商務網站，並非很大的瀏覽次數，但程家平表示：「資料傳送量相當大」，例如光是1張衛星雲圖資訊，動輒超過100KB，加上颱風天前夕，一天300萬、400萬的瀏覽人次，「後端得要有穩固的基礎建設才能支撐住。」

雖然資訊中心已經具備扎實IT能力，但是要求嚴格的程家平，期許它未來還要更上軌道，「我認為目前的運作效率還不夠好。」

理工背景出生的程家平笑說，每天都自我檢討哪些技能還不夠精熟，又該去何處尋求幫助。同時他期許，氣象局內每個IT人都能持續進步，「每年都比過去的自己還要更好。」

 

 CIO小檔案 

程家平

中央氣象局氣象資訊中心主任

●      學歷：臺灣大學大氣科學所碩士

●      經歷：深耕中央氣象局30年，從1986年至2009年，在中央氣象局資訊中心從技佐開始，一路從技士、課長、技正升遷至副主任，期間也主導應用程式框架NICE的開發，在2010年至2016年期間，擔任中央氣象局科技中心主任，在今年7月重返資訊中心。

 

 機關檔案 

中央氣象局

●      地址：臺北市公園路64號

●      成立時間：民國30年於重慶成立

●      主要業務：掌理氣象、地震以及和氣象有關的海象與天文業務

●      員工數：696人

●      局長：辛在勤

 

 資訊部門檔案 

●      資訊部門主管職稱：氣象資訊中心主任

●      資訊部門主管姓名：程家平

●      直屬主管：辛在勤

●      資訊部門人數：68人

●      IT預算：4億元

IT部門大事紀：

●      1976年：配合預報電腦化成立電子計算機中心．

●      1984年：成立臺北資訊測站

●      1983-1989年：執行「氣象業務全面電腦化第一期計畫」

●      1987年1月：第1代高速運算（超級）電腦系統CDC Cyber 205啟用

●      1989年：改名氣象資訊中心

●      1990-1994年：執行「氣象業務全面電腦化第二期計畫」

●      1992年：第2代高速運算（超級）電腦系統CRAY Y-MP8I啟用

●      1995-2001年：執行「氣象業務全面電腦化第三期計畫」

●      2000年：第3代高速運算（超級）電腦系統FUJITSU VPP5000啟用

●      2002-2009年：執行「氣候變異與劇烈天氣監測預報系統發展計畫」

●      2006年：第4代高速運算（超級）電腦系統IBM P5-575 Cluster1600啟用

●      2007年：建置第1代無線網路管理系統，於會議室提供無線網路服務

●      2010-2015年：執行「災害性天氣監測與預報作業建置計畫」

●      2014年12月：第5代高速運算（超級）電腦系統FUJITSU PRIMEHPC FX10第3期系統驗收

●      2016-2019年：執行「氣象資訊之智慧應用服務計畫」