風(fēng)廓線雷達(dá)運(yùn)行體征實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理

秦虹 陳浩君 尹春光

摘要 目前在上海各區(qū)縣氣象局共安裝有約10部風(fēng)廓線雷達(dá)，它們對(duì)上海市的天氣預(yù)報(bào)和氣象研究有重要作用。上海市氣象信息與技術(shù)支持中心承擔(dān)對(duì)這些風(fēng)廓線雷達(dá)的日常維護(hù)工作，該系統(tǒng)通過使用Delphi6.0語言環(huán)境和多線程技術(shù)編程，將這些風(fēng)廓線雷達(dá)的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息錄入MySQL數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對(duì)其中4部敏視達(dá)公司生產(chǎn)的風(fēng)廓線雷達(dá)狀態(tài)信息進(jìn)行統(tǒng)一管理和實(shí)時(shí)監(jiān)控，提供研究者將其中的重要信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)比較與分析，提高了管理效率。

關(guān)鍵詞 風(fēng)廓線雷達(dá)；實(shí)時(shí)監(jiān)控；Delphi6.0語言；多線程編程；MySQL數(shù)據(jù)庫

中圖分類號(hào) S126 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2015）34-337-04

隨著氣象預(yù)報(bào)與氣象研究的深入發(fā)展，各類氣象觀測與探測手段也不斷更新。從自動(dòng)氣象站到氣象雷達(dá)再到氣象衛(wèi)星，形成了多方位、多尺度、多層次的立體觀測網(wǎng)。風(fēng)廓線雷達(dá)是通過向高空發(fā)射不同方向的電磁波束，接收并處理這些電磁波束因大氣垂直結(jié)構(gòu)不均勻而返回的信息進(jìn)行高空風(fēng)場探測的一種遙感設(shè)備。風(fēng)廓線雷達(dá)利用多普勒效應(yīng)能夠探測其上空風(fēng)向、風(fēng)速等氣象要素隨高度的變化情況，具有探測時(shí)空分辨率高、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。在風(fēng)廓線雷達(dá)基礎(chǔ)上增加聲發(fā)射裝置構(gòu)成無線電-聲探測系統(tǒng)，可以遙感探測大氣中溫度的垂直廓線。近年來，隨著我國氣象事業(yè)的發(fā)展，風(fēng)廓線雷達(dá)逐步被引進(jìn)并國產(chǎn)化，對(duì)氣象預(yù)報(bào)和氣象研究做出了新的貢獻(xiàn)。上海氣象局從1999年至今，總共安裝了10部風(fēng)廓線雷達(dá)，其中既有芬蘭Visala公司的產(chǎn)品，也有國產(chǎn)敏視達(dá)公司的產(chǎn)品，對(duì)于這些產(chǎn)品的維護(hù)工作就落在上海市氣象信息與技術(shù)支持中心。為了實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理和運(yùn)維保障，需要開發(fā)一套對(duì)現(xiàn)有風(fēng)廓線雷達(dá)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的軟件[1]。該軟件需的主要功能就是要實(shí)時(shí)讀取并記錄風(fēng)廓線雷達(dá)的運(yùn)行態(tài)信息、對(duì)不同風(fēng)廓線雷達(dá)信息讀取相互獨(dú)立、界面清晰并有一定告警功能。該程序開發(fā)采用Delphi6.0語言環(huán)境和多線程編程技術(shù)。目前僅將敏視達(dá)公司生產(chǎn)的松江區(qū)、奉賢區(qū)、金山區(qū)和世博園區(qū)的4部風(fēng)廓線雷達(dá)的狀態(tài)數(shù)據(jù)接入，今后將逐步接入所有風(fēng)廓線雷達(dá)。

1 需求分析和總體設(shè)計(jì)

1.1 需求

目前對(duì)于上海氣象信息與技術(shù)支持中心而言，對(duì)全市范圍內(nèi)10部風(fēng)廓線雷達(dá)的運(yùn)行維護(hù)工作非常重要也非常復(fù)雜。由于這些風(fēng)廓線雷達(dá)的生產(chǎn)廠家和安裝時(shí)間均有不同，以往對(duì)于它們的運(yùn)行狀態(tài)要么靠定期檢修時(shí)獲取，要么直到產(chǎn)品輸出發(fā)現(xiàn)問題時(shí)再臨時(shí)檢查獲取。故此，一款能實(shí)時(shí)記錄和監(jiān)控所有風(fēng)廓線雷達(dá)工作運(yùn)行狀態(tài)的軟件十分重要，既能從中及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，也能通過歷史數(shù)據(jù)的比較與分析中預(yù)判故障，從而顯著地提高工作效率[2]。

1.2 軟件的預(yù)期功能

該軟件預(yù)期由5大功能模塊組成，分別為時(shí)鐘、風(fēng)廓線雷達(dá)狀態(tài)文件處理、當(dāng)前重要狀態(tài)信息顯示、日志信息查詢、告警信息處理。

時(shí)鐘顯示功能設(shè)計(jì)，因?yàn)闅庀笮畔?duì)時(shí)效的要求非常高，而該程序的設(shè)計(jì)主要依賴運(yùn)行該程序計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘，既有利于對(duì)該程序定時(shí)獲取風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)的監(jiān)視，也有利于對(duì)遠(yuǎn)程各站點(diǎn)雷達(dá)狀態(tài)信息計(jì)算機(jī)的時(shí)間對(duì)比。因?yàn)槟壳拔磳?duì)所有計(jì)算機(jī)的時(shí)間進(jìn)行同步處理，這一步必不可少。

風(fēng)廓線雷達(dá)的狀態(tài)信息讀取與記錄都采用多線程編程，這樣做的好處就是相互間隔離，一旦某個(gè)風(fēng)廓線雷達(dá)的狀態(tài)信息處理過程出現(xiàn)問題，不會(huì)影響到其他風(fēng)廓線雷達(dá)狀態(tài)信息的處理。狀態(tài)信息文件的傳輸日志、狀態(tài)信息文件的解碼日志、狀態(tài)信息入庫日志需可逆向查詢至少30 d，并且保留1年，如此可保證1年內(nèi)對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸狀態(tài)、程序運(yùn)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)庫運(yùn)行狀態(tài)做到有據(jù)可查。

告警功能非常重要，幾乎任意一個(gè)系統(tǒng)程序都需要告警模塊，監(jiān)控系統(tǒng)更是如此。由于在上海市信息與技術(shù)支持中心對(duì)風(fēng)廓線運(yùn)行狀態(tài)并非由專人進(jìn)行7×24 h監(jiān)控，故此聲音警告功能不必加入，但面板文字警告則不可省去。面板文字告警顯示實(shí)時(shí)告警信息，內(nèi)容包括數(shù)據(jù)傳輸異常、文件處理異常、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)異常，并以顯眼方式滾動(dòng)顯示。同時(shí)建立出錯(cuò)信息歷史查詢功能，其中數(shù)據(jù)同樣可逆向查詢30 d并保留數(shù)據(jù)1年。

所有這些風(fēng)廓線雷達(dá)的狀態(tài)數(shù)據(jù)用一個(gè)MySQL數(shù)據(jù)庫支持，MySQL是個(gè)小型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，擁有體積小、速度快、開放源碼的特點(diǎn)。數(shù)據(jù)庫的字段則嚴(yán)格按照狀態(tài)數(shù)據(jù)文件中的各參數(shù)來設(shè)置，為避免今后由于時(shí)間推移而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)量龐大、查詢速度慢的問題，采用多表分區(qū)的方法來解決，由于敏視達(dá)公司生產(chǎn)的風(fēng)廓線雷達(dá)狀態(tài)文件是每5 min生成一個(gè)，故每年每部雷達(dá)有105 120條記錄，10部雷達(dá)共1 051 200條記錄，因此按年來分表即可很好地解決此問題。

1.3 數(shù)據(jù)控制及各功能模塊流程

1.3.1

主程序與各功能子模塊流程。主程序運(yùn)行后，各功能子模塊以多線程方式并行運(yùn)行。提高運(yùn)行速度的同時(shí)，也不會(huì)因?yàn)槟骋粋€(gè)功能模塊卡死而導(dǎo)致其他功能模塊不能運(yùn)行。主程序與各線程關(guān)系流程見圖1。

1.3.2

風(fēng)廓線雷達(dá)狀態(tài)數(shù)據(jù)處理與顯示子模塊數(shù)據(jù)流程示意。各個(gè)風(fēng)廓線雷達(dá)狀態(tài)數(shù)據(jù)處理與顯示子模塊數(shù)據(jù)流程都完全相同。首先讀入配置文件；之后按照相應(yīng)的配置文件內(nèi)容進(jìn)行遠(yuǎn)程狀態(tài)信息文件讀??；文件成功讀取后進(jìn)行解碼；成功解碼后將狀態(tài)信息記錄入數(shù)據(jù)庫，在此期間將過程信息記錄入相應(yīng)日志文件，如果有異常信息則記入出錯(cuò)信息文件并同時(shí)觸發(fā)告警程模塊；最后等待下一個(gè)循環(huán)時(shí)間再次重復(fù)。具體流程見圖2。

1.4.1

狀態(tài)數(shù)據(jù)處理互不影響。每個(gè)風(fēng)廓線雷達(dá)狀態(tài)數(shù)據(jù)處理相對(duì)獨(dú)立，當(dāng)某個(gè)處理過程出現(xiàn)問題導(dǎo)致卡住時(shí)，不影響其他風(fēng)廓線雷達(dá)處理程序運(yùn)行，最大限度保證所有正常的風(fēng)廓線雷達(dá)狀態(tài)信息數(shù)據(jù)的正常錄入。

1.4.2

可靠性高。確保各功能模塊級(jí)數(shù)據(jù)資源運(yùn)行可靠，將軟件運(yùn)行的故障率降至最低限度。軟件運(yùn)行需要穩(wěn)定可靠，要求長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行不出錯(cuò)以確保今后的維護(hù)監(jiān)控工作安全有效進(jìn)行。

1.4.3

時(shí)鐘信息處理。由于多部風(fēng)廓線雷達(dá)狀態(tài)信息文件需要從不同的服務(wù)器上讀取，時(shí)效性要求比較高，但是各服務(wù)器的時(shí)鐘并未作統(tǒng)一處理。確保從每一臺(tái)服務(wù)器上都能取到最新的數(shù)據(jù)文件是一個(gè)非常關(guān)鍵的問題，如果處理不好就會(huì)導(dǎo)致取數(shù)據(jù)文件的重復(fù)或失敗。

1.4.4

運(yùn)行狀態(tài)明了。清晰顯示所有風(fēng)廓線雷達(dá)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)處理各個(gè)模塊的信息，能按照用戶要求在第一時(shí)間明確獲取程序運(yùn)行的狀態(tài)，如有故障則能快速進(jìn)行處理。

1.4.5

界面清晰。各功能模塊界面應(yīng)簡便、規(guī)范，對(duì)用戶友好。避免復(fù)雜操作與顯示信息的混亂而導(dǎo)致降低使用該軟件的界面障礙。

1.4.6

告警信息明確。告警處理必須謹(jǐn)慎，模糊的告警非但不能起到警示作用，還會(huì)降低監(jiān)控工作效率。該軟件的告警信息包括數(shù)據(jù)傳輸異常、文件處理異常、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)異常，并滾動(dòng)顯示。

2 軟件開發(fā)工具簡介

2.1 Delphi簡介

Delphi是著名的Borland（現(xiàn)在已和Inprise合并）公司開發(fā)的可視化軟件開發(fā)工具?！罢嬲某绦騿T用C語言，聰明的程序員用Delphi”，這句話是對(duì)Delphi最經(jīng)典、最實(shí)在的描述。Delphi被稱為第四代編程語言，它具有簡單、高效、功能強(qiáng)大的特點(diǎn)。和VC相比，Delphi更簡單、更易于掌握，而在功能上卻絲毫不遜色；和VB（Visual Basic）相比，Delphi則功能更強(qiáng)大、更實(shí)用?？梢哉fDelphi同時(shí)兼?zhèn)淞薞C（Visual C++）功能強(qiáng)大和VB簡單易學(xué)的特點(diǎn)。它一直是程序員至愛的編程工具。

Delphi具有以下的特性：基于窗體和面向?qū)ο蟮姆椒?，高速的編譯器，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫支持，與Windows編程緊密結(jié)合，強(qiáng)大而成熟的組件技術(shù)。但最重要的還是Object Pascal語言，它才是一切的根本。 Object Pascal語言是在Pascal語言的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，簡單易學(xué)。

Delphi提供了各種開發(fā)工具，包括集成環(huán)境、圖像編輯（Image Editor），以及各種開發(fā)數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用程序，如DesktopDataBase Expert等。除此之外，還允許用戶掛接其他的應(yīng)用程序開發(fā)工具，如Borland公司的資源編輯器（Resourse Workshop）。

2.2 MySQL數(shù)據(jù)庫簡介

MySQL是最受歡迎的開源SQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，它由MySQL AB開發(fā)、發(fā)布和支持。它是一個(gè)快速的、多線程、多用戶和健壯的SQL數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。MySQL服務(wù)器支持關(guān)鍵任務(wù)、重負(fù)載生產(chǎn)系統(tǒng)的使用，也可以將它嵌入到一個(gè)大配置（massdeployed）的軟件中去。

MySQL是一個(gè)關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，關(guān)系數(shù)據(jù)庫就是把數(shù)據(jù)存放在分立的表格中，這比把所有數(shù)據(jù)存放在一個(gè)大倉庫中要好得多，這樣做將增加數(shù)據(jù)獲取的速度和靈活性?！癕ySQL”中的SQL代表“Structured Query Language”（結(jié)構(gòu)化查詢語言）。SQL是用于訪問數(shù)據(jù)庫的最通用的標(biāo)準(zhǔn)語言，它是由ANSI/ISO定義的SQL標(biāo)準(zhǔn)。SQL標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展自1986年以來，已經(jīng)存在多個(gè)版本，如SQL86、SQL92、SQL：1999、SQL：2003，其中SQL：2003是該標(biāo)準(zhǔn)的當(dāng)前版本。

MySQL是開源的，開源意味著任何人都可以使用和修改該軟件，任何人都可以從Internet上下載和使用MySQL而不需要支付任何費(fèi)用。MySQL服務(wù)器是一個(gè)快捷、可靠和易于使用的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，盡管MySQL仍在開發(fā)中，但它已經(jīng)提供一個(gè)豐富和極其有用的功能集。它的連接性、速度和安全性使MySQL非常適合訪問在Internet上的數(shù)據(jù)庫。

MySQL數(shù)據(jù)庫服務(wù)器是一個(gè)客戶/服務(wù)器系統(tǒng)，它由多線程SQL服務(wù)器組成，支持不同的后端、多個(gè)不同的客戶程序和庫、管理工具和廣泛的應(yīng)用程序接口（APIs）。MySQL也可以是一個(gè)嵌入的多線程庫，用戶可以把它連接到自己的應(yīng)用中而得到一個(gè)小、快且易于管理的產(chǎn)品。

3 程序內(nèi)容實(shí)現(xiàn)

3.1 主程序界面設(shè)計(jì)

主程序界面如設(shè)計(jì)原則中所提，要求界面清晰且顯示內(nèi)容完整。主界面中上方中間是當(dāng)前時(shí)鐘信息，左邊欄目是監(jiān)控的各風(fēng)廓線站點(diǎn)名稱和站號(hào)信息，右邊是當(dāng)前選擇的風(fēng)廓線站點(diǎn)當(dāng)天的連接與解碼狀態(tài)信息，下方是滾動(dòng)告警信息，如果雙擊運(yùn)行信息框，則彈出歷史信息瀏覽選項(xiàng)。主程序界面見圖3。

圖3 主程序界面

3.2 MySQL數(shù)據(jù)庫字段設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)根據(jù)索要監(jiān)控的要素而定，包括風(fēng)廓線雷達(dá)基本數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。其中基本數(shù)據(jù)有：臺(tái)站代碼、臺(tái)站名、型號(hào)、經(jīng)緯度、海拔、天線增益、饋線損耗、波束夾角、掃描波束數(shù)、發(fā)射波長、低模式脈沖重復(fù)頻率、高模式脈沖重復(fù)頻率、低模式脈沖寬度、高模式脈沖寬度等。而狀態(tài)數(shù)據(jù)包括：發(fā)射機(jī)輸入功率、發(fā)射機(jī)輸出功率、發(fā)射機(jī)反射功率、發(fā)射機(jī)溫度、發(fā)射機(jī)各種電源電壓、發(fā)射機(jī)各類故障告警、各類速度與譜寬的標(biāo)定期望與實(shí)測值、噪聲、雜波抑制、靈敏度等，總共有80項(xiàng)指標(biāo)。

3.3 編程使用的主要技術(shù)

3.3.1

Delphi Indy控件集中的 Idftp控件。INDY的全名是Internet Direct（也叫Winshoes），它是一套開放源代碼的Internet控件集，它支持大部分流行的Internet協(xié)議，包括TCP、UDP、DNS、ICMP、FINGER、FTP、GOPHER、HTTP、POP3、SMTP、TELNET、WHOIS等，支持BASE64、MD2、MD4、MD5等編解碼，提供INTERNET流行協(xié)議的客戶端和服務(wù)器控件[2]。在該編程軟件中，主要用到的是Idftp控件的Get函數(shù)與List函數(shù)，其中Get函數(shù)功能是獲取文件，其原型為：

Function Get（const ASourceFile：String，Const ADest：string；Const AAppend：Boolean）；overload；

而List是獲取遠(yuǎn)程FTP服務(wù)器上指定目錄下的文件列表[3]，從而對(duì)其內(nèi)容進(jìn)行各種判斷，其原型為：

procedure List（ADest：TStrings；Const ASpecifier：String；const ADetails：Boolean）；

3.3.2

二進(jìn)制文件讀取。由于敏視達(dá)公司風(fēng)廓線產(chǎn)品的運(yùn)行狀態(tài)是以二進(jìn)制文件方式記錄，所以在Delphi6.0中必須以讀取記錄型文件的方式進(jìn)行順序讀取[1]。為了提高速度，事先按照一定數(shù)據(jù)格式自定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，然后按結(jié)構(gòu)讀取。其中，自定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方法為：

自定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)名=record

具體數(shù)據(jù)類型

……

End；

讀取二進(jìn)制文件用TFileStream的方法，具體為：

TFileStream.Create（filename，fmOpenRead）；

之后用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)讀取，原型為：

DataSruct.Read（DataStruct，sizeof（DataStruct））；

3.3.3

數(shù)據(jù)庫語言SQL。SQL是Structured Query Language（結(jié)構(gòu)化查詢語言）的縮寫。SQL是專為數(shù)據(jù)庫而建立的操作命令集，是一種功能齊全的數(shù)據(jù)庫語言。SQL功能強(qiáng)大、使用方便，已經(jīng)成為了數(shù)據(jù)庫操作的基礎(chǔ)，并且現(xiàn)在幾乎所有的數(shù)據(jù)庫均支持SQL[4]。該程序中主要用到的是其中的replace語句及其擴(kuò)展用法。其原型為：

replace into 表名 （字段名1，字段名2，…，字段名n） values （值1，值2………，值n）；

3.3.4

多線程技術(shù)。隨著分布式系統(tǒng)的興起，并發(fā)多任務(wù)技術(shù)變得越來越重要。在現(xiàn)有基于多線程的操作系統(tǒng)上開發(fā)并發(fā)多任務(wù)程序已經(jīng)成為程序設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)。根據(jù)需要在應(yīng)用程序中創(chuàng)建線程，多個(gè)線程可以并發(fā)地運(yùn)行在同一個(gè)進(jìn)程中，操作系統(tǒng)的多任務(wù)特性使得線程之間能獨(dú)立運(yùn)行，但彼此共享存儲(chǔ)空間。盡管多線程能提高CPU利用率，但也不能太多，同時(shí)，在多個(gè)線程操作同一個(gè)內(nèi)存地址時(shí)需處理好它們之間的同步關(guān)系[4]。

43卷34期 秦 虹等 風(fēng)廓線雷達(dá)運(yùn)行體征實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理

3.4 軟件的測試與維護(hù)

為保證軟件的可靠運(yùn)行，需要針對(duì)各種情況進(jìn)行測試。首先對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行分別測試，包括對(duì)正確數(shù)據(jù)讀取測試、錯(cuò)誤數(shù)據(jù)讀取測試、容錯(cuò)性測試，接著將所有功能模塊聯(lián)合在一起做總體調(diào)試，最后在工作平臺(tái)進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行測試。

在實(shí)際測試的同時(shí)，該程序也已進(jìn)入運(yùn)行維護(hù)階段，改正在特定使用條件下會(huì)暴露的潛在程序錯(cuò)誤或設(shè)計(jì)缺陷。在軟件使用過程中數(shù)據(jù)環(huán)境發(fā)生變化或處理環(huán)境發(fā)生變化時(shí)進(jìn)行及時(shí)修改。若有工作人員提出改進(jìn)意見時(shí)，及時(shí)對(duì)軟件做出修正。通過一段時(shí)間的測試，未出現(xiàn)重大錯(cuò)誤。

4 結(jié)語

現(xiàn)代氣象預(yù)報(bào)制作對(duì)獲取各種氣象信息的要求越來越高，而風(fēng)廓線雷達(dá)通過向高空發(fā)射不同方向的電磁波束，接收并處理這些電磁波束因大氣垂直結(jié)構(gòu)不均勻而返回的信息進(jìn)行高空風(fēng)場探測的一種新型遙感設(shè)備。在安裝了新型設(shè)備后，對(duì)其進(jìn)行有效的管理監(jiān)控是當(dāng)務(wù)之急。

該程序通過對(duì)4部敏視達(dá)公司生產(chǎn)風(fēng)廓線雷達(dá)的狀態(tài)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行實(shí)時(shí)解碼并將關(guān)鍵信息及時(shí)錄入數(shù)據(jù)庫，從而在一個(gè)固定的時(shí)間段對(duì)其歷史特征數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，作出相應(yīng)的評(píng)估和應(yīng)用，因此大大提高了對(duì)這些風(fēng)廓線雷達(dá)的監(jiān)控與運(yùn)行維護(hù)的效率。

由于Visala公司的狀態(tài)文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)未對(duì)我國公開，故此其他幾部風(fēng)廓線雷達(dá)到目前為止并未納入該程序的監(jiān)控管理范圍，但該程序也預(yù)留了擴(kuò)展空間，一但該公司公開了相關(guān)信息，也將很方便地將其加入該研究程序監(jiān)控之中。

參考文獻(xiàn)

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