天氣雷達實時資料監(jiān)控軟件的設計與開發(fā)

（民航湖南空管分局，湖南長沙 410100）

0.引言

新一代天氣雷達高時空分辨率和連續(xù)不斷的監(jiān)測方式，使得它在鄰近天氣觀測和預報預警中發(fā)揮著重要的作用。隨著氣象服務支持系統(tǒng)的逐漸普及推廣，對天氣雷達資料的實時性要求也越來越高。天氣雷達與航管雷達融合顯示系統(tǒng)需要實時引接本場天氣雷達和氣象局天氣雷達實時資料，一旦資料不能及時更新或者在傳輸和處理中發(fā)生故障而未及時發(fā)現(xiàn)都將影響融合顯示系統(tǒng)的正常使用，給飛行安全帶來潛在風險。因此，氣象部門希望建立一套對天氣雷達資料實時監(jiān)控和報警的業(yè)務，進一步提高對空管氣象運行的決策服務能力[1]。

1.項目背景

天氣雷達與航管雷達融合顯示系統(tǒng)自從作為氣象支持系統(tǒng)投入運行以來，越來越受到管制員的依賴，而該系統(tǒng)正常運行的關鍵是保證天氣雷達拼圖基數(shù)據(jù)資料的實時更新，同時保存完整的天氣雷達基數(shù)據(jù)資料和二次圖像產(chǎn)品，也方便氣象預報員在后期對復雜天氣過程進行查閱和總結。

從天氣雷達原始數(shù)據(jù)進入到待處理目錄開始，經(jīng)過文件篩選、文件解壓、基數(shù)據(jù)讀取、坐標轉換、空間插值等步驟才能合成該系統(tǒng)的基本圖像產(chǎn)品，融合顯示系統(tǒng)生成產(chǎn)品有著多個節(jié)點，任意一個節(jié)點故障都可能導致系統(tǒng)的不正常工作，為了保障對天氣雷達實時資料的監(jiān)控和處理，設計一套實時自動監(jiān)控軟件對提高工作效率是具有積極意義的。

2.軟件開發(fā)環(huán)境與設計思路

2.1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

目前融合顯示系統(tǒng)從服務器到工作站均運行在windows操作系統(tǒng)下，實時資料監(jiān)控功能需要能夠?qū)ξ募M行隨機的偵測，由于需要監(jiān)控的雷達站點資料更新比較密集，甚至會出現(xiàn)同一個時間點同時更新多個站點資料的情況，為了保證及時捕捉到每個站點資料的實時變化，需要一個基于windows的文件監(jiān)控組件，而C#的File System Watcher控件能夠很好的滿足要求，并實現(xiàn)相應觸發(fā)后的監(jiān)控處理。因此開發(fā)環(huán)境選擇在.Net4.8環(huán)境下使用C#窗體進行系統(tǒng)的開發(fā)[2]。

2.2 數(shù)據(jù)處理流程

省氣象局將各市氣象局雷達基數(shù)據(jù)收集到以后，發(fā)送到ftp服務器，由融合顯示系統(tǒng)從ftp服務器下載到本地服務器，然后經(jīng)過服務器上的軟件處理后生成需要的雷達二次圖像產(chǎn)品，其網(wǎng)絡拓撲圖如圖1所示。

圖1 融合系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖

融合顯示系統(tǒng)服務器上通過同步軟件從省局ftp服務器上下載數(shù)據(jù)到本地硬盤，多數(shù)據(jù)處理軟件對雷達基數(shù)據(jù)轉換后，生成單站雷達圖像和全省雷達拼圖圖像，軟件處理過程顯示如圖2所示。

圖2 融合顯示系統(tǒng)雷達基數(shù)據(jù)處理軟件界面

為了更加清楚地展示融合顯示系統(tǒng)對雷達基數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理流程，在圖3中對數(shù)據(jù)流進行進一步解析說明。

圖3 融合顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程

3.監(jiān)控系統(tǒng)功能設計

3.1 需求分析

為保證數(shù)據(jù)源的實時性，應對省局雷達ftp服務器和融合系統(tǒng)服務器上本地基數(shù)據(jù)存儲目錄進行監(jiān)控，同時也應對本場雷達數(shù)據(jù)服務器和融合系統(tǒng)服務器上本地基數(shù)據(jù)生成目錄和進行監(jiān)控。

為保證數(shù)據(jù)處理軟件的正常工作，應對融合系統(tǒng)服務器上圖片生成目錄進行監(jiān)控，并與雷達基數(shù)據(jù)目錄進行比較，確保處理軟件無故障。

為保證各終端的正常使用，應檢測融合系統(tǒng)服務器與各終端是否連接通暢。

除此之外告警應具備聲音告警和圖形告警功能，聲音告警又按照嚴重等級分為嚴重告警、一般告警和警告，圖形告警功能應具備彈窗告警或者狀態(tài)燈告警。

3.2 功能模塊設計

3.2.1 存儲目錄監(jiān)控設計

通過以上需求分析，需要監(jiān)控的目錄一共有4類：（1）ftp服務器目錄。（2）本場雷達服務器目錄。（3）本地服務器數(shù)據(jù)接收目錄。（4）本地服務器處理后的產(chǎn)品目錄。系統(tǒng)應具備對上述幾個目錄數(shù)據(jù)的監(jiān)控功能，軟件通過對幾個目錄的監(jiān)控得出對系統(tǒng)工作情況的結論。如表1所示。

表1 對目錄的監(jiān)控情形及相應結論

對存儲目錄的監(jiān)控設計流程圖如圖4所示。

圖4 對存儲目錄監(jiān)控設計流程圖

針對上述要求對軟件界面的設計如圖5所示，監(jiān)控目錄可根據(jù)需要進行選擇，默認為監(jiān)控融合系統(tǒng)服務器相應的目錄。監(jiān)控開始后，通過對勾選的雷達站進行監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)有文件更新，對文件名進行解析并得出雷達數(shù)據(jù)觀測時間，將時間信息顯示到界面上，同時可在告警參數(shù)上設置告警時間間隔，當超過告警時間后，即認為數(shù)據(jù)不正常，根據(jù)表1中的情形對不正常情況進行判斷并得出結論。同時對每個站點設立單獨的狀態(tài)指示燈，以紅色和綠色來表示站點數(shù)據(jù)狀態(tài)。

圖5 存儲目錄監(jiān)控軟件設計界面

3.2.2 網(wǎng)絡連通性監(jiān)測設計

融合系統(tǒng)與各服務器和各終端均通過網(wǎng)絡進行連接，且數(shù)量較多，與某一臺終端的網(wǎng)絡中斷不易察覺，實時監(jiān)控顯得很有必要。網(wǎng)絡連通性檢測主要是對與系統(tǒng)關聯(lián)的工作站進行網(wǎng)絡連通檢測。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用多線程處理方式，每個被監(jiān)控終端單獨占用一個線程，互不干擾。設計界面如圖6所示。

圖6 網(wǎng)絡連通性檢測軟件設計

3.2.3 告警模塊設計

告警即對監(jiān)測結果按照不同的等級進行不同的告警，在對存儲目錄的監(jiān)控中，當偶爾出現(xiàn)一次告警，則進行輕微語音提示，當某一個站點連續(xù)出現(xiàn)二次以上告警，則連續(xù)進行語音提示，當所有站點連續(xù)出現(xiàn)告警，則進行警報聲提示，同時彈出告警對話框提示對故障的判斷結果。

同時對數(shù)據(jù)監(jiān)測和連接狀態(tài)以狀態(tài)燈來指示，紅色代表告警，綠色代表正常。

4.統(tǒng)性能測試與優(yōu)化

對融合系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)按照上述分析和設計，主要有3大模塊，結構如圖7所示。

圖7 融合系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)結構圖

對系統(tǒng)在實際環(huán)境中進行連續(xù)測試運行，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控結果顯示與結果判斷及告警之間會有沖突，當狀態(tài)燈點亮時又要進行數(shù)據(jù)監(jiān)控處理可能會造成線程的紊亂，為了解決這一問題采用代理方法來實現(xiàn)跨線程訪問頁面控件。InvokeRequired是為了解決這個問題而產(chǎn)生的,當一個控件的InvokeRequired屬性值為真時，說明有一個創(chuàng)建它以外的線程想訪問它，此時系統(tǒng)會自動托管調(diào)用來完成剩下的步驟。部分核心代碼如下所示：

經(jīng)過優(yōu)化后，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，軟件能夠長時間連續(xù)運行且極少發(fā)生錯誤，為了方便對監(jiān)控結果和異常情況的查看，增加了日志功能，按照日期為單位記錄當天的監(jiān)控結果和異常情況，完善了系統(tǒng)的功能性。

5.數(shù)據(jù)存儲和管理

監(jiān)控系統(tǒng)基本上滿足了業(yè)務需求，能夠較好的完成實時監(jiān)控任務，進一步提升了設備維護人員對實時監(jiān)控的需要，提高了設備自動化運行的程度。由于融合系統(tǒng)收集的雷達基數(shù)據(jù)在氣象人員分析天氣過程中的重要作用，但是對雷達基數(shù)據(jù)以及二次產(chǎn)品進行管理目前較為欠缺，管理分散，效率不高，因此有必要搭建資料管理和共享服務系統(tǒng)。

5.1 數(shù)據(jù)管理策略

（1）多普勒天氣雷達的基數(shù)據(jù)每6min生成一次，雷達數(shù)據(jù)源共有10部雷達，對每部雷達單獨建立一個文件夾存儲數(shù)據(jù)。

（2）由于雷達的基數(shù)據(jù)為二進制格式，需要專業(yè)的軟件才能夠讀取其中的有用信息，因此對通過軟件處理后得到的雷達圖像資料也應該單獨保存。

（3）為了便于資料的共享使用，應提供按站點和按時間2種檢索方式。

5.2 技術實現(xiàn)方式

基于多普勒雷達資料的特點，采用C/S的方式對雷達資料進行開發(fā)。為了便于管理，本系統(tǒng)按時間劃分為實時資料和歷史資料2部分進行管理。（1）實時資料庫包含。7d內(nèi)的雷達體掃的基數(shù)據(jù)文件；7d內(nèi)的雷達二次產(chǎn)品和圖像。（2）歷史資料庫包含。超過7d按照日期分類雷達體掃的基數(shù)據(jù)文件；超過7d按照日期分類雷達二次產(chǎn)品和圖像。圖8為資料管理結構和處理流程圖。

圖8 資料管理結構和處理流程圖

存儲管理系統(tǒng)實現(xiàn)了對雷達基數(shù)據(jù)和產(chǎn)品的初步管理，實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的存儲和入庫，提高了檢索數(shù)據(jù)的效率。

6.結語

天氣雷達實時資料監(jiān)控軟件的開發(fā)實現(xiàn)了對天氣雷達資料和天氣雷達終端的自動檢查和故障排查，數(shù)據(jù)存儲和管理功能實現(xiàn)了對雷達數(shù)據(jù)的精準管理，提高了存儲和檢索效率，系統(tǒng)于2020年4月投入運行以來，運行穩(wěn)定，對保障飛行安全發(fā)揮了較為積極的作用。