复杂电磁环境下气象观探测设备实时监控系统的研究与实现

胡友彬，杨长业，陈加清，阮　鲲

（解放军理工大学 气象海洋学院，南京 211101）

复杂电磁环境下气象观探测设备实时监控系统的研究与实现

胡友彬，杨长业，陈加清，阮鲲

（解放军理工大学 气象海洋学院，南京 211101）

气象观探测设备能实时采集大气、海洋等常规与非常规资料，是整个气象信息系统正常工作的基础。为落实装备管理的“三化”要求，提升复杂电磁环境下装备管理系统化、信息化及自动化水平，气象观探测设备实时监控系统以地面气象遥测仪和主要的气象雷达等关键设备为监控对象，通过开发气象观探测设备运行状态采集程序和状态监控单元，实现气象观探测设备的运行状态监测和管理的自动化。系统由信息采集分系统、信息汇集与转发分系统以及监控与管理分系统组成。

气象；观探测；实时；监控；系统

1　引言

准确及时掌握瞬息万变的战场环境是提高多军兵种协同作战的重要前提和基础。气象水文装备是气象水文服务保障工作的基础，提高气象水文装备的监控水平是进行战场环境预测预警的重要条件之一。气象观探测设备实时监控系统以提高气象装备管理与维护信息化建设水平为目标，改变目前单机单控和分散管理的传统方式，通过开发气象装备状态采集程序和监控单元，实时采集气象观探测设备的状态信息，将信息汇集到台站的监控与管理服务器中，实现对台站级气象观探测设备的实时监控。各台站再将观探测设备状态信息通过网络系统实时上传到总部，实现总部对全局或区域性的观探测设备运行状况的实时监控和管理。气象观探测设备实时监控系统能够实现气象观探测设备的管理与维护的系统化和信息化，该系统能为各级气象业务部门提供一个对观探测设备的运行状况进行监控、考核、评估以及维护指导的有效平台，促进装备保障能力的提高。

2　系统体系结构

气象观探测设备实时监控系统体系结构如图1所示，由信息采集分系统、信息汇集与转发分系统和监控与管理分系统三部分组成。

图1　系统体系结构

信息采集分系统包括：地面气象遥测仪状态信息采集单元和气象雷达状态信息采集单元。信息汇集与转发分系统主要由观探测设备状态的汇集与存储模块和信息转发模块组成，其中信息转发模块包括三个通信程序：观探测终端通信程序、台站服务器通信程序和总部服务器通信程序。观探测终端通信程序通过台站局域网完成观探测设备与台站服务器之间的数据通信，包括数据的读取、发起连接请求、数据的传输、以及按照约定处理传输异常等。台站服务器通信程序依托气象水文信息网络系统完成台站服务器与总部总控服务器之间的数据通信，包括接收来自观探测终端的连接请求、建立连接、接收数据、上传数据等工作。总部服务器通信程序也通过气象水文信息网络系统完成总部总控服务器与台站服务器之间的数据通信，包括接收数据、下发指令及指导建议等工作。监控与管理分系统可实时监控全局的设备状态，对设备进行故障分析与管理，对装备运行维护进行考核、评估，是系统的人机界面。

3　系统关键技术

在系统研制开发过程中主要解决了以下三个关键问题：气象观探测设备状态信息采集、实时库转历史库的统计算法以及通信和数据库服务中间件的设计与实现。由于气象观探测设备的原理和结构都较为复杂，原装备设计没有状态输出接口，不能直接提供设备的实时状态，系统的研发从硬件和软件方面着手，实现气象观探测设备的状态信息的采集。气象观探测设备状态信息数据量庞大，且设备故障判断依据较为复杂，因此，实时库转历史库的统计算法能够精简数据量并且能够准确判断故障状态。气象观探测设备状态信息的传递涉及到多个异构的网络，因此，通信和数据库服务中间件能够为不同网络信道提供相应的协议支持，并为多种类型数据的筛选与传递提供保障。

3.1气象观探测设备状态信息采集

3.1.1地面气象遥测仪状态信息采集

地面气象遥测仪外部传感器能探测温度、湿度、气压、风向、风速和雨量等要素，将各要素的数值用模拟电压来表示，并发送到数据采集器，对六要素值进行转换，使之成为便于远距离传输的数字信号，随之将转换后的数据一起发送到数据预处理器。预处理器按照相应的算法进行计算，得到用ASCII码表示的六要素值，向地面遥测监控终端发送，其数据发送周期为1分钟。

地面气象遥测仪采用具有电气标准和物理标准的RS-232串行通信接口，对于其状态数据的获取，可以通过硬件改造的方法实现。RS-232连接器引脚信号定义如表1所示。

表1　RS-232连接器引脚信号定义

RS-232的逻辑电平用正负电压表示，而不是只用5 V TTL 和CMOS逻辑的正负电压信号表示。在一个RS-232的数据输出（TD），一个逻辑0被定义为等于或者高于+5 V，而一个逻辑1被定义为等于-5 V或者低于-5 V。换言之，信号使用负逻辑，在这种逻辑中，负的电压为逻辑1。

对于地面气象遥测仪进行硬件改造，主要在预处理器和监控终端的传输线路上进行。RS-232的接口标准，允许最大的通信设备为两台，所以，在对数据进行分流导出时要考虑到：第一，分流数据线尽量保持在较短的长度，减少负载，以避免影响数据的准确性以及对原有设备正常工作的影响；第二，数据线引出后，另一台PC终端（即观探测终端计算机）的接口要符合RJ-45标准。第三、接入的观探测终端计算机应按照数据预处理器规定，对其进行波特率、通信端口、采样频率等进行设置。改造部分如图2所示。

图2　地面气象遥测仪硬件改造部分示意图

3.1.2气象雷达状态信息采集

雷达的结构和运行原理复杂，而且已定型的气象雷达硬件结构一般难以改造。因此对气象雷达状态数据的采集主要通过在雷达系统软件中嵌入状态数据提取接口程序来进行，实现对雷达的实时运行状态数据采集。

3.1.2.1多普勒雷达状态信息采集

数据处理模块是多普勒雷达实时显示控制程序的核心。为了能够有效采集雷达实时状态数据，需要对实时显示控制程序中的数据处理模块进行相应的软件改动，嵌入状态数据的软件采集接口。

a.为了在程序的实现过程中不影响实时显示控制程序的完整性，同时尽量减少对现有正常运行程序的影响，采用外挂动态链接库的方式来实现。

b.三个主要的动态链接库函数

·BOOL StartReportStatus（void）（状态文件生成函数）：首先建立监视线程，在规定的时间间隔内生成所需的上报数据文件。接着建立上报状态转换列表，将机器的系统状态转换成用户需要的状态顺序。最后加载状态转换文件，对文件进行转换，按照读状态报告时间间隔，将状态数据存储到状态报告文件。状态文件生成函数还需要对一些异常情况进行处理，如对无法找到或加载自动生成产品列表文件等情况进行相应的处理。

·BOOL StopReportStatus（void）（状态数据停止生成函数）：在主程序调用停止状态文件生成函数后，首先对状态文件写入雷达关闭时间，然后将上报状态转换列表进行删除。

·BOOL SetRdaStatus（char*pstatus，int length）（状态数据更新函数）：在雷达运行的过程中，经过一定的时间间隔便会产生当下时刻的雷达状态参数，状态数据更新函数将接收到的状态参数按照生成的转换列表，转换参数后，打开生成的状态文件，在文件末尾处，将状态数据追加到文件中。

3.1.2.2测风雷达状态信息采集

利用放球软件生成的基本数据文件可计算出各标准等压面气象要素值、各规定高度层风、选取特性层、对流层、零度层、最大风层、计算各资料层的空间时间定位数据、编发各类报文、制作各类月报表。此外还可提供空间加密观测资料、特殊风层资料、任意等间隔高度气象要素值、任意高度上的风玫瑰图、边界层气象要素统计资料、爱玛图、飞行轨迹图、升速曲线、月值班日志、监控文件、基数据文件等产品。

测风雷达采用放球软件并利用计算机的串行口接收雷达和探空解码器传送来的球坐标、温度、压力和湿度数据，将其保存为数据文件，放球软件同时记录雷达的工作状态，并以每分钟的频度将雷达状态数据写入状态文件用于雷达的监测。

3.2实时库转历史库的统计算法

由于实时库存取的周期为1分钟，而各设备部件即使在无故障情况下，状态值也可以在正常值范围内波动。正常值对于状态监控来说没有实际意义，系统运行时间越长，数据冗余就越大，并且台站级的实时数据如果传输到总部，将给网络信道带来很大的负担，因此，必须对实时库中的数据做一些统计处理，需将处理过后的数据再传送到总部端。

在观探测设备正常运行情况下，可能会出现异常值，体现在数值上，就是超出了最大和最小阈值。但是如果该部件的状态值很快恢复正常，则不能认为是出现了故障；只有出现连续长时间的故障状态异常值，才能认为是该设备部件发生了故障。

系统针对不同设备定义了不同的滑动窗口，用来检测一小时内的60条数据的统计值是否正常。以测风雷达为例，窗口定义如下：

其中，权值定义为1的对应非关键部件，权值定义为2的对应较为关键的部件。

定义遥测仪部件状态值的阈值为，Timax；Ti min对于数据集中的一小时记录的60条记录的每个状态值列，计算Tmax-Vij〈0或 Tmin-Vij＞0，则该i位置上的值为1；则j，其中，i=0…m；j=0…n。最后，如果T＞TCF，则认为该时间段（一小时内）内该设备发生了故障或者运行不正常。对数据集求每个部件状态值的最大值、最小值、平均值以及故障发生概率；如果对一小时数据集的统计没有发现故障，则在60条记录中随机取一条记录，作为一小时的综合数据，传送到总部。

3.3通信和数据库服务中间件的设计与实现

图3　中间件结构图

从中间件的功能层次上来看，通信和数据库服务中间件构建在数据库系统之上，应用程序之下。其目的是集成不同异构网络的访问方式，为适应不同的信道提供不同通信协议的访问支持，并负责进行数据库存取操作和数据筛选，即根据用户的设定，选择传输和接收不同数据类型，并提取和写入不同的数据表中。该中间件封装了系统的业务逻辑，构建在数据库系统和应用之间，构成了客户/服务器三层结构，如图3所示。

通信和数据库服务中间件主要由注册器、网络适配器、结果处理器和包装器四个模块组成。注册器主要负责不同类型网络的即插即用注册服务，并生成公共模型；包装器根据用户提交的数据接收和发送请求，将数据打包成适合不同网络传输的数据包，并提交给包装器执行；结果处理器把包装器返回的结果汇总处理，以XML的方式提交给用户。网络适配器负责和网络打交道；包装器负责与数据库交互，包括筛选数据和操作数据库，实现网络通信和数据访问的透明性。

4　结语

气象观探测设备实时监控系统选取地面气象遥测仪和主要气象雷达系统为气象观探测设备实时监控系统的被监控对象，按照装备管理系统化与信息化的要求，在不改变硬、软件的前提下，开发了对地面气象遥测仪与雷达系统的设备状态提取和监控单元。系统的研制改变了气象水文装备管理和监控缺乏有效手段的现状，为今后进行气象水文装备管理系统化与信息化起到了示范作用，提出了多种类型的观探测装备增设设备状态监控单元（硬件或软件）的方法和途径，为今后新装备的研制和老装备的改造提供依据，设计的实时库转准实时库的统计算法以及多任务流的分布式执行算法，开发了具有自主知识产权的一个设备状态监控与管理中间件，该中间件集成了统计功能、通信功能及数据库操作等功能，使得总部级软件和台站级软件可以实现透明访问。

气象观探测设备实时监控系统的研制与开发不仅为获取战场环境气象观探测设备状态信息提供了强有力的手段，促进了战场环境信息系统的建设，加快了体系作战能力的生成提高，而且该系统的研制成功也为今后同类型系统的开发提供了技术储备，尤其是本系统中设计解决的三个关键技术为研制其他气象观探测设备的实时监控提供了参考，为构建气象水文观探测设备实时监控体系奠定了良好的技术基础。

主要参考文献

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10.3969/j.issn.1673-0194.2015.21.092

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