天气雷达实时资料监控软件的设计与开发

2020-04-09

中国科技纵横 2020年22期

（民航湖南空管分局，湖南长沙 410100）

0.引言

新一代天气雷达高时空分辨率和连续不断的监测方式，使得它在邻近天气观测和预报预警中发挥着重要的作用。随着气象服务支持系统的逐渐普及推广，对天气雷达资料的实时性要求也越来越高。天气雷达与航管雷达融合显示系统需要实时引接本场天气雷达和气象局天气雷达实时资料，一旦资料不能及时更新或者在传输和处理中发生故障而未及时发现都将影响融合显示系统的正常使用，给飞行安全带来潜在风险。因此，气象部门希望建立一套对天气雷达资料实时监控和报警的业务，进一步提高对空管气象运行的决策服务能力[1]。

1.项目背景

天气雷达与航管雷达融合显示系统自从作为气象支持系统投入运行以来，越来越受到管制员的依赖，而该系统正常运行的关键是保证天气雷达拼图基数据资料的实时更新，同时保存完整的天气雷达基数据资料和二次图像产品，也方便气象预报员在后期对复杂天气过程进行查阅和总结。

从天气雷达原始数据进入到待处理目录开始，经过文件筛选、文件解压、基数据读取、坐标转换、空间插值等步骤才能合成该系统的基本图像产品，融合显示系统生成产品有着多个节点，任意一个节点故障都可能导致系统的不正常工作，为了保障对天气雷达实时资料的监控和处理，设计一套实时自动监控软件对提高工作效率是具有积极意义的。

2.软件开发环境与设计思路

2.1 系统开发环境

目前融合显示系统从服务器到工作站均运行在windows操作系统下，实时资料监控功能需要能够对文件进行随机的侦测，由于需要监控的雷达站点资料更新比较密集，甚至会出现同一个时间点同时更新多个站点资料的情况，为了保证及时捕捉到每个站点资料的实时变化，需要一个基于windows的文件监控组件，而C#的File System Watcher控件能够很好的满足要求，并实现相应触发后的监控处理。因此开发环境选择在.Net4.8环境下使用C#窗体进行系统的开发[2]。

2.2 数据处理流程

省气象局将各市气象局雷达基数据收集到以后，发送到ftp服务器，由融合显示系统从ftp服务器下载到本地服务器，然后经过服务器上的软件处理后生成需要的雷达二次图像产品，其网络拓扑图如图1所示。

图1 融合系统网络拓扑图

融合显示系统服务器上通过同步软件从省局ftp服务器上下载数据到本地硬盘，多数据处理软件对雷达基数据转换后，生成单站雷达图像和全省雷达拼图图像，软件处理过程显示如图2所示。

图2 融合显示系统雷达基数据处理软件界面

为了更加清楚地展示融合显示系统对雷达基数据的数据处理流程，在图3中对数据流进行进一步解析说明。

图3 融合显示系统数据处理流程

3.监控系统功能设计

3.1 需求分析

为保证数据源的实时性，应对省局雷达ftp服务器和融合系统服务器上本地基数据存储目录进行监控，同时也应对本场雷达数据服务器和融合系统服务器上本地基数据生成目录和进行监控。

为保证数据处理软件的正常工作，应对融合系统服务器上图片生成目录进行监控，并与雷达基数据目录进行比较，确保处理软件无故障。

为保证各终端的正常使用，应检测融合系统服务器与各终端是否连接通畅。

除此之外告警应具备声音告警和图形告警功能，声音告警又按照严重等级分为严重告警、一般告警和警告，图形告警功能应具备弹窗告警或者状态灯告警。

3.2 功能模块设计

3.2.1 存储目录监控设计

通过以上需求分析，需要监控的目录一共有4类：（1）ftp服务器目录。（2）本场雷达服务器目录。（3）本地服务器数据接收目录。（4）本地服务器处理后的产品目录。系统应具备对上述几个目录数据的监控功能，软件通过对几个目录的监控得出对系统工作情况的结论。如表1所示。

表1 对目录的监控情形及相应结论

对存储目录的监控设计流程图如图4所示。

图4 对存储目录监控设计流程图

针对上述要求对软件界面的设计如图5所示，监控目录可根据需要进行选择，默认为监控融合系统服务器相应的目录。监控开始后，通过对勾选的雷达站进行监控，一旦发现有文件更新，对文件名进行解析并得出雷达数据观测时间，将时间信息显示到界面上，同时可在告警参数上设置告警时间间隔，当超过告警时间后，即认为数据不正常，根据表1中的情形对不正常情况进行判断并得出结论。同时对每个站点设立单独的状态指示灯，以红色和绿色来表示站点数据状态。

图5 存储目录监控软件设计界面

3.2.2 网络连通性监测设计

融合系统与各服务器和各终端均通过网络进行连接，且数量较多，与某一台终端的网络中断不易察觉，实时监控显得很有必要。网络连通性检测主要是对与系统关联的工作站进行网络连通检测。为了保证系统的稳定性，采用多线程处理方式，每个被监控终端单独占用一个线程，互不干扰。设计界面如图6所示。

图6 网络连通性检测软件设计

3.2.3 告警模块设计

告警即对监测结果按照不同的等级进行不同的告警，在对存储目录的监控中，当偶尔出现一次告警，则进行轻微语音提示，当某一个站点连续出现二次以上告警，则连续进行语音提示，当所有站点连续出现告警，则进行警报声提示，同时弹出告警对话框提示对故障的判断结果。

同时对数据监测和连接状态以状态灯来指示，红色代表告警，绿色代表正常。

4.统性能测试与优化

对融合系统监控系统按照上述分析和设计，主要有3大模块，结构如图7所示。

图7 融合系统监控系统结构图

对系统在实际环境中进行连续测试运行，发现数据监控结果显示与结果判断及告警之间会有冲突，当状态灯点亮时又要进行数据监控处理可能会造成线程的紊乱，为了解决这一问题采用代理方法来实现跨线程访问页面控件。InvokeRequired是为了解决这个问题而产生的,当一个控件的InvokeRequired属性值为真时，说明有一个创建它以外的线程想访问它，此时系统会自动托管调用来完成剩下的步骤。部分核心代码如下所示：

经过优化后，系统运行稳定，软件能够长时间连续运行且极少发生错误，为了方便对监控结果和异常情况的查看，增加了日志功能，按照日期为单位记录当天的监控结果和异常情况，完善了系统的功能性。

5.数据存储和管理

监控系统基本上满足了业务需求，能够较好的完成实时监控任务，进一步提升了设备维护人员对实时监控的需要，提高了设备自动化运行的程度。由于融合系统收集的雷达基数据在气象人员分析天气过程中的重要作用，但是对雷达基数据以及二次产品进行管理目前较为欠缺，管理分散，效率不高，因此有必要搭建资料管理和共享服务系统。

5.1 数据管理策略

（1）多普勒天气雷达的基数据每6min生成一次，雷达数据源共有10部雷达，对每部雷达单独建立一个文件夹存储数据。

（2）由于雷达的基数据为二进制格式，需要专业的软件才能够读取其中的有用信息，因此对通过软件处理后得到的雷达图像资料也应该单独保存。

（3）为了便于资料的共享使用，应提供按站点和按时间2种检索方式。

5.2 技术实现方式

基于多普勒雷达资料的特点，采用C/S的方式对雷达资料进行开发。为了便于管理，本系统按时间划分为实时资料和历史资料2部分进行管理。（1）实时资料库包含。7d内的雷达体扫的基数据文件；7d内的雷达二次产品和图像。（2）历史资料库包含。超过7d按照日期分类雷达体扫的基数据文件；超过7d按照日期分类雷达二次产品和图像。图8为资料管理结构和处理流程图。