湖南省天气雷达业务系统的设计与实现

雷永恒,胡 坚

(1.湖南省气象技术装备中心,湖南 长沙 410007;2.成都信息工程大学,四川 成都 610225;3.湖南省气象局,湖南 长沙 410007)

0 引言

新一代天气雷达在强对流性天气监测、降水定量估计、资料同化和短时临近预报预警等方面用途广泛。当前,随着气象现代化的迫切需求,湖南省新一代天气雷达布网规模得到快速扩充,形成了当前7部CINRAD SA,3部CINRAD SB，1部CINRAD CB雷达的格局，各级新一代天气雷达从业人员保障与监控任务进一步增加。利用新一代天气雷达在线运行生成的状态数据文件，部分地方实现了天气雷达运行状态自动监控[1-2]。运用程序设计方法，自动完成对上行气象雷达报文信息实时监控统计分析，有利于减轻工作人员负担，提高数据传输质量[3-4]。天气雷达告警信息通过短信猫发送手机短信的方式，是目前使用较为普遍的提醒手段，且在其它设备(如卫星)监测告警上也得到应用[5-7]。对天气雷达基数据进行基本判断和一致性分析，可及时发现可疑基数据，提高天气雷达数据质量[8-9]。采集各地天气雷达故障案例，并结合雷达厂家近些年来的维修记录和部分专家丰富的专业经验知识，设计故障专家知识库，有利于给各级技术保障人员提供专业建议[10-12]，缩短故障时效。

新一代天气雷达具备在线自动标校功能,设备定标数据每6 min上传至省级、国家级服务器。雷达日常值守主要工作任务在于设备运行状态、数据传输的监控等工作,这些工作具有重复性、可替代的特点。天气雷达采集生成的数据产品,硬件或者软件方面的缺陷可能会导致数据缺失或不可信,及时监控、发现、修复这些可疑数据,能在一定程度上提高数据产品的质量。夜间休息时段，设备发生异常后短信方式难以有效提醒到台站工作人员，利用云通信手段，采用电话语音方式，是解决该问题的有效途径。设计一套合理、科学的集合设备关键运行参数与停机事件监控、数据传输监控、机房环境要素监控、数据质量监控与可视化于一体的系统,一旦出现异常即可通过手机短信、语音等手段通知到相关责任人,这样就能高效率替代有人值守日常工作。考虑雷达维护维修和日常工作的需求,融入设备故障定位与专家知识库系统，报表数据自动处理与生成,机务保障人员能得到更大程度的帮助。依据中国气象局装备分级管理时效性要求,开发告警提醒流程化功能,帮助各级管理人员及时了解设备运行状态和维修进度,便于督促雷达技术保障人员出现故障后得到及时响应。

1 设计思路与原则

针对天气雷达综合业务平台的需求和定位,利用现有的研究成果和技术手段,平台设计遵循以下思路和原则：

①兼容性：尽可能多地考虑各种天气雷达型号,能自动适配调用对应的数据解析函数或接口。客户端安装方便,能较好地兼容目前主流的浏览器。

②扩展性：新一代天气雷达增设随着国家气象装备规划动态改变,平台设计通过后台管理,灵活接入新增设备。赋予分级人员相应的角色权限,呈现相应的用户界面。在功能设计上坚持高度可定制的原则,即不同层级、不同角色可通过菜单定制等技术,配置适合本级或者本人需求的服务。经典案例库和组件资料库可根据需求,方便录入各型天气雷达相关经典案例和资料,不断丰富和完善平台知识库。

③安全性原则：短信、语音业务功能,是目前最方便、最实用的业务提醒告警工具。云通信平台具有短信、语音信息发送极快等优点,但如果程序控制不当,极易出现资费过度消费等安全问题。充分考虑程序可能出现的各种bug,保证短信、语音信息不出现大量异常发送,导致资费过快消费的情况。程序运行出现异常情况,及时将异常记录保存到log日志文件。自动处理不可信短信发送事件，出现异常能自动关闭短信、语音业务。

④业务补充原则：平台的设计结合国家级天气雷达业务平台相关功能和成果,进一步挖掘一些现实业务需求,以提高效率和效益为原则。提高时序图时间分辨率,1 h显示10个时序点。引入基于事件驱动的雷达运行状态监控,达到雷达停机事件秒级监控。增加雷达监控产品类别,实现状态文件、产品文件、基数据到报全覆盖监控。降低技术人员对状态数据关键参数分析难度,以浅显易懂方式展示异常参数信息,提供时序图警示、短信、语音、声音多样化报警方式。增加基数据可视化功能,利用WebGIS技术,可显示或动态回放雷达反射率强度图。增加业务质量报表、定标报表、巡检报告与数据自动计算与生成功能。能对上传解压文件损坏、径向数据缺失、基数据文件大小可疑等情况的数据质量监控。具有雷达故障知识库和推理相关功能,辅助技术人员完成故障识别与判断。

2 系统设计

2.1 系统功能需求设计

湖南省新一代天气雷达综合业务平台分为运行监控、告警信息管理、经典案例资料库与推理、数据可视化、报表填报与数据自动处理5大模块(如图1所示)。

图1 湖南省新一代天气雷达综合业务平台主要功能

2.2 系统框架结构图

图2所示框图包括资料获取与数据解析、数据库与数据仓库、数据处理模块、用户功能、用户管理5个层次。资料获取与数据解析层是系统将获取各种雷达上传数据,按照对应的数据格式解析到雷达综合业务平台数据库。将布设在机房、天线罩的温湿度传感器、供电信息、视频图像信息采集的数据,入库到雷达机房环境数据库。数据库与数据仓库层用于系统存储、管理和调用所有数据。数据处理模块为数据可视化、相关报表数据计算与自动生成、基数据监视算法与天线数据分析、雷达故障推理逻辑、分级阈值计算提供支撑,是实现用户功能的核心。用户功能层与用户直接交互,简洁、实用、准确是其基本要求。系统管理层能灵活管理、配置和扩展系统,适合各级用户的个性化功能需求。

图2 湖南省新一代天气雷达综合业务平台系统框架结构图

2.3 数据库设计

系统数据库采用MySQL server设计和实现,数据库由74个表组成,涉及到时序图表(产品到报时序图表、基数据到报时序图表、状态数据到报时序图表)、数据记录表(反射率产品表、状态数据表、设备报警数据表、机房环境数据表等)、告警相关表(机房环境告警表、运行状态告警表、设备报警告警表、数据传输告警表、基数据疑误告警表、雷达停机告警表等)、雷达故障知识库报表(经典案例表、组件知识库表、报警号来源表)、报表数据表(业务质量记录表、标定记录表、年巡检记录表)、系统设置相关表(角色表、用户表、站点信息表、短信与电话记录表、告警时间表)。部分实体表通过相互关联建立联系,一些复杂的表类,还可以继续分割为更小的表,如巡检记录表又继续分割发射分机、接收机分机、伺服分机等子表。其它较复杂的表类似与巡检记录表,分割为子表,建立父与子表之间的关联,来实现数据的存储和读取。

3 方法与实现

3.1 天气雷达数据到报监控

新一代天气雷达每6 min生成一次基数据、状态数据和相应的产品数据。上传软件将基数据、产品数据按照Z_RADR_I_雷达站号_yyyyMMddhhmmss_*_DOR_雷达型号_*格式，状态数据按照Z_R_DWRN_SRSI_C5_雷达站号_yyyyMMddhhmmss.bin格式，报警数据按照Z_A_DWRN_ALM_C5_雷达站号_yyyyMMddhhmmss.bin格式约定规则进行命名上传。文件名含有台站、时间、产品类型等信息，这为程序通过识别数据文件名来获取各站点、数据时间、产品类型、数据内容等信息,为数据到报监控等告警提供途径。全省各天气雷达通过省级授时服务器集中授时，做到文件数据到报时间的统一。

3.2 CINRAD SA/SB型天气雷达基数据可视化与天线仰角实时精度分析

Zi,j表示径向数序号为i,i=1,2,…N;距离库序号为j的反射率因子强度数据,数据按照扫描方位角依序存储。每个仰角径向数实际上并不一致,最大径向数一般大于360个,小于400个,为计算方便和处理,可设置最大径向数N为400。

新一代天气雷达出厂验收测试大纲对静态天线空间位置指向精度有不大于0.1°的指标要求。实际在雷达体扫时,系统对运动时的雷达天线控制要求更高,也最能体现其天线指向精度。天气雷达系统实时记录的天线数据与其它信息一并保存在基数据中,天线实际精度不高,会对雷达基本产品和二次产品生成带来计算误差,图3为邵阳雷达2018年4月12日22点41分基数据提取2.4°/3.4°/4.3°仰角绘制的其实际仰角运行轨迹,可见在某些方位,其仰角控制精度不高。

图3 邵阳雷达2018年4月12日22时41分基数据提取的2.4°、3.4°、4.3°仰角折线图

此类基数据仰角控制精度误差,通过以下逻辑可实现程序的数据监视：

如果φi-φexp>φthreshold则产生Eφ

其中φi为记录的仰角数值,φexp为对应的仰角期望值,Eφ为仰角控制偏差告警标志。仰角控制精度变差与雷达硬件性能变坏关系密切,如伺服系统的电机、DCU板性能变差,对天线控制精度影响明显。平台监测到此类告警,及时进行设备维修或角度标定,解决此类问题。为方便基层工作人员发现设备问题，当该系统检测到仰角超限，对该径向上的反射率不予以显示。图4为邵阳雷达2018年6月19日14时36分反射率因子图，可见在西南方向上显示出现一个缺口，即代表此径向方向仰角精度不合格。

图4 邵阳雷达2018年6月19日14点36分反射率强度产品

3.3 天气雷达状态数据关键参数监测方法

从状态数据中提取雷达关键监测参数,对一些参数设置合适的阈值触发报警门限。监测参数阈值的设置可参考《新一代天气雷达出厂验收测试大纲(2011版)》和《中国新一代多普勒天气雷达技术说明书》的相关指标要求。

CINRAD SA/SB天气雷达状态数据包括雷达运行状态信息，用SysStatus字段表征,1表示系统正常，2表示系统可用，3表示系统需要维护，4表示系统故障不能工作，5表示系统关机或者STANDBY。获取到SysStatus状态值，就能得到设备上述运行状态情况。同时，设备停机事件(定期维护时，SysStatus字段数值应为5)与日常维护单关联,能发现部分台站定期维护弄虚作假。

新一代天气雷达在线标定时，会对rfd、cw、kd、速度、谱宽等参数进行实时监测，理论上实测值与理论值越接近越好，对两者相减取绝对值，可用来对此类参数进行评估，公式如下：

Valuediff=|Valueexpected-Valuemeasured|

其中Valueexpected为相关参数(如rfd、cw、kd、速度、谱宽)期望值,Valuemeasured为相关参数实测值。rfd、cw、kd、速度、谱宽等参数对应的Valuediff阈值，设置为不大于1个单位。

在线标定地物抑制能力为：Valuegcs=Valueunfilterpwr-Valuefilterpwr，Valueunfilterpwr为地物抑制前的功率,Valuefilterpwr为抑制后的功率。阈值范围参照S波段不小于52 dB,C波段不小于49dB的要求设置。

Syscal值与回波反射率因子密切相关，大幅度变化直接影响到回波强度定标，为了简化计算，ΔSys计算方式如下：

ΔSys=|Syscalcurr-Syscal10|

其中Syscalcurr为当前天气雷达syscal值，Syscal10为10日前对应时刻的syscal值，为保证反射率因子测量精度，阈值设置可设为不大于1 dB。

状态数据得到的噪声温度，经以下公式可得到对应的噪声系数：

Nf=10log[Tn/290+1]

其中Tn为机内噪声温度，Nf阈值设置为不大于4 dB。

图5为该系统对常见设备运行参数显示页面，对超过部分参数超过正常阈值范围项进行标红提示。

图5 湖南省天气雷达业务系统状态数据监测页面

3.4 疑误基数据自动识别分析

新一代天气雷达系统由于硬件或软件等问题,可能会导致生成的基数据不全或者错误。如邵阳雷达站2017年11月18日06时50分开始出现径向数据疑误问题，原始数据文件大小为9 822 876字节，经查因rdasc适配参数错误所致，修改后数据恢复正常，持续时间达到12 d；长沙雷达2018年4月22日20时01分原始基数据出现缺2.4°、3.3°、4.3°、6.0°仰角情况，文件大小为6 204 032字节，经重启rdasc软件数据恢复正常，持续时间达到23 d；邵阳雷达站2018年6月22日10时07分出现发送的压缩后基数据不能解压问题，文件大小为548 212字节，经查因雷达数据传输软件bug问题所致，厂家修复软件bug后恢复正常，持续时间达到9 d。提取这些已知的疑误数据特征，用以下数学模型作程序后续基数据疑误的判断：

①sa/b型基数据不全(如缺仰角)：

Msab<360×2432×11

②sa/b型基数据过大：

Msab>400×2432×11

③ca/b型基数据不全(如缺仰角)：

Mcab<360×4132×11

④ca/b型基数据过大：

Mcab>400×4132×11

⑤sa/b型径向数据可疑:

⑥ca/b型径向数据：

其中Msab,Mcab分别对应上传的SA/B,CA/B型雷达基数据解压后的原始文件大小。

上传基数据文件不能解压的情形，可通过程序在执行文件解压过程时，抛出的异常信息进行判定。通常程序若以后监视到上述情况的数据质量疑误告警,及时对RDA、PRG、上传软件配置参数检查和修正即能解决。

3.5 天气雷达故障知识库与推理

经典案例库由报警号、故障现象、故障分析与解决方法方法组成,通过搜集厂家、专家学者近年来的整理积累案例资料,分析整理到经典案例数据库而成。

组件资料库各组件对应的电路图、工作原理描述、调试文档等资料,按照组件各电路板层级依次组织,分为发射分机、接收分机、伺服分机、监控分机、其它部分等5部分。

故障推理模块逻辑表达式可用以下语句简化表示：

如果A1[and‖or]A2[and‖or]…Ak

则产生Ek

推理逻辑中,Ak为报警码,雷达故障可能会产生多个报警码,一般提取雷达停机事件产生时间作为基准,其停机前1 h内产生的报警码进行逻辑组合,以上逻辑容易通过sql条件查询语句实现,Ek为报警码逻辑推理组合查询到的故障案例库和对应的组件资料库。该系统可根据实时监测到的报警码，给出基于专家知识库的诊断建议。

3.6 报警信息的智能判断、归并、屏蔽

在整合雷达状态数据在线分析、三类雷达数据传输监控产生的告警时,按照逻辑,雷达停机后不再产生三类雷达数据。对此类告警的产生将设备是否“停机”作为先决条件,可有效减少无必要的告警短信发送。雷达设备告警数据每6 min产生一次,对一些不关键且可屏蔽的告警(如长沙站受外界电磁干扰产生的471号系统噪声温度变坏),后台人工屏蔽报警代码,禁止发送告警短信或语音。

3.7 分级阈值管理策略设计

中国气象局装备分级管理机制对各级监控、保障响应有明确的时效性要求，也是平台流程化告警提醒设计的依据。告警对象分为省级管理人员、省级保障人员、市级管理人员、市级保障人员、站级保障人员5类，提醒方式分为声音、颜色警示、短信、语音4种，设置实时、1 h、4 h、12 h、定时5种时间发送阈值，实现告警信息的分时、分级、多途径通知。相关时间阈值和告警方式设置均可在后台灵活配置的，根据实际需要进行修改。

3.8 报表数据自动处理与生成方法

新一代天气雷达测试记录报表详细记录了发射机、接收机、系统相干性、系统回波强度与测速定标、系统空间位置定标检验、天线伺服系统控制误差6大项其中20小项指标的标定,人工处理这些数据计算量较大,效率低,且容易出错。

限于篇幅，相关标定项数据的自动计算方法略去,机务保障人员只需输入测试得到的相关数值,即可自动进行数据处理和生成报表。输入或者经计算得到的记录参数保存在缓存区,程序调用office自带开发组件的COM API,即可向事先建好的报表模板文件指定位置输出结果。

3.9 云通信告警方式的实现

新一代天气雷达将采集生成的雷达状态数据、告警数据、基数据、产品数据、机房环境数据上传到省级服务器,采用多线程技术分别解析状态数据与告警数据、基数据、机房环境数据并入库到本地服务器。解析到数据库的数据经过算法处理、阈值比较、分级阈值管理等过程,产生相应的告警信息,包含声音、红色圆点图、短信、电话多种方式。短信、语言产品采用阿里云提供的云通信技术方案,便于快速、稳定、高效集成。阿里云短信服务具有服务范围覆广、到达率高、高并发处理、调整并发度自由、弹性分发、及时性高、易开发管理等优势。阿里云语音服务支持快速发送语音通知、拨打验证和多方通话,具有安全级别高、难窃取、大容量、高并发、稳定可靠等优点。短信与语音服务两者功能调用流程类似,基本步骤如下：

①创建阿里云账号,获取阿里云访问密钥,访问秘钥成对(AccessKeyId 与 AccessKeySecret)生成和使用。

②根据用户属性来创建符合自身属性的短信签名，语音通知需购买“语音号码”和申请“文本转语音”模板。

③采用GET方式向云平台提交发送申请。

图6为非休息时段(一般设置为当晚10时—次日08时),阿里云语音服务产品结合平台功能需求调用流程图,为防止平台产生的同一告警频繁触发多次语音通知发送,采用30 min内同一告警只发送一次通知的策略。

图6 阿里云语音服务产品程序调用流程图

4 系统应用情况

基于Java 1.6,在Eclipse 10.5平台上完成该平台的开发,Web应用服务器采用tomcat6.0。2017年11月初，该系统完成开发并部署在省级气象技术保障部门。

2018年1月底开始在湖南省9个雷达站正式推广试运行,4月进入汛期后,系统所有功能进入正式运行。截止12月31日，共向省、市、台站三级用户手机发送各类告警短信通知34 083条，语音通知1 382次,有效保障了雷达正常运行和资料的及时上传,监控发现的可疑雷达数据产品及时得到解决。湖南省2018年新一代天气雷达业务可用性为99.58%，同比得到大幅度提升，改变了前些年湖南天气雷达主要考核指标在全国靠后的局面。

5 结论

湖南省新一代天气雷达综合业务平台采用B/S技术架构和成熟可靠的技术手段,搭建雷达数据采集、解析、处理、信息发送运行环境,平台具有良好的兼容性、易扩展性、安全性、实用性,在全省各雷达站得到推广应用,取得良好的实效。平台充分考虑当前雷达业务中的各种需求,紧跟上级气象部门提出的各种技术与管理方面的新要求,进行动态开发与完善,实现最大程度上对现有雷达业务平台的补充。然而基数据可能还存在其它的疑误情形，需要发现新的疑误个例，提取数据疑误特征，丰富疑误基数据识别算法库。