天氣雷達實時資料監控軟件的設計與開發

（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不斷的監測方式，使得它在鄰近天氣觀測和預報預警中發揮著重要的作用。隨著氣象服務支持系統的逐漸普及推廣，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生故障而未及時發現都將影響融合顯示系統的正常使用，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控和報警的業務，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自從作為氣象支持系統投入運行以來，越來越受到管制員的依賴，而該系統正常運行的關鍵是保證天氣雷達拼圖基數據資料的實時更新，同時保存完整的天氣雷達基數據資料和二次圖像產品，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。

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

2.軟件開發環境與設計思路

2.1 系統開發環境

目前融合顯示系統從服務器到工作站均運行在windows操作系統下，實時資料監控功能需要能夠對文件進行隨機的偵測，由于需要監控的雷達站點資料更新比較密集，甚至會出現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的文件監控組件，而C#的File System Watcher控件能夠很好的滿足要求，并實現相應觸發后的監控處理。因此開發環境選擇在.Net4.8環境下使用C#窗體進行系統的開發[2]。

2.2 數據處理流程

省氣象局將各市氣象局雷達基數據收集到以后，發送到ftp服務器，由融合顯示系統從ftp服務器下載到本地服務器，然后經過服務器上的軟件處理后生成需要的雷達二次圖像產品，其網絡拓撲圖如圖1所示。

圖1 融合系統網絡拓撲圖

融合顯示系統服務器上通過同步軟件從省局ftp服務器上下載數據到本地硬盤，多數據處理軟件對雷達基數據轉換后，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 融合顯示系統雷達基數據處理軟件界面

為了更加清楚地展示融合顯示系統對雷達基數據的數據處理流程，在圖3中對數據流進行進一步解析說明。

圖3 融合顯示系統數據處理流程

3.監控系統功能設計

3.1 需求分析

為保證數據源的實時性，應對省局雷達ftp服務器和融合系統服務器上本地基數據存儲目錄進行監控，同時也應對本場雷達數據服務器和融合系統服務器上本地基數據生成目錄和進行監控。

為保證數據處理軟件的正常工作，應對融合系統服務器上圖片生成目錄進行監控，并與雷達基數據目錄進行比較，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燈告警。

3.2 功能模塊設計

3.2.1 存儲目錄監控設計

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

表1 對目錄的監控情形及相應結論

對存儲目錄的監控設計流程圖如圖4所示。

圖4 對存儲目錄監控設計流程圖

針對上述要求對軟件界面的設計如圖5所示，監控目錄可根據需要進行選擇，默認為監控融合系統服務器相應的目錄。監控開始后，通過對勾選的雷達站進行監控，一旦發現有文件更新，對文件名進行解析并得出雷達數據觀測時間，將時間信息顯示到界面上，同時可在告警參數上設置告警時間間隔，當超過告警時間后，即認為數據不正常，根據表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指示燈，以紅色和綠色來表示站點數據狀態。

圖5 存儲目錄監控軟件設計界面

3.2.2 網絡連通性監測設計

融合系統與各服務器和各終端均通過網絡進行連接，且數量較多，與某一臺終端的網絡中斷不易察覺，實時監控顯得很有必要。網絡連通性檢測主要是對與系統關聯的工作站進行網絡連通檢測。為了保證系統的穩定性，采用多線程處理方式，每個被監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 網絡連通性檢測軟件設計

3.2.3 告警模塊設計

告警即對監測結果按照不同的等級進行不同的告警，在對存儲目錄的監控中，當偶爾出現一次告警，則進行輕微語音提示，當某一個站點連續出現二次以上告警，則連續進行語音提示，當所有站點連續出現告警，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。

同時對數據監測和連接狀態以狀態燈來指示，紅色代表告警，綠色代表正常。

4.統性能測試與優化

對融合系統監控系統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 融合系統監控系統結構圖

對系統在實際環境中進行連續測試運行，發現數據監控結果顯示與結果判斷及告警之間會有沖突，當狀態燈點亮時又要進行數據監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跨線程訪問頁面控件。InvokeRequired是為了解決這個問題而產生的,當一個控件的InvokeRequired屬性值為真時，說明有一個創建它以外的線程想訪問它，此時系統會自動托管調用來完成剩下的步驟。部分核心代碼如下所示：

經過優化后，系統運行穩定，軟件能夠長時間連續運行且極少發生錯誤，為了方便對監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控結果和異常情況，完善了系統的功能性。

5.數據存儲和管理

監控系統基本上滿足了業務需求，能夠較好的完成實時監控任務，進一步提升了設備維護人員對實時監控的需要，提高了設備自動化運行的程度。由于融合系統收集的雷達基數據在氣象人員分析天氣過程中的重要作用，但是對雷達基數據以及二次產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。

5.1 數據管理策略

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

（2）由于雷達的基數據為二進制格式，需要專業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。為了便于管理，本系統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內的雷達體掃的基數據文件；7d內的雷達二次產品和圖像。（2）歷史資料庫包含。超過7d按照日期分類雷達體掃的基數據文件；超過7d按照日期分類雷達二次產品和圖像。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

存儲管理系統實現了對雷達基數據和產品的初步管理，實現了對數據的存儲和入庫，提高了檢索數據的效率。

6.結語

天氣雷達實時資料監控軟件的開發實現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，數據存儲和管理功能實現了對雷達數據的精準管理，提高了存儲和檢索效率，系統于2020年4月投入運行以來，運行穩定，對保障飛行安全發揮了較為積極的作用。