復雜電磁環境下氣象觀探測設備實時監控系統的研究與實現

胡友彬，楊長業，陳加清，阮　鯤

（解放軍理工大學 氣象海洋學院，南京 211101）

復雜電磁環境下氣象觀探測設備實時監控系統的研究與實現

胡友彬，楊長業，陳加清，阮鯤

（解放軍理工大學 氣象海洋學院，南京 211101）

氣象觀探測設備能實時采集大氣、海洋等常規與非常規資料，是整個氣象信息系統正常工作的基礎。為落實裝備管理的“三化”要求，提升復雜電磁環境下裝備管理系統化、信息化及自動化水平，氣象觀探測設備實時監控系統以地面氣象遙測儀和主要的氣象雷達等關鍵設備為監控對象，通過開發氣象觀探測設備運行狀態采集程序和狀態監控單元，實現氣象觀探測設備的運行狀態監測和管理的自動化。系統由信息采集分系統、信息匯集與轉發分系統以及監控與管理分系統組成。

氣象；觀探測；實時；監控；系統

1　引言

準確及時掌握瞬息萬變的戰場環境是提高多軍兵種協同作戰的重要前提和基礎。氣象水文裝備是氣象水文服務保障工作的基礎，提高氣象水文裝備的監控水平是進行戰場環境預測預警的重要條件之一。氣象觀探測設備實時監控系統以提高氣象裝備管理與維護信息化建設水平為目標，改變目前單機單控和分散管理的傳統方式，通過開發氣象裝備狀態采集程序和監控單元，實時采集氣象觀探測設備的狀態信息，將信息匯集到臺站的監控與管理服務器中，實現對臺站級氣象觀探測設備的實時監控。各臺站再將觀探測設備狀態信息通過網絡系統實時上傳到總部，實現總部對全局或區域性的觀探測設備運行狀況的實時監控和管理。氣象觀探測設備實時監控系統能夠實現氣象觀探測設備的管理與維護的系統化和信息化，該系統能為各級氣象業務部門提供一個對觀探測設備的運行狀況進行監控、考核、評估以及維護指導的有效平臺，促進裝備保障能力的提高。

2　系統體系結構

氣象觀探測設備實時監控系統體系結構如圖1所示，由信息采集分系統、信息匯集與轉發分系統和監控與管理分系統三部分組成。

圖1　系統體系結構

信息采集分系統包括：地面氣象遙測儀狀態信息采集單元和氣象雷達狀態信息采集單元。信息匯集與轉發分系統主要由觀探測設備狀態的匯集與存儲模塊和信息轉發模塊組成，其中信息轉發模塊包括三個通信程序：觀探測終端通信程序、臺站服務器通信程序和總部服務器通信程序。觀探測終端通信程序通過臺站局域網完成觀探測設備與臺站服務器之間的數據通信，包括數據的讀取、發起連接請求、數據的傳輸、以及按照約定處理傳輸異常等。臺站服務器通信程序依托氣象水文信息網絡系統完成臺站服務器與總部總控服務器之間的數據通信，包括接收來自觀探測終端的連接請求、建立連接、接收數據、上傳數據等工作。總部服務器通信程序也通過氣象水文信息網絡系統完成總部總控服務器與臺站服務器之間的數據通信，包括接收數據、下發指令及指導建議等工作。監控與管理分系統可實時監控全局的設備狀態，對設備進行故障分析與管理，對裝備運行維護進行考核、評估，是系統的人機界面。

3　系統關鍵技術

在系統研制開發過程中主要解決了以下三個關鍵問題：氣象觀探測設備狀態信息采集、實時庫轉歷史庫的統計算法以及通信和數據庫服務中間件的設計與實現。由于氣象觀探測設備的原理和結構都較為復雜，原裝備設計沒有狀態輸出接口，不能直接提供設備的實時狀態，系統的研發從硬件和軟件方面著手，實現氣象觀探測設備的狀態信息的采集。氣象觀探測設備狀態信息數據量龐大，且設備故障判斷依據較為復雜，因此，實時庫轉歷史庫的統計算法能夠精簡數據量并且能夠準確判斷故障狀態。氣象觀探測設備狀態信息的傳遞涉及到多個異構的網絡，因此，通信和數據庫服務中間件能夠為不同網絡信道提供相應的協議支持，并為多種類型數據的篩選與傳遞提供保障。

3.1氣象觀探測設備狀態信息采集

3.1.1地面氣象遙測儀狀態信息采集

地面氣象遙測儀外部傳感器能探測溫度、濕度、氣壓、風向、風速和雨量等要素，將各要素的數值用模擬電壓來表示，并發送到數據采集器，對六要素值進行轉換，使之成為便于遠距離傳輸的數字信號，隨之將轉換后的數據一起發送到數據預處理器。預處理器按照相應的算法進行計算，得到用ASCII碼表示的六要素值，向地面遙測監控終端發送，其數據發送周期為1分鐘。

地面氣象遙測儀采用具有電氣標準和物理標準的RS-232串行通信接口，對于其狀態數據的獲取，可以通過硬件改造的方法實現。RS-232連接器引腳信號定義如表1所示。

表1　RS-232連接器引腳信號定義

RS-232的邏輯電平用正負電壓表示，而不是只用5 V TTL 和CMOS邏輯的正負電壓信號表示。在一個RS-232的數據輸出（TD），一個邏輯0被定義為等于或者高于+5 V，而一個邏輯1被定義為等于-5 V或者低于-5 V。換言之，信號使用負邏輯，在這種邏輯中，負的電壓為邏輯1。

對于地面氣象遙測儀進行硬件改造，主要在預處理器和監控終端的傳輸線路上進行。RS-232的接口標準，允許最大的通信設備為兩臺，所以，在對數據進行分流導出時要考慮到：第一，分流數據線盡量保持在較短的長度，減少負載，以避免影響數據的準確性以及對原有設備正常工作的影響；第二，數據線引出后，另一臺PC終端（即觀探測終端計算機）的接口要符合RJ-45標準。第三、接入的觀探測終端計算機應按照數據預處理器規定，對其進行波特率、通信端口、采樣頻率等進行設置。改造部分如圖2所示。

圖2　地面氣象遙測儀硬件改造部分示意圖

3.1.2氣象雷達狀態信息采集

雷達的結構和運行原理復雜，而且已定型的氣象雷達硬件結構一般難以改造。因此對氣象雷達狀態數據的采集主要通過在雷達系統軟件中嵌入狀態數據提取接口程序來進行，實現對雷達的實時運行狀態數據采集。

3.1.2.1多普勒雷達狀態信息采集

數據處理模塊是多普勒雷達實時顯示控制程序的核心。為了能夠有效采集雷達實時狀態數據，需要對實時顯示控制程序中的數據處理模塊進行相應的軟件改動，嵌入狀態數據的軟件采集接口。

a.為了在程序的實現過程中不影響實時顯示控制程序的完整性，同時盡量減少對現有正常運行程序的影響，采用外掛動態鏈接庫的方式來實現。

b.三個主要的動態鏈接庫函數

·BOOL StartReportStatus（void）（狀態文件生成函數）：首先建立監視線程，在規定的時間間隔內生成所需的上報數據文件。接著建立上報狀態轉換列表，將機器的系統狀態轉換成用戶需要的狀態順序。最后加載狀態轉換文件，對文件進行轉換，按照讀狀態報告時間間隔，將狀態數據存儲到狀態報告文件。狀態文件生成函數還需要對一些異常情況進行處理，如對無法找到或加載自動生成產品列表文件等情況進行相應的處理。

·BOOL StopReportStatus（void）（狀態數據停止生成函數）：在主程序調用停止狀態文件生成函數后，首先對狀態文件寫入雷達關閉時間，然后將上報狀態轉換列表進行刪除。

·BOOL SetRdaStatus（char*pstatus，int length）（狀態數據更新函數）：在雷達運行的過程中，經過一定的時間間隔便會產生當下時刻的雷達狀態參數，狀態數據更新函數將接收到的狀態參數按照生成的轉換列表，轉換參數后，打開生成的狀態文件，在文件末尾處，將狀態數據追加到文件中。

3.1.2.2測風雷達狀態信息采集

利用放球軟件生成的基本數據文件可計算出各標準等壓面氣象要素值、各規定高度層風、選取特性層、對流層、零度層、最大風層、計算各資料層的空間時間定位數據、編發各類報文、制作各類月報表。此外還可提供空間加密觀測資料、特殊風層資料、任意等間隔高度氣象要素值、任意高度上的風玫瑰圖、邊界層氣象要素統計資料、愛瑪圖、飛行軌跡圖、升速曲線、月值班日志、監控文件、基數據文件等產品。

測風雷達采用放球軟件并利用計算機的串行口接收雷達和探空解碼器傳送來的球坐標、溫度、壓力和濕度數據，將其保存為數據文件，放球軟件同時記錄雷達的工作狀態，并以每分鐘的頻度將雷達狀態數據寫入狀態文件用于雷達的監測。

3.2實時庫轉歷史庫的統計算法

由于實時庫存取的周期為1分鐘，而各設備部件即使在無故障情況下，狀態值也可以在正常值范圍內波動。正常值對于狀態監控來說沒有實際意義，系統運行時間越長，數據冗余就越大，并且臺站級的實時數據如果傳輸到總部，將給網絡信道帶來很大的負擔，因此，必須對實時庫中的數據做一些統計處理，需將處理過后的數據再傳送到總部端。

在觀探測設備正常運行情況下，可能會出現異常值，體現在數值上，就是超出了最大和最小閾值。但是如果該部件的狀態值很快恢復正常，則不能認為是出現了故障；只有出現連續長時間的故障狀態異常值，才能認為是該設備部件發生了故障。

系統針對不同設備定義了不同的滑動窗口，用來檢測一小時內的60條數據的統計值是否正常。以測風雷達為例，窗口定義如下：

其中，權值定義為1的對應非關鍵部件，權值定義為2的對應較為關鍵的部件。

定義遙測儀部件狀態值的閾值為，Timax；Ti min對于數據集中的一小時記錄的60條記錄的每個狀態值列，計算Tmax-Vij〈0或 Tmin-Vij＞0，則該i位置上的值為1；則j，其中，i=0…m；j=0…n。最后，如果T＞TCF，則認為該時間段（一小時內）內該設備發生了故障或者運行不正常。對數據集求每個部件狀態值的最大值、最小值、平均值以及故障發生概率；如果對一小時數據集的統計沒有發現故障，則在60條記錄中隨機取一條記錄，作為一小時的綜合數據，傳送到總部。

3.3通信和數據庫服務中間件的設計與實現

圖3　中間件結構圖

從中間件的功能層次上來看，通信和數據庫服務中間件構建在數據庫系統之上，應用程序之下。其目的是集成不同異構網絡的訪問方式，為適應不同的信道提供不同通信協議的訪問支持，并負責進行數據庫存取操作和數據篩選，即根據用戶的設定，選擇傳輸和接收不同數據類型，并提取和寫入不同的數據表中。該中間件封裝了系統的業務邏輯，構建在數據庫系統和應用之間，構成了客戶/服務器三層結構，如圖3所示。

通信和數據庫服務中間件主要由注冊器、網絡適配器、結果處理器和包裝器四個模塊組成。注冊器主要負責不同類型網絡的即插即用注冊服務，并生成公共模型；包裝器根據用戶提交的數據接收和發送請求，將數據打包成適合不同網絡傳輸的數據包，并提交給包裝器執行；結果處理器把包裝器返回的結果匯總處理，以XML的方式提交給用戶。網絡適配器負責和網絡打交道；包裝器負責與數據庫交互，包括篩選數據和操作數據庫，實現網絡通信和數據訪問的透明性。

4　結語

氣象觀探測設備實時監控系統選取地面氣象遙測儀和主要氣象雷達系統為氣象觀探測設備實時監控系統的被監控對象，按照裝備管理系統化與信息化的要求，在不改變硬、軟件的前提下，開發了對地面氣象遙測儀與雷達系統的設備狀態提取和監控單元。系統的研制改變了氣象水文裝備管理和監控缺乏有效手段的現狀，為今后進行氣象水文裝備管理系統化與信息化起到了示范作用，提出了多種類型的觀探測裝備增設設備狀態監控單元（硬件或軟件）的方法和途徑，為今后新裝備的研制和老裝備的改造提供依據，設計的實時庫轉準實時庫的統計算法以及多任務流的分布式執行算法，開發了具有自主知識產權的一個設備狀態監控與管理中間件，該中間件集成了統計功能、通信功能及數據庫操作等功能，使得總部級軟件和臺站級軟件可以實現透明訪問。

氣象觀探測設備實時監控系統的研制與開發不僅為獲取戰場環境氣象觀探測設備狀態信息提供了強有力的手段，促進了戰場環境信息系統的建設，加快了體系作戰能力的生成提高，而且該系統的研制成功也為今后同類型系統的開發提供了技術儲備，尤其是本系統中設計解決的三個關鍵技術為研制其他氣象觀探測設備的實時監控提供了參考，為構建氣象水文觀探測設備實時監控體系奠定了良好的技術基礎。

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1673-0194（2015）21-0173-04

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