湖南省天氣雷達業務系統的設計與實現

雷永恒,胡 堅

(1.湖南省氣象技術裝備中心,湖南 長沙 410007;2.成都信息工程大學,四川 成都 610225;3.湖南省氣象局,湖南 長沙 410007)

0 引言

新一代天氣雷達在強對流性天氣監測、降水定量估計、資料同化和短時臨近預報預警等方面用途廣泛。當前,隨著氣象現代化的迫切需求,湖南省新一代天氣雷達布網規模得到快速擴充,形成了當前7部CINRAD SA,3部CINRAD SB，1部CINRAD CB雷達的格局，各級新一代天氣雷達從業人員保障與監控任務進一步增加。利用新一代天氣雷達在線運行生成的狀態數據文件，部分地方實現了天氣雷達運行狀態自動監控[1-2]。運用程序設計方法，自動完成對上行氣象雷達報文信息實時監控統計分析，有利于減輕工作人員負擔，提高數據傳輸質量[3-4]。天氣雷達告警信息通過短信貓發送手機短信的方式，是目前使用較為普遍的提醒手段，且在其它設備(如衛星)監測告警上也得到應用[5-7]。對天氣雷達基數據進行基本判斷和一致性分析，可及時發現可疑基數據，提高天氣雷達數據質量[8-9]。采集各地天氣雷達故障案例，并結合雷達廠家近些年來的維修記錄和部分專家豐富的專業經驗知識，設計故障專家知識庫，有利于給各級技術保障人員提供專業建議[10-12]，縮短故障時效。

新一代天氣雷達具備在線自動標校功能,設備定標數據每6 min上傳至省級、國家級服務器。雷達日常值守主要工作任務在于設備運行狀態、數據傳輸的監控等工作,這些工作具有重復性、可替代的特點。天氣雷達采集生成的數據產品,硬件或者軟件方面的缺陷可能會導致數據缺失或不可信,及時監控、發現、修復這些可疑數據,能在一定程度上提高數據產品的質量。夜間休息時段，設備發生異常后短信方式難以有效提醒到臺站工作人員，利用云通信手段，采用電話語音方式，是解決該問題的有效途徑。設計一套合理、科學的集合設備關鍵運行參數與停機事件監控、數據傳輸監控、機房環境要素監控、數據質量監控與可視化于一體的系統,一旦出現異常即可通過手機短信、語音等手段通知到相關責任人,這樣就能高效率替代有人值守日常工作。考慮雷達維護維修和日常工作的需求,融入設備故障定位與專家知識庫系統，報表數據自動處理與生成,機務保障人員能得到更大程度的幫助。依據中國氣象局裝備分級管理時效性要求,開發告警提醒流程化功能,幫助各級管理人員及時了解設備運行狀態和維修進度,便于督促雷達技術保障人員出現故障后得到及時響應。

1 設計思路與原則

針對天氣雷達綜合業務平臺的需求和定位,利用現有的研究成果和技術手段,平臺設計遵循以下思路和原則：

①兼容性：盡可能多地考慮各種天氣雷達型號,能自動適配調用對應的數據解析函數或接口。客戶端安裝方便,能較好地兼容目前主流的瀏覽器。

②擴展性：新一代天氣雷達增設隨著國家氣象裝備規劃動態改變,平臺設計通過后臺管理,靈活接入新增設備。賦予分級人員相應的角色權限,呈現相應的用戶界面。在功能設計上堅持高度可定制的原則,即不同層級、不同角色可通過菜單定制等技術,配置適合本級或者本人需求的服務。經典案例庫和組件資料庫可根據需求,方便錄入各型天氣雷達相關經典案例和資料,不斷豐富和完善平臺知識庫。

③安全性原則：短信、語音業務功能,是目前最方便、最實用的業務提醒告警工具。云通信平臺具有短信、語音信息發送極快等優點,但如果程序控制不當,極易出現資費過度消費等安全問題。充分考慮程序可能出現的各種bug,保證短信、語音信息不出現大量異常發送,導致資費過快消費的情況。程序運行出現異常情況,及時將異常記錄保存到log日志文件。自動處理不可信短信發送事件，出現異常能自動關閉短信、語音業務。

④業務補充原則：平臺的設計結合國家級天氣雷達業務平臺相關功能和成果,進一步挖掘一些現實業務需求,以提高效率和效益為原則。提高時序圖時間分辨率,1 h顯示10個時序點。引入基于事件驅動的雷達運行狀態監控,達到雷達停機事件秒級監控。增加雷達監控產品類別,實現狀態文件、產品文件、基數據到報全覆蓋監控。降低技術人員對狀態數據關鍵參數分析難度,以淺顯易懂方式展示異常參數信息,提供時序圖警示、短信、語音、聲音多樣化報警方式。增加基數據可視化功能,利用WebGIS技術,可顯示或動態回放雷達反射率強度圖。增加業務質量報表、定標報表、巡檢報告與數據自動計算與生成功能。能對上傳解壓文件損壞、徑向數據缺失、基數據文件大小可疑等情況的數據質量監控。具有雷達故障知識庫和推理相關功能,輔助技術人員完成故障識別與判斷。

2 系統設計

2.1 系統功能需求設計

湖南省新一代天氣雷達綜合業務平臺分為運行監控、告警信息管理、經典案例資料庫與推理、數據可視化、報表填報與數據自動處理5大模塊(如圖1所示)。

圖1 湖南省新一代天氣雷達綜合業務平臺主要功能

2.2 系統框架結構圖

圖2所示框圖包括資料獲取與數據解析、數據庫與數據倉庫、數據處理模塊、用戶功能、用戶管理5個層次。資料獲取與數據解析層是系統將獲取各種雷達上傳數據,按照對應的數據格式解析到雷達綜合業務平臺數據庫。將布設在機房、天線罩的溫濕度傳感器、供電信息、視頻圖像信息采集的數據,入庫到雷達機房環境數據庫。數據庫與數據倉庫層用于系統存儲、管理和調用所有數據。數據處理模塊為數據可視化、相關報表數據計算與自動生成、基數據監視算法與天線數據分析、雷達故障推理邏輯、分級閾值計算提供支撐,是實現用戶功能的核心。用戶功能層與用戶直接交互,簡潔、實用、準確是其基本要求。系統管理層能靈活管理、配置和擴展系統,適合各級用戶的個性化功能需求。

圖2 湖南省新一代天氣雷達綜合業務平臺系統框架結構圖

2.3 數據庫設計

系統數據庫采用MySQL server設計和實現,數據庫由74個表組成,涉及到時序圖表(產品到報時序圖表、基數據到報時序圖表、狀態數據到報時序圖表)、數據記錄表(反射率產品表、狀態數據表、設備報警數據表、機房環境數據表等)、告警相關表(機房環境告警表、運行狀態告警表、設備報警告警表、數據傳輸告警表、基數據疑誤告警表、雷達停機告警表等)、雷達故障知識庫報表(經典案例表、組件知識庫表、報警號來源表)、報表數據表(業務質量記錄表、標定記錄表、年巡檢記錄表)、系統設置相關表(角色表、用戶表、站點信息表、短信與電話記錄表、告警時間表)。部分實體表通過相互關聯建立聯系,一些復雜的表類,還可以繼續分割為更小的表,如巡檢記錄表又繼續分割發射分機、接收機分機、伺服分機等子表。其它較復雜的表類似與巡檢記錄表,分割為子表,建立父與子表之間的關聯,來實現數據的存儲和讀取。

3 方法與實現

3.1 天氣雷達數據到報監控

新一代天氣雷達每6 min生成一次基數據、狀態數據和相應的產品數據。上傳軟件將基數據、產品數據按照Z_RADR_I_雷達站號_yyyyMMddhhmmss_*_DOR_雷達型號_*格式，狀態數據按照Z_R_DWRN_SRSI_C5_雷達站號_yyyyMMddhhmmss.bin格式，報警數據按照Z_A_DWRN_ALM_C5_雷達站號_yyyyMMddhhmmss.bin格式約定規則進行命名上傳。文件名含有臺站、時間、產品類型等信息，這為程序通過識別數據文件名來獲取各站點、數據時間、產品類型、數據內容等信息,為數據到報監控等告警提供途徑。全省各天氣雷達通過省級授時服務器集中授時，做到文件數據到報時間的統一。

3.2 CINRAD SA/SB型天氣雷達基數據可視化與天線仰角實時精度分析

Zi,j表示徑向數序號為i,i=1,2,…N;距離庫序號為j的反射率因子強度數據,數據按照掃描方位角依序存儲。每個仰角徑向數實際上并不一致,最大徑向數一般大于360個,小于400個,為計算方便和處理,可設置最大徑向數N為400。

新一代天氣雷達出廠驗收測試大綱對靜態天線空間位置指向精度有不大于0.1°的指標要求。實際在雷達體掃時,系統對運動時的雷達天線控制要求更高,也最能體現其天線指向精度。天氣雷達系統實時記錄的天線數據與其它信息一并保存在基數據中,天線實際精度不高,會對雷達基本產品和二次產品生成帶來計算誤差,圖3為邵陽雷達2018年4月12日22點41分基數據提取2.4°/3.4°/4.3°仰角繪制的其實際仰角運行軌跡,可見在某些方位,其仰角控制精度不高。

圖3 邵陽雷達2018年4月12日22時41分基數據提取的2.4°、3.4°、4.3°仰角折線圖

此類基數據仰角控制精度誤差,通過以下邏輯可實現程序的數據監視：

如果φi-φexp>φthreshold則產生Eφ

其中φi為記錄的仰角數值,φexp為對應的仰角期望值,Eφ為仰角控制偏差告警標志。仰角控制精度變差與雷達硬件性能變壞關系密切,如伺服系統的電機、DCU板性能變差,對天線控制精度影響明顯。平臺監測到此類告警,及時進行設備維修或角度標定,解決此類問題。為方便基層工作人員發現設備問題，當該系統檢測到仰角超限，對該徑向上的反射率不予以顯示。圖4為邵陽雷達2018年6月19日14時36分反射率因子圖，可見在西南方向上顯示出現一個缺口，即代表此徑向方向仰角精度不合格。

圖4 邵陽雷達2018年6月19日14點36分反射率強度產品

3.3 天氣雷達狀態數據關鍵參數監測方法

從狀態數據中提取雷達關鍵監測參數,對一些參數設置合適的閾值觸發報警門限。監測參數閾值的設置可參考《新一代天氣雷達出廠驗收測試大綱(2011版)》和《中國新一代多普勒天氣雷達技術說明書》的相關指標要求。

CINRAD SA/SB天氣雷達狀態數據包括雷達運行狀態信息，用SysStatus字段表征,1表示系統正常，2表示系統可用，3表示系統需要維護，4表示系統故障不能工作，5表示系統關機或者STANDBY。獲取到SysStatus狀態值，就能得到設備上述運行狀態情況。同時，設備停機事件(定期維護時，SysStatus字段數值應為5)與日常維護單關聯,能發現部分臺站定期維護弄虛作假。

新一代天氣雷達在線標定時，會對rfd、cw、kd、速度、譜寬等參數進行實時監測，理論上實測值與理論值越接近越好，對兩者相減取絕對值，可用來對此類參數進行評估，公式如下：

Valuediff=|Valueexpected-Valuemeasured|

其中Valueexpected為相關參數(如rfd、cw、kd、速度、譜寬)期望值,Valuemeasured為相關參數實測值。rfd、cw、kd、速度、譜寬等參數對應的Valuediff閾值，設置為不大于1個單位。

在線標定地物抑制能力為：Valuegcs=Valueunfilterpwr-Valuefilterpwr，Valueunfilterpwr為地物抑制前的功率,Valuefilterpwr為抑制后的功率。閾值范圍參照S波段不小于52 dB,C波段不小于49dB的要求設置。

Syscal值與回波反射率因子密切相關，大幅度變化直接影響到回波強度定標，為了簡化計算，ΔSys計算方式如下：

ΔSys=|Syscalcurr-Syscal10|

其中Syscalcurr為當前天氣雷達syscal值，Syscal10為10日前對應時刻的syscal值，為保證反射率因子測量精度，閾值設置可設為不大于1 dB。

狀態數據得到的噪聲溫度，經以下公式可得到對應的噪聲系數：

Nf=10log[Tn/290+1]

其中Tn為機內噪聲溫度，Nf閾值設置為不大于4 dB。

圖5為該系統對常見設備運行參數顯示頁面，對超過部分參數超過正常閾值范圍項進行標紅提示。

圖5 湖南省天氣雷達業務系統狀態數據監測頁面

3.4 疑誤基數據自動識別分析

新一代天氣雷達系統由于硬件或軟件等問題,可能會導致生成的基數據不全或者錯誤。如邵陽雷達站2017年11月18日06時50分開始出現徑向數據疑誤問題，原始數據文件大小為9 822 876字節，經查因rdasc適配參數錯誤所致，修改后數據恢復正常，持續時間達到12 d；長沙雷達2018年4月22日20時01分原始基數據出現缺2.4°、3.3°、4.3°、6.0°仰角情況，文件大小為6 204 032字節，經重啟rdasc軟件數據恢復正常，持續時間達到23 d；邵陽雷達站2018年6月22日10時07分出現發送的壓縮后基數據不能解壓問題，文件大小為548 212字節，經查因雷達數據傳輸軟件bug問題所致，廠家修復軟件bug后恢復正常，持續時間達到9 d。提取這些已知的疑誤數據特征，用以下數學模型作程序后續基數據疑誤的判斷：

①sa/b型基數據不全(如缺仰角)：

Msab<360×2432×11

②sa/b型基數據過大：

Msab>400×2432×11

③ca/b型基數據不全(如缺仰角)：

Mcab<360×4132×11

④ca/b型基數據過大：

Mcab>400×4132×11

⑤sa/b型徑向數據可疑:

⑥ca/b型徑向數據：

其中Msab,Mcab分別對應上傳的SA/B,CA/B型雷達基數據解壓后的原始文件大小。

上傳基數據文件不能解壓的情形，可通過程序在執行文件解壓過程時，拋出的異常信息進行判定。通常程序若以后監視到上述情況的數據質量疑誤告警,及時對RDA、PRG、上傳軟件配置參數檢查和修正即能解決。

3.5 天氣雷達故障知識庫與推理

經典案例庫由報警號、故障現象、故障分析與解決方法方法組成,通過搜集廠家、專家學者近年來的整理積累案例資料,分析整理到經典案例數據庫而成。

組件資料庫各組件對應的電路圖、工作原理描述、調試文檔等資料,按照組件各電路板層級依次組織,分為發射分機、接收分機、伺服分機、監控分機、其它部分等5部分。

故障推理模塊邏輯表達式可用以下語句簡化表示：

如果A1[and‖or]A2[and‖or]…Ak

則產生Ek

推理邏輯中,Ak為報警碼,雷達故障可能會產生多個報警碼,一般提取雷達停機事件產生時間作為基準,其停機前1 h內產生的報警碼進行邏輯組合,以上邏輯容易通過sql條件查詢語句實現,Ek為報警碼邏輯推理組合查詢到的故障案例庫和對應的組件資料庫。該系統可根據實時監測到的報警碼，給出基于專家知識庫的診斷建議。

3.6 報警信息的智能判斷、歸并、屏蔽

在整合雷達狀態數據在線分析、三類雷達數據傳輸監控產生的告警時,按照邏輯,雷達停機后不再產生三類雷達數據。對此類告警的產生將設備是否“停機”作為先決條件,可有效減少無必要的告警短信發送。雷達設備告警數據每6 min產生一次,對一些不關鍵且可屏蔽的告警(如長沙站受外界電磁干擾產生的471號系統噪聲溫度變壞),后臺人工屏蔽報警代碼,禁止發送告警短信或語音。

3.7 分級閾值管理策略設計

中國氣象局裝備分級管理機制對各級監控、保障響應有明確的時效性要求，也是平臺流程化告警提醒設計的依據。告警對象分為省級管理人員、省級保障人員、市級管理人員、市級保障人員、站級保障人員5類，提醒方式分為聲音、顏色警示、短信、語音4種，設置實時、1 h、4 h、12 h、定時5種時間發送閾值，實現告警信息的分時、分級、多途徑通知。相關時間閾值和告警方式設置均可在后臺靈活配置的，根據實際需要進行修改。

3.8 報表數據自動處理與生成方法

新一代天氣雷達測試記錄報表詳細記錄了發射機、接收機、系統相干性、系統回波強度與測速定標、系統空間位置定標檢驗、天線伺服系統控制誤差6大項其中20小項指標的標定,人工處理這些數據計算量較大,效率低,且容易出錯。

限于篇幅，相關標定項數據的自動計算方法略去,機務保障人員只需輸入測試得到的相關數值,即可自動進行數據處理和生成報表。輸入或者經計算得到的記錄參數保存在緩存區,程序調用office自帶開發組件的COM API,即可向事先建好的報表模板文件指定位置輸出結果。

3.9 云通信告警方式的實現

新一代天氣雷達將采集生成的雷達狀態數據、告警數據、基數據、產品數據、機房環境數據上傳到省級服務器,采用多線程技術分別解析狀態數據與告警數據、基數據、機房環境數據并入庫到本地服務器。解析到數據庫的數據經過算法處理、閾值比較、分級閾值管理等過程,產生相應的告警信息,包含聲音、紅色圓點圖、短信、電話多種方式。短信、語言產品采用阿里云提供的云通信技術方案,便于快速、穩定、高效集成。阿里云短信服務具有服務范圍覆廣、到達率高、高并發處理、調整并發度自由、彈性分發、及時性高、易開發管理等優勢。阿里云語音服務支持快速發送語音通知、撥打驗證和多方通話,具有安全級別高、難竊取、大容量、高并發、穩定可靠等優點。短信與語音服務兩者功能調用流程類似,基本步驟如下：

①創建阿里云賬號,獲取阿里云訪問密鑰,訪問秘鑰成對(AccessKeyId 與 AccessKeySecret)生成和使用。

②根據用戶屬性來創建符合自身屬性的短信簽名，語音通知需購買“語音號碼”和申請“文本轉語音”模板。

③采用GET方式向云平臺提交發送申請。

圖6為非休息時段(一般設置為當晚10時—次日08時),阿里云語音服務產品結合平臺功能需求調用流程圖,為防止平臺產生的同一告警頻繁觸發多次語音通知發送,采用30 min內同一告警只發送一次通知的策略。

圖6 阿里云語音服務產品程序調用流程圖

4 系統應用情況

基于Java 1.6,在Eclipse 10.5平臺上完成該平臺的開發,Web應用服務器采用tomcat6.0。2017年11月初，該系統完成開發并部署在省級氣象技術保障部門。

2018年1月底開始在湖南省9個雷達站正式推廣試運行,4月進入汛期后,系統所有功能進入正式運行。截止12月31日，共向省、市、臺站三級用戶手機發送各類告警短信通知34 083條，語音通知1 382次,有效保障了雷達正常運行和資料的及時上傳,監控發現的可疑雷達數據產品及時得到解決。湖南省2018年新一代天氣雷達業務可用性為99.58%，同比得到大幅度提升，改變了前些年湖南天氣雷達主要考核指標在全國靠后的局面。

5 結論

湖南省新一代天氣雷達綜合業務平臺采用B/S技術架構和成熟可靠的技術手段,搭建雷達數據采集、解析、處理、信息發送運行環境,平臺具有良好的兼容性、易擴展性、安全性、實用性,在全省各雷達站得到推廣應用,取得良好的實效。平臺充分考慮當前雷達業務中的各種需求,緊跟上級氣象部門提出的各種技術與管理方面的新要求,進行動態開發與完善,實現最大程度上對現有雷達業務平臺的補充。然而基數據可能還存在其它的疑誤情形，需要發現新的疑誤個例，提取數據疑誤特征，豐富疑誤基數據識別算法庫。