新一代多普勒天氣雷達運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

李恒昶，李 季，陳慶亮，張玉潔，孫偉佳

（山東省氣象局大氣探測技術(shù)保障中心，山東 濟南 250031）

新一代多普勒天氣雷達是探測降水系統(tǒng)的重要手段，也是對冰雹、大風、龍卷等強對流天氣監(jiān)測和預警的重要探測設備[1]，在應對災害性、突發(fā)性天氣方面效果顯著，當前，新一代多普勒天氣雷達（以下簡稱雷達）在氣象業(yè)務工作中發(fā)揮著越來越重要的作用。雷達運行狀態(tài)的正常與否直接關(guān)系到其數(shù)據(jù)質(zhì)量，進而影響天氣預報、監(jiān)測預警發(fā)布的準確情況與防災減災工作的順利開展，因此，做好雷達的各項保障工作，確保雷達正常、穩(wěn)定運行對社會生產(chǎn)、生活具有十分重要的意義。

山東省目前有9部已正式投入運行并納入中國氣象局考核的新一代多普勒天氣雷達，其所在地分別為濟南、青島、煙臺、威海、濰坊、濱州、臨沂、濟寧、泰山，除泰山雷達為C波段雷達，其余均為S波段。雷達日常運行所產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)會上傳到山東省氣象局（以下簡稱省局）裝備保障一體化系統(tǒng)的SQL Server數(shù)據(jù)庫（以下簡稱數(shù)據(jù)庫），為進一步提高省局對山東各地雷達運行狀態(tài)的實時掌握，更好的服務于雷達保障工作，設計開發(fā)了新一代多普勒天氣雷達運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，對雷達運行狀態(tài)數(shù)據(jù)與報警信息做可視化顯示，實現(xiàn)對雷達運行狀態(tài)的實時監(jiān)控。浙江省大探中心利用微信平臺對雷達監(jiān)控，通過讀取RDA計算機中的告警文件接收告警信息[2]；北京市氣象局針對其組網(wǎng)的L波段低對流層風廓線雷達設計了運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)[3]；湖北省氣象局開發(fā)的氣象探測設備運行監(jiān)控系統(tǒng)可對雷達、閃電定位儀等包括在內(nèi)的探測設備狀況進行監(jiān)控[4]；廣東省氣象臺通過軟件監(jiān)控雷達的報警日志，報警信息通過139郵箱發(fā)送到保障人員手機上，并附有短信提醒[5]；廣西氣象技術(shù)裝備中心依托其信息網(wǎng)絡設備與監(jiān)控運維平臺，實現(xiàn)了對全省雷達機房動力環(huán)境的監(jiān)控[6]。對雷達各類運行信息的監(jiān)控已成為雷達保障業(yè)務工作中不可或缺的一部分，針對當前山東省雷達業(yè)務的實際情況和未來工作不斷發(fā)展與推進的需求，設計開發(fā)用于山東省新一代多普勒天氣雷達運行狀態(tài)監(jiān)控的業(yè)務系統(tǒng)很有必要，這便于保障人員實時查看與了解雷達運行狀況，有利于及時發(fā)現(xiàn)異常情況，可有效提高工作效率。

1.系統(tǒng)設計思路

山東省各雷達臺站的雷達運行狀態(tài)數(shù)據(jù)及相關(guān)報警信息會上傳到省局數(shù)據(jù)庫，狀態(tài)數(shù)據(jù)包含發(fā)射機峰值功率、噪聲溫度、發(fā)射機溫度、濾波前后功率等，報警信息則是當雷達運行出現(xiàn)故障時其系統(tǒng)內(nèi)部生成的信息，如：人工線過壓、頻綜本振源故障、波導開關(guān)故障等。利用Python開發(fā)設計了新一代多普勒天氣雷達運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，通過系統(tǒng)軟件登陸連接數(shù)據(jù)庫，讀取數(shù)據(jù)庫中的雷達運行狀態(tài)數(shù)據(jù)和報警信息，讀取的數(shù)據(jù)與信息被實時顯示在系統(tǒng)的可視化界面中，實現(xiàn)實時查看各雷達站運行情況并及時處理報警的功能，系統(tǒng)功能設計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能設計圖

2.數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)庫中關(guān)于新一代多普勒天氣雷達的狀態(tài)數(shù)據(jù)主要分為兩類，一類是S波段雷達狀態(tài)數(shù)據(jù)，另一類是C波段雷達狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)分析得到各數(shù)據(jù)所表示的含義，鑒于數(shù)據(jù)種類較多，只選取數(shù)據(jù)庫中部分數(shù)據(jù)內(nèi)容及其含義進行描述，見表1、表2，該部分數(shù)據(jù)即為本系統(tǒng)中所應用到的數(shù)據(jù)。其余數(shù)據(jù)不再一一贅述。

表1 S波段雷達部分狀態(tài)數(shù)據(jù)及含義

表2 C波段雷達部分狀態(tài)數(shù)據(jù)及含義

數(shù)據(jù)庫中關(guān)于報警信息的表有3個，分別是報警信息庫、S波段雷達報警信息表、C波段雷達報警信息表。報警信息庫中主要包含報警碼、英文報警信息、中文報警信息、報警設備代碼等；兩個雷達報警信息表中主要包含雷達站站號、報警時間、報警碼等。通過這3個表，可將每個雷達出現(xiàn)報警狀況時的報警信息讀取出來并用作界面顯示，以供查看。表3、表4分別為數(shù)據(jù)庫中報警信息庫和S波段雷達報警信息表的部分內(nèi)容，C波段雷達報警信息表與S波段類似，不再單獨列出。

表3 報警信息庫部分內(nèi)容

表4 S波段雷達報警信息部分內(nèi)容

3.系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)的實現(xiàn)基于Pycharm平臺，使用Python 3.8作為開發(fā)語言，主要由全局變量設置、數(shù)據(jù)庫連接與讀取、軟件界面設置這三部分實現(xiàn)。

3.1 全局變量設置

系統(tǒng)實現(xiàn)需考慮全局變量的設置，將其全部放于一單獨的文件中，可被其他文件中的函數(shù)訪問與調(diào)用，所設置的全局變量主要有數(shù)據(jù)庫連接參數(shù)、雷達狀態(tài)數(shù)據(jù)變量、雷達報警數(shù)據(jù)變量以及數(shù)據(jù)庫查詢語句。

3.2 數(shù)據(jù)庫連接與數(shù)據(jù)讀取

Python連接SQL Server數(shù)據(jù)庫需用到pymssql擴展包，該包是實現(xiàn)雙方交互的驅(qū)動程序，利用pymssql中的connect()函數(shù)連接數(shù)據(jù)庫，由cursor()函數(shù)獲得一個數(shù)據(jù)庫連接對象，該對象可以用于向數(shù)據(jù)庫發(fā)送請求并獲取結(jié)果。數(shù)據(jù)庫連接后，使用SQL語句分別讀取S、C波段雷達的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，execute()函數(shù)來執(zhí)行SQL語句，獲取10個最新時段的數(shù)據(jù)，將獲取的狀態(tài)數(shù)據(jù)與其所對應的數(shù)據(jù)含義共同形成字典用于界面顯示。

雷達發(fā)生故障出現(xiàn)報警情況時，雷達系統(tǒng)內(nèi)部會根據(jù)所發(fā)生的故障報警情況生成對應的報警碼，每個報警碼都有其對應的報警內(nèi)容，根據(jù)每個數(shù)據(jù)庫雷達報警信息表中的報警碼，聯(lián)合報警信息庫查詢每個臺站雷達出現(xiàn)故障報警的時間、報警中英文含義、報警設備代碼提示等信息，同時將報警數(shù)據(jù)與其所對應的含義形成字典并顯示在可視化界面上，通過這些報警信息，臺站人員可及時發(fā)現(xiàn)設備故障，根據(jù)中文報警內(nèi)容和設備代碼提示可有效得知故障原因并準確定位故障位置。

3.3 軟件界面設計

軟件界面主要分為菜單欄與信息顯示區(qū)兩部分，軟件主界面見圖2。

如圖2所示，信息顯示區(qū)設有“雷達站”和“時間”兩個下拉菜單，分別用于選擇顯示不同雷達站的數(shù)據(jù)與不同時間的數(shù)據(jù)。界面中顯示各臺站的雷達狀態(tài)數(shù)據(jù)與報警信息，默認情況下的顯示方式為每個臺站的數(shù)據(jù)交替循環(huán)顯示，每站之間的顯示時間間隔可在“系統(tǒng)參數(shù)設置”中設置，當通過雷達站下拉菜單選中某一站名時，界面中將停留顯示該站數(shù)據(jù)，通過點擊“恢復自動刷新”按鈕即可恢復各臺站數(shù)據(jù)的依次播放。

圖2界面中S波段雷達的數(shù)據(jù)根據(jù)其數(shù)據(jù)含義被劃分為16類，分別是：雷達信息、運行狀態(tài)信息、噪聲電平檢查、溫度、發(fā)射機和天線功率檢查、譜寬檢查、AGC幅度檢查、雜波抑制檢查、系統(tǒng)噪聲溫度、發(fā)射率檢查、AGC相位檢查、雷達常數(shù)、速度檢查、KD標定、IQ信息、報警信息，C波段雷達數(shù)據(jù)根據(jù)其特點同樣被做了分類。

菜單欄包含“文件”、“設置”、“關(guān)于”，“文件”中設有“數(shù)據(jù)庫連接”、“斷開連接”、“保存當前信息”功能，通過“保存當前信息”可將當前界面信息以json文件的方式存儲下來，用于后續(xù)的分析與查看；“設置”中的“數(shù)據(jù)庫連接設置”用于在此輸入數(shù)據(jù)庫的IP地址、用戶名、密碼，系統(tǒng)初始運行時以此連接數(shù)據(jù)庫，在“系統(tǒng)參數(shù)設置”中可對不同雷達站數(shù)據(jù)在界面上的顯示時間間隔做設置，還可設置數(shù)據(jù)庫的手動或自動連接；“關(guān)于”菜單中對開發(fā)者做了相關(guān)介紹。圖3為菜單欄中部分功能界面。

圖3 菜單部分功能界面

4.業(yè)務應用情況

對系統(tǒng)在實際業(yè)務中的應用情況做了測試，將系統(tǒng)軟件界面中各雷達臺站的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)比較，結(jié)果一致，表明數(shù)據(jù)庫中的各類數(shù)據(jù)與信息都得到了正確的讀取并在界面中顯示無誤，應用過程中，軟件其余各項功能也均可正常使用。

除此之外，應用中發(fā)現(xiàn)了個別雷達臺站出現(xiàn)報警的情況，報警信息如圖4所示，與雷達臺站聯(lián)系后確認報警無誤，圖4中報警提示：速度/譜寬檢查變壞，根據(jù)設備提示RSP可知雷達信號處理器出現(xiàn)問題，與臺站溝通后，按照雷達定標維護等要求，對該問題及時做了處理，目前雷達已恢復正常運行。

圖 4 雷達報警信息

5.結(jié)語

新一代多普勒天氣雷達在氣象領(lǐng)域已經(jīng)得到了很大的推廣應用，隨著經(jīng)濟社會的日益發(fā)展，未來很長一段時間內(nèi)，它仍將會是主要的氣象探測手段之一。山東省重視新一代多普勒天氣雷達在省內(nèi)的部站、組網(wǎng)與拼圖，未來仍然會有新雷達投入使用的可能性，根據(jù)當前的業(yè)務應用需求，設計開發(fā)了新一代多普勒天氣雷達運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)的實現(xiàn)進一步提高了雷達保障效率，省局人員可通過軟件實時查看全省各臺站雷達運行狀態(tài)，報警信息的加入有助于提高保障人員的故障維修能力，系統(tǒng)目前運行穩(wěn)定，各臺站信息均可被準確接收和顯示。