三維雷電探測系統(tǒng)監(jiān)視軟件設(shè)計與實現(xiàn)

李力，聶成，彭軍

(1.湖北省氣象信息與技術(shù)保障中心，湖北 武漢 430074；2.襄陽市氣象局，湖北 襄陽 441021)

0 引言

雷電屬于氣象領(lǐng)域中的強放電現(xiàn)象，至今依然對森林防火和生命財產(chǎn)等社會安全領(lǐng)域構(gòu)成極大挑戰(zhàn)，也對航空、航天、供電、通訊等諸多社會生產(chǎn)部門帶來重大影響.雷電探測儀目前已經(jīng)大面積部署于氣象、部隊、電力、電信等國民安全骨干行業(yè)，組網(wǎng)后構(gòu)成雷電探測系統(tǒng)通過監(jiān)測雷電活動的范圍和頻度對重點目標進行預警預報，在氣象防災(zāi)減災(zāi)、衛(wèi)星火箭發(fā)射、雷擊定點監(jiān)測等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用.傳統(tǒng)的二維雷電探測儀只能探測云地閃和二維定位，無法測量云內(nèi)閃電，而且二維時差雷電探測系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)處理中心軟件定位算法簡單，監(jiān)視功能不全，數(shù)據(jù)處理量小，結(jié)果解算較慢[1-4].

三維雷電探測儀使用時差定位法，通過接收云閃、云地閃輻射的閃電回擊脈沖信號，可以解算出閃電輻射源的時間、位置、高度、強度、極性等重要參數(shù)信息，是目前升級傳統(tǒng)二維雷電探測系統(tǒng)的最佳方案[5-8].針對三維雷電探測系統(tǒng)接收處理數(shù)據(jù)量相比二維雷電探測系統(tǒng)增加數(shù)倍，定位算法相較二維系統(tǒng)復雜許多的狀況，使用C++ builder編程與C/S架構(gòu)開發(fā)三維雷電監(jiān)測和綜合分析系統(tǒng).重點闡明系統(tǒng)監(jiān)視軟件的功能模塊與關(guān)鍵處理設(shè)計，并通過湖北省三維雷電探測系統(tǒng)的實際運行分析，期望實現(xiàn)設(shè)計合理、信息及時、功能齊全、移植性強、友好直觀的三維雷電探測系統(tǒng)監(jiān)視軟件.

1 系統(tǒng)監(jiān)視軟件

1.1 軟件功能需求系統(tǒng)監(jiān)視子系統(tǒng)(system monitoring subsystem，SMS)在省級臺站雷電監(jiān)測與綜合分析系統(tǒng)中發(fā)揮核心作用.監(jiān)視子系統(tǒng)收到數(shù)據(jù)接收處理子系統(tǒng)(data accepting and processing subsystem，DAPS)從內(nèi)部傳輸控制協(xié)議(transmission control protocol，TCP)發(fā)來的探測子站配置與狀態(tài)信息，雷電回擊與定位結(jié)果等數(shù)據(jù)[9-11].收到的信息數(shù)據(jù)先分類再儲存，顯示為列表方式，并使用狀態(tài)信息判別此刻探測子站的狀態(tài)情況；還通過公共廣域網(wǎng)以用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議(user datagram protocol，UDP)接收DAPS、數(shù)據(jù)存儲子系統(tǒng)(data storage subsystem，DSS)發(fā)來的回擊數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、三維定位結(jié)果等統(tǒng)計信息和DAPS、DSS軟件的狀態(tài)信息.

1.2 軟件運行組成系統(tǒng)監(jiān)視子系統(tǒng)與數(shù)據(jù)存儲子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接收子系統(tǒng)(data accepting subsystem，DAS)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)(data processing subsystem，DPS)的運行環(huán)境關(guān)系如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)監(jiān)視軟件運行環(huán)境圖

根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)視軟件的功能，設(shè)計軟件由TCP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收、UDP組播數(shù)據(jù)收發(fā)、系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)視、探測儀狀態(tài)監(jiān)視、數(shù)據(jù)文件存儲等5個模塊組成，系統(tǒng)監(jiān)視軟件組成如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)監(jiān)視軟件部件組成圖

1)TCP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收模塊：通過網(wǎng)絡(luò)TCP協(xié)議建立與DAS、DPS的功能連接.接收DAS發(fā)送的探測站配置信息、回擊數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)，接收DPS發(fā)送的三維定位結(jié)果信息.

2)UDP組播數(shù)據(jù)收發(fā)模塊：通過網(wǎng)絡(luò)UDP協(xié)議定時向DAS、DPS、DSS發(fā)送軟件狀態(tài)巡檢信息，接收軟件返回的運行狀態(tài)、回擊數(shù)據(jù)統(tǒng)計、狀態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)計、三維定位結(jié)果統(tǒng)計信息.

3)系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)視模塊：以列表方式實時顯示系統(tǒng)最新接收的回擊數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、三維定位結(jié)果數(shù)據(jù)，以場景方式顯示與其他功能的交互狀態(tài).

4)探測儀狀態(tài)監(jiān)視模塊：根據(jù)接收到的探測儀狀態(tài)數(shù)據(jù)，判斷當前探測儀的狀態(tài)，提供人機交互界面，對探測儀的狀態(tài)進行監(jiān)視.

5)數(shù)據(jù)文件存儲模塊：存儲收到的回擊數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、三維定位結(jié)果數(shù)據(jù)和DAS、DPS、DSS的運行狀態(tài)信息，每天分別生成一個回擊數(shù)據(jù)文件、狀態(tài)數(shù)據(jù)文件、三維定位結(jié)果信息文件以及日志文件，每月形成一個獨立文件夾.系統(tǒng)監(jiān)視軟件的數(shù)據(jù)流程和控制流程如圖3所示.

圖3 系統(tǒng)監(jiān)視軟件數(shù)據(jù)流程和控制流程圖

2 軟件模塊設(shè)計

2.1 TCP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收模塊系統(tǒng)監(jiān)視軟件的身份為TCP服務(wù)器，其他軟件均作為客戶端與之連接；TCP交互雙方設(shè)計并實現(xiàn)各自軟件，發(fā)送方不會考慮由于發(fā)送數(shù)據(jù)速度過快造成的數(shù)據(jù)粘包，系統(tǒng)監(jiān)視軟件的TCP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收模塊需要對可能的沾包進行處理，做到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)不多、不少、不丟失、不增加.對于TCP交互可能出現(xiàn)的沾包現(xiàn)象，系統(tǒng)所做關(guān)鍵處理設(shè)計為：系統(tǒng)啟動時，構(gòu)造緩沖用于TCP數(shù)據(jù)接收和處理，同時創(chuàng)建一個整形變量，記錄處理后剩余的數(shù)據(jù)長度[11-13].TCP數(shù)據(jù)的接收和處理設(shè)計描述如下：

/*

接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，注意新接收的數(shù)據(jù)放在接收緩沖后面，其中_revlength為本次接收的數(shù)據(jù)長度，m_pTCPReceiveCache為系統(tǒng)設(shè)計的接收和處理緩沖，m_TcpProcessLeftDataLength為處理剩余的數(shù)據(jù)；

*/

_revlength=recv(_socket,(LPSTR)m_pTCPReceiveCache+m_TcpProcessLeftDataLength,MAX_LENGTH_TCPRECV,0);

m_TcpProcessLeftDataLength+=_ revlength;//剩余數(shù)據(jù)增加

_thisLength=GetFirstFrmLength();//獲取第一幀TCP數(shù)據(jù)的長度

/*如果剩余數(shù)據(jù)中有一個完整合法的數(shù)據(jù)，則對該完整消息進行處理*/

while(_thisLength ！=-1 && m_TcpProcessLeftDataLength>=_thisLength)

{

…//根據(jù)消息的種類對合法消息進行處理

Switch(接收數(shù)據(jù)種類)

{

Case 探測站配置信息：

對探測站配置信息進行解析，交由探測儀狀態(tài)監(jiān)視模塊對模塊進行初始化；

Break;

Case 回擊數(shù)據(jù)：

對回擊數(shù)據(jù)進行解析，交由數(shù)據(jù)文件存儲模塊存儲回擊數(shù)據(jù)

交由系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)視模塊以列表方式進行顯示；

Break;

Case 狀態(tài)數(shù)據(jù)：

對狀態(tài)數(shù)據(jù)進行解析，根據(jù)狀態(tài)數(shù)據(jù)判斷探測儀當前工作狀態(tài)；

交由數(shù)據(jù)文件存儲模塊存儲狀態(tài)數(shù)據(jù)

交由探測儀狀態(tài)監(jiān)視模塊進行顯示；

Break;

Case 三維定位結(jié)果數(shù)據(jù)：

對三維定位結(jié)果數(shù)據(jù)進行解析，交由數(shù)據(jù)文件存儲模塊存儲三維定位結(jié)果數(shù)據(jù)

交由系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)視模塊以列表方式進行顯示；

Break；

default:

Break;

}

m_TcpProcessLeftDataLength-=_thisLength;//剩余數(shù)據(jù)減少

if(m_TcpProcessLeftDataLength>0) //數(shù)據(jù)恢復

{

memcpy(m_pTCPReceiveCache,m_pTCPReceiveCache+_thisLength,

m_TcpProcessLeftDataLength);

_thisLength=GetFirstFrmLength();//獲取第一幀TCP數(shù)據(jù)的長度

}

}

2.2 UDP組播數(shù)據(jù)收發(fā)模塊UDP信息處理是UDP組播數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的關(guān)鍵.由于每一種消息數(shù)據(jù)字段的意義和格式不同，需要根據(jù)消息的種類進行不同處理，程序關(guān)鍵處理設(shè)計主流程如下：

//廣播數(shù)據(jù)處理

Void HandleUdpData(UCHAR* buffer,unsigned short len)

{

if(接收數(shù)據(jù)為DAS運行狀態(tài))

{

//殺掉DAS運行超時時鐘；

//交由數(shù)據(jù)文件存儲模塊存儲DAS的運行日志到日志文件

//交由系統(tǒng)監(jiān)視模塊以列表形式顯示DAS的運行日志；

}

else if(接收數(shù)據(jù)為DPS運行狀態(tài))

{

//殺掉DPS運行超時時鐘；

//交由數(shù)據(jù)文件存儲模塊存儲DPS的運行日志到日志文件

//交由系統(tǒng)監(jiān)視模塊以列表形式顯示DPS的運行日志；

}

else if(接收數(shù)據(jù)為DSS運行狀態(tài))

{

//殺掉DSS運行超時時鐘；

//交由數(shù)據(jù)文件存儲模塊存儲DSS的運行日志到日志文件

//交由系統(tǒng)監(jiān)視模塊以列表形式顯示DSS的運行日志；

}

}

2.3 系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)視模塊以列表方式實時顯示系統(tǒng)新接收的回擊數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、三維定位結(jié)果數(shù)據(jù)，以樹形結(jié)構(gòu)顯示各探測站點，并用圖標方式顯示當前探測儀的狀態(tài)信息[14-15].

1)回擊數(shù)據(jù)顯示字段包括：探測儀名稱，接收事件時間，地理位置，角度，強度，電磁場強度值，最陡點強度值，起點到峰點時間差，最陡點到峰點時間差，峰點到半周過零點時間差.

2)狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示字段包括：探測儀，地理位置，最近一次自檢開始時間，最近一次自檢通過標志，當前閾值，當前閾值平均通過率，最近一次自檢開始時GPS信息，10 MHz恒溫槽石英晶振頻率值的偏差.

3)三維定位結(jié)果信息顯示字段包括：時間，地理位置，峰值強度，最大陡度，誤差，定位方式，處理標志，定位站信息.

2.4 探測儀狀態(tài)監(jiān)視模塊根據(jù)收到的探測儀狀態(tài)數(shù)據(jù)，判斷當前探測儀狀態(tài)，探測儀狀態(tài)異常的可能原因：

1)長時間(暫定10分鐘)收不到探測儀發(fā)送的狀態(tài)數(shù)據(jù)；

2)狀態(tài)數(shù)據(jù)中參數(shù)值不合法，包括自檢通過值不等于1 024，GPS閾值不在[-10,10]的區(qū)間內(nèi)，晶振偏差閾值不在[-10,10]的區(qū)間內(nèi)，當前閾值不等于100，背景噪聲超過了1 000等；

3)發(fā)送的探測儀狀態(tài)數(shù)據(jù)時間碼沒有更新.根據(jù)上述原則，判斷探測儀狀態(tài)的關(guān)鍵設(shè)計如下：

Bool JudgeState(STATEDATA _statedata, STATEDATA _lastStateData)

{

//如果參數(shù)的值不合法則認為狀態(tài)異常

if(_statedata.resultofselftest!=1024||_statedata.DOP>10||_statedata.DOP<-10||_statedata.

DOP==0||_statedata.frequencyerr>10||||_statedata.frequencyerr<-10||_statedata.threshold!

=100||_statedata.TCR>1000)

return false;

if(本次狀態(tài)數(shù)據(jù)的時間碼和上一次的時間碼一致)

return false;

//備份本次狀態(tài)數(shù)據(jù)，把本次狀態(tài)數(shù)據(jù)賦值給備份狀態(tài)

//殺掉故障探測儀的狀態(tài)超時時鐘(在指定時間內(nèi)沒有收到狀態(tài)數(shù)據(jù)，則認為該探測儀故障)

//重新啟動超時時鐘

}

2.5 數(shù)據(jù)文件存儲模塊為確保每種文件每天生成一個，每月形成一個單獨的文件夾，系統(tǒng)設(shè)計軟件啟動時或每日凌晨零點(使用定時時鐘)創(chuàng)建回擊數(shù)據(jù)文件、狀態(tài)數(shù)據(jù)文件、三維定位結(jié)果數(shù)據(jù)文件和日志文件.以2021年7月為例，其目錄組織結(jié)構(gòu)如下：

Data

├─back//回擊數(shù)據(jù)目錄

│ └─202107//2021年7月目錄

├─log//日志數(shù)據(jù)目錄

│ └─202107//2021年7月目錄

├─pos//三維定位結(jié)果數(shù)據(jù)目錄

│ └─202107//2021年7月目錄

└─state//狀態(tài)數(shù)據(jù)目錄

└─202107//2021年7月目錄

回擊數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、三維定位結(jié)果數(shù)據(jù)、日志文件均以“某參數(shù)列”+“tab”+“其他參數(shù)列”的形式提供，以便使用Excel查看文件.

3 軟件系統(tǒng)應(yīng)用

針對本文中所述的三維雷電探測系統(tǒng)監(jiān)視軟件，專門開發(fā)了功能齊備、簡潔友好、面向用戶的雷電監(jiān)測和綜合分析系統(tǒng)界面，并與數(shù)據(jù)接收處理、系統(tǒng)監(jiān)視、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)再處理子系統(tǒng)構(gòu)成的省級臺站雷電探測系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)了軟件系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視查詢、采集數(shù)據(jù)分析以及其他功能模塊集成應(yīng)用[13-14]，驗證了上述系統(tǒng)軟件開發(fā)設(shè)計的可行性.

3.1 運行監(jiān)視功能將雷電監(jiān)測和綜合分析系統(tǒng)安裝部署于省級平臺，軟件可監(jiān)視接收處理后的湖北省三維雷電定位儀回擊與定位結(jié)果數(shù)據(jù)，如圖4所示.

圖4 軟件監(jiān)視回擊數(shù)據(jù)與定位結(jié)果

軟件系統(tǒng)用列表方式實時顯示最新接收的回擊數(shù)據(jù)和三維定位結(jié)果.站名、日期、時刻、緯度、經(jīng)度、強度、陡度、誤差和高度等信息排列于界面右側(cè)，數(shù)據(jù)信息用黑色與紅色表示探測結(jié)果可信與不可信.

3.2 狀態(tài)監(jiān)視功能三維雷電探測系統(tǒng)監(jiān)視軟件通過接收的狀態(tài)數(shù)據(jù)，判斷當前探測儀狀態(tài)，使用交互界面進行設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視，如圖5所示.

圖5 軟件監(jiān)視探測儀狀態(tài)

軟件系統(tǒng)以場景方式展示與TCP數(shù)據(jù)接收、UDP數(shù)據(jù)收發(fā)等其他功能的交互狀態(tài).探測站、IP地址、端口號，狀態(tài)數(shù)據(jù)、云地回擊、云間回擊的信息條數(shù)顯示于界面左側(cè)，設(shè)備狀態(tài)用綠色與紅色表示正常與異常.站名、地理位置、最近一次自檢開始時間、自檢通過標志、當前閾值、當前閾值平均通過率、自檢開始時GPS誤差值、定位儀編號、10 MHz恒溫槽石英晶振頻率值的偏差等實時信息顯示于界面右側(cè).

4 總結(jié)

本文中針對組網(wǎng)之后的三維雷電探測系統(tǒng)監(jiān)視功能需求，開發(fā)了省級臺站雷電監(jiān)測和綜合分析系統(tǒng)監(jiān)視軟件，設(shè)計了TCP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收、UDP組播數(shù)據(jù)收發(fā)、系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)視、探測儀狀態(tài)監(jiān)視、數(shù)據(jù)文件存儲5個模塊，實現(xiàn)了通過列表方式實時顯示系統(tǒng)最新接收的回擊數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、三維定位結(jié)果數(shù)據(jù).通過場景方式顯示與其他功能的交互情況；通過接收的狀態(tài)數(shù)據(jù)，判斷當前探測儀狀態(tài)，并提供人機交互界面，對探測儀狀態(tài)進行監(jiān)視；通過分類存儲收到的相關(guān)探測數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)信息，每天生成獨立的文件，每月形成獨立文件夾.利用湖北省三維雷電探測網(wǎng)構(gòu)建實驗平臺測試驗證系統(tǒng)運行與軟件功能的穩(wěn)定性和全面性，結(jié)果表明，系統(tǒng)監(jiān)視軟件設(shè)計合理、信息及時、功能齊全、移植性強、友好直觀，滿足三維雷電探測系統(tǒng)的監(jiān)視需求，對其他類型探測設(shè)備系統(tǒng)監(jiān)視軟件的設(shè)計與開發(fā)具有廣泛參考價值.