摘  要： 為了解決多普勒天氣雷達(dá)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)研發(fā)過程中并發(fā)線程難以進(jìn)行控制的問題，設(shè)計(jì)了一種多線程控制結(jié)構(gòu)，在充分利用目前發(fā)展水平的多普勒天氣雷達(dá)產(chǎn)品處理模塊的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)江蘇省全部多普勒天氣雷達(dá)站的實(shí)時(shí)監(jiān)控與數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。該控制結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，增強(qiáng)了對(duì)各雷達(dá)站點(diǎn)雷達(dá)基數(shù)據(jù)的監(jiān)控與產(chǎn)品處理能力。
關(guān)鍵詞： 多普勒天氣雷達(dá)；多線程；實(shí)時(shí)；控制結(jié)構(gòu)

    實(shí)時(shí)系統(tǒng)的開發(fā)過程中通常需要解決這樣的問題：實(shí)時(shí)地或軟實(shí)時(shí)地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并能夠及時(shí)地對(duì)用戶的操作做出響應(yīng)。由于數(shù)據(jù)的處理需要大量的計(jì)算，這勢必影響到系統(tǒng)對(duì)用戶操作的響應(yīng)。為了解決這一矛盾，多線程是必然的選擇[1]。實(shí)踐證明，實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，開辟與用戶操作無關(guān)的、專門負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理的線程可以解決這個(gè)問題。典型的應(yīng)用有激光雷達(dá)實(shí)時(shí)處理顯示系統(tǒng)[2]、遙測參數(shù)的實(shí)時(shí)判讀和傳輸監(jiān)控[3]、測震實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)保護(hù)系統(tǒng)[4]、基于主從異步復(fù)制技術(shù)的容災(zāi)實(shí)時(shí)系統(tǒng)[5]與基于多線程的實(shí)時(shí)信息處理系統(tǒng)[6]。多線程技術(shù)在這些系統(tǒng)中的成功應(yīng)用，為多普勒天氣雷達(dá)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)的研發(fā)提供了良好的參考與借鑒。
    在開發(fā)多普勒天氣雷達(dá)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)的過程中，如果系統(tǒng)并發(fā)開辟過多的產(chǎn)品處理線程，會(huì)造成系統(tǒng)本身甚至操作系統(tǒng)的崩潰，因此如何對(duì)系統(tǒng)中并發(fā)的線程進(jìn)行控制，成為系統(tǒng)開發(fā)成功的關(guān)鍵。本文采用了并發(fā)地處理各雷達(dá)站點(diǎn)、串行生成各站點(diǎn)目標(biāo)產(chǎn)品的折衷策略?？紤]到進(jìn)一步研發(fā)雷達(dá)產(chǎn)品的必要性以及未來增設(shè)雷達(dá)站點(diǎn)的可能性，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了一個(gè)二維的多線程控制結(jié)構(gòu)，因而可以較容易地?cái)U(kuò)展系統(tǒng)的目標(biāo)產(chǎn)品和能夠處理的雷達(dá)站點(diǎn)。
1 多普勒天氣雷達(dá)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
    目前江蘇省氣象部門擁有5部多普勒天氣雷達(dá)，另有2部在建，雷達(dá)監(jiān)測網(wǎng)已經(jīng)建成。如何充分利用該資源是目前氣象科研工作者的一項(xiàng)重要工作。除了已有的雷達(dá)產(chǎn)品外，科研人員應(yīng)用雷達(dá)基數(shù)據(jù)研究開發(fā)出多種適合于業(yè)務(wù)使用的雷達(dá)產(chǎn)品。目前已自行研發(fā)的雷達(dá)產(chǎn)品的生成算法先進(jìn)、穩(wěn)定、可靠，但在多算法、多數(shù)據(jù)集成工作上還略顯不足，研究成果的業(yè)務(wù)化效果不夠理想。為了對(duì)所有雷達(dá)站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)產(chǎn)品處理，使得這些研究成果適合在業(yè)務(wù)中使用，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了多普勒天氣雷達(dá)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)Χ鄠€(gè)雷達(dá)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)實(shí)施有效的監(jiān)控，并實(shí)時(shí)地將所有雷達(dá)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理成多個(gè)雷達(dá)產(chǎn)品，同時(shí)便于業(yè)務(wù)人員掌握并控制雷達(dá)數(shù)據(jù)的處理，因此特別適合業(yè)務(wù)推廣。
    系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。目前需要處理的數(shù)據(jù)來自南京、徐州、連云港、蘇州與南通5個(gè)雷達(dá)站點(diǎn)，這些站點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)轿募?wù)器上。多普勒天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)監(jiān)控文件服務(wù)器上的雷達(dá)數(shù)據(jù)，并發(fā)地開辟與站點(diǎn)數(shù)目對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品處理線程，由用戶控制系統(tǒng)生成各雷達(dá)站點(diǎn)的目標(biāo)產(chǎn)品。

    系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖2所示。由于目標(biāo)產(chǎn)品的生成都依賴于雷達(dá)數(shù)據(jù)的讀取，需事先監(jiān)控雷達(dá)數(shù)據(jù)的傳輸是否已經(jīng)完成，雷達(dá)數(shù)據(jù)6 min到達(dá)一次，因此必須在6 min之內(nèi)，即在下一個(gè)雷達(dá)數(shù)據(jù)到達(dá)之前將所有站點(diǎn)的雷達(dá)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理成多個(gè)目標(biāo)產(chǎn)品。其中包括雨量直方圖產(chǎn)品、CAPPI(等高平面位置顯示)產(chǎn)品、VIL(垂直累積液態(tài)含水量)產(chǎn)品、TREC風(fēng)場產(chǎn)品、OHP產(chǎn)品、Div(散度)產(chǎn)品、雨量預(yù)報(bào)產(chǎn)品(包括1 h雨量、2 h雨量和3 h雨量)以及與這些產(chǎn)品相關(guān)的圖片產(chǎn)品。所有目標(biāo)產(chǎn)品的生成過程都由線程來實(shí)現(xiàn)，用戶通過多線程控制結(jié)構(gòu)來控制目標(biāo)產(chǎn)品的生成，并在人機(jī)界面中進(jìn)行消息的實(shí)時(shí)顯示以及對(duì)用戶選定的產(chǎn)品進(jìn)行顯示。

    由于各個(gè)產(chǎn)品處理線程運(yùn)用自身已有的方式各取所需，因此對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)的讀取可以串行進(jìn)行，避免了各個(gè)產(chǎn)品處理部分之間數(shù)據(jù)訪問的沖突，同時(shí)也無需使用其他機(jī)制控制數(shù)據(jù)的訪問。如何實(shí)現(xiàn)并行處理各雷達(dá)站點(diǎn)、串行生成目標(biāo)產(chǎn)品的策略以及各產(chǎn)品處理線程的執(zhí)行可視化等系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵部分都是通過多線程控制結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。
2 多線程控制結(jié)構(gòu)
    陣列邏輯控制器采用陣列邏輯的方法構(gòu)成組合邏輯控制電路，一種實(shí)現(xiàn)控制器的電路結(jié)構(gòu)是可編程邏輯陣列(PLA)結(jié)構(gòu)，如圖3所示，其中對(duì)門電路的輸入端作了簡化表示[7]。陣列中每個(gè)交叉點(diǎn)可以像寫ROM一樣進(jìn)行設(shè)置，這種設(shè)置的過程稱為編程。

    基于可編程邏輯陣列的啟發(fā)，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)多線程控制結(jié)構(gòu)?？梢詫⑦@個(gè)控制結(jié)構(gòu)看作一個(gè)M行N列的二維數(shù)組，其中行定義了需要生成的M種雷達(dá)產(chǎn)品，列定義了需要監(jiān)控的N個(gè)雷達(dá)站點(diǎn)。這里用Control[M][N]表示這個(gè)二維數(shù)組，Control[i][j]則代表了是否可以開始第j個(gè)雷達(dá)站點(diǎn)的第i個(gè)產(chǎn)品處理過程。若Control[i][j]為true，則當(dāng)前可以開始雷達(dá)站點(diǎn)j的第i個(gè)產(chǎn)品處理過程；若Control[i][j]為false，則表明對(duì)雷達(dá)站點(diǎn)j中的第i個(gè)產(chǎn)品已經(jīng)處理完畢或正在等待處理。需要注意的是第0行代表了雷達(dá)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)是否已經(jīng)傳輸?shù)搅朔?wù)器上，只有當(dāng)?shù)?行為true時(shí)才能開始各項(xiàng)目標(biāo)產(chǎn)品的處理，否則系統(tǒng)中不存在任何產(chǎn)品處理過程。通過圖4的多線程控制結(jié)構(gòu)可以很容易地實(shí)現(xiàn)并發(fā)處理各雷達(dá)站點(diǎn)、串行生成目標(biāo)產(chǎn)品的策略。具體地只需要控制這個(gè)結(jié)構(gòu)使得每一列都只有一個(gè)為true，而各列之間的不同元素可以同時(shí)為true即可。系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況表明，不同時(shí)并發(fā)地將所有雷達(dá)站點(diǎn)的雷達(dá)數(shù)據(jù)處理成所有的目標(biāo)產(chǎn)品，而是采用這種并發(fā)與串行相結(jié)合的方式，有效地控制了系統(tǒng)產(chǎn)品處理線程的數(shù)量，減輕了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)對(duì)內(nèi)存和CPU的需求，同時(shí)也不影響人機(jī)之間的交互。

    通過多線程控制結(jié)構(gòu)的狀態(tài)可以準(zhǔn)確得到系統(tǒng)在某一時(shí)刻開辟了哪些產(chǎn)品處理線程。如果用當(dāng)前各站點(diǎn)正在處理的產(chǎn)品的索引來表示控制結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，則圖5中控制結(jié)構(gòu)的4個(gè)狀態(tài)可以編碼為11111、12254、33445、56555。與可編程邏輯通過對(duì)圖3中的交叉點(diǎn)進(jìn)行編程設(shè)置一樣，用戶可以對(duì)控制結(jié)構(gòu)中交叉點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置，即對(duì)多線程控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行編碼，控制系統(tǒng)生成用戶所指定的目標(biāo)產(chǎn)品。

3 產(chǎn)品處理過程
    系統(tǒng)的主要處理過程包含2個(gè)定時(shí)器。
    數(shù)據(jù)檢測定時(shí)器：為各個(gè)雷達(dá)站點(diǎn)開辟各自相應(yīng)的數(shù)據(jù)檢測線程，每6 min進(jìn)行一次數(shù)據(jù)檢測。當(dāng)檢測到雷達(dá)站點(diǎn)j的數(shù)據(jù)已經(jīng)傳輸完成，數(shù)據(jù)檢測線程將Control[0][j]設(shè)置為true，以此通知產(chǎn)品處理定時(shí)器可以開始站點(diǎn)j的各項(xiàng)產(chǎn)品處理過程。
    產(chǎn)品處理定時(shí)器：輪詢多線程并行控制結(jié)構(gòu)，以便為各個(gè)站點(diǎn)開辟目標(biāo)產(chǎn)品的處理線程。如果站點(diǎn)j的產(chǎn)品i-1已經(jīng)處理完成，即Control[i-1][j]為true，則說明可以開辟產(chǎn)品i的處理線程；否則需要等待下一次輪詢，直到Control[i-1][j]為true時(shí)，才能開始產(chǎn)品i的處理。產(chǎn)品i處理完成之后，自動(dòng)地將Control[i][j]設(shè)置為true，以表明當(dāng)前產(chǎn)品已經(jīng)處理完畢，以便進(jìn)行下一個(gè)產(chǎn)品的處理過程。這里需要注意，為了避免開辟相同的產(chǎn)品處理線程，開辟產(chǎn)品處理線程i之前，應(yīng)先將Control[i-1][j]設(shè)置為false，以保證每一列要么全為false，要么只有一個(gè)true。
    Div散度產(chǎn)品的處理過程中需要耗費(fèi)巨大的內(nèi)存，不適合在多個(gè)站點(diǎn)之間并發(fā)處理，因此將Div散度產(chǎn)品視作一個(gè)關(guān)鍵產(chǎn)品，各站點(diǎn)之間串行生成Div散度產(chǎn)品，即使系統(tǒng)中每一時(shí)刻最多只有一個(gè)這樣的關(guān)鍵產(chǎn)品處理過程。由于整體上串行處理Div產(chǎn)品，當(dāng)各個(gè)站點(diǎn)都要進(jìn)行Div產(chǎn)品處理時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生各個(gè)站點(diǎn)對(duì)Div產(chǎn)品的競爭。開發(fā)過程中賦予每個(gè)站點(diǎn)一個(gè)Div產(chǎn)品的處理權(quán)，并在各個(gè)站點(diǎn)之間傳遞這個(gè)處理權(quán)，即只有當(dāng)前擁有處理權(quán)的站點(diǎn)才能進(jìn)行Div產(chǎn)品的處理，從而使Div產(chǎn)品的處理在整體上進(jìn)行串行處理。
    為了提高產(chǎn)品生成過程的實(shí)時(shí)性，一旦站點(diǎn)j完成Div產(chǎn)品的生成，則立刻將Div產(chǎn)品的處理權(quán)傳遞給站點(diǎn)j+1；通過多線程控制結(jié)構(gòu)，站點(diǎn)j+1獲知自己已經(jīng)得到了Div產(chǎn)品的處理權(quán)，則立即開始Div產(chǎn)品的處理。這里存在一個(gè)潛在的問題，即一旦某個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸因?yàn)槟承┰蚨鴷簳r(shí)中斷或停止，則這個(gè)站點(diǎn)的Div產(chǎn)品的處理權(quán)難以自動(dòng)傳遞給下一個(gè)站點(diǎn)。為此，每個(gè)站點(diǎn)附加了一個(gè)計(jì)數(shù)器，通過這個(gè)計(jì)數(shù)器來指定限制某個(gè)站點(diǎn)掌握Div產(chǎn)品處理權(quán)的時(shí)間。只有當(dāng)前獲得處理權(quán)的站點(diǎn)才能進(jìn)行計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)，一旦計(jì)數(shù)器超過了預(yù)設(shè)的上限，則強(qiáng)制其交出處理權(quán)。這樣使每個(gè)站點(diǎn)不能無限制地?fù)碛刑幚頇?quán)，從而解決了由于數(shù)據(jù)傳輸中斷而引發(fā)的處理權(quán)難以傳遞的問題。
    假設(shè)當(dāng)前系統(tǒng)需要將5個(gè)雷達(dá)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)分別生成6個(gè)目標(biāo)產(chǎn)品，圖5所示為從一次數(shù)據(jù)處理過程中選取的控制結(jié)構(gòu)的幾個(gè)狀態(tài)，其中產(chǎn)品6為一個(gè)關(guān)鍵產(chǎn)品。圖的底部是為各站點(diǎn)設(shè)置的計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，這里設(shè)置計(jì)數(shù)器的上限是400。第1個(gè)狀態(tài)代表數(shù)據(jù)檢測線程檢測到雷達(dá)數(shù)據(jù)之后，剛剛開始進(jìn)行各個(gè)雷達(dá)站點(diǎn)第一個(gè)產(chǎn)品的處理，此時(shí)第0個(gè)站點(diǎn)擁有對(duì)關(guān)鍵產(chǎn)品的處理權(quán)。由第2個(gè)狀態(tài)可以看出對(duì)各站點(diǎn)數(shù)據(jù)的并行處理過程是不同步的。對(duì)比第3個(gè)和第4個(gè)狀態(tài)圖可知雖然第4個(gè)雷達(dá)站點(diǎn)首先將除了關(guān)鍵產(chǎn)品6之外的其他產(chǎn)品處理完畢，但是卻不能最先處理產(chǎn)品6；第4個(gè)狀態(tài)圖可以解釋為由于站點(diǎn)0的計(jì)數(shù)器在其處理產(chǎn)品6之前已經(jīng)超過了設(shè)定的閾值，站點(diǎn)0被迫提早將產(chǎn)品6的處理權(quán)交給了站點(diǎn)1，因此站點(diǎn)1首先進(jìn)行產(chǎn)品6的處理。由于系統(tǒng)中每一時(shí)刻只有一個(gè)站點(diǎn)擁有對(duì)關(guān)鍵產(chǎn)品的處理權(quán)，假設(shè)此時(shí)各站點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸正常，且產(chǎn)品6的處理過程將在計(jì)數(shù)器到達(dá)閾值之前結(jié)束并傳遞產(chǎn)品6的處理權(quán)給下一個(gè)站點(diǎn)。如果將此時(shí)產(chǎn)品6的各站點(diǎn)處理權(quán)編碼為01000，則各站點(diǎn)對(duì)產(chǎn)品6的處理權(quán)循環(huán)編碼為01000、00100、00010、00001、10000，1所在的位為擁有處理權(quán)的站點(diǎn)。對(duì)應(yīng)的多線程并行控制結(jié)構(gòu)狀態(tài)的編碼為56555、60655、50065、50006、60000，每個(gè)狀態(tài)中只存在一個(gè)6。
    本文結(jié)合一個(gè)類似可編程陣列控制邏輯的多線程并行控制結(jié)構(gòu)，完成了對(duì)江蘇省多普勒天氣雷達(dá)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)在Windows下開發(fā)，目前并發(fā)處理5個(gè)站點(diǎn)雷達(dá)數(shù)據(jù)的時(shí)間平均只需1 min～2 min，其中包括16幅雷達(dá)產(chǎn)品圖片。與此同時(shí)，用戶可以方便地知道系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)刻開辟了哪些產(chǎn)品處理線程，同時(shí)可以方便地對(duì)各站點(diǎn)所需生成的產(chǎn)品進(jìn)行控制。系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行表明，系統(tǒng)運(yùn)用時(shí)，橫向上至少可以對(duì)10個(gè)雷達(dá)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，與此同時(shí)縱向上仍可以擴(kuò)展添加新的雷達(dá)產(chǎn)品。由于可以方便地對(duì)控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)展，未來進(jìn)一步的工作可以集中在各種雷達(dá)產(chǎn)品的研發(fā)上，提高各產(chǎn)品生成算法的效率以及系統(tǒng)的擴(kuò)展性。
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