摘  要： 為了解決多普勒天氣雷達(dá)實時處理系統(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，實現(xiàn)了對江蘇省全部多普勒天氣雷達(dá)站的實時監(jiān)控與數(shù)據(jù)的實時處理,。該控制結(jié)構(gòu)的應(yīng)用,，增強(qiáng)了對各雷達(dá)站點雷達(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,；實時；控制結(jié)構(gòu)

    實時系統(tǒng)的開發(fā)過程中通常需要解決這樣的問題：實時地或軟實時地對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,，并能夠及時地對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算，這勢必影響到系統(tǒng)對用戶操作的響應(yīng),。為了解決這一矛盾,，多線程是必然的選擇[1]。實踐證明,，實時系統(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問題,。典型的應(yīng)用有激光雷達(dá)實時處理顯示系統(tǒng)[2],、遙測參數(shù)的實時判讀和傳輸監(jiān)控[3],、測震實時數(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)實時系統(tǒng)[5]與基于多線程的實時信息處理系統(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)實時處理系統(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)實時處理系統(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，會造成系統(tǒng)本身甚至操作系統(tǒng)的崩潰,，因此如何對系統(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,、串行生成各站點目標(biāo)產(chǎn)品的折衷策略,。考慮到進(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)站點的可能性,，系統(tǒng)的設(shè)計采用了一個二維的多線程控制結(jié)構(gòu),，因而可以較容易地擴(kuò)展系統(tǒng)的目標(biāo)產(chǎn)品和能夠處理的雷達(dá)站點。
1 多普勒天氣雷達(dá)實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計
    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。為了對所有雷達(dá)站點數(shù)據(jù)進(jìn)行實時產(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)計開發(fā)了多普勒天氣雷達(dá)實時處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)Χ鄠€雷達(dá)站點的數(shù)據(jù)實施有效的監(jiān)控,，并實時地將所有雷達(dá)站點的數(shù)據(jù)處理成多個雷達(dá)產(chǎn)品,，同時便于業(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個雷達(dá)站點,，這些站點的數(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)實時處理系統(tǒng)監(jiān)控文件服務(wù)器上的雷達(dá)數(shù)據(jù),，并發(fā)地開辟與站點數(shù)目對應(yīng)的產(chǎn)品處理線程,，由用戶控制系統(tǒng)生成各雷達(dá)站點的目標(biāo)產(chǎn)品。

    系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖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),，即在下一個雷達(dá)數(shù)據(jù)到達(dá)之前將所有站點的雷達(dá)數(shù)據(jù)實時處理成多個目標(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)行消息的實時顯示以及對用戶選定的產(chǎn)品進(jìn)行顯示,。

    由于各個產(chǎn)品處理線程運用自身已有的方式各取所需，因此對雷達(dá)數(shù)據(jù)的讀取可以串行進(jìn)行,，避免了各個產(chǎn)品處理部分之間數(shù)據(jù)訪問的沖突,，同時也無需使用其他機(jī)制控制數(shù)據(jù)的訪問。如何實現(xiàn)并行處理各雷達(dá)站點,、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)計與實現(xiàn)的關(guān)鍵部分都是通過多線程控制結(jié)構(gòu)來實現(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,，其中對門電路的輸入端作了簡化表示[7]。陣列中每個交叉點可以像寫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)計了一個多線程控制結(jié)構(gòu),?？梢詫⑦@個控制結(jié)構(gòu)看作一個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個雷達(dá)站點,。這里用Control[M][N]表示這個二維數(shù)組,，Control[i][j]則代表了是否可以開始第j個雷達(dá)站點的第i個產(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j的第i個產(chǎn)品處理過程,；若Control[i][j]為false，則表明對雷達(dá)站點j中的第i個產(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時才能開始各項目標(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)可以很容易地實現(xiàn)并發(fā)處理各雷達(dá)站點、串行生成目標(biāo)產(chǎn)品的策略,。具體地只需要控制這個結(jié)構(gòu)使得每一列都只有一個為true,，而各列之間的不同元素可以同時為true即可。系統(tǒng)的實際運行情況表明,，不同時并發(fā)地將所有雷達(dá)站點的雷達(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)運行時對內(nèi)存和CPU的需求,，同時也不影響人機(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)在某一時刻開辟了哪些產(chǎn)品處理線程,。如果用當(dāng)前各站點正在處理的產(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個狀態(tài)可以編碼為11111、12254,、33445,、56555。與可編程邏輯通過對圖3中的交叉點進(jìn)行編程設(shè)置一樣,，用戶可以對控制結(jié)構(gòu)中交叉點進(jìn)行設(shè)置,，即對多線程控制結(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個定時器,。
    數(shù)據(jù)檢測定時器：為各個雷達(dá)站點開辟各自相應(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)品處理定時器可以開始站點j的各項產(chǎn)品處理過程,。
    產(chǎn)品處理定時器：輪詢多線程并行控制結(jié)構(gòu),，以便為各個站點開辟目標(biāo)產(chǎn)品的處理線程。如果站點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,，才能開始產(chǎn)品i的處理,。產(chǎn)品i處理完成之后，自動地將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true。
    Div散度產(chǎn)品的處理過程中需要耗費巨大的內(nèi)存,，不適合在多個站點之間并發(fā)處理,，因此將Div散度產(chǎn)品視作一個關(guān)鍵產(chǎn)品，各站點之間串行生成Div散度產(chǎn)品,，即使系統(tǒng)中每一時刻最多只有一個這樣的關(guān)鍵產(chǎn)品處理過程,。由于整體上串行處理Div產(chǎn)品，當(dāng)各個站點都要進(jìn)行Div產(chǎn)品處理時,，將會產(chǎn)生各個站點對Div產(chǎn)品的競爭,。開發(fā)過程中賦予每個站點一個Div產(chǎn)品的處理權(quán)，并在各個站點之間傳遞這個處理權(quán),，即只有當(dāng)前擁有處理權(quán)的站點才能進(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)品生成過程的實時性,，一旦站點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j+1；通過多線程控制結(jié)構(gòu),，站點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。這里存在一個潛在的問題,，即一旦某個站點的數(shù)據(jù)傳輸因為某些原因而暫時中斷或停止,，則這個站點的Div產(chǎn)品的處理權(quán)難以自動傳遞給下一個站點。為此,，每個站點附加了一個計數(shù)器,，通過這個計數(shù)器來指定限制某個站點掌握Div產(chǎn)品處理權(quán)的時間,。只有當(dāng)前獲得處理權(quán)的站點才能進(jìn)行計數(shù)器的計數(shù)，一旦計數(shù)器超過了預(yù)設(shè)的上限,，則強(qiáng)制其交出處理權(quán),。這樣使每個站點不能無限制地?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個雷達(dá)站點的數(shù)據(jù)分別生成6個目標(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)的幾個狀態(tài)，其中產(chǎn)品6為一個關(guān)鍵產(chǎn)品,。圖的底部是為各站點設(shè)置的計數(shù)器的計數(shù)值,，這里設(shè)置計數(shù)器的上限是400。第1個狀態(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)行各個雷達(dá)站點第一個產(chǎn)品的處理,，此時第0個站點擁有對關(guān)鍵產(chǎn)品的處理權(quán)。由第2個狀態(tài)可以看出對各站點數(shù)據(jù)的并行處理過程是不同步的,。對比第3個和第4個狀態(tài)圖可知雖然第4個雷達(dá)站點首先將除了關(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個狀態(tài)圖可以解釋為由于站點0的計數(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0被迫提早將產(chǎn)品6的處理權(quán)交給了站點1，因此站點1首先進(jìn)行產(chǎn)品6的處理,。由于系統(tǒng)中每一時刻只有一個站點擁有對關(guān)鍵產(chǎn)品的處理權(quán),，假設(shè)此時各站點的數(shù)據(jù)傳輸正常，且產(chǎn)品6的處理過程將在計數(shù)器到達(dá)閾值之前結(jié)束并傳遞產(chǎn)品6的處理權(quán)給下一個站點,。如果將此時產(chǎn)品6的各站點處理權(quán)編碼為01000,，則各站點對產(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,。對應(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,，每個狀態(tài)中只存在一個6,。
    本文結(jié)合一個類似可編程陣列控制邏輯的多線程并行控制結(jié)構(gòu)，完成了對江蘇省多普勒天氣雷達(dá)實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn),。系統(tǒng)在Windows下開發(fā),，目前并發(fā)處理5個站點雷達(dá)數(shù)據(jù)的時間平均只需1 min～2 min，其中包括16幅雷達(dá)產(chǎn)品圖片。與此同時,，用戶可以方便地知道系統(tǒng)當(dāng)前時刻開辟了哪些產(chǎn)品處理線程,，同時可以方便地對各站點所需生成的產(chǎn)品進(jìn)行控制。系統(tǒng)的實際運行表明,，系統(tǒng)運用時,，橫向上至少可以對10個雷達(dá)站點的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，與此同時縱向上仍可以擴(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,。
參考文獻(xiàn)
[1] BEVERIDGE J,，WIENER R.Win32多線程編程設(shè)計[M].  候捷，譯.武漢：華中科技大學(xué)出版社,，2002.
[2] 方欣,，胡順星，趙培濤,，等.ATS-1激光雷達(dá)實時處理顯示系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機(jī)工程,，2009，35(11)：276-279.
[3] 趙文策,，苗巖松.利用多線程技術(shù)實現(xiàn)遙測參數(shù)的實時判讀和傳輸監(jiān)控[J].導(dǎo)彈試驗技術(shù),，2009(1)：22-24.
[4] 盛琰，畢卉娟.測震實時數(shù)據(jù)保護(hù)系統(tǒng)的建立及應(yīng)用[J].內(nèi)陸地震,，2005,，19(2)：181-184.
[5] 楊朝紅，宮云戰(zhàn),，桑偉前,，等.基于主從異步復(fù)制技術(shù)的容災(zāi)實時系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[J].計算機(jī)研究與發(fā)展，2003,，40(7)：1104-1109.
[6] 張堅英,，詹彩菊.基于多線程的實時信息處理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].導(dǎo)彈試驗技術(shù)，2009(1)：37-39,，53.
[7] 胡越明.計算機(jī)組成和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1999：219-223.