为推动国内太阳射电天文观测技术的发展，我国天文学家提出建设的明安图射电频谱日像仪已经全面建成^[1]。该设备可以在厘米-分米波段对太阳同时进行高空间、高时间和高频率观测，观测所得数据可以更好地研究太阳活动。项目分两期建设，第1期是MUSER-I低频阵 (0.4~2 GHz)，由40个4.5 m的天线组成，在64个频率上成像；第2期MUSER-Ⅱ高频阵 (2~15 GHz)，由60面2 m的天线组成，在528个频率上成像。

明安图射电频谱日像仪的数据处理系统是整个项目的关键组成部分，设计并实现快速、可靠、方便的数据处理软件已成为发挥望远镜作用的重要支撑。当前基于浏览器/服务器 (B/S) 模式开发网络应用软件已经成为软件开发的主流，一方面，这一类软件具有高移植性的特点；另一方面，网络应用软件无需部署，对后期维护非常有利。从长远建设来看，实现一个具有友好人机交互的网络界面，集成相应的数据处理程序，满足现场观测以及远程数据处理的要求是非常必要的。

开发网络应用可用的技术很多，最为常见的是基于J2EE或者.NET技术，分别采用Java与C#语言开发。一般来说，这一类软件存在部署运行环境复杂、开发周期较长等不足。近年来，天文软件开发大多采用Python语言，明安图射电频谱日像仪的数据处理系统也是基于Python开发完成。为了更好地和数据处理系统集成和交互，明安图射电频谱日像仪的网络用户界面同样采用Python语言开发。本文首先介绍了数据处理系统的架构及操作界面的功能，接着讨论了轻量级网络框架Web.py的内部组件交互流程，重点讨论了使用Python语言和Web.py进行快速开发的方法，以及如何利用Web.py框架实现网络界面与功能封装。

1 明安图射电频谱日像仪数据处理系统

随着望远镜性能的显著提升，产生的数据成倍增长，处理过程日趋复杂，计算机软件系统已成为天文数据处理中不可或缺的工具。天文软件系统可以分为数据处理和数据发布两大类。数据处理软件一般部署于本地，采用单机或计算机集群方式完成观测数据的处理，包括最为常见的IDL、CASA、AIPS等。数据发布软件一般基于网络应用和表述性状态传递 (Representational State Transfer, REST) 风格的网络服务发布技术，如虚拟天文台中的锥形检索等。

在明安图射电频谱日像仪的日常数据处理中，包含了两方面的需求，一是对历史数据的处理，另外一个是每5秒钟的采样观测数据的实时处理。为了满足高速数据处理的需求，开发和实现了一套部署于明安图观测站的高性能计算系统^[2]。同时为了天文学家离线处理的需要，开发了一套可运行在单机上的客户端软件，实现与CASA类似的功能。日像仪软件系统整体功能结构如图 1，主要包括3部分，分别用于核心数据处理、用于交互的用户界面以及数据库。核心数据处理模块采用Opencluster^[3]框架，支持分布式任务调度。核心的底层数据获取、数据处理 (包括CLEAN、FFT、IFFT等)、数据存储 (UVFITS等) 等功能已经基于Python开发完成^[4-5]，并通过Opencluster实现整个计算资源的分配和调度。软件系统采用MySQL数据库存储数据处理中的若干关键参数，如光纤传输时延、气象数据等^[6]，同时为了提高查询速度，也支持将数据导出到Redis内存数据库。用户界面主要实现数据处理任务提交、天线状态维护、自动气象站和卫星数据修正配置等功能。

目前，明安图射电频谱日像仪已经实现了与CASA操作类似的命令行 (CLI) 接口^[7]，但命令行方式存在命令多、表现方式不直观等不足。为了进一步提高数据处理系统的使用效率，使用Web.py开发了更为友好的数据处理系统交互界面。

2 Web.py框架分析

Web.py^[8]是一个纯Python实现的轻量级网络应用开发框架，支持模型-视图-控制器 (Model View Controller, MVC) 模式开发，可通过简单的编程将普通的Python类映射为请求处理对象，原生支持编写REST架构风格的网络服务，当前的版本是0.38。Web.py提供了最小化的网络服务器，可以作为一个独立的守护进程运行，或者借助于网络服务器网关接口 (Web Server Gateway Interface, WSGI) 在任何兼容它的服务器上运行。

Web.py不依赖于其他第三方Python库，可以下载官方的二进制包 (http://webpy.org/static/web.py-0.38.tar.gz)，解压缩后执行python setup.py install命令进行安装，也可以通过easy_install或pip方式安装。

Web.py框架执行过程主要在application.py、wsgi.py、httpserver.py和wsgiserver目录的模块初始化文件_init_.py这4个文件中定义。application.py是一个网络应用运行的入口；wsgi.py是将网络应用运行在内置的简单的网络服务器，或者兼容WSGI标准的服务器 (如FastCGI)；httpserver.py是内置的网络服务器，符合WSGI规范；wsgiserver目录中的_init_.py文件负责创建服务器，接收客户端请求，并响应请求。从浏览器访问开始，Web.py的内部执行流程如图 2。

Web.py中网络应用在构建时，需传入统一资源定位符 (Uniform Resource Locator, URL)，它是访问当前网络应用的相对路径和负责处理该路径请求的Python类的一个二元组的集合。每当浏览器发出新的请求，Web.py将请求的路径和URLs中路径做匹配，最终将请求代理到定义的Python类中相应的方法执行。应用启动时，在wsgi.py文件中根据环境变量配置不同，分别启动不同的WSGI处理器 (FastCGI、flup、内置简单网络服务器)。启动内置网络服务器时，首先调用httpserver.py中的runsimple方法，runsimple方法再调用WSGIServer方法，WSGIServer中创建使用了CherryPy的基于线程池的WSGI服务器，其类的定义为CherryPyWSGIServer。

CherryPyWSGIServer的构造函数中，执行初始化线程池、WSGI网关等操作。启动服务器时执行CherryPyWSGIServer的基类HTTPServer中的start方法，在指定地址和端口监听客户端请求，具体的请求处理，由执行请求任务的WorkerThread线程处理。

3 交互界面设计

数据处理系统用户界面需要实现天线状态、天线位置、气象条件、光纤延迟等数据维护及数据处理任务提交等功能。本节重点介绍使用Web.py开发过程中几个关键技术。

3.1 URL设计与处理

就一个网络应用而言，URL的组织是最重要的部分，良好的URL设计能清晰地表达整个网络应用软件的控制思路。Web.py中URL的定义支持RESTful的格式，RESTful的URL具有结构清晰、符合标准、易于理解、扩展方便等优点，因此网络交互界面的URL也使用RESTful设计。

REST中包含了两个重要概念，一是资源，二是状态转移。资源代表了操作对象，通常是名词，命名方式一般和数据库的表名对应。表 1列出了网络交互界面的部分类和资源的对应关系。状态转移代表了对资源的操作导致资源的状态发生变化，具体到HTTP协议中就是4个表示操作方式的动词：GET，POST，PUT和DELETE，正好对应到增、删、查、找 (Create，Read，Update，Delete，CURD)4种数据操作。在Web.py框架实现GET，POST，PUT，DELETE方法，只需要在相应的处理类中定义同名的函数即可。系统主要用到GET和POST两种请求，GET请求用于获取数据，POST请求主要用于插入或者修改数据时提交新的表单请求。

Web.py的URL控制模式简单、灵活。网络应用启动时，需要将所有URL和Python类的映射关系统一定义在一个元组列表中，元组的格式为：(“URL相对路径”，“处理类”)，例如表 1中对天线的操作，使用的路径是“/antenna”，处理类是“Antenna”，则元组的定义为 (“/antenna”，“Antenna”)。

此外，Web.py提供了强大的正则表达式设计更灵活的URL路径，例如查询一个计算任务状态的URL可以定义为“/job/(.+)”，在/job/后面的内容会被捕捉，然后作为参数被用在GET或POST方法中。假设一个计算任务ID为10，可以使用“/job/10”查询其执行状态。“/job/10”能成功匹配“/job/(.+)”，在具体查询的处理类中可以获得这个计算任务ID，再执行具体的查询，并返回结果。

3.2 数据库操作

Web.py支持多种数据库操作。Web.py封装了各种数据库的操作，支持事务，提供了简单易用的应用程序编程接口，如表 2。具体和数据库的底层操作需要借助于相应数据库操作模块，如MySQL的Python库MySQLdb，SQLServer的Python库pymssql。Web.py的数据库部分的相关代码在db.py文件中，入口函数是database ()。根据dbn (数据库名) 从dict里查找对应类型数据库的实现类，再用其余参数初始化这个数据库实现类，返回具体的数据库操作对象，使用这个对象实现对数据库表执行增、删、改、查的操作。

数据处理系统用到了MySQL和Sqlite数据库，以及Redis内存存储。其中MySQL作为主数据库支持读写操作，Sqlite在单机版处理系统使用，Redis主要在分布式环境中使用。系统定时将MySQL的数据导出到Sqlite和Redis，Sqlite和Redis在数据处理系统中提供只读操作，以保障数据的一致性。Redis是一个基于内存键值存储系统，支持高速高并发的读写操作，为明安图射电频谱日像仪的分布式处理环境气象、天线相关参数的高速访问提供了保障。Redis不是关系型数据库，它的访问和操作需要使用Python的redis库。

3.3 模板渲染

网络框架都提供模板技术实现复杂的网络页面，Web.py也不例外。Web.py的模板功能实现的源码在template.py文件中。Web.py的模板语言使得可以在模板文件HTML中使用Python语言的强大功能，每一个HTML文件必须在第1行通过＄def with () 定义在该文件中用到的所有变量，这些变量名需要和Python中返回模板文件的变量命名一致，在HTML中就可以直接使用这些变量。

Web.py模板的强大之处除了引用Python中变量，还支持流程控制，语法与Python类似。控制结构语句前面需要加上“＄”，可以实现for、while、if、elif和else等语句。如明安图射电频谱日像仪中的任务处理列表的部分模板如下：

Web.py的模板支持在Python中Render渲染模板文件，也可以直接渲染HTML的字符串。如显示气象数据列表，需要匹配weather.html模板，使用如图 3的代码。

明安图射电频谱日像仪中使用一个专门的模板文件夹templates，存放所有的模板文件。响应客户端请求时，Web.py从模板目录寻找模板文件，匹配相应的模板文件后，渲染这个模板文件并返回浏览器。Web.py支持模板嵌套，可以使用base指定母模板。

4 系统界面

基于Web.py开发的数据处理系统用户界面已基本开发完成并应用到实际数据处理中，前端使用Bootstrap构建了响应式页面，系统界面如图 4。系统实现了在命令行界面配置系统参数，为多方面数据 (原始数据、异常天线信息、仪器状态、天气) 的录入、维护、查询和使用提供了方便，确保了后续数据处理的有效性和可靠性。同时，网络界面提供的数据处理参数的配置，方便了复杂任务的提交，与命令行界面相比，具有更好的交互性和可用性。

5 结束语

本文介绍了基于Web.py框架进行明安图射电频谱日像仪数据处理系统用户界面开发的过程。通过Web.py轻量级框架提供的核心模块可以根据需求快速开发出一个稳定有效的网络应用程序。Web.py具有轻巧简单、代码设计风格简洁的特点。实践证明，采用Web.py开发的程序稳定可靠，能够满足日像仪数据处理系统中用户界面开发的需求。目前，系统初步搭建完毕，但是仍然有不足的地方，例如更可靠地数据错误校验，数据编辑用户友好性提升，以及提供更多的实时交互功能，这些将在后续工作中继续研究和探讨。