田 輝，王天成，齊 濤

(1.南京恩瑞特實業(yè)有限公司，南京 211106；2.中國氣象局氣象探測中心，北京 100081)

0 引言

近年來中國災(zāi)害性天氣頻發(fā)，多普勒天氣雷達的重要性愈加明顯，氣象業(yè)務(wù)部門對其可靠性和穩(wěn)定性提出了更高要求。自1998年以來，國家建設(shè)并投入業(yè)務(wù)運行的新一代多普勒天氣雷達已超過200部[1]，設(shè)備在長期使用過程中，會出現(xiàn)多種軟硬件故障，導(dǎo)致雷達異常停機。雷達作為高度智能化設(shè)備，大多數(shù)故障是設(shè)備長期運行導(dǎo)致的死機或異常，通過重啟設(shè)備即可解決[2]。由于雷達站建設(shè)和使用通常臺站分離，為保障雷達正常運行，工作人員需要到現(xiàn)場進行操作，降低了工作效率。此外，在日常巡檢和保障過程中，工作人員往往需要通過遠程方式控制雷達。因此，實現(xiàn)雷達遠程控制具有重要的現(xiàn)實意義。

眾多學(xué)者從應(yīng)用的角度對雷達遠程監(jiān)控進行了深入研究，取得了一定成果。陳增鏡、郭曉超[3，4]等采用監(jiān)測新一代天氣雷達狀態(tài)和告警文件的方法，雷達產(chǎn)生故障時通過短信等方式遠程通知工作人員，該方法可以盡早發(fā)現(xiàn)故障，卻不能實現(xiàn)雷達遠程控制；楊輝、匡昌武[5，6]等在此基礎(chǔ)上研究了VNC等基于互聯(lián)網(wǎng)的遠程桌面技術(shù)，實現(xiàn)RDA等軟件的遠程維護工作，但無法實現(xiàn)對雷達硬件的遠程控制；張初江[7]等基于撫州CINRAD/SA型雷達設(shè)計了一套雷達遠程控制軟硬件系統(tǒng)，滿足了雷達遠程控制要求，卻增加了系統(tǒng)復(fù)雜度。

為完善天氣雷達遠程監(jiān)控、實現(xiàn)雷達無人值守功能，2019年國家氣象局發(fā)布了《天氣雷達標準輸出控制器》氣象行業(yè)標準，以期實現(xiàn)雷達關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)在線監(jiān)測、統(tǒng)計分析和遠程控制[8]，在新一代天氣雷達升級改造中已實現(xiàn)天氣雷達標準輸出控制器(以下簡稱WRSOC)應(yīng)用。文章以CINRAD/CB型雷達為例，分析雷達系統(tǒng)的組成和功能要求，基于WRSOC設(shè)計了一套監(jiān)控終端軟件，實現(xiàn)了新一代天氣雷達遠程控制。該軟件在國家氣象局多個雷達站經(jīng)過長期測試和運行，工作情況良好，滿足了用戶遠程使用需求。

1 系統(tǒng)分析

根據(jù)《天氣雷達標準輸出控制器》行業(yè)標準要求，雷達遠程控制需要支持機柜電源狀態(tài)監(jiān)控、雷達一鍵開關(guān)機和更改雷達掃描模式等功能。新一代天氣雷達采用成都遠望科技研發(fā)的B/S架構(gòu)WRSOC系統(tǒng)，該設(shè)備向用戶提供遠程操作界面，但并不能直接與雷達系統(tǒng)完成命令交互。為完善遠程控制功能，文章設(shè)計研發(fā)了天氣雷達監(jiān)控終端軟件，實現(xiàn)與雷達設(shè)備的指令交互。根據(jù)雷達站和氣象臺設(shè)備組成情況，基于WRSOC實現(xiàn)的CINRAD/CB型雷達遠程控制系統(tǒng)方案(圖1)。

圖1 雷達遠程控制系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)中所有雷達相關(guān)設(shè)備和終端均部署在雷達站，通過網(wǎng)絡(luò)交換機、路由器等設(shè)備與氣象臺用戶終端組成局域網(wǎng)。用戶在氣象臺通過瀏覽器登錄后即可訪問WRSOC，實現(xiàn)遠程操作。雷達監(jiān)控終端作為控制實施單元，接收并解析WRSOC指令，根據(jù)配電柜和RDA計算機通信協(xié)議，執(zhí)行具體的雷達控制功能，如機柜電源開關(guān)和一鍵開關(guān)機等。雷達監(jiān)控終端實時采集機柜電源和天氣雷達狀態(tài)原始數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過解析后在本地保存，供WRSOC查詢。從總體方案示意圖中可以看出，天氣雷達監(jiān)控終端與目標設(shè)備直接進行數(shù)據(jù)通信，是實現(xiàn)雷達遠程監(jiān)控的關(guān)鍵。

2 軟件設(shè)計

天氣雷達監(jiān)控終端軟件基于CentOS系統(tǒng)，采用Qt組件技術(shù)開發(fā)，具備靈活性高、擴展性好和代碼復(fù)用率高的優(yōu)勢，便于功能擴展和代碼移植[9]。軟件主要包括機柜電源監(jiān)控、雷達監(jiān)控、日志記錄、軟件開機自啟動設(shè)置以及WRSOC指令解析與應(yīng)答等功能。

2.1 軟件架構(gòu)

基于組件技術(shù)實現(xiàn)的天氣雷達監(jiān)控終端軟件采用系統(tǒng)框架、動態(tài)庫和功能組件的架構(gòu)方式。其中，系統(tǒng)框架實現(xiàn)UI界面加載和組件管理，UI界面向用戶提供實時日志和網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)信息，組件管理包括組件初始化和組件加載兩部分；功能組件根據(jù)業(yè)務(wù)需要實現(xiàn)具體功能；動態(tài)庫包括配置文件管理和通信管理，配置文件管理庫向組件提供配置文件讀寫操作接口，通信管理庫基于Qt信號/槽機制向所有組件和系統(tǒng)UI界面提供統(tǒng)一的通信接口，以減少各組件之間的耦合，軟件體系架構(gòu)如圖2所示。

圖2 天氣雷達監(jiān)控終端軟件體系架構(gòu)

2.2 WRSOC信息交互實現(xiàn)

組件與WRSOC采用UDP協(xié)議通信，讀取配置文件中的網(wǎng)絡(luò)IP地址和端口信息，完成Socket初始化、建立網(wǎng)絡(luò)通信操作。組件運行過程中基于通信管理庫，實時接收其他功能組件采集的機柜電源和雷達工作狀態(tài)信息并保存。接收來自WRSOC的網(wǎng)絡(luò)報文后進行解析，根據(jù)控制碼類型通過調(diào)用動態(tài)庫通信接口方式向相應(yīng)組件發(fā)送遠程控制命令，向WRSOC反饋狀態(tài)信息。WRSOC遠程指令解析流程如圖3所示。

圖3 天氣雷達標準輸出控制器指令解析流程

2.3 機柜電源監(jiān)控實現(xiàn)

配電柜實現(xiàn)雷達各分系統(tǒng)機柜電源開關(guān)控制，包括配電總開關(guān)、發(fā)射機、接收機、伺服系統(tǒng)、RDA機柜和RDA計算機等。機柜電源開關(guān)控制可以通過面板按鍵或網(wǎng)絡(luò)遠程指令實現(xiàn)，在同一時刻只有一種控制模式生效，通過面板上的本/遙控開關(guān)進行切換。根據(jù)遠程控制需要，工作人員離開雷達站時必須將控制模式切換到遙控。

組件采用Modbus TCP協(xié)議實現(xiàn)對配電柜的遠程監(jiān)控功能，Modbus TCP是一種應(yīng)用廣泛的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，采用主從方式通信。在雷達遠程控制系統(tǒng)中，天氣雷達監(jiān)控終端作為主站，配電柜系統(tǒng)作為從站。主站讀取配置文件中的配電柜網(wǎng)絡(luò)IP地址和端口信息，建立TCP連接。采用定時器的方式，每5 s發(fā)送狀態(tài)查詢命令獲取當(dāng)前控制模式和各機柜電源的開關(guān)狀態(tài)，解析后發(fā)送到WRSOC信息交互組件。

組件通過Qt信號/槽機制接收機柜電源控制命令，根據(jù)設(shè)備類型讀取配置文件中預(yù)先設(shè)置的各機柜寄存器地址，按照協(xié)議封裝為有效網(wǎng)絡(luò)報文，實現(xiàn)配電柜中各分系統(tǒng)電源開關(guān)的遠程控制。

2.4 RDA計算機監(jiān)控實現(xiàn)

新一代天氣雷達中，RDA軟件提供簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(SNMP)實現(xiàn)RDA軟件和雷達的遠程管理功能。SNMP協(xié)議包括GET/SET/TRAP等基本操作，GET用于獲取設(shè)備狀態(tài)，SET實現(xiàn)設(shè)備控制，TRAP為告警主動通知。在CentOS環(huán)境中通過yum源安裝SNMP服務(wù)后，軟件運行過程中根據(jù)RDA計算機IP地址，通過系統(tǒng)函數(shù)調(diào)用SNMP服務(wù)的snmpget和snmpset操作，即可實現(xiàn)雷達遠程管理功能。

RDA軟件向用戶提供兩類管理操作：狀態(tài)查詢和遠程控制。其中，狀態(tài)信息包括主機名、雷達工作狀態(tài)、發(fā)射機狀態(tài)、雷達掃描模式和調(diào)度表等；遠程控制包括RDA軟件和計算機控制、雷達運行狀態(tài)控制、雷達掃描模式切換等。根據(jù)業(yè)務(wù)功能需要，組件在工作過程中定時調(diào)用SNMP服務(wù)查詢發(fā)射機準加狀態(tài)、發(fā)射機預(yù)熱狀態(tài)、雷達運行狀態(tài)等詳細信息，經(jīng)過解析后將數(shù)據(jù)發(fā)送到WRSOC信息交互組件中以供遠程查詢。

WRSOC向用戶提供的雷達遠程控制指令包括掃描任務(wù)切換和一鍵開、關(guān)機操作。組件接收到一鍵開機或一鍵關(guān)機命令后，通過狀態(tài)機方式根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯順序逐一調(diào)用snmpset操作，完成相關(guān)設(shè)備的打開或關(guān)閉功能。

3 應(yīng)用實例

以延安CINRAD/CB型雷達為對象對系統(tǒng)功能進行測試。將配電柜系統(tǒng)控制開關(guān)切換到遙控模式，打開成都遠程科技天氣雷達標準輸出控制器的“雷達控制”界面，申請雷達控制權(quán)限。雷達一鍵開關(guān)機功能包含雷達和機柜電源開關(guān)控制，通過執(zhí)行該操作即可覆蓋所有遠程控制功能。

確保雷達所有設(shè)備的電源均未接通，在WRSOC界面執(zhí)行雷達一鍵開機操作。在此過程中，觀察WRSOC界面上的機柜電源狀態(tài)、天氣雷達監(jiān)控終端軟件界面的日志信息，注意與設(shè)備實際狀態(tài)進行對比。約30 min后，雷達完成開機操作，遠程界面顯示雷達當(dāng)前狀態(tài)為待機，與實際情況一致。

通過遠程操作設(shè)置雷達體掃模式為VCP21并啟動雷達掃描任務(wù)。任務(wù)執(zhí)行20 min后，執(zhí)行一鍵關(guān)機操作。對比遠程界面信息和設(shè)備實際狀態(tài)，系統(tǒng)按照既定流程最終完成雷達關(guān)機操作。

測試結(jié)果表明，基于WRSOC設(shè)計的天氣雷達監(jiān)控終端軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)雷達遠程控制功能，達到了預(yù)期效果。經(jīng)多個新一代天氣雷達站長期運行結(jié)果顯示，該軟件運行可靠，具備較強的實用性，能夠滿足用戶日常維護和使用要求。

4 結(jié)束語

文章基于天氣雷達標準輸出控制器行業(yè)標準，針對國家氣象局CINRAD/CB型雷達設(shè)備組成和具體功能要求，實現(xiàn)了雷達遠程控制功能，亦可應(yīng)用于其他型號新一代天氣雷達中。該軟件在國家氣象局多個雷達站長期運行，極大地簡化了工作人員操作流程，提高了雷達維護和保障效率。鑒于《天氣雷達標準輸出控制器》已經(jīng)作為氣象行業(yè)標準實施，文章基于WRSOC設(shè)計的雷達遠程控制方案，對各廠商研發(fā)的天氣雷達標準輸出控制器的應(yīng)用具有一定參考價值。