田 輝，王天成，齊 濤

(1.南京恩瑞特實(shí)業(yè)有限公司，南京 211106；2.中國氣象局氣象探測(cè)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(dá)的重要性愈加明顯，氣象業(yè)務(wù)部門對(duì)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(yùn)行的新一代多普勒天氣雷達(dá)已超過200部[1]，設(shè)備在長期使用過程中，會(huì)出現(xiàn)多種軟硬件故障，導(dǎo)致雷達(dá)異常停機(jī)。雷達(dá)作為高度智能化設(shè)備，大多數(shù)故障是設(shè)備長期運(yùn)行導(dǎo)致的死機(jī)或異常，通過重啟設(shè)備即可解決[2]。由于雷達(dá)站建設(shè)和使用通常臺(tái)站分離，為保障雷達(dá)正常運(yùn)行，工作人員需要到現(xiàn)場進(jìn)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(yuǎn)程方式控制雷達(dá)。因此，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)遠(yuǎn)程控制具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

眾多學(xué)者從應(yīng)用的角度對(duì)雷達(dá)遠(yuǎn)程監(jiān)控進(jìn)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(cè)新一代天氣雷達(dá)狀態(tài)和告警文件的方法，雷達(dá)產(chǎn)生故障時(shí)通過短信等方式遠(yuǎn)程通知工作人員，該方法可以盡早發(fā)現(xiàn)故障，卻不能實(shí)現(xiàn)雷達(dá)遠(yuǎn)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(yuǎn)程桌面技術(shù)，實(shí)現(xiàn)RDA等軟件的遠(yuǎn)程維護(hù)工作，但無法實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)硬件的遠(yuǎn)程控制；張初江[7]等基于撫州CINRAD/SA型雷達(dá)設(shè)計(jì)了一套雷達(dá)遠(yuǎn)程控制軟硬件系統(tǒng)，滿足了雷達(dá)遠(yuǎn)程控制要求，卻增加了系統(tǒng)復(fù)雜度。

為完善天氣雷達(dá)遠(yuǎn)程監(jiān)控、實(shí)現(xiàn)雷達(dá)無人值守功能，2019年國家氣象局發(fā)布了《天氣雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)輸出控制器》氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以期實(shí)現(xiàn)雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)分析和遠(yuǎn)程控制[8]，在新一代天氣雷達(dá)升級(jí)改造中已實(shí)現(xiàn)天氣雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)輸出控制器(以下簡稱WRSOC)應(yīng)用。文章以CINRAD/CB型雷達(dá)為例，分析雷達(dá)系統(tǒng)的組成和功能要求，基于WRSOC設(shè)計(jì)了一套監(jiān)控終端軟件，實(shí)現(xiàn)了新一代天氣雷達(dá)遠(yuǎn)程控制。該軟件在國家氣象局多個(gè)雷達(dá)站經(jīng)過長期測(cè)試和運(yùn)行，工作情況良好，滿足了用戶遠(yuǎn)程使用需求。

1 系統(tǒng)分析

根據(jù)《天氣雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)輸出控制器》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，雷達(dá)遠(yuǎn)程控制需要支持機(jī)柜電源狀態(tài)監(jiān)控、雷達(dá)一鍵開關(guān)機(jī)和更改雷達(dá)掃描模式等功能。新一代天氣雷達(dá)采用成都遠(yuǎn)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(yuǎn)程操作界面，但并不能直接與雷達(dá)系統(tǒng)完成命令交互。為完善遠(yuǎn)程控制功能，文章設(shè)計(jì)研發(fā)了天氣雷達(dá)監(jiān)控終端軟件，實(shí)現(xiàn)與雷達(dá)設(shè)備的指令交互。根據(jù)雷達(dá)站和氣象臺(tái)設(shè)備組成情況，基于WRSOC實(shí)現(xiàn)的CINRAD/CB型雷達(dá)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)方案(圖1)。

圖1 雷達(dá)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)中所有雷達(dá)相關(guān)設(shè)備和終端均部署在雷達(dá)站，通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、路由器等設(shè)備與氣象臺(tái)用戶終端組成局域網(wǎng)。用戶在氣象臺(tái)通過瀏覽器登錄后即可訪問WRSOC，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。雷達(dá)監(jiān)控終端作為控制實(shí)施單元，接收并解析WRSOC指令，根據(jù)配電柜和RDA計(jì)算機(jī)通信協(xié)議，執(zhí)行具體的雷達(dá)控制功能，如機(jī)柜電源開關(guān)和一鍵開關(guān)機(jī)等。雷達(dá)監(jiān)控終端實(shí)時(shí)采集機(jī)柜電源和天氣雷達(dá)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(dá)監(jiān)控終端與目標(biāo)設(shè)備直接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，是實(shí)現(xiàn)雷達(dá)遠(yuǎn)程監(jiān)控的關(guān)鍵。

2 軟件設(shè)計(jì)

天氣雷達(dá)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(kuò)展性好和代碼復(fù)用率高的優(yōu)勢(shì)，便于功能擴(kuò)展和代碼移植[9]。軟件主要包括機(jī)柜電源監(jiān)控、雷達(dá)監(jiān)控、日志記錄、軟件開機(jī)自啟動(dòng)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(shí)現(xiàn)的天氣雷達(dá)監(jiān)控終端軟件采用系統(tǒng)框架、動(dòng)態(tài)庫和功能組件的架構(gòu)方式。其中，系統(tǒng)框架實(shí)現(xiàn)UI界面加載和組件管理，UI界面向用戶提供實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)具體功能；動(dòng)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(hào)/槽機(jī)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(dá)監(jiān)控終端軟件體系架構(gòu)

2.2 WRSOC信息交互實(shí)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(yùn)行過程中基于通信管理庫，實(shí)時(shí)接收其他功能組件采集的機(jī)柜電源和雷達(dá)工作狀態(tài)信息并保存。接收來自WRSOC的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文后進(jìn)行解析，根據(jù)控制碼類型通過調(diào)用動(dòng)態(tài)庫通信接口方式向相應(yīng)組件發(fā)送遠(yuǎn)程控制命令，向WRSOC反饋狀態(tài)信息。WRSOC遠(yuǎn)程指令解析流程如圖3所示。

圖3 天氣雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)輸出控制器指令解析流程

2.3 機(jī)柜電源監(jiān)控實(shí)現(xiàn)

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

組件采用Modbus TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)配電柜的遠(yuǎn)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(dá)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中，天氣雷達(dá)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(shí)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(jī)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(hào)/槽機(jī)制接收機(jī)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(jī)柜寄存器地址，按照協(xié)議封裝為有效網(wǎng)絡(luò)報(bào)文，實(shí)現(xiàn)配電柜中各分系統(tǒng)電源開關(guān)的遠(yuǎn)程控制。

2.4 RDA計(jì)算機(jī)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)

新一代天氣雷達(dá)中，RDA軟件提供簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(SNMP)實(shí)現(xiàn)RDA軟件和雷達(dá)的遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)設(shè)備控制，TRAP為告警主動(dòng)通知。在CentOS環(huán)境中通過yum源安裝SNMP服務(wù)后，軟件運(yùn)行過程中根據(jù)RDA計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)雷達(dá)遠(yuǎn)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(yuǎn)程控制。其中，狀態(tài)信息包括主機(jī)名、雷達(dá)工作狀態(tài)、發(fā)射機(jī)狀態(tài)、雷達(dá)掃描模式和調(diào)度表等；遠(yuǎn)程控制包括RDA軟件和計(jì)算機(jī)控制、雷達(dá)運(yùn)行狀態(tài)控制、雷達(dá)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(shí)調(diào)用SNMP服務(wù)查詢發(fā)射機(jī)準(zhǔn)加狀態(tài)、發(fā)射機(jī)預(yù)熱狀態(tài)、雷達(dá)運(yùn)行狀態(tài)等詳細(xì)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(yuǎn)程查詢。

WRSOC向用戶提供的雷達(dá)遠(yuǎn)程控制指令包括掃描任務(wù)切換和一鍵開、關(guān)機(jī)操作。組件接收到一鍵開機(jī)或一鍵關(guān)機(jī)命令后，通過狀態(tài)機(jī)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(shí)例

以延安CINRAD/CB型雷達(dá)為對(duì)象對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行測(cè)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(yuǎn)程科技天氣雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)輸出控制器的“雷達(dá)控制”界面，申請(qǐng)雷達(dá)控制權(quán)限。雷達(dá)一鍵開關(guān)機(jī)功能包含雷達(dá)和機(jī)柜電源開關(guān)控制，通過執(zhí)行該操作即可覆蓋所有遠(yuǎn)程控制功能。

確保雷達(dá)所有設(shè)備的電源均未接通，在WRSOC界面執(zhí)行雷達(dá)一鍵開機(jī)操作。在此過程中，觀察WRSOC界面上的機(jī)柜電源狀態(tài)、天氣雷達(dá)監(jiān)控終端軟件界面的日志信息，注意與設(shè)備實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比。約30 min后，雷達(dá)完成開機(jī)操作，遠(yuǎn)程界面顯示雷達(dá)當(dāng)前狀態(tài)為待機(jī)，與實(shí)際情況一致。

通過遠(yuǎn)程操作設(shè)置雷達(dá)體掃模式為VCP21并啟動(dòng)雷達(dá)掃描任務(wù)。任務(wù)執(zhí)行20 min后，執(zhí)行一鍵關(guān)機(jī)操作。對(duì)比遠(yuǎn)程界面信息和設(shè)備實(shí)際狀態(tài)，系統(tǒng)按照既定流程最終完成雷達(dá)關(guān)機(jī)操作。

測(cè)試結(jié)果表明，基于WRSOC設(shè)計(jì)的天氣雷達(dá)監(jiān)控終端軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)雷達(dá)遠(yuǎn)程控制功能，達(dá)到了預(yù)期效果。經(jīng)多個(gè)新一代天氣雷達(dá)站長期運(yùn)行結(jié)果顯示，該軟件運(yùn)行可靠，具備較強(qiáng)的實(shí)用性，能夠滿足用戶日常維護(hù)和使用要求。

4 結(jié)束語

文章基于天氣雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)輸出控制器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)國家氣象局CINRAD/CB型雷達(dá)設(shè)備組成和具體功能要求，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)遠(yuǎn)程控制功能，亦可應(yīng)用于其他型號(hào)新一代天氣雷達(dá)中。該軟件在國家氣象局多個(gè)雷達(dá)站長期運(yùn)行，極大地簡化了工作人員操作流程，提高了雷達(dá)維護(hù)和保障效率。鑒于《天氣雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)輸出控制器》已經(jīng)作為氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，文章基于WRSOC設(shè)計(jì)的雷達(dá)遠(yuǎn)程控制方案，對(duì)各廠商研發(fā)的天氣雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)輸出控制器的應(yīng)用具有一定參考價(jià)值。