基于天氣雷達標準輸出控制器的雷達遠程控制

田 輝，王天成，齊 濤

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

0 引言

近年來中國災害性天氣頻發，多普勒天氣雷達的重要性愈加明顯，氣象業務部門對其可靠性和穩定性提出了更高要求。自1998年以來，國家建設并投入業務運行的新一代多普勒天氣雷達已超過200部[1]，設備在長期使用過程中，會出現多種軟硬件故障，導致雷達異常停機。雷達作為高度智能化設備，大多數故障是設備長期運行導致的死機或異常，通過重啟設備即可解決[2]。由于雷達站建設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，實現雷達遠程控制具有重要的現實意義。

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

為完善天氣雷達遠程監控、實現雷達無人值守功能，2019年國家氣象局發布了《天氣雷達標準輸出控制器》氣象行業標準，以期實現雷達關鍵技術參數在線監測、統計分析和遠程控制[8]，在新一代天氣雷達升級改造中已實現天氣雷達標準輸出控制器(以下簡稱WRSOC)應用。文章以CINRAD/CB型雷達為例，分析雷達系統的組成和功能要求，基于WRSOC設計了一套監控終端軟件，實現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 系統分析

根據《天氣雷達標準輸出控制器》行業標準要求，雷達遠程控制需要支持機柜電源狀態監控、雷達一鍵開關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的B/S架構WRSOC系統，該設備向用戶提供遠程操作界面，但并不能直接與雷達系統完成命令交互。為完善遠程控制功能，文章設計研發了天氣雷達監控終端軟件，實現與雷達設備的指令交互。根據雷達站和氣象臺設備組成情況，基于WRSOC實現的CINRAD/CB型雷達遠程控制系統方案(圖1)。

圖1 雷達遠程控制系統示意圖

系統中所有雷達相關設備和終端均部署在雷達站，通過網絡交換機、路由器等設備與氣象臺用戶終端組成局域網。用戶在氣象臺通過瀏覽器登錄后即可訪問WRSOC，實現遠程操作。雷達監控終端作為控制實施單元，接收并解析WRSOC指令，根據配電柜和RDA計算機通信協議，執行具體的雷達控制功能，如機柜電源開關和一鍵開關機等。雷達監控終端實時采集機柜電源和天氣雷達狀態原始數據信息，經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，天氣雷達監控終端與目標設備直接進行數據通信，是實現雷達遠程監控的關鍵。

2 軟件設計

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

2.1 軟件架構

基于組件技術實現的天氣雷達監控終端軟件采用系統框架、動態庫和功能組件的架構方式。其中，系統框架實現UI界面加載和組件管理，UI界面向用戶提供實時日志和網絡連接狀態信息，組件管理包括組件初始化和組件加載兩部分；功能組件根據業務需要實現具體功能；動態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UI界面提供統一的通信接口，以減少各組件之間的耦合，軟件體系架構如圖2所示。

圖2 天氣雷達監控終端軟件體系架構

2.2 WRSOC信息交互實現

組件與WRSOC采用UDP協議通信，讀取配置文件中的網絡IP地址和端口信息，完成Socket初始化、建立網絡通信操作。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信息并保存。接收來自WRSOC的網絡報文后進行解析，根據控制碼類型通過調用動態庫通信接口方式向相應組件發送遠程控制命令，向WRSOC反饋狀態信息。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 機柜電源監控實現

配電柜實現雷達各分系統機柜電源開關控制，包括配電總開關、發射機、接收機、伺服系統、RDA機柜和RDA計算機等。機柜電源開關控制可以通過面板按鍵或網絡遠程指令實現，在同一時刻只有一種控制模式生效，通過面板上的本/遙控開關進行切換。根據遠程控制需要，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協議實現對配電柜的遠程監控功能，Modbus TCP是一種應用廣泛的工業以太網協議，采用主從方式通信。在雷達遠程控制系統中，天氣雷達監控終端作為主站，配電柜系統作為從站。主站讀取配置文件中的配電柜網絡IP地址和端口信息，建立TCP連接。采用定時器的方式，每5 s發送狀態查詢命令獲取當前控制模式和各機柜電源的開關狀態，解析后發送到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，根據設備類型讀取配置文件中預先設置的各機柜寄存器地址，按照協議封裝為有效網絡報文，實現配電柜中各分系統電源開關的遠程控制。

2.4 RDA計算機監控實現

新一代天氣雷達中，RDA軟件提供簡單網絡管理協議(SNMP)實現RDA軟件和雷達的遠程管理功能。SNMP協議包括GET/SET/TRAP等基本操作，GET用于獲取設備狀態，SET實現設備控制，TRAP為告警主動通知。在CentOS環境中通過yum源安裝SNMP服務后，軟件運行過程中根據RDA計算機IP地址，通過系統函數調用SNMP服務的snmpget和snmpset操作，即可實現雷達遠程管理功能。

RDA軟件向用戶提供兩類管理操作：狀態查詢和遠程控制。其中，狀態信息包括主機名、雷達工作狀態、發射機狀態、雷達掃描模式和調度表等；遠程控制包括RDA軟件和計算機控制、雷達運行狀態控制、雷達掃描模式切換等。根據業務功能需要，組件在工作過程中定時調用SNMP服務查詢發射機準加狀態、發射機預熱狀態、雷達運行狀態等詳細信息，經過解析后將數據發送到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切換和一鍵開、關機操作。組件接收到一鍵開機或一鍵關機命令后，通過狀態機方式根據業務邏輯順序逐一調用snmpset操作，完成相關設備的打開或關閉功能。

3 應用實例

以延安CINRAD/CB型雷達為對象對系統功能進行測試。將配電柜系統控制開關切換到遙控模式，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，申請雷達控制權限。雷達一鍵開關機功能包含雷達和機柜電源開關控制，通過執行該操作即可覆蓋所有遠程控制功能。

確保雷達所有設備的電源均未接通，在WRSOC界面執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、天氣雷達監控終端軟件界面的日志信息，注意與設備實際狀態進行對比。約30 min后，雷達完成開機操作，遠程界面顯示雷達當前狀態為待機，與實際情況一致。

通過遠程操作設置雷達體掃模式為VCP21并啟動雷達掃描任務。任務執行20 min后，執行一鍵關機操作。對比遠程界面信息和設備實際狀態，系統按照既定流程最終完成雷達關機操作。

測試結果表明，基于WRSOC設計的天氣雷達監控終端軟件，能夠實現雷達遠程控制功能，達到了預期效果。經多個新一代天氣雷達站長期運行結果顯示，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 結束語

文章基于天氣雷達標準輸出控制器行業標準，針對國家氣象局CINRAD/CB型雷達設備組成和具體功能要求，實現了雷達遠程控制功能，亦可應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》已經作為氣象行業標準實施，文章基于WRSOC設計的雷達遠程控制方案，對各廠商研發的天氣雷達標準輸出控制器的應用具有一定參考價值。