田 辉，王天成，齐 涛
(1.南京恩瑞特实业有限公司，南京 211106；
2.中国气象局气象探测中心，北京 100081)
近年来中国灾害性天气频发，多普勒天气雷达的重要性愈加明显，气象业务部门对其可靠性和稳定性提出了更高要求。自1998年以来，国家建设并投入业务运行的新一代多普勒天气雷达已超过200部[1]，设备在长期使用过程中，会出现多种软硬件故障，导致雷达异常停机。雷达作为高度智能化设备，大多数故障是设备长期运行导致的死机或异常，通过重启设备即可解决[2]。由于雷达站建设和使用通常台站分离，为保障雷达正常运行，工作人员需要到现场进行操作，降低了工作效率。此外，在日常巡检和保障过程中，工作人员往往需要通过远程方式控制雷达。因此，实现雷达远程控制具有重要的现实意义。
众多学者从应用的角度对雷达远程监控进行了深入研究，取得了一定成果。陈增镜、郭晓超[3，4]等采用监测新一代天气雷达状态和告警文件的方法，雷达产生故障时通过短信等方式远程通知工作人员，该方法可以尽早发现故障，却不能实现雷达远程控制；
杨辉、匡昌武[5，6]等在此基础上研究了VNC等基于互联网的远程桌面技术，实现RDA等软件的远程维护工作，但无法实现对雷达硬件的远程控制；
张初江[7]等基于抚州CINRAD/SA型雷达设计了一套雷达远程控制软硬件系统，满足了雷达远程控制要求，却增加了系统复杂度。
为完善天气雷达远程监控、实现雷达无人值守功能，2019年国家气象局发布了《天气雷达标准输出控制器》气象行业标准，以期实现雷达关键技术参数在线监测、统计分析和远程控制[8]，在新一代天气雷达升级改造中已实现天气雷达标准输出控制器(以下简称WRSOC)应用。文章以CINRAD/CB型雷达为例，分析雷达系统的组成和功能要求，基于WRSOC设计了一套监控终端软件，实现了新一代天气雷达远程控制。该软件在国家气象局多个雷达站经过长期测试和运行，工作情况良好，满足了用户远程使用需求。
根据《天气雷达标准输出控制器》行业标准要求，雷达远程控制需要支持机柜电源状态监控、雷达一键开关机和更改雷达扫描模式等功能。新一代天气雷达采用成都远望科技研发的B/S架构WRSOC系统，该设备向用户提供远程操作界面，但并不能直接与雷达系统完成命令交互。为完善远程控制功能，文章设计研发了天气雷达监控终端软件，实现与雷达设备的指令交互。根据雷达站和气象台设备组成情况，基于WRSOC实现的CINRAD/CB型雷达远程控制系统方案(图1)。
图1 雷达远程控制系统示意图
系统中所有雷达相关设备和终端均部署在雷达站，通过网络交换机、路由器等设备与气象台用户终端组成局域网。用户在气象台通过浏览器登录后即可访问WRSOC，实现远程操作。雷达监控终端作为控制实施单元，接收并解析WRSOC指令，根据配电柜和RDA计算机通信协议，执行具体的雷达控制功能，如机柜电源开关和一键开关机等。雷达监控终端实时采集机柜电源和天气雷达状态原始数据信息，经过解析后在本地保存，供WRSOC查询。从总体方案示意图中可以看出，天气雷达监控终端与目标设备直接进行数据通信，是实现雷达远程监控的关键。
天气雷达监控终端软件基于CentOS系统，采用Qt组件技术开发，具备灵活性高、扩展性好和代码复用率高的优势，便于功能扩展和代码移植[9]。软件主要包括机柜电源监控、雷达监控、日志记录、软件开机自启动设置以及WRSOC指令解析与应答等功能。
2.1 软件架构
基于组件技术实现的天气雷达监控终端软件采用系统框架、动态库和功能组件的架构方式。其中，系统框架实现UI界面加载和组件管理，UI界面向用户提供实时日志和网络连接状态信息，组件管理包括组件初始化和组件加载两部分；
功能组件根据业务需要实现具体功能；
动态库包括配置文件管理和通信管理，配置文件管理库向组件提供配置文件读写操作接口，通信管理库基于Qt信号/槽机制向所有组件和系统UI界面提供统一的通信接口，以减少各组件之间的耦合，软件体系架构如图2所示。
图2 天气雷达监控终端软件体系架构
2.2 WRSOC信息交互实现
组件与WRSOC采用UDP协议通信，读取配置文件中的网络IP地址和端口信息，完成Socket初始化、建立网络通信操作。组件运行过程中基于通信管理库，实时接收其他功能组件采集的机柜电源和雷达工作状态信息并保存。接收来自WRSOC的网络报文后进行解析，根据控制码类型通过调用动态库通信接口方式向相应组件发送远程控制命令，向WRSOC反馈状态信息。WRSOC远程指令解析流程如图3所示。
图3 天气雷达标准输出控制器指令解析流程
2.3 机柜电源监控实现
配电柜实现雷达各分系统机柜电源开关控制，包括配电总开关、发射机、接收机、伺服系统、RDA机柜和RDA计算机等。机柜电源开关控制可以通过面板按键或网络远程指令实现，在同一时刻只有一种控制模式生效，通过面板上的本/遥控开关进行切换。根据远程控制需要，工作人员离开雷达站时必须将控制模式切换到遥控。
组件采用Modbus TCP协议实现对配电柜的远程监控功能，Modbus TCP是一种应用广泛的工业以太网协议，采用主从方式通信。在雷达远程控制系统中，天气雷达监控终端作为主站，配电柜系统作为从站。主站读取配置文件中的配电柜网络IP地址和端口信息，建立TCP连接。采用定时器的方式，每5 s发送状态查询命令获取当前控制模式和各机柜电源的开关状态，解析后发送到WRSOC信息交互组件。
组件通过Qt信号/槽机制接收机柜电源控制命令，根据设备类型读取配置文件中预先设置的各机柜寄存器地址，按照协议封装为有效网络报文，实现配电柜中各分系统电源开关的远程控制。
2.4 RDA计算机监控实现
新一代天气雷达中，RDA软件提供简单网络管理协议(SNMP)实现RDA软件和雷达的远程管理功能。SNMP协议包括GET/SET/TRAP等基本操作，GET用于获取设备状态，SET实现设备控制，TRAP为告警主动通知。在CentOS环境中通过yum源安装SNMP服务后，软件运行过程中根据RDA计算机IP地址，通过系统函数调用SNMP服务的snmpget和snmpset操作，即可实现雷达远程管理功能。
RDA软件向用户提供两类管理操作：状态查询和远程控制。其中，状态信息包括主机名、雷达工作状态、发射机状态、雷达扫描模式和调度表等；
远程控制包括RDA软件和计算机控制、雷达运行状态控制、雷达扫描模式切换等。根据业务功能需要，组件在工作过程中定时调用SNMP服务查询发射机准加状态、发射机预热状态、雷达运行状态等详细信息，经过解析后将数据发送到WRSOC信息交互组件中以供远程查询。
WRSOC向用户提供的雷达远程控制指令包括扫描任务切换和一键开、关机操作。组件接收到一键开机或一键关机命令后，通过状态机方式根据业务逻辑顺序逐一调用snmpset操作，完成相关设备的打开或关闭功能。
以延安CINRAD/CB型雷达为对象对系统功能进行测试。将配电柜系统控制开关切换到遥控模式，打开成都远程科技天气雷达标准输出控制器的“雷达控制”界面，申请雷达控制权限。雷达一键开关机功能包含雷达和机柜电源开关控制，通过执行该操作即可覆盖所有远程控制功能。
确保雷达所有设备的电源均未接通，在WRSOC界面执行雷达一键开机操作。在此过程中，观察WRSOC界面上的机柜电源状态、天气雷达监控终端软件界面的日志信息，注意与设备实际状态进行对比。约30 min后，雷达完成开机操作，远程界面显示雷达当前状态为待机，与实际情况一致。
通过远程操作设置雷达体扫模式为VCP21并启动雷达扫描任务。任务执行20 min后，执行一键关机操作。对比远程界面信息和设备实际状态，系统按照既定流程最终完成雷达关机操作。
测试结果表明，基于WRSOC设计的天气雷达监控终端软件，能够实现雷达远程控制功能，达到了预期效果。经多个新一代天气雷达站长期运行结果显示，该软件运行可靠，具备较强的实用性，能够满足用户日常维护和使用要求。
文章基于天气雷达标准输出控制器行业标准，针对国家气象局CINRAD/CB型雷达设备组成和具体功能要求，实现了雷达远程控制功能，亦可应用于其他型号新一代天气雷达中。该软件在国家气象局多个雷达站长期运行，极大地简化了工作人员操作流程，提高了雷达维护和保障效率。鉴于《天气雷达标准输出控制器》已经作为气象行业标准实施，文章基于WRSOC设计的雷达远程控制方案，对各厂商研发的天气雷达标准输出控制器的应用具有一定参考价值。
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