天氣雷達(dá)徑向數(shù)據(jù)流實(shí)時(shí)顯示和監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

梁 華，韓海濤，黨選發(fā)，劉永強(qiáng)，趙 文，劉冰鑫

(甘肅省氣象信息與技術(shù)裝備保障中心，甘肅 蘭州 730020)

引 言

新一代天氣雷達(dá)是監(jiān)測(cè)強(qiáng)對(duì)流等災(zāi)害性天氣過(guò)程的重要探測(cè)設(shè)備，隨著氣象業(yè)務(wù)和信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，預(yù)報(bào)員對(duì)天氣雷達(dá)資料的實(shí)時(shí)性需求越來(lái)越突出。中國(guó)氣象局要求2020年12月1日起，全國(guó)新一代天氣雷達(dá)停止雷達(dá)基數(shù)據(jù)原格式數(shù)據(jù)文件的傳輸和服務(wù)，面向各類用戶實(shí)現(xiàn)徑向數(shù)據(jù)流傳輸格式數(shù)據(jù)的推送，天氣雷達(dá)基數(shù)據(jù)格式實(shí)現(xiàn)單軌運(yùn)行。

在天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)傳輸方面，通過(guò)高速并行通道UPP傳輸將雷達(dá)采集回波信息同步傳輸至DSP并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高速存儲(chǔ)[1]，通過(guò)雷達(dá)單站資料傳輸和區(qū)域雷達(dá)同步觀測(cè)可實(shí)現(xiàn)本省及周邊雷達(dá)基數(shù)據(jù)和產(chǎn)品在1 min之內(nèi)到達(dá)預(yù)報(bào)員桌面[2]，通過(guò)建立多任務(wù)集成傳輸軟件實(shí)現(xiàn)雷達(dá)數(shù)據(jù)傳輸[3-4]，通過(guò)同步數(shù)字體系實(shí)現(xiàn)基于公用電信數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的雷達(dá)數(shù)據(jù)傳輸功能[5]，通過(guò)改進(jìn)傳輸和壓縮算法設(shè)計(jì)了一套基數(shù)據(jù)上傳程序有效緩解了RPGCD程序占用系統(tǒng)資源問(wèn)題[6]；在天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)監(jiān)控方面，通過(guò)開發(fā)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)設(shè)備的遠(yuǎn)程協(xié)助、數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等主要功能[7]，采用線程控制機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)新一代天氣雷達(dá)運(yùn)行的各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理及監(jiān)控功能[8-12]，基于NET Framework平臺(tái)開發(fā)了新一代天氣雷達(dá)值班平臺(tái)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)運(yùn)行狀態(tài)和資料傳輸狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控[13]，通過(guò)設(shè)計(jì)繼電器開關(guān)來(lái)控制雷達(dá)分機(jī)電源實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程復(fù)位與信號(hào)波形監(jiān)控功能[14-17]；在天氣雷達(dá)流傳輸研究方面，針對(duì)雷達(dá)徑向流傳輸數(shù)據(jù)丟失情況制定重傳策略和處理邏輯[18]，開發(fā)數(shù)據(jù)流傳輸臺(tái)站級(jí)監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)掃描狀態(tài)、數(shù)據(jù)流上行傳輸、標(biāo)準(zhǔn)格式基數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)等實(shí)時(shí)監(jiān)控和短信報(bào)警[19]，利用數(shù)據(jù)庫(kù)及日志掃描監(jiān)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)流傳輸?shù)姆椒╗20]。以上研究有的是對(duì)雷達(dá)基數(shù)據(jù)傳輸方面的研究，有的是對(duì)雷達(dá)基數(shù)據(jù)、流傳輸數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)監(jiān)控方面的研究，而針對(duì)天氣雷達(dá)徑向數(shù)據(jù)流實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)跨網(wǎng)段傳輸方面的研究較少。在高度信息化和網(wǎng)絡(luò)化的今天，對(duì)于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求越來(lái)越高，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，新一代天氣雷達(dá)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)均不能跨越路由器進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，給遠(yuǎn)程用戶帶來(lái)較大的局限性，同時(shí)中國(guó)氣象局最新下發(fā)的《天氣雷達(dá)基數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式業(yè)務(wù)切換工作方案》(1)中國(guó)氣象局預(yù)報(bào)與網(wǎng)絡(luò)司. 《天氣雷達(dá)基數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式業(yè)務(wù)切換工作方案》[氣預(yù)函〔2020〕41號(hào)].僅實(shí)現(xiàn)徑向數(shù)據(jù)流傳輸功能，并不涉及雷達(dá)狀態(tài)和雷達(dá)控制，本文針對(duì)這些問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)真正意義上的雷達(dá)實(shí)時(shí)徑向數(shù)據(jù)流傳輸和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)顯示，還可以監(jiān)控雷達(dá)運(yùn)行狀態(tài)和雷達(dá)遠(yuǎn)程控制，從而提高遠(yuǎn)程雷達(dá)技術(shù)保障效率。

1 徑向流傳輸

目前中國(guó)氣象局將在網(wǎng)運(yùn)行的新一代天氣雷達(dá)徑向數(shù)據(jù)流傳輸?shù)搅烁魇庀缶中畔⒅行摹！短鞖饫走_(dá)基數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式業(yè)務(wù)切換工作方案》中規(guī)定了天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)的兩種傳輸方式：文件傳輸和徑向流傳輸，以及文件傳輸方式的傳輸路由、傳輸文件名、文件格式、傳輸協(xié)議、傳輸目錄、文件命名規(guī)則，徑向流傳輸方式的傳輸路由、通信協(xié)議、通信端口、傳輸方式、數(shù)據(jù)包類型和數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)。以文件為單位進(jìn)行傳輸，通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)保存目錄進(jìn)行監(jiān)視，監(jiān)視到新的數(shù)據(jù)文件生成后，采用FTP協(xié)議將數(shù)據(jù)文件上傳至遠(yuǎn)程FTP服務(wù)器，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的產(chǎn)品終端軟件讀取數(shù)據(jù)文件，進(jìn)行處理和顯示。可以看出，在徑向流傳輸實(shí)現(xiàn)以前，采用文件單位的數(shù)據(jù)傳輸方式有一定的滯后性，尤其是在雷達(dá)體掃模式下，不考慮傳輸?shù)臅r(shí)間開銷，遠(yuǎn)程用戶也要在6 min之后才能得到數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)性不強(qiáng)。

雷達(dá)徑向數(shù)據(jù)是指天氣雷達(dá)在一個(gè)方位角度上不同距離的多種數(shù)據(jù)，包括強(qiáng)度、速度、譜寬等。雷達(dá)站雷達(dá)軟件(RDA)向省級(jí)實(shí)時(shí)分發(fā)徑向數(shù)據(jù)流，省級(jí)通信系統(tǒng)接收后逐徑向流數(shù)據(jù)向國(guó)家級(jí)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)，并根據(jù)需求，接收完逐徑向/逐仰角/逐體掃的數(shù)據(jù)后，在本地生成標(biāo)準(zhǔn)格式的基數(shù)據(jù)文件，分發(fā)至本省數(shù)據(jù)環(huán)境；國(guó)家級(jí)通信系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收省級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)的徑向數(shù)據(jù)流，同樣根據(jù)需求生成標(biāo)準(zhǔn)格式的基數(shù)據(jù)文件，分發(fā)至國(guó)家級(jí)數(shù)據(jù)環(huán)境。圖1為徑向數(shù)據(jù)流的傳輸路由。徑向數(shù)據(jù)流傳輸采用Socket通信方式進(jìn)行逐徑向?qū)崟r(shí)傳輸，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)徑向流傳輸數(shù)據(jù)從雷達(dá)站點(diǎn)到省級(jí)、國(guó)家級(jí)節(jié)點(diǎn)的可靠、穩(wěn)定傳輸。省級(jí)傳輸軟件作為服務(wù)端，以端口2226監(jiān)聽雷達(dá)站RDA的Socket接入；國(guó)家級(jí)傳輸軟件以端口2226監(jiān)聽省級(jí)服務(wù)端的Socket接入。省級(jí)服務(wù)端以端口12821(FTP協(xié)議)監(jiān)聽雷達(dá)站RDA上傳的體掃文件；國(guó)家級(jí)服務(wù)端以端口12821(FTP協(xié)議)監(jiān)聽省級(jí)服務(wù)端上傳的體掃文件。

圖1 徑向數(shù)據(jù)流傳輸路由Fig.1 Radial data flow transmission routing

雷達(dá)站—省級(jí)傳輸：雷達(dá)站雷達(dá)軟件作為客戶端主動(dòng)向省級(jí)傳輸軟件發(fā)起TCP連接，省級(jí)傳輸軟件作為服務(wù)端接收。省級(jí)—國(guó)家級(jí)傳輸：省級(jí)主動(dòng)向國(guó)家級(jí)傳輸軟件發(fā)起TCP連接，國(guó)家級(jí)傳輸軟件接收。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 設(shè)計(jì)思路

組播協(xié)議允許一臺(tái)主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)路由器和交換機(jī)復(fù)制到多個(gè)加入此組播的主機(jī)，是一種一對(duì)多的通訊方式。優(yōu)點(diǎn)在于既節(jié)省服務(wù)器資源也節(jié)省網(wǎng)絡(luò)主干的帶寬資源，但組播協(xié)議沒(méi)有補(bǔ)包機(jī)制，因?yàn)榻M播采用UDP的傳輸方式，并不是一對(duì)一的，因此無(wú)法有針對(duì)性地進(jìn)行補(bǔ)包，所以組播協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不可靠。新一代天氣雷達(dá)采集監(jiān)控程序通過(guò)UDP組播形式向局域網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行徑向數(shù)據(jù)流傳輸，由于網(wǎng)絡(luò)安全方面原因省級(jí)氣象部門局域網(wǎng)內(nèi)針對(duì)組播端口基本都是關(guān)閉的，無(wú)法跨局域網(wǎng)跨路由接收顯示各臺(tái)站徑向數(shù)據(jù)流信息，目前雷達(dá)站業(yè)務(wù)系統(tǒng)采用TCP/IP協(xié)議徑向數(shù)據(jù)流傳輸?shù)礁魇庀缶中畔⒅行模覠o(wú)顯示畫面功能。因此，為滿足預(yù)報(bào)員對(duì)天氣雷達(dá)資料的實(shí)時(shí)性需求和方便省級(jí)雷達(dá)保障部門數(shù)據(jù)監(jiān)控，且在不影響正常業(yè)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行的情況下，需要另外增加一條傳輸通道，通過(guò)TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)雷達(dá)臺(tái)站徑向數(shù)據(jù)流到省級(jí)部門的傳輸，圖2為具體流程圖。

圖2 徑向數(shù)據(jù)流傳輸流程圖Fig.2 Radial data flow transmission flow diagram

為滿足省局用戶實(shí)時(shí)顯示雷達(dá)徑向流數(shù)據(jù)，需要在雷達(dá)本站氣象局增設(shè)一臺(tái)遠(yuǎn)程傳輸服務(wù)器(RTS)布設(shè)徑向數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換傳輸軟件，在省級(jí)用戶內(nèi)網(wǎng)電腦增加遠(yuǎn)程用戶終端(RTC)布設(shè)徑向數(shù)據(jù)流實(shí)時(shí)控制、監(jiān)控和回波顯示軟件。具體數(shù)據(jù)傳輸方式分為業(yè)務(wù)系統(tǒng)線路和新增傳輸通道線路。

業(yè)務(wù)系統(tǒng)線路：雷達(dá)站采集監(jiān)控程序通過(guò)UDP組播協(xié)議將雷達(dá)徑向數(shù)據(jù)流進(jìn)行組播發(fā)送；實(shí)時(shí)顯示軟件實(shí)時(shí)接收UDP組播的雷達(dá)徑向數(shù)據(jù)流信息，并實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)。存儲(chǔ)基數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)到PUP/RPG產(chǎn)品終端進(jìn)行二次產(chǎn)品生成及顯示；實(shí)時(shí)顯示終端實(shí)時(shí)接收UDP組播的雷達(dá)徑向數(shù)據(jù)流信息，并按《新一代天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范》進(jìn)行轉(zhuǎn)換為TCP/IP協(xié)議傳輸，省氣象局信息中心布設(shè)的流傳輸接收軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)接收及基數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)。

新增傳輸通道線路：在雷達(dá)本站氣象局增設(shè)一臺(tái)遠(yuǎn)程傳輸服務(wù)器增加徑向數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換傳輸軟件，將采集監(jiān)控程序UDP組播的雷達(dá)徑向數(shù)據(jù)流信息進(jìn)行接收，并轉(zhuǎn)化為TCP/IP協(xié)議的雷達(dá)徑向數(shù)據(jù)流進(jìn)行傳輸；在省級(jí)用戶內(nèi)網(wǎng)電腦增加遠(yuǎn)程用戶終端徑向數(shù)據(jù)流實(shí)時(shí)控制、監(jiān)控和回波顯示軟件，實(shí)時(shí)接收并顯示雷達(dá)徑向數(shù)據(jù)流信息，進(jìn)行選擇存儲(chǔ)基數(shù)據(jù)文件等功能。

2.2 軟件架構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，即客戶端/服務(wù)器架構(gòu)，由遠(yuǎn)程傳輸服務(wù)器軟件(RTS)和遠(yuǎn)程傳輸客戶端軟件(RTC)組成(本方案對(duì)目前雷達(dá)軟硬件、工作模式等均無(wú)影響，這里系統(tǒng)是指新增加的RTS和RTC，下同)。RTS軟件運(yùn)行于遠(yuǎn)程傳輸服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)數(shù)據(jù)、狀態(tài)、指令轉(zhuǎn)換，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)直接與雷達(dá)主機(jī)、遠(yuǎn)程終端通訊，由其實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程終端和雷達(dá)主機(jī)的交互通訊。RTC軟件運(yùn)行于遠(yuǎn)程用戶終端上，用于遠(yuǎn)程用戶實(shí)時(shí)回波、狀態(tài)顯示和雷達(dá)控制。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

本方案是對(duì)前期CINRAD/CC型天氣雷達(dá)監(jiān)控終端軟件在網(wǎng)絡(luò)通訊功能上的補(bǔ)充，在天氣雷達(dá)操控、探測(cè)、產(chǎn)品處理等功能上無(wú)任何增加和刪減。因此，本方案的設(shè)計(jì)僅圍繞網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)鏈接展開。CINRAD/CC型天氣雷達(dá)監(jiān)控終端軟件的各種性能指標(biāo)在本文中不再重復(fù)描述。

目前CINRAD/CC型天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制指令都在一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)通訊，因此使用傳播效率高的UDP/IP組播方式進(jìn)行工作。該方式最大缺點(diǎn)是無(wú)法通過(guò)路由器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸。為解決該問(wèn)題，本系統(tǒng)將增加遠(yuǎn)程傳輸服務(wù)器，對(duì)遠(yuǎn)程用戶采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、或者一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳輸。圖3為網(wǎng)絡(luò)總體流程圖，客戶端和服務(wù)器端通過(guò)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，服務(wù)器端創(chuàng)建套接字，等待客戶端的連接請(qǐng)求，當(dāng)客戶端開始連接遠(yuǎn)程服務(wù)器時(shí)，服務(wù)器端開始對(duì)客戶端進(jìn)行合法性判斷，如果客戶端是合法用戶，那么服務(wù)器端與客戶端進(jìn)行通訊，客戶端開始處理接收服務(wù)器端數(shù)據(jù)文件并實(shí)現(xiàn)雷達(dá)終端控制、監(jiān)控和回波實(shí)時(shí)顯示功能。

圖3 網(wǎng)絡(luò)總體流程圖Fig.3 Overall network flow chart

RTS軟件分成網(wǎng)絡(luò)連接模塊、用戶管理模塊和網(wǎng)絡(luò)通訊模塊。網(wǎng)絡(luò)連接功能模塊主要有兩大功能，即本地網(wǎng)絡(luò)內(nèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息接收和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)的連接功能。本地網(wǎng)絡(luò)內(nèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息接收功能是指RTS軟件和雷達(dá)主機(jī)在雷達(dá)局域網(wǎng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)通訊，在保證不改變現(xiàn)有用戶工作模式的情況下實(shí)現(xiàn)與雷達(dá)系統(tǒng)的互聯(lián)互通，本地網(wǎng)絡(luò)通訊使用UDP/IP組播網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)連接功能是指RTS軟件和遠(yuǎn)端RTC軟件通過(guò)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊的功能，它的實(shí)現(xiàn)能使遠(yuǎn)端RTC軟件實(shí)時(shí)接收雷達(dá)數(shù)據(jù)，并能在遠(yuǎn)端對(duì)雷達(dá)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通訊使用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。用戶管理模塊主要有遠(yuǎn)程用戶增加、修改、刪除和遠(yuǎn)程許可用戶識(shí)別兩項(xiàng)子功能。遠(yuǎn)程用戶增加、修改、刪除是指通過(guò)該功能對(duì)遠(yuǎn)程用戶信息進(jìn)行增加、修改、刪除，每次的改動(dòng)都無(wú)需軟件重新啟動(dòng)，并能通過(guò)一個(gè)配置文件進(jìn)行保存。遠(yuǎn)程許可用戶識(shí)別是指通過(guò)RTS配置文件里的IP地址對(duì)遠(yuǎn)程用戶進(jìn)行識(shí)別。

網(wǎng)絡(luò)通訊模塊有4個(gè)子功能：本地網(wǎng)絡(luò)內(nèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息接收；本地網(wǎng)絡(luò)內(nèi)控制指令發(fā)送；遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息轉(zhuǎn)發(fā)；遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)指令接收。本地網(wǎng)絡(luò)內(nèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息接收是在不改動(dòng)現(xiàn)有雷達(dá)硬件和雷達(dá)站網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的前提下，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息接收，軟件外部使用UDP/IP組播網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，軟件內(nèi)部使用CINRAD/CC型天氣雷達(dá)監(jiān)控終端軟件內(nèi)部接口約定。本地網(wǎng)絡(luò)內(nèi)控制指令發(fā)送是指不改動(dòng)現(xiàn)有雷達(dá)硬件和雷達(dá)站網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送，軟件外部使用UDP/IP組播網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，軟件內(nèi)部使用CINRAD/CC型天氣雷達(dá)監(jiān)控終端軟件內(nèi)部接口約定。遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息轉(zhuǎn)發(fā)是指在局域網(wǎng)內(nèi)將雷達(dá)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息接收以后再轉(zhuǎn)發(fā)至遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)的客戶端，軟件外部通訊使用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，軟件內(nèi)部使用CINRAD/CC型天氣雷達(dá)監(jiān)控終端軟件內(nèi)部接口約定。遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)指令接收是指遠(yuǎn)端許可的用戶在通過(guò)RTS檢驗(yàn)以后，在遠(yuǎn)端RTC軟件上發(fā)送給RTS的相關(guān)控制雷達(dá)指令，RTS軟件可以識(shí)別并接收，軟件外部使用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，軟件內(nèi)部使用CINRAD/CC型天氣雷達(dá)監(jiān)控終端軟件內(nèi)部接口約定。

RTS軟件本地網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，首先創(chuàng)建5個(gè)線程，使用組播通訊協(xié)議與雷達(dá)數(shù)據(jù)源進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，等待雷達(dá)數(shù)據(jù)源，一旦接收到雷達(dá)數(shù)據(jù)就根據(jù)用戶配置管理轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖4 RTS軟件本地網(wǎng)絡(luò)工作流程圖Fig.4 The RTS software local area network work flow chart

RTS遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)，首先創(chuàng)建套接字并等待RTC軟件接入請(qǐng)求，有用戶接入時(shí)放置到臨時(shí)用戶中，然后判斷用戶是否為合法用戶，當(dāng)為合法用戶時(shí)RTS遠(yuǎn)程服務(wù)器根據(jù)用戶列表發(fā)送數(shù)據(jù)和指令，如圖5所示。

圖5 RTS遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)工作流程圖Fig.5 The RTS remote network work flow chart

RTC軟件分成網(wǎng)絡(luò)連接模塊、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊和其余模塊3大部分。其中網(wǎng)絡(luò)連接模塊主要有服務(wù)器端鏈接功能和服務(wù)器端斷開后的重新自動(dòng)鏈接功能。服務(wù)器端鏈接功能是通過(guò)RTC軟件配置文件里記錄的遠(yuǎn)端RTS軟件的IP地址、端口進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)鏈接，網(wǎng)絡(luò)通訊使用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。服務(wù)器端斷開后的重新自動(dòng)鏈接功能實(shí)現(xiàn)了客戶端的自動(dòng)連接(由于RTS軟件會(huì)由于各種原因與客戶端斷開鏈接)，該功能保證在RTS軟件重新正常運(yùn)行后客戶端軟件自動(dòng)和其進(jìn)行鏈接并連接成功，保證客戶端軟件的實(shí)時(shí)性，網(wǎng)絡(luò)通訊使用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

網(wǎng)絡(luò)通訊模塊主要有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收功能和實(shí)時(shí)狀態(tài)信息接收功能。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收功能在通過(guò)RTS軟件對(duì)本客戶端驗(yàn)證以后，獲取服務(wù)器端發(fā)送的實(shí)時(shí)雷達(dá)數(shù)據(jù)，軟件內(nèi)部使用CINRAD/CC型天氣雷達(dá)監(jiān)控終端軟件內(nèi)部接口約定。實(shí)時(shí)狀態(tài)信息接收功能是在通過(guò)RTS軟件對(duì)本客戶端驗(yàn)證以后，獲取服務(wù)器端發(fā)送的實(shí)時(shí)雷達(dá)狀態(tài)信息，軟件內(nèi)部使用CINRAD/CC型天氣雷達(dá)監(jiān)控終端軟件內(nèi)部接口約定。

其余模塊是指CINRAD/CC型天氣雷達(dá)監(jiān)控終端軟件對(duì)回波顯示、數(shù)據(jù)保存等功能。

RTC軟件工作流程，開始創(chuàng)建套接字并連接遠(yuǎn)程服務(wù)器RTS軟件，根據(jù)用戶指令等待RTS軟件確認(rèn)，如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)無(wú)響應(yīng)，則重新建立鏈接，如果有數(shù)據(jù)RTC客戶端就接收RTS軟件發(fā)過(guò)來(lái)的雷達(dá)數(shù)據(jù)和狀態(tài)并進(jìn)行加工處理，最終實(shí)現(xiàn)RTC客戶端的雷達(dá)控制、監(jiān)控和回波實(shí)時(shí)顯示功能，如圖6所示。

圖6 RTC軟件工作流程Fig.6 The RTC software workflow

2.4 RTS與RTC通訊協(xié)議設(shè)計(jì)

2.4.1 雷達(dá)回波數(shù)據(jù)

雷達(dá)回波數(shù)據(jù)格式包括數(shù)據(jù)幀頭、數(shù)據(jù)幀信息和雷達(dá)數(shù)據(jù)信息三部分。第一部分?jǐn)?shù)據(jù)幀頭表示雷達(dá)回波數(shù)據(jù)幀的開始，標(biāo)志為“DATA”，4個(gè)字節(jié)；第二部分?jǐn)?shù)據(jù)幀信息表征數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等信息，大小32個(gè)字節(jié)；第三部分雷達(dá)數(shù)據(jù)信息包含上位機(jī)采集的雷達(dá)數(shù)據(jù)，單計(jì)4000個(gè)字節(jié)。雷達(dá)回波數(shù)據(jù)長(zhǎng)度總計(jì)4036個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)流方向?yàn)镽TS→RTC。

2.4.2 雷達(dá)狀態(tài)信息數(shù)據(jù)

雷達(dá)狀態(tài)信息數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)格式包括數(shù)據(jù)幀頭和雷達(dá)設(shè)備狀態(tài)信息兩部分。第一部分?jǐn)?shù)據(jù)幀頭用于表示狀態(tài)數(shù)據(jù)的開始，標(biāo)志為“ECH00”，共5個(gè)字節(jié)；第二部分為雷達(dá)設(shè)備狀態(tài)信息，共8個(gè)字節(jié)。雷達(dá)狀態(tài)信息數(shù)據(jù)長(zhǎng)度總計(jì)13個(gè)字節(jié)；數(shù)據(jù)流方向?yàn)镽TS→RTC。

2.4.3 雷達(dá)控制獲取回復(fù)指令

雷達(dá)控制獲取回復(fù)指令的數(shù)據(jù)格式包括數(shù)據(jù)幀頭和控制權(quán)是否獲取信息兩部分。第一部分?jǐn)?shù)據(jù)幀頭用于表示RTC向RTS端申請(qǐng)控權(quán)，標(biāo)志為“CONT”，共4個(gè)字節(jié)。第二部分控制權(quán)獲取信息有兩種情況，第一種為RTC成功獲取控制權(quán)，RTS發(fā)送給RTC的操作信息，標(biāo)志為“SUCCESS”，7個(gè)字節(jié)；第二種為RTC控制權(quán)獲取失敗，RTS發(fā)送給RTC的操作信息，標(biāo)志為“FAILURE”，大小7個(gè)字節(jié)。雷達(dá)控制獲取回復(fù)指令數(shù)據(jù)長(zhǎng)度總計(jì)11個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)流方向?yàn)镽TS→RTC。

2.4.4 雷達(dá)控制指令

雷達(dá)控制指令的數(shù)據(jù)格式包括數(shù)據(jù)幀頭和雷達(dá)操作請(qǐng)求信息兩部分。第一部分?jǐn)?shù)據(jù)幀頭用于表示雷達(dá)操作請(qǐng)求信息，標(biāo)志為“COMMD”，共5個(gè)字節(jié)；第二部分雷達(dá)操作信息為各種對(duì)雷達(dá)的操作指令，大小8個(gè)字節(jié)。控制指令數(shù)據(jù)長(zhǎng)度總計(jì)13個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)流方向?yàn)镽TC→RTS。

2.4.5 雷達(dá)控制權(quán)申請(qǐng)指令

雷達(dá)控制權(quán)申請(qǐng)指令數(shù)據(jù)格式為數(shù)據(jù)幀頭，即請(qǐng)求服務(wù)器端給予雷達(dá)的控制權(quán)，標(biāo)志為“CONTRIGHT”共9個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)流方向?yàn)镽TC→RTS。

3 傳輸時(shí)效分析

相比以文件為單位的數(shù)據(jù)傳輸方式，基于C/S架構(gòu)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸方式的傳輸效率有大幅提升。以業(yè)務(wù)運(yùn)行VCP21模式為例，采用文件傳輸方式時(shí)，需要經(jīng)過(guò)11層掃描、文件上傳等過(guò)程，遠(yuǎn)程用戶才可以獲得回波數(shù)據(jù)；而采用基于徑向流傳輸?shù)倪h(yuǎn)程傳輸方式，遠(yuǎn)程用戶幾乎可以準(zhǔn)時(shí)獲取雷達(dá)回波數(shù)據(jù)并按層進(jìn)行數(shù)據(jù)落地。對(duì)于用戶比較關(guān)心的底層仰角(0.5°、1.5°)回波獲取至少可以提前幾乎一個(gè)體掃的時(shí)間(VCP21模式下為6 min)。

4 結(jié)論與討論

本系統(tǒng)采用的遠(yuǎn)程傳輸服務(wù)器軟件直接從雷達(dá)主機(jī)所在局域網(wǎng)中獲取雷達(dá)回波數(shù)據(jù)，不需要對(duì)雷達(dá)站之前的狀態(tài)(軟件和硬件)做任何改變，因而在開發(fā)和部署期間均對(duì)雷達(dá)的運(yùn)行、維護(hù)和保障沒(méi)有影響。

遠(yuǎn)程傳輸客戶端軟件在遠(yuǎn)程可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、監(jiān)控、雷達(dá)回波實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)落地。遠(yuǎn)程用戶能在網(wǎng)絡(luò)的任意節(jié)點(diǎn)上監(jiān)測(cè)天氣過(guò)程和控制雷達(dá)運(yùn)行狀態(tài)，給用戶帶來(lái)真正意義上的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)控和使用雷達(dá)的感受，也為將來(lái)管理部門集中對(duì)多部雷達(dá)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、觀察天氣過(guò)程打下良好基礎(chǔ)。

本系統(tǒng)采用的C/S架構(gòu)，使用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)雷達(dá)回波、雷達(dá)控制、狀態(tài)信息的傳輸，徑向流格式遵循中國(guó)氣象局信息中心下發(fā)的《天氣雷達(dá)基數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式業(yè)務(wù)切換工作方案》。由于中國(guó)氣象局目前僅統(tǒng)一了雷達(dá)基數(shù)據(jù)的格式以及從流傳輸軟件至信息中心之間的數(shù)據(jù)格式和傳輸格式，但由于雷達(dá)型號(hào)之間的差異，從雷達(dá)RDA輸出數(shù)據(jù)至徑向流傳輸軟件之間的協(xié)議和數(shù)據(jù)格式并不統(tǒng)一，所以需要針對(duì)不同型號(hào)的雷達(dá)開發(fā)實(shí)時(shí)顯示和監(jiān)控系統(tǒng)，另外不同型號(hào)雷達(dá)的控制、參數(shù)輸出的接口和數(shù)據(jù)格式也不相同，所以存在不同型號(hào)的雷達(dá)分別開發(fā)軟件的事宜。本系統(tǒng)的原理和技術(shù)方法具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，對(duì)實(shí)現(xiàn)其他型號(hào)雷達(dá)的遠(yuǎn)程控制和顯示有借鑒意義。