双线偏振天气雷达监控系统的设计与应用

巫乔，朱永兵，黄少忠

（韶关市气象局，广东韶关 512026）

随着气象现代化进程的快速推进，广东省气象局已经完成了双线偏振雷达升级改造工作，达到了提高雷达观测数据质量［1］、雷达定量估测降水准确率［2］，进一步提升了灾害性天气的监测预警能力和短时临近预报水平［3－5］，同时也对雷达的运行保障和资料传输实效提出了更高的要求。雷达保障人员曾广宇等［6］、巫乔等［7］、罗鸣等［8］分别在雷达接收机、发射机和天线伺服系统等典型故障处理过程作了详细介绍，旨在积累经验达到快速排除故障的目的。为实现雷达运行情况监控，吴少峰等［9］利用中国移动的邮箱完成对雷达报警信息的监控；李建勇等［10］基于SIM卡和无线MODEN开发实现了雷达远程实时信息提取；郭春辉等［11］通过声音和短信告警实现了对雷达运行状态的监控，但都欠缺对雷达数据资料传输情况的监控。

为提高告警及时性和实用性，并结合业务实际，本研究通过实时提取并监控雷达运行告警文件和资料传输日志，通过稳定、安全的4G无线通信模块实现电话告警，综合实现了对雷达运行情况和数据资料传输情况的监控和报警，对于提高雷达可用性和稳定运行率有积极作用。

1 系统需求

韶关新一代天气雷达在2016年1月升级为双线偏振天气雷达，根据国家局最新下发文件要求，故障出现后需要在1 h内处理并上报雷达故障情况，雷达每个体扫产品处理系统（pup）产品和基数据传输日志（bst）标准数据的采集和传输时效均为9 min，每天需上传的雷达资料数量多、数据量大，总量可达4G，且雷达设备运行和资料采集、传输连续运行时间长，因此对设备故障处理和资料传输时效提出了更高的要求。现阶段，台站有雷达pup产品和bst标准数据采集的声音监控系统，但欠缺雷达报警文件和资料传输情况的4G无线通信监控，为避免当数据采集成功但因为软件或网络等原因造成资料传输失败时，保障人员未能及时知晓，因此研究和设计该系统很有必要。

2 系统设计

2.1 设计思路

平台主要实现对台站的雷达设备运行状态和资料传输情况进行实时跟踪检测，通过相关数据读取，对返回的数据文件进行解析，完成设备运行情况和资料传输情况的监控，当系统检测出雷达设备运行、资料传输等出现异常时，触发报警并通过4G无线通信模块电话提醒值班人员。

2.2 系统工作流程

系统在雷达正常运行和资料传输过程中，利用批处理方式将rda计算机报警文件（alarm）、基数据传输日志（Bst）和产品传输日志（archive）实时复制到指定目录，采用应用编程接口进行提取，对获取到的数据进行分析，由相关资料传输检测阈值的比较来判断是否有设备运行或数据传输存在异常情况，若有异常情况出现，上位机软件通过4G无线通信模块以电话形式通知值班人员。系统工作流程如图1所示。

图1 系统工作流程示意图

3 系统平台构成和运行情况

3.1 系统平台构成

该平台主要由日志拷贝程序、上位机监控程序和通讯模块三部分构成。在运行平台计算机上通过批处理（间隔2 min执行一次）将目标计算机的相关log日志（alarm、pup、bst3类文件）复制到指定监控文件夹monitor中，通过对指定目录文件定期扫描，实现对雷达运行情况和资料传输监控的目的。

1）日志拷贝。

实现目标文件所在计算机的文件夹共享，在监控运行平台服务器通过映射方式访问目标文件，再通过批处理实时复制文件到monitor文件夹的指定目录，等待监控扫描。

2）上位机监控模块。

（1）报警日志文件alarm为雷达系统工作异常时RDASC触发生成的文件，并记录在报警的alarm.log文件中。系统模块通过对Monitor文件夹中的alarm文件夹进行定期（5 min）扫描，当alarm文件夹出现alarm.log文件且生成时间小于10 min时判定雷达有报警出现，触发监控报警，并记录在监控模块log日志中。

（2）雷达产品资料通过pup软件以ftp方式向省局服务器传输，每个体扫上传36种产品，传输日志记录在archive.log文件中。模块通过对Monitor文件夹中的pup文件夹进行定期（5 min）扫描，当文件夹中的archive1.log没有生成时，或文件中的最新一行传输日志时间和计算机时间比较相差8 min或检测出现failed字样时，检测认定雷达pup产品传输出现异常，触发监控报警，并记录在log日志中。

（3）雷达标准数据资料通过RDASC软件传输，传输日志记录在流传输Bst.log文件中。模块通过对Monitor文件夹中的bst文件夹进行定期（5 min）扫描，当文件夹中的bst.log文件的最新一行传输日志时间和计算机时间比较相差8 min，检测认定雷达pup产品传输出现异常，触发监控报警，并记录在log日志中。

3）通信模块介绍。

触发监控报警后，自动拨打值班人员电话，目前市面上主流的API电话提醒平台的来点号码不固定，而且容易被手机误报成骚扰电话屏蔽，因此采用无线4G通信模块来实现自动电话通知的功能。通过对log文件进行逻辑判断设备运行和资料传输是否出现异常，电脑通过AT指令控制通信模块运行，模块运行流程图如图2所示。

图2 模块运行流程示意图

通信模块监控代码如下：

为响应使用国产芯片主流号召，设计采用国产芯片，型号为 Air724UG，对比进口芯片Sim7600，更加的稳定、安全和低成本。考虑到模块在射频发射时通常会在电源上产生电源电压跌落现象，根据模块用户使用手册描述，在VBAT输入端并联一个低ESR的钽电容和滤波电容，让模块电路运行更加稳定。同时为了尽可能减小设备的体积，模块外壳采用3D打印技术，选择PLA聚乳酸塑料材料，该材料具有良好的拉伸强度和高刚度比，模块成品尺寸为5 cm×5 cm×1.5 cm，体积较小，sim卡采用目前主流的nanosim卡，设计图和实物图如图3所示。

图3 模块设计图（a）和实物图（b）

3.2 运行界面介绍

打开监控软件，系统运行界面如图4所示，填写相关参数，然后点击“打开串口”，软件将会对通信模块自检，测试模块上线状况和信号强度（自检每半分钟进行一次），自检成功后，可以点击“电话测试”对电话进行拨打测试，点击“开始监控”即可开始运行工作。

图4 系统运行界面

3.3 系统运行情况

2022年1月开始，该系统安装到韶关天气雷达站进行不间断业务运行测试，通过测试该监控平台各模块均能正常使用。实际测试与应用情况表明，该平台能提醒值班人员及时发现雷达设备故障和资料传输异常情况，并能通过报警日志初步定位设备异常原因，有效提升了台站设备保障时效和业务质量。系统业务运行期间对雷达出现的异常情况均能及时告警，无漏报情况，并详细介绍两个典型报警案例。

例1：雷达保障人员在2022年3月14日10：15（北京时，下同）收到告警电话，日志显示为pup资料传输Failed，保障人员发现是因为pup和rpg服务器连接失败，导致未正常生成pup产品，在通过重启pup软件后恢复正常，通过查看传输日志，发现仅仅丢失10：13到10：18之间的资料。

例2：雷达保障人员在2022年4月13日22：39收到电话报警，日志显示在22：36出现雷达发射机过温报警，保障人员检查发现报警原因是机房空调自保停机导致，经处理后恢复正常。此类报警雷达不会停机，不影响资料采集和传输，但若长时间不处理会造成雷达发射机故障等严重后果。

本研究通过对CINRAD／SAD型天气雷达运行和资料传输流程环节进行分析，设计了相应的监控报警系统，通过读取和解析相关数据，实现对台站的雷达设备运行状态和资料传输情况进行实时跟踪检测，完成设备运行情况和资料传输情况的监控。当系统检测出设备运行异常或资料传输异常时，触发报警电话提醒保障人员及时处理，并通过log日志记录初步定为异常原因。

对比邮箱和短信告警，本研究监控告警选择使用国产4G无线通信模块，该功能不受网络中断等情况影响，提高了监控时效性和实用性，运行安全稳定。在雷达设备运行和资料传输出现异常后能及时有效提醒保障人员处理，对其他雷达台站实际可行且具有推广意义。