天气雷达径向数据流实时显示和监控系统设计与实现

梁 华，韩海涛，党选发，刘永强，赵 文，刘冰鑫

(甘肃省气象信息与技术装备保障中心，甘肃 兰州 730020)

引 言

新一代天气雷达是监测强对流等灾害性天气过程的重要探测设备，随着气象业务和信息网络技术的发展，预报员对天气雷达资料的实时性需求越来越突出。中国气象局要求2020年12月1日起，全国新一代天气雷达停止雷达基数据原格式数据文件的传输和服务，面向各类用户实现径向数据流传输格式数据的推送，天气雷达基数据格式实现单轨运行。

在天气雷达数据传输方面，通过高速并行通道UPP传输将雷达采集回波信息同步传输至DSP并实现实时高速存储[1]，通过雷达单站资料传输和区域雷达同步观测可实现本省及周边雷达基数据和产品在1 min之内到达预报员桌面[2]，通过建立多任务集成传输软件实现雷达数据传输[3-4]，通过同步数字体系实现基于公用电信数据传输网络的雷达数据传输功能[5]，通过改进传输和压缩算法设计了一套基数据上传程序有效缓解了RPGCD程序占用系统资源问题[6]；在天气雷达数据监控方面，通过开发远程视频监控系统实现雷达设备的远程协助、数据采集、状态监测等主要功能[7]，采用线程控制机制实现对新一代天气雷达运行的各种实时数据进行采集、处理及监控功能[8-12]，基于NET Framework平台开发了新一代天气雷达值班平台实现雷达运行状态和资料传输状态的实时监控[13]，通过设计继电器开关来控制雷达分机电源实现远程复位与信号波形监控功能[14-17]；在天气雷达流传输研究方面，针对雷达径向流传输数据丢失情况制定重传策略和处理逻辑[18]，开发数据流传输台站级监控报警系统实现雷达扫描状态、数据流上行传输、标准格式基数据本地存储等实时监控和短信报警[19]，利用数据库及日志扫描监控技术实现监控数据流传输的方法[20]。以上研究有的是对雷达基数据传输方面的研究，有的是对雷达基数据、流传输数据在数据监控方面的研究，而针对天气雷达径向数据流实时数据跨网段传输方面的研究较少。在高度信息化和网络化的今天，对于数据的实时性要求越来越高，根据设计要求，新一代天气雷达的实时数据均不能跨越路由器进行远程传输，给远程用户带来较大的局限性，同时中国气象局最新下发的《天气雷达基数据标准格式业务切换工作方案》(1)中国气象局预报与网络司. 《天气雷达基数据标准格式业务切换工作方案》[气预函〔2020〕41号].仅实现径向数据流传输功能，并不涉及雷达状态和雷达控制，本文针对这些问题，实现真正意义上的雷达实时径向数据流传输和远程实时显示，还可以监控雷达运行状态和雷达远程控制，从而提高远程雷达技术保障效率。

1 径向流传输

目前中国气象局将在网运行的新一代天气雷达径向数据流传输到了各省气象局信息中心。《天气雷达基数据标准格式业务切换工作方案》中规定了天气雷达数据的两种传输方式：文件传输和径向流传输，以及文件传输方式的传输路由、传输文件名、文件格式、传输协议、传输目录、文件命名规则，径向流传输方式的传输路由、通信协议、通信端口、传输方式、数据包类型和数据包结构。以文件为单位进行传输，通过对原始数据保存目录进行监视，监视到新的数据文件生成后，采用FTP协议将数据文件上传至远程FTP服务器，远程计算机上运行的产品终端软件读取数据文件，进行处理和显示。可以看出，在径向流传输实现以前，采用文件单位的数据传输方式有一定的滞后性，尤其是在雷达体扫模式下，不考虑传输的时间开销，远程用户也要在6 min之后才能得到数据，实时性不强。

雷达径向数据是指天气雷达在一个方位角度上不同距离的多种数据，包括强度、速度、谱宽等。雷达站雷达软件(RDA)向省级实时分发径向数据流，省级通信系统接收后逐径向流数据向国家级实时转发，并根据需求，接收完逐径向/逐仰角/逐体扫的数据后，在本地生成标准格式的基数据文件，分发至本省数据环境；国家级通信系统实时接收省级转发的径向数据流，同样根据需求生成标准格式的基数据文件，分发至国家级数据环境。图1为径向数据流的传输路由。径向数据流传输采用Socket通信方式进行逐径向实时传输，实现雷达径向流传输数据从雷达站点到省级、国家级节点的可靠、稳定传输。省级传输软件作为服务端，以端口2226监听雷达站RDA的Socket接入；国家级传输软件以端口2226监听省级服务端的Socket接入。省级服务端以端口12821(FTP协议)监听雷达站RDA上传的体扫文件；国家级服务端以端口12821(FTP协议)监听省级服务端上传的体扫文件。

图1 径向数据流传输路由Fig.1 Radial data flow transmission routing

雷达站—省级传输：雷达站雷达软件作为客户端主动向省级传输软件发起TCP连接，省级传输软件作为服务端接收。省级—国家级传输：省级主动向国家级传输软件发起TCP连接，国家级传输软件接收。

2 系统设计与实现

2.1 设计思路

组播协议允许一台主机发送的数据通过网络路由器和交换机复制到多个加入此组播的主机，是一种一对多的通讯方式。优点在于既节省服务器资源也节省网络主干的带宽资源，但组播协议没有补包机制，因为组播采用UDP的传输方式，并不是一对一的，因此无法有针对性地进行补包，所以组播协议传输的数据不可靠。新一代天气雷达采集监控程序通过UDP组播形式向局域网内进行径向数据流传输，由于网络安全方面原因省级气象部门局域网内针对组播端口基本都是关闭的，无法跨局域网跨路由接收显示各台站径向数据流信息，目前雷达站业务系统采用TCP/IP协议径向数据流传输到各省气象局信息中心，且无显示画面功能。因此，为满足预报员对天气雷达资料的实时性需求和方便省级雷达保障部门数据监控，且在不影响正常业务系统运行的情况下，需要另外增加一条传输通道，通过TCP/IP协议实现雷达台站径向数据流到省级部门的传输，图2为具体流程图。

图2 径向数据流传输流程图Fig.2 Radial data flow transmission flow diagram

为满足省局用户实时显示雷达径向流数据，需要在雷达本站气象局增设一台远程传输服务器(RTS)布设径向数据流转换传输软件，在省级用户内网电脑增加远程用户终端(RTC)布设径向数据流实时控制、监控和回波显示软件。具体数据传输方式分为业务系统线路和新增传输通道线路。

业务系统线路：雷达站采集监控程序通过UDP组播协议将雷达径向数据流进行组播发送；实时显示软件实时接收UDP组播的雷达径向数据流信息，并实时显示、存储。存储基数据文件转到PUP/RPG产品终端进行二次产品生成及显示；实时显示终端实时接收UDP组播的雷达径向数据流信息，并按《新一代天气雷达数据传输规范》进行转换为TCP/IP协议传输，省气象局信息中心布设的流传输接收软件进行实时接收及基数据文件存储。

新增传输通道线路：在雷达本站气象局增设一台远程传输服务器增加径向数据流转换传输软件，将采集监控程序UDP组播的雷达径向数据流信息进行接收，并转化为TCP/IP协议的雷达径向数据流进行传输；在省级用户内网电脑增加远程用户终端径向数据流实时控制、监控和回波显示软件，实时接收并显示雷达径向数据流信息，进行选择存储基数据文件等功能。

2.2 软件架构

整个系统采用C/S架构，即客户端/服务器架构，由远程传输服务器软件(RTS)和远程传输客户端软件(RTC)组成(本方案对目前雷达软硬件、工作模式等均无影响，这里系统是指新增加的RTS和RTC，下同)。RTS软件运行于远程传输服务器上，实现雷达数据、状态、指令转换，通过网络直接与雷达主机、远程终端通讯，由其实现远程终端和雷达主机的交互通讯。RTC软件运行于远程用户终端上，用于远程用户实时回波、状态显示和雷达控制。

2.3 软件设计

本方案是对前期CINRAD/CC型天气雷达监控终端软件在网络通讯功能上的补充，在天气雷达操控、探测、产品处理等功能上无任何增加和删减。因此，本方案的设计仅围绕网络、数据链接展开。CINRAD/CC型天气雷达监控终端软件的各种性能指标在本文中不再重复描述。

目前CINRAD/CC型天气雷达数据、状态和控制指令都在一个局域网内通讯，因此使用传播效率高的UDP/IP组播方式进行工作。该方式最大缺点是无法通过路由器实现远程网络传输。为解决该问题，本系统将增加远程传输服务器，对远程用户采用TCP/IP网络传输协议，实现点对点、或者一点对多点的网络传输，从而实现网络远程传输。图3为网络总体流程图，客户端和服务器端通过TCP/IP协议进行数据通讯，服务器端创建套接字，等待客户端的连接请求，当客户端开始连接远程服务器时，服务器端开始对客户端进行合法性判断，如果客户端是合法用户，那么服务器端与客户端进行通讯，客户端开始处理接收服务器端数据文件并实现雷达终端控制、监控和回波实时显示功能。

图3 网络总体流程图Fig.3 Overall network flow chart

RTS软件分成网络连接模块、用户管理模块和网络通讯模块。网络连接功能模块主要有两大功能，即本地网络内实时数据、状态信息接收和远程网络的连接功能。本地网络内实时数据、状态信息接收功能是指RTS软件和雷达主机在雷达局域网内部的数据通讯，在保证不改变现有用户工作模式的情况下实现与雷达系统的互联互通，本地网络通讯使用UDP/IP组播网络协议。远程网络连接功能是指RTS软件和远端RTC软件通过远程网络实现数据通讯的功能，它的实现能使远端RTC软件实时接收雷达数据，并能在远端对雷达进行远程控制，远程网络通讯使用TCP/IP网络协议。用户管理模块主要有远程用户增加、修改、删除和远程许可用户识别两项子功能。远程用户增加、修改、删除是指通过该功能对远程用户信息进行增加、修改、删除，每次的改动都无需软件重新启动，并能通过一个配置文件进行保存。远程许可用户识别是指通过RTS配置文件里的IP地址对远程用户进行识别。

网络通讯模块有4个子功能：本地网络内实时数据、状态信息接收；本地网络内控制指令发送；远程网络的实时数据、状态信息转发；远程网络的实时指令接收。本地网络内实时数据、状态信息接收是在不改动现有雷达硬件和雷达站网络环境的前提下，实现雷达实时数据、状态信息接收，软件外部使用UDP/IP组播网络协议，软件内部使用CINRAD/CC型天气雷达监控终端软件内部接口约定。本地网络内控制指令发送是指不改动现有雷达硬件和雷达站网络环境，实现雷达实时数据发送，软件外部使用UDP/IP组播网络协议，软件内部使用CINRAD/CC型天气雷达监控终端软件内部接口约定。远程网络的实时数据、状态信息转发是指在局域网内将雷达实时数据和状态信息接收以后再转发至远程网络的客户端，软件外部通讯使用TCP/IP网络协议，软件内部使用CINRAD/CC型天气雷达监控终端软件内部接口约定。远程网络的实时指令接收是指远端许可的用户在通过RTS检验以后，在远端RTC软件上发送给RTS的相关控制雷达指令，RTS软件可以识别并接收，软件外部使用TCP/IP网络协议，软件内部使用CINRAD/CC型天气雷达监控终端软件内部接口约定。

RTS软件本地网络内，首先创建5个线程，使用组播通讯协议与雷达数据源进行联网，等待雷达数据源，一旦接收到雷达数据就根据用户配置管理转发数据，如图4所示。

图4 RTS软件本地网络工作流程图Fig.4 The RTS software local area network work flow chart

RTS远程网络工作时，首先创建套接字并等待RTC软件接入请求，有用户接入时放置到临时用户中，然后判断用户是否为合法用户，当为合法用户时RTS远程服务器根据用户列表发送数据和指令，如图5所示。

图5 RTS远程网络工作流程图Fig.5 The RTS remote network work flow chart

RTC软件分成网络连接模块、网络通讯模块和其余模块3大部分。其中网络连接模块主要有服务器端链接功能和服务器端断开后的重新自动链接功能。服务器端链接功能是通过RTC软件配置文件里记录的远端RTS软件的IP地址、端口进行网络链接，网络通讯使用TCP/IP网络协议。服务器端断开后的重新自动链接功能实现了客户端的自动连接(由于RTS软件会由于各种原因与客户端断开链接)，该功能保证在RTS软件重新正常运行后客户端软件自动和其进行链接并连接成功，保证客户端软件的实时性，网络通讯使用TCP/IP网络协议。

网络通讯模块主要有实时数据接收功能和实时状态信息接收功能。实时数据接收功能在通过RTS软件对本客户端验证以后，获取服务器端发送的实时雷达数据，软件内部使用CINRAD/CC型天气雷达监控终端软件内部接口约定。实时状态信息接收功能是在通过RTS软件对本客户端验证以后，获取服务器端发送的实时雷达状态信息，软件内部使用CINRAD/CC型天气雷达监控终端软件内部接口约定。

其余模块是指CINRAD/CC型天气雷达监控终端软件对回波显示、数据保存等功能。

RTC软件工作流程，开始创建套接字并连接远程服务器RTS软件，根据用户指令等待RTS软件确认，如果在规定时间内无响应，则重新建立链接，如果有数据RTC客户端就接收RTS软件发过来的雷达数据和状态并进行加工处理，最终实现RTC客户端的雷达控制、监控和回波实时显示功能，如图6所示。

图6 RTC软件工作流程Fig.6 The RTC software workflow

2.4 RTS与RTC通讯协议设计

2.4.1 雷达回波数据

雷达回波数据格式包括数据帧头、数据帧信息和雷达数据信息三部分。第一部分数据帧头表示雷达回波数据帧的开始，标志为“DATA”，4个字节；第二部分数据帧信息表征数据类型、数据长度等信息，大小32个字节；第三部分雷达数据信息包含上位机采集的雷达数据，单计4000个字节。雷达回波数据长度总计4036个字节，数据流方向为RTS→RTC。

2.4.2 雷达状态信息数据

雷达状态信息数据的数据格式包括数据帧头和雷达设备状态信息两部分。第一部分数据帧头用于表示状态数据的开始，标志为“ECH00”，共5个字节；第二部分为雷达设备状态信息，共8个字节。雷达状态信息数据长度总计13个字节；数据流方向为RTS→RTC。

2.4.3 雷达控制获取回复指令

雷达控制获取回复指令的数据格式包括数据帧头和控制权是否获取信息两部分。第一部分数据帧头用于表示RTC向RTS端申请控权，标志为“CONT”，共4个字节。第二部分控制权获取信息有两种情况，第一种为RTC成功获取控制权，RTS发送给RTC的操作信息，标志为“SUCCESS”，7个字节；第二种为RTC控制权获取失败，RTS发送给RTC的操作信息，标志为“FAILURE”，大小7个字节。雷达控制获取回复指令数据长度总计11个字节，数据流方向为RTS→RTC。

2.4.4 雷达控制指令

雷达控制指令的数据格式包括数据帧头和雷达操作请求信息两部分。第一部分数据帧头用于表示雷达操作请求信息，标志为“COMMD”，共5个字节；第二部分雷达操作信息为各种对雷达的操作指令，大小8个字节。控制指令数据长度总计13个字节，数据流方向为RTC→RTS。

2.4.5 雷达控制权申请指令

雷达控制权申请指令数据格式为数据帧头，即请求服务器端给予雷达的控制权，标志为“CONTRIGHT”共9个字节，数据流方向为RTC→RTS。

3 传输时效分析

相比以文件为单位的数据传输方式，基于C/S架构的远程数据传输方式的传输效率有大幅提升。以业务运行VCP21模式为例，采用文件传输方式时，需要经过11层扫描、文件上传等过程，远程用户才可以获得回波数据；而采用基于径向流传输的远程传输方式，远程用户几乎可以准时获取雷达回波数据并按层进行数据落地。对于用户比较关心的底层仰角(0.5°、1.5°)回波获取至少可以提前几乎一个体扫的时间(VCP21模式下为6 min)。

4 结论与讨论

本系统采用的远程传输服务器软件直接从雷达主机所在局域网中获取雷达回波数据，不需要对雷达站之前的状态(软件和硬件)做任何改变，因而在开发和部署期间均对雷达的运行、维护和保障没有影响。

远程传输客户端软件在远程可以实现远程控制、监控、雷达回波实时显示和数据存储落地。远程用户能在网络的任意节点上监测天气过程和控制雷达运行状态，给用户带来真正意义上的网络实时监控和使用雷达的感受，也为将来管理部门集中对多部雷达进行实时监控、观察天气过程打下良好基础。

本系统采用的C/S架构，使用标准的TCP/IP协议实现雷达回波、雷达控制、状态信息的传输，径向流格式遵循中国气象局信息中心下发的《天气雷达基数据标准格式业务切换工作方案》。由于中国气象局目前仅统一了雷达基数据的格式以及从流传输软件至信息中心之间的数据格式和传输格式，但由于雷达型号之间的差异，从雷达RDA输出数据至径向流传输软件之间的协议和数据格式并不统一，所以需要针对不同型号的雷达开发实时显示和监控系统，另外不同型号雷达的控制、参数输出的接口和数据格式也不相同，所以存在不同型号的雷达分别开发软件的事宜。本系统的原理和技术方法具有较强的适应性，对实现其他型号雷达的远程控制和显示有借鉴意义。