新一代天氣雷達遠程故障診斷與應急維修應用探討

姜小云，李昭春，吳　俞

(1.海南省氣象探測中心，海南　?？凇?70203；2.海南省氣象臺，海南　海口　570203)

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新一代天氣雷達遠程故障診斷與應急維修應用探討

姜小云1，李昭春1，吳俞2

(1.海南省氣象探測中心，海南?？?70203；2.海南省氣象臺，海南?？?70203)

摘要：為了最大程度發(fā)揮新一代天氣雷達在天氣預報、氣象決策和服務、人工影響天氣等業(yè)務和科研方面的效益，設計了新一代天氣雷達遠程診斷和應急維修系統(tǒng)。通過設計繼電器開關控制伺服控制單元、數(shù)據(jù)采集控制單元、發(fā)射機主控板等設備電源以實現(xiàn)遠程復位，以及信號波形監(jiān)控系統(tǒng)以實現(xiàn)遠程快速在線診斷。同時給出雷達遠程控制軟件操作方法，并利用測試軟件進行在線測試和參數(shù)調(diào)整。根據(jù)海南省SA新一代天氣雷達站的實際運行情況，該系統(tǒng)應用效果良好，可供其他新一代天氣雷達站應用和參考。

關鍵詞：新一代天氣雷達；遠程故障診斷；應急維修

引言

隨著全國新一代天氣雷達布網(wǎng)建設的不斷完善，新一代天氣雷達技術保障顯得越來越重要[1-6]。前人已經(jīng)積累了大量關于新一代天氣雷達技術保障方面的經(jīng)驗和研究成果[7-19]。為了最大程度發(fā)揮新一代天氣雷達在天氣預報、氣象決策和服務、人工影響天氣等業(yè)務中的效益，必須發(fā)展新一代天氣雷達故障快速診斷與處理及應急維修等技術。林忠南等開發(fā)的新一代天氣雷達遠程控制器[20]，能夠遠程重啟部分設備電源，大大提高新一代天氣雷達故障應急維修響應速度。由于新一代天氣雷達大多布設在高山或遠離市區(qū)的偏僻地區(qū)，且汛期必須24 h不間斷運行，大幅增加了其維修維護和技術保障的壓力。新一代天氣雷達是一種能全自動化運行的天氣觀測設備，基本可以實現(xiàn)無人值守。但事實上，由于各種環(huán)境、干擾等影響使其穩(wěn)定性、可靠性難以達到無人值守的要求。經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，SA型新一代天氣雷達部分停機故障多由一些小故障等引起，主要表現(xiàn)為RDA(雷達數(shù)據(jù)采集)計算機與伺服系統(tǒng)DCU(數(shù)控單元)通信連接失敗、RDA計算機與DAU(數(shù)據(jù)采集單元)系統(tǒng)通信接口失敗、以及天線座報動態(tài)錯誤等故障。上述故障往往只需手動重啟RDA計算機或RDASC(新一代天氣雷達運行控制工作軟件)，重新復位DCU、DAU等分機系統(tǒng)，或者重新復位發(fā)射機主控板等。為了盡可能實現(xiàn)無人值守和最大程度上發(fā)揮新一代天氣雷達使用效益，本文設計了一套相應的遠程故障診斷與應急維修系統(tǒng)。

1系統(tǒng)總體設計

圖1給出SA型新一代天氣雷達遠程故障診斷與應急維修系統(tǒng)總體設計框架?？梢钥闯觯麄€系統(tǒng)主要有本地終端、遠程服務器、繼電器開關控制和示波器波形監(jiān)測等模塊。遠程服務器可以是新一代天氣雷達機房局域網(wǎng)中任意一臺電腦，且安裝有RDASC的遠程桌面工具和操作繼電控制模塊的專用軟件。終端電腦為省局局域網(wǎng)任意一臺客戶機，業(yè)務保障人員可以通過本地終端遠程登陸到新一代天氣雷達機房的遠程服務器，進行遠程狀態(tài)查詢、故障診斷與應急維修等操作。繼電控制模塊涉及到硬件操作內(nèi)容，是遠程應急維修技術的核心模塊。本文采用5 V繼電模塊，其輸出觸點耐壓為220 V，可承受電流10 A以下的中等功率負載。該型號繼電器能夠控制新一代天氣雷達DAU、DCU單元的供電開關和雙蹤數(shù)字示波器的多路采集電纜開關。為了能夠遠程查看發(fā)射機、接收機等模塊電路關鍵測試點波形，采用時分復用技術把所有待檢測的測試點波形采集探頭連線利用繼電開關控制接入到一示波器的某個通道，從而可以輪流檢測多個測試點波形。RDASC是SA型新一代天氣雷達運行控制工作軟件，它可以控制雷達各分系統(tǒng)有序工作，并采集天氣觀測數(shù)據(jù)和設備運行狀態(tài)等信息。操作人員可通過該軟件操控新一代天氣雷達開機、關機、離線和待機。與其配套的測試軟件為RDASOT，它可以最大限度地測試和標定新一代天氣雷達設備，也是遠程故障診斷和應急維修的重要組成部分。

圖1　系統(tǒng)總體設計框圖

2遠程服務器分系統(tǒng)

2.1遠程操作Linux系統(tǒng)

目前SA型新一代天氣雷達的RDASC軟件部署在Linux系統(tǒng)上，該系統(tǒng)穩(wěn)定性強、不易受病毒感染、易操作。然而，利用遠程Windows終端操作Linux系統(tǒng)必須安裝Windows下遠程桌面軟件。本文使用簡單小巧的Xming和Putty軟件實現(xiàn)遠程登錄Linux服務器系統(tǒng)，其優(yōu)點是遠程Linux系統(tǒng)不需要預先安裝服務軟件，利用Linux自帶的SSH服務，就可以實現(xiàn)Linux系統(tǒng)的遠程連接和操作。

圖2是Putty軟件界面，只需設置3個地方就可以遠程登錄Linux系統(tǒng)桌面。包括：(1)左邊樹形目錄選擇Session，在右邊的設置頁面中輸入遠程Linux服務器的IP地址，其余使用默認設置；(2)樹形目錄選擇SSH，在Remote Command文本框中輸入Gnome-Session；(3)樹形目錄選擇X11，XDisplay Location 文本框中輸入Local Host：0。

圖2　Linux系統(tǒng)遠程登錄設置

設置好上述選項后，再打開Xming軟件，點擊Putty軟件界面上的Open進行遠程連接，輸入遠程Linux系統(tǒng)的密碼，即可看到Xming界面上顯示的遠程Linux系統(tǒng)桌面及RDASC軟件操作，如圖3所示。

圖3　遠程登陸Linux系統(tǒng)桌面操作RDASC軟件

利用RDASC雷達運行軟件，可遠程查看雷達運行狀態(tài)參數(shù)信息，同時可對雷達進行諸如開、關機等操作。利用RDASOT軟件可對雷達進行性能測試、標校和性能參數(shù)修改調(diào)整等。圖4是遠程使用RDASOT軟件測試雷達性能和故障診斷的界面，顯示當前雷達接收機線性動態(tài)范圍測試曲線，其值為86 dB，符合規(guī)定的性能指標(指標要求>85 dB)。其他大部分雷達系統(tǒng)機內(nèi)指標參數(shù)與動態(tài)范圍的測試類似，均可以遠程操作。

圖4　遠程使用RDASOT軟件測試雷達性能和故障診斷

2.2遠程復制文件

當需要從遠程Linux系統(tǒng)復制一些RDASC監(jiān)控日志等文件到Windows系統(tǒng)下，則可以在Windows系統(tǒng)下安裝一SCP小工具軟件，就可實現(xiàn)本地Windows系統(tǒng)和遠程Linux系統(tǒng)間的文件傳送。

3繼電控制分系統(tǒng)

3.1遠程硬件重啟RDASC計算機

圖5是遠程開關裝有RDASC軟件的計算機的流程。首先，在終端機的遠程桌面登陸到遠程專用服務器，該服務器上運行的繼電器控制軟件給下位機控制系統(tǒng)發(fā)送指令，下位機控制系統(tǒng)接收到指令后控制繼電器開關，使得計算機電源按鍵開關吸合1 s左右再斷開(相當于手動按下電源按鈕1次)，這時計算機執(zhí)行系統(tǒng)關機命令隨即關機。同樣，再次使計算機電源按鈕開關吸合然后斷開，則計算機執(zhí)行系統(tǒng)開機命令。當計算機出現(xiàn)死機等情況時，在遠程登陸該計算機失敗的情況下可以通過這種遠程硬件控制計算機電源的方法來實現(xiàn)計算機的重啟，而不必去雷達站機房重啟計算機。繼電開關控制電路如圖6所示，為保證繼電器可靠工作，采用一NPN型三極管放大驅動電流來控制繼電器。

圖5　遠程開關RDASC計算機

圖6　繼電器驅動電路圖

3.2遠程控制DAU分系統(tǒng)電源

新一代天氣雷達的數(shù)據(jù)采集單元簡稱DAU，主要由上下光端機、數(shù)字板、模擬板以及DAU電源組成，主要負責采集雷達天線的狀態(tài)和報警信息，送給伺服控制單元數(shù)字板。雷達發(fā)射機、天線功率，探頭調(diào)零，市電和油機切換標記，波導開關切換指令，空氣壓縮機的濕度、壓力報警等都通過DAU數(shù)字板上報RDASC計算機。DAU數(shù)字板和RDASC計算機的接口類型為RS-232。在出現(xiàn)DAU接口失敗、通信不暢情況下，若在設備機房保障人員可以拉下監(jiān)控面板上的DAU開關重啟DAU系統(tǒng)，而遠端則通過登錄遠程服務器給繼電控制分系統(tǒng)發(fā)送指令控制DAU電源開關，以實現(xiàn)遠程控制DAU系統(tǒng)復位。

3.3遠程控制DCU分系統(tǒng)電源

DCU內(nèi)包括數(shù)字板、模擬板、軸角二進制顯示板及電源。其中數(shù)字板接收來自RDASC計算機發(fā)送的速度和位置命令，據(jù)此產(chǎn)生速度設定，并加載到模擬板的速度環(huán)輸入端；接收RDASC計算機發(fā)送的“待機/工作”命令信號，并與天線罩門開關狀態(tài)信號相乘，產(chǎn)生“SERV ON/OFF”指令信號傳遞給功放，決定功放電源通斷。DCU每隔45 ms發(fā)送1次天線角碼信息傳送到RDASC計算機，獲取來自天線和功放的報警信號，做出實時保護動作，每隔3 s執(zhí)行一次BIT操作并將報警信息打包上傳給RDASC計算機?？梢姡珼CU與RDASC計算機信息交換密集，如果發(fā)生通信失敗、天線動態(tài)出錯等故障，則需要重啟DCU電源來復位DCU數(shù)字板的CPU。同樣，若在雷達設備機房保障人員可以通過拉下RDA監(jiān)控面板上的DCU開關以斷開DCU分系統(tǒng)電源，再合上開關即可重啟DCU分系統(tǒng)；而遠端則可通過遠程服務器給繼電控制分系統(tǒng)發(fā)送指令控制DCU電源開關，以實現(xiàn)遠程控制DCU系統(tǒng)復位。

3.4遠程控制發(fā)射機主控板分系統(tǒng)電源

發(fā)射機主控板是發(fā)射機告警信息和控制處理的核心部件。其內(nèi)部有CPU、燈絲預熱計時器、光耦電路和422差分接口芯片等。由于發(fā)射機告警信息很多，判斷過程復雜。發(fā)射機的狀態(tài)和告警以信息碼方式發(fā)送給RDA的DAU數(shù)字板，在雷達運行過程中，RDASC程序每隔45 ms檢測1次發(fā)射機和DAU的接口通信是否正常，若不正常則發(fā)出發(fā)射機與DAU之間的接口故障信號。很多情況下由于各種干擾、靜電感應和灰塵堆積等造成發(fā)射機主控板接口通信失敗，則大多通過重啟發(fā)射機系統(tǒng)使雷達系統(tǒng)恢復正常。在雷達設備機房可以在RDASC程序執(zhí)行待機后，通過先拉下后合上的方式維護面板上的輔助供電開關即可復位發(fā)射機主控板系統(tǒng)，然后再進行雷達正常開機運行。如需在遠端控制發(fā)射機主控板復位，可用一繼電器連接發(fā)射機柜中的28 V電源線，繼電器接收來自遠程服務器控制軟件的指令后吸合，使得28 V電源線斷開，然后再恢復28 V供電，則發(fā)射機主控板通電復位。

4波形監(jiān)控系統(tǒng)

SA新一代天氣雷達是一技術先進、結構復雜、功能完整的現(xiàn)代天氣觀測系統(tǒng)，需要所有分機模塊協(xié)同正常工作才能獲取準確的天氣觀測資料。為快速判斷和維修雷達故障，設計人員預先留有一些關鍵測試點，其中大部分測試點需要用示波器來測量。目前，全國各級新一代天氣雷達保障單位都配有1臺美國泰克儀器公司的泰克系列數(shù)字示波器，其示波器資源管理軟件可以通過局域網(wǎng)連接和管理所有泰克數(shù)字示波器，為遠程控制示波器和獲取波形參數(shù)提供條件。該軟件在后臺自動運行，并每隔一段時間自動搜索聯(lián)網(wǎng)的泰克數(shù)字示波器設備，一旦發(fā)現(xiàn)有新設備聯(lián)網(wǎng)則將其添加到儀器列表欄中。通過該資源管理器，還可二次開發(fā)出針對泰克數(shù)字示波器特殊應用的軟件。圖7為使用美國NI公司的LABVIEW圖形編程軟件開發(fā)的遠程連接和控制示波器的應用程序界面。

新一代天氣雷達需要測量和監(jiān)控的波形測量點較多，本文選取最重要的16個測試點進行監(jiān)控。這些測試點為：接收機后面IO62轉接盒中的9.6 M主時鐘信號，發(fā)射機充電觸發(fā)信號，發(fā)射機放電觸發(fā)信號，接收機保護器命令信號，接收機保護器響應信號，燈絲同步信號，觸發(fā)器組件ZP2、ZP15，開關組件ZP1、ZP2、ZP9，燈絲逆變電壓(230 V)信號，發(fā)射機放電脈沖，發(fā)射脈沖包絡，人工線充電電壓，發(fā)射機射頻觸發(fā)信號。以上測試點涵蓋了新一代天氣雷達故障診斷時必需的關鍵點波形。遠程獲取這些測試點的波形參數(shù)便于第一時間內(nèi)分析和解決雷達故障，提高響應速度，縮短雷達故障排除時間。

為了能在同一臺示波器上獲取上述16路波形數(shù)據(jù)，采用時分復用和多路繼電器開關控制技術。如圖8所示，終端計算機可以通過登陸遠程服務器，利用操作服務器上專用控制軟件來控制各路繼電器開關以便從16路信號中選擇一路輸入到示波器輸入端口，然后通過圖7的軟件界面，遠程控制示波器獲取波形參數(shù)信息。

圖7　遠程連接和控制示波器的LABVIEW編程界面

圖8　多路信號在單個示波器上顯示框圖

5遠程控制實例

5.1?？谛乱淮鞖饫走_RDASC計算機斷電重啟

故障現(xiàn)象：?？谛乱淮鞖饫走_站的遠程服務器監(jiān)控短信報告沒有采集到該雷達基數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)和產(chǎn)品。

故障診斷與排除：先通過遠程服務器遠程桌面連接RDASC計算機系統(tǒng)，若連接不上，則初步診斷為RDASC計算機系統(tǒng)死機或網(wǎng)絡異常。此時無法通過遠程桌面方法重啟RDASC計算機，只能利用遠程硬件繼電器開關系統(tǒng)控制RDASC計算機電源斷電再加電來重啟RDASC計算機。重啟后，再通過遠程桌面方法打開RDASC軟件，進行開機操作，雷達系統(tǒng)恢復正常運行。圖9的監(jiān)控日志顯示本次應急搶修任務只花了約5 min的時間。

故障原因分析：RDASC計算機本身不是服務器，但充當了服務器的角色，24 h不間斷運行，很可能是運行程序不斷占用資源，造成計算機系統(tǒng)死機。

圖9　實時采集的故障監(jiān)控短信報告(a)和日志(b)

5.2東方新一代天氣雷達DCU復位

故障現(xiàn)象：東方新一代天氣雷達站的遠程服務器監(jiān)控程序報告天線動態(tài)故障(代碼:336)和強制系統(tǒng)待機報警(代碼:398)。

故障診斷與排除：首先通過遠程服務器的遠程桌面登陸RDASC計算機系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)RDASC軟件已處于待機狀態(tài)。重新選擇運行操作(點擊Operate子菜單)，發(fā)現(xiàn)軟件立即返回待機狀態(tài)，不能正常運行；關閉RDASC程序，進入RDASOT測試程序，選擇Antena Control 子程序點擊Selftest按鈕，發(fā)現(xiàn)自檢失敗(Selftest Error)。然后通過遠程服務器的繼電器開關控制系統(tǒng)遠程關閉DCU電源，對DCU進行遠程復位，再運行天線座自檢程序，發(fā)現(xiàn)自檢成功(Selftest Successfully)；退出RDASOT程序，進入RDASC程序，正常開機，雷達系統(tǒng)運行正常。

故障原因分析：可能由于天線座的匯流環(huán)積累了一些碳粉，沒有及時清洗干凈，引起雷達監(jiān)控系統(tǒng)報天線座動態(tài)錯誤，進而導致RDASC系統(tǒng)強制待機報警；也可能由于某些干擾使得天線座報動態(tài)故障，從而導致RDASC為了保護天線設備安全而立即停機。

6結論與討論

(1)新一代天氣雷達觀測系統(tǒng)從剛開始布點到目前大規(guī)模組網(wǎng)建設已有10多a，為短時臨近天氣預報、災害性天氣監(jiān)測、人工影響天氣等業(yè)務和科研發(fā)揮了巨大作用。與此同時，現(xiàn)代氣象業(yè)務對新一代天氣雷達觀測系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、準確性和時效性等保障業(yè)務方面的要求越來越高。

(2)通過網(wǎng)絡遠程診斷和應急解決新一代天氣雷達故障，設計繼電器開關系統(tǒng)控制伺服控制單元、數(shù)據(jù)采集控制單元、發(fā)射機主控板等設備電源以實現(xiàn)遠程復位，設計信號波形監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)雷達設備故障遠程快速在線診斷和監(jiān)控。

(3)給出雷達遠程控制運行軟件的方法，以及利用其測試軟件進行實時在線測試和參數(shù)動態(tài)調(diào)整技術。根據(jù)在?？?、東方等新一代天氣雷達站實際運行情況，該系統(tǒng)使用效果良好，能對其他SA型新一代天氣雷達站的技術保障業(yè)務提供借鑒和參考。

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Discussion of Remote Fault Diagnosis and Emergency Maintenance for the New Generation Weather Radar

JIANG Xiaoyun1，LI Zhaochun1，WU Yu2

(1.HainanMeteorologicalDetectionCenter,Haikou570203,China;2HainanMeteorologicalObservatory,Haikou570203,China)

Abstract:In order to make the new generation weather radar create the most benefit in weather forecast, meteorological decision and service, weather modification, etc, the network remote fault diagnosis and emergency maintenance system of the new generation weather radar was designed. The relay switchs were designed for controlling the device power supply of servo control unit, data collection control unit and master control board of transmitter to realize remote reset operations, and the signal waveform monitoring system was designed to implement remote quick diagnosis for the new generation weather radar. In addition, the remote operation method of the new generation weather radar software was put forward, and its parameters were tested by the professional test software, then they were adjusted. Finally, the network remote fault diagnosis and emergency maintenance system of the new generation weather radar was applied in Hainan Province. According to the actual operation in Haikou and Dongfang radar stations, the effect was better, and it could be used for reference by other new generation weather radar stations.

Key words:the new generation weather radar；remote fault diagnosis; emergency maintenance

中圖分類號：P415.2

文獻標識碼：A

文章編號：1006-7639(2016)-02-0376-06

doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-02-0376

作者簡介：姜小云(1978- )，男，碩士，主要從事新一代天氣雷達技術開發(fā)與保障研究. E-mail：jxy_un@126.com

基金項目：海南省氣象局氣象科技創(chuàng)新項目(HNQXZD201502)資助

收稿日期：2015-06-09；改回日期：2015-07-28

姜小云，李昭春，吳俞.新一代天氣雷達遠程故障診斷與應急維修應用探討[J].干旱氣象，2016，34(2)：376-381, [JIANG Xiaoyun, LI Zhaochun, WU Yu. Discussion of Remote Fault Diagnosis and Emergency Maintenance for the New Generation Weather Radar[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(2):376-381], doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-02-0376