新型自動(dòng)站故障診斷系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

侯飆，韓書新，熊峰，薛風(fēng)國，曲秉陽

（黑龍江省氣象數(shù)據(jù)中心，黑龍江哈爾濱150030）

新型自動(dòng)站故障診斷系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

侯飆，韓書新，熊峰，薛風(fēng)國，曲秉陽

（黑龍江省氣象數(shù)據(jù)中心，黑龍江哈爾濱150030）

1 引言

隨著綜合氣象觀測業(yè)務(wù)現(xiàn)代化建設(shè)的飛速發(fā)展，第二代新型自動(dòng)氣象站已經(jīng)在黑龍江省國家氣象站完成建設(shè)并投入業(yè)務(wù)運(yùn)行，使地面自動(dòng)觀測的數(shù)據(jù)密度、數(shù)據(jù)質(zhì)量和系統(tǒng)的穩(wěn)定性都有顯著提高。但由于新型自動(dòng)氣象站觀測頻率的加大，使觀測數(shù)據(jù)呈指數(shù)增長，這對(duì)于通過分析探測數(shù)據(jù)質(zhì)量的方式診斷自動(dòng)站氣象故障是一種嚴(yán)峻的考驗(yàn)?，F(xiàn)在應(yīng)用的故障診斷系統(tǒng)是采用數(shù)據(jù)集中式處理方式，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)算能力要求很高，而且數(shù)據(jù)在采集傳輸過程中容易造成數(shù)據(jù)缺失和數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，數(shù)據(jù)處理時(shí)間較長，影響故障診斷時(shí)效。基于這種現(xiàn)狀，提出一種基于分布式數(shù)據(jù)處理技術(shù)的新型自動(dòng)氣象站故障診斷系統(tǒng)，在臺(tái)站完成新型自動(dòng)氣象站的數(shù)據(jù)監(jiān)控和故障診斷，將故障診斷結(jié)果上傳至中心站，避免了數(shù)據(jù)集中處理和報(bào)文大量傳輸?shù)倪^程。通過該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以提高新型自動(dòng)站故障診斷的時(shí)效，對(duì)提升自動(dòng)氣象站保障能力有很重要作用。

2 新型自動(dòng)氣象站的結(jié)構(gòu)簡介

新型自動(dòng)氣象站采用了當(dāng)今成熟、穩(wěn)定和先進(jìn)的電子測量、數(shù)據(jù)傳輸和控制系統(tǒng)技術(shù)，基于總線技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了地面氣象觀測全要素自動(dòng)觀測，具有高精度、高穩(wěn)定、易維護(hù)、低功耗、易擴(kuò)展和實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控的能力。整套系統(tǒng)按照“主采集器+外部總線+分采集器+傳感器+外圍設(shè)備”的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，對(duì)主/分采集器、總線結(jié)構(gòu)、傳感器、外圍設(shè)備、軟件、現(xiàn)場標(biāo)校設(shè)備的各個(gè)部分，從功能、結(jié)構(gòu)、通訊協(xié)議、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計(jì)算處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)傳輸、電氣接口標(biāo)準(zhǔn)、生產(chǎn)工藝等制定了嚴(yán)格規(guī)定[1]。

3 目前新型自動(dòng)氣象站故障診斷現(xiàn)狀及問題

目前，新型自動(dòng)氣象站故障的判斷是基于ASOM 2.0綜合氣象觀測系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控平臺(tái)[2]，其核心是以探測數(shù)據(jù)的可用性來判斷設(shè)備的運(yùn)行狀況。探測數(shù)據(jù)從臺(tái)站采集以后通過內(nèi)網(wǎng)傳送到省級(jí)服務(wù)器端，監(jiān)控平臺(tái)對(duì)獲得的數(shù)據(jù)內(nèi)部一致性、時(shí)間一致性、空間一致性以及氣候極值檢查，得到數(shù)據(jù)判定結(jié)果，最終形成全省所有自動(dòng)氣象站當(dāng)前時(shí)次的運(yùn)行狀況，形成運(yùn)行狀況序列圖和狀態(tài)圖等產(chǎn)品。但由于探測數(shù)據(jù)要通過全省各地的臺(tái)站上傳到省級(jí)服務(wù)器，數(shù)據(jù)鏈路層較多，出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或無法上傳數(shù)據(jù)的情況時(shí)有發(fā)生。例如臺(tái)站發(fā)生網(wǎng)絡(luò)通信故障，探測數(shù)據(jù)不能上傳至省級(jí)，而自動(dòng)站設(shè)備運(yùn)行正常，但監(jiān)控平臺(tái)會(huì)診斷自動(dòng)氣象站出現(xiàn)故障，這與實(shí)際情況嚴(yán)重不符，不能真實(shí)反饋?zhàn)詣?dòng)站運(yùn)行情況。

4 分布式數(shù)據(jù)處理方案

通過對(duì)目前設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控和故障診斷方法的分析，現(xiàn)提出一種分布式數(shù)據(jù)處理方案。相對(duì)于目前應(yīng)用的自動(dòng)站故障診斷方法主要有兩點(diǎn)創(chuàng)新：

（1）目前新型自動(dòng)站的監(jiān)控和故障診斷，是通過對(duì)自動(dòng)站報(bào)文的解析來完成，對(duì)解析的報(bào)文進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，以報(bào)文中探測要素?cái)?shù)據(jù)的可用性來衡量自動(dòng)站的運(yùn)行情況。這種方法是因?yàn)槔闲妥詣?dòng)站將很多狀態(tài)文件封裝在內(nèi)部，沒有相關(guān)的通信協(xié)議、接口的波特率讀取老型自動(dòng)站的狀態(tài)文件，使得老型自動(dòng)站的監(jiān)控和故障診斷都基于對(duì)觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制方法上。

新型自動(dòng)站在運(yùn)行的過程中可以通過RS232接口與采集器直接通信，通信過程中有很多指令可以讀取采集器實(shí)時(shí)工作的狀態(tài)，許多狀態(tài)文件直接反應(yīng)了自動(dòng)氣象站運(yùn)行過程中設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，而不需要通過自動(dòng)站的采集數(shù)據(jù)來判斷設(shè)備的狀態(tài)，可以縮減監(jiān)控的步驟，這種方式也更加直接，準(zhǔn)確度更高。

（2）綜合氣象觀測系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控平臺(tái)采取對(duì)全省自動(dòng)氣象站的探測數(shù)據(jù)文件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出全省自動(dòng)氣象站的運(yùn)行狀況。這種集中處理報(bào)文數(shù)據(jù)文件的方式，可以利用探測數(shù)據(jù)空間一致性的法則。但是，由于臺(tái)站在數(shù)據(jù)采集、封裝、傳輸、解碼等相關(guān)過程中，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)的缺失和損耗，而且數(shù)據(jù)在收集過程中要經(jīng)過很多鏈路，實(shí)時(shí)性較差。如果數(shù)據(jù)傳輸?shù)逆溌钒l(fā)生故障，同樣被判斷為自動(dòng)站處于故障狀態(tài)，不能客觀反映自動(dòng)站的運(yùn)行狀況。另外，數(shù)據(jù)集中處理對(duì)系統(tǒng)計(jì)算能力要求很高。

采用分布式數(shù)據(jù)處理的方案[3]，在臺(tái)站安裝故障診斷軟件，實(shí)時(shí)對(duì)新型自動(dòng)站的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，如發(fā)生設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)異常，對(duì)自動(dòng)站的故障類型進(jìn)行判定，將判定的結(jié)果反饋至省級(jí)監(jiān)控部門和保障科室，同時(shí)通知臺(tái)站儀器設(shè)備管理員，讓相關(guān)業(yè)務(wù)人員在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，在最短的時(shí)間對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行維護(hù)維修，能夠縮短故障排除時(shí)間，提高保障時(shí)效。分布式數(shù)據(jù)處理可以簡化數(shù)據(jù)處理流程，多線程同時(shí)完成故障診斷任務(wù)，省級(jí)部門只負(fù)責(zé)接收故障診斷的結(jié)果，具有站點(diǎn)故障診斷自治性和邏輯整體性的特點(diǎn)。

5 技術(shù)路線

5.1 技術(shù)路線

對(duì)于設(shè)備故障判斷的方式主要以探測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)文件為依據(jù)，此方法可以作為監(jiān)控平臺(tái)的補(bǔ)充。在新型自動(dòng)站的主采集器配置了一個(gè)RS232調(diào)試串口，使用串口調(diào)試線連接主采集器調(diào)試串口和PC機(jī)的RS232串口，設(shè)置相關(guān)串口通信參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)PC機(jī)和主采集器通訊。然后在PC機(jī)上編寫相應(yīng)的應(yīng)用軟件，通過軟件定時(shí)向采集器發(fā)送命令來讀取主采集器和各個(gè)分采集器的工作狀態(tài)信息，如有自動(dòng)站工作狀態(tài)異常，可通過短信發(fā)送模塊來提醒臺(tái)站值班員和省級(jí)保障人員，可以在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)故障并完成故障的診斷和處理。

軟件采用Client/Server（客戶機(jī)/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)[4,5]，通過將任務(wù)合理分配到臺(tái)站端和省級(jí)服務(wù)器端，降低了系統(tǒng)的通訊開銷，提高了整體的運(yùn)行速度。故障診斷軟件采用C#面向?qū)ο笳Z言編寫，源代碼的可移植性強(qiáng)，適合編寫串口操作應(yīng)用程序，尤其是這種特定應(yīng)用的小型系統(tǒng)。

臺(tái)站端和服務(wù)器端的程序不同，數(shù)據(jù)的處理主要在客戶端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式處理。省級(jí)服務(wù)器端主要提供數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)及系統(tǒng)維護(hù)和并發(fā)控制等。臺(tái)站端程序主要完成故障診斷的具體的任務(wù)，針對(duì)采集器返回的狀態(tài)值來判斷設(shè)備運(yùn)行情況，如發(fā)生設(shè)備運(yùn)行異常，將故障診斷結(jié)果反饋至省級(jí)服務(wù)器端。同時(shí)，可以向相應(yīng)的保障人員發(fā)送報(bào)警短信，短信內(nèi)容為相應(yīng)故障部件信息。省級(jí)服務(wù)器端設(shè)計(jì)相應(yīng)的狀態(tài)圖，利用地理信息系統(tǒng)來顯示全省自動(dòng)氣象站的運(yùn)行狀態(tài)，每一個(gè)站點(diǎn)為坐標(biāo)的坐標(biāo)按鈕，按鈕默認(rèn)狀態(tài)為綠色，綠色為某臺(tái)站設(shè)備運(yùn)行正常，如某臺(tái)站端診斷出采集器有故障，臺(tái)站端應(yīng)用程序可以將診斷結(jié)果發(fā)送至省級(jí)服務(wù)器端，省級(jí)服務(wù)器端將顯示某臺(tái)站氣象站發(fā)生故障。

5.2 程序設(shè)計(jì)

故障診斷軟件與新型自動(dòng)氣象站通信的過程中，主要通過對(duì)采集器定時(shí)發(fā)送串口指令，通過返回的狀態(tài)值來判定設(shè)備的運(yùn)行情況。以讀取數(shù)據(jù)采集器電源電壓為例，在通信過程中，向采集器發(fā)送（PSS）指令，若數(shù)據(jù)采集器為蓄電池供電，其電壓值為12.8 V，正確返回值為＜DC,12.8＞，如果采集器返回的電壓值與這個(gè)值偏差較大，故障診斷軟件則判斷蓄電池電壓異常，接下來執(zhí)行報(bào)警程序，以短信形式通知相關(guān)業(yè)務(wù)人員。同樣，當(dāng)故障診斷軟件向主采集器發(fā)送讀取主采集器工作狀態(tài)（STATMAIN）指令時(shí)，主采集器會(huì)返回主采集器運(yùn)行狀態(tài)，其中主要包括：主采集器主板溫度、主采集器AD模塊工作狀態(tài)、主采集器計(jì)數(shù)器模塊狀態(tài)、主采集器CF卡狀態(tài)、主采集器GPS狀態(tài)、主采集器門開關(guān)狀態(tài)、主采集器LAN狀態(tài)、主采集器RS232/RS485終端通信狀態(tài)、CAN總線狀態(tài)等，通過這些返回值來對(duì)采集器進(jìn)行判定，可以更加直觀的了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，避免了復(fù)雜的數(shù)據(jù)挖掘分析，直接通過物理量的變化進(jìn)行結(jié)果判斷，可以更加直觀的反應(yīng)新型站的運(yùn)行狀態(tài)，判定結(jié)果穩(wěn)定可靠。

6 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的新型自動(dòng)站故障診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了通過自動(dòng)氣象站的狀態(tài)文件來判斷自動(dòng)站的運(yùn)行狀況，填補(bǔ)只能通過報(bào)文解析來判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的空白。

同時(shí)增加了一種新的分布式數(shù)據(jù)處理方式，降低了數(shù)據(jù)集中處理的復(fù)雜性，簡化了整個(gè)監(jiān)控和故障診斷的流程，去除了系統(tǒng)的冗余度，縮短了發(fā)現(xiàn)故障的時(shí)間，提高了設(shè)備監(jiān)控和故障診斷的時(shí)效性，使新型自動(dòng)站保障工作的反應(yīng)速度加快。通過該軟件的應(yīng)用，維護(hù)維修人員可以在第一時(shí)間了解自動(dòng)站設(shè)備的運(yùn)行情況，如有設(shè)備發(fā)生故障，保障人員可以在最短的時(shí)間了解設(shè)備故障的類型，根據(jù)故障類型制定相應(yīng)的維修方案，這樣就可以及時(shí)的解決故障，讓保障工作可以更加高效。

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1002－252X（2017）02－0028－02

2017－3－1

侯飆（1982-），男，黑龍江省哈爾濱市人，哈爾濱工程大學(xué)，碩士生，工程師.