新型自動(dòng)氣象站（DZZ1-2）故障統(tǒng)計(jì)分析平臺(tái)開發(fā)及應(yīng)用

周嘉健，王沛東，徐黃飛，鄒慶彪

（廣東省氣象探測數(shù)據(jù)中心，廣東 廣州 510080）

DZZ1-2 型自動(dòng)氣象站是專門用于地面氣象數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、計(jì)算處理和存儲(chǔ)的設(shè)備，主要由數(shù)據(jù)采集器、氣象要素傳感器、電源系統(tǒng)和終端主控制機(jī)組成。它可連續(xù)自動(dòng)探測記錄風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、氣壓、不同層次的地溫和降水等氣象要素的值，包含多種通信接口，滿足無線電傳輸、電話傳輸和專線傳輸?shù)韧ㄐ欧绞?，適合進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，特別方便組成自動(dòng)站網(wǎng)。

采集器引入了CAN 總線框架[1]。CAN 總線具有很強(qiáng)的抗干擾能力，在工業(yè)自動(dòng)化控制中有廣泛的應(yīng)用。在CAN總線的支持下，硬件系統(tǒng)采用積木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各模塊智能化，具有獨(dú)立的CPU，能夠獨(dú)立工作。系統(tǒng)中的各智能模塊接受主控模塊的管理，采用即插即用的設(shè)計(jì)思想，新智能模塊能夠自動(dòng)被系統(tǒng)所識(shí)別并自動(dòng)進(jìn)行相關(guān)配置。支持各模塊在系統(tǒng)不中斷工作情況下進(jìn)行熱插拔，采集器軟件經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，可以支持系統(tǒng)的模塊靈活組合而不須對(duì)軟硬件進(jìn)行任何改動(dòng)，方便系統(tǒng)擴(kuò)展[2-3]。

DZZ1-2 主要用于氣象自動(dòng)化探測，同時(shí)適用于軍事、海運(yùn)、航空、環(huán)保、水文等部門的氣象資料探測需要。蔡耿華等[4]、馬祖勝等[5]對(duì)新型自動(dòng)氣象站的工作原理和常見故障進(jìn)行了一定的研究，周嘉健等[6]對(duì)新型自動(dòng)氣象站的各類故障進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析。但為了能使新型自動(dòng)氣象站的故障信息統(tǒng)計(jì)更為便利，本文基于MATLAB 編程語言搭建新型自動(dòng)氣象站（DZZ1-2）故障統(tǒng)計(jì)分析平臺(tái)，并對(duì)該平臺(tái)的功能和實(shí)際應(yīng)用情況做簡要介紹。根據(jù)廣東省運(yùn)行監(jiān)控業(yè)務(wù)系統(tǒng)中下載的2019-05-01—2020-04-30 全省國家級(jí)自動(dòng)氣象站的故障記錄數(shù)據(jù)，利用該平臺(tái)快速、高效地分析新型自動(dòng)氣象站的故障類型和不同模塊的故障頻次和時(shí)間，為臺(tái)站業(yè)務(wù)人員對(duì)新型自動(dòng)氣象站的維護(hù)找到工作重點(diǎn)和方向，提高效率。

1 故障統(tǒng)計(jì)分析平臺(tái)概述

故障統(tǒng)計(jì)分析平臺(tái)的整體框架如圖1 所示，從圖1 可見，故障統(tǒng)計(jì)分析平臺(tái)共分為4 部分，分別是登錄界面、數(shù)據(jù)讀取界面、畫圖界面和統(tǒng)計(jì)分析界面。

圖1 故障統(tǒng)計(jì)分析平臺(tái)框架圖

登錄界面會(huì)標(biāo)明故障統(tǒng)計(jì)分析平臺(tái)的名稱、版本號(hào)和制作單位；數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)界面主要功能有數(shù)據(jù)導(dǎo)入、信息重置、統(tǒng)計(jì)分類等，右端表格區(qū)會(huì)展示所選擇的類型對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，具體類型選取將在后面詳細(xì)給出。統(tǒng)計(jì)圖界面圖，含有各類型的柱狀圖、餅圖和全省86 個(gè)站統(tǒng)計(jì)圖。該界面主要功能為對(duì)選擇的數(shù)據(jù)進(jìn)行不同分類，并將不同分類統(tǒng)計(jì)后的結(jié)果通過柱狀圖、餅圖等統(tǒng)計(jì)圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。同時(shí)，還加入廣東省全省地圖，并將86 個(gè)國家級(jí)自動(dòng)氣象站展示在圖中，再把各站的故障次數(shù)標(biāo)注在圖中。

具體實(shí)例應(yīng)用將在以下詳細(xì)給出。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 數(shù)據(jù)來源

國家級(jí)自動(dòng)氣象站的故障信息數(shù)據(jù)來源于廣東省運(yùn)行監(jiān)控業(yè)務(wù)系統(tǒng)。本文在廣東省運(yùn)行監(jiān)控業(yè)務(wù)系統(tǒng)中下載2019-05-01—2020-04-30 的全省國家級(jí)自動(dòng)氣象站的故障記錄數(shù)據(jù)（共12 個(gè)月），并通過本文建立的新型自動(dòng)氣象站（DZZ1-2）故障統(tǒng)計(jì)分析平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

2.2.1 數(shù)據(jù)展示

通過軟件中的“選擇數(shù)據(jù)”按鈕讀取2019-05—2020-04全省的國家級(jí)自動(dòng)氣象站的故障記錄，數(shù)據(jù)如圖2 所示。

圖2 全省的國家級(jí)自動(dòng)氣象站的故障統(tǒng)計(jì)界面（2019-05—2020-04）

2.2.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析結(jié)果

通過故障統(tǒng)計(jì)分析平臺(tái)，對(duì)各模塊故障和不同月份故障情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 和圖3 所示，統(tǒng)計(jì)得到的故障次數(shù)為193 次，總故障時(shí)間為1751.58 h。

表1 廣東省國家級(jí)自動(dòng)氣象站（新型自動(dòng)氣象站）故障統(tǒng)計(jì)表（2019-05—2020-04）

圖3 柱狀統(tǒng)計(jì)圖與餅圖

由表1 可見，在故障次數(shù)統(tǒng)計(jì)中，各模塊故障次數(shù)占總故障次數(shù)的百分比由大到小依次是傳感器（34.2%），其他系統(tǒng)（業(yè)務(wù)終端系統(tǒng)，附屬設(shè)備系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)等）（20.21%），供電系統(tǒng)（18.13%），通訊系統(tǒng)（18.13%）和采集器（9.33%）；在故障持續(xù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)中，各模塊故障持續(xù)時(shí)間占總故障持續(xù)時(shí)間的百分比由大到小依次是通訊系統(tǒng)（44.04%），傳感器（33.45%），其他系統(tǒng)（9.02%），供電系統(tǒng)（8.50%）和采集器（4.98%）；由表1 可見，傳感器和通訊系統(tǒng)在故障百分比和故障持續(xù)時(shí)間百分比均較大，而傳感器是數(shù)據(jù)采集的主要手段，通訊系統(tǒng)則是數(shù)據(jù)傳輸是否正常的關(guān)鍵。

廣東不同月份的天氣會(huì)有所不同，因此對(duì)新型自動(dòng)氣象站故障情況（2019-05—2020-04）根據(jù)月份進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2 和圖4 所示。

表2 廣東省2019-05—2020-04 各月份國家級(jí)自動(dòng)氣象站（新型自動(dòng)氣象站）各模塊故障統(tǒng)計(jì)表

圖4 2019-05—2020-04 所有故障頻次與百分比統(tǒng)計(jì)圖

由表2 可見，故障頻次較多的月份集中在3—8 月和11—12 月，查詢廣東省氣象業(yè)務(wù)網(wǎng)資料可知，在2019-04 起開始出現(xiàn)大暴雨、臺(tái)風(fēng)等天氣過程，尤其是在4—8 月，依次受到“白鹿”“韋帕”等臺(tái)風(fēng)的影響。在2020-03—04 出現(xiàn)大雨到暴雨、大風(fēng)等天氣過程。

因此，從圖4 中可以看出，這段時(shí)間內(nèi)的設(shè)備故障次數(shù)相對(duì)其他月份而言較多，所占的故障頻次百分比也較大，這有可能是惡劣天氣導(dǎo)致傳感器設(shè)備接線松動(dòng)或者導(dǎo)致通訊設(shè)備不同程度的損壞等，從而出現(xiàn)傳感器無法正常工作、采集器無數(shù)據(jù)的情況。通訊線路損壞使得數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)異常。同時(shí)，還給出各模塊各月份的故障頻次情況，具體如表3 和圖5 所示。

結(jié)合廣東省地區(qū)情況，通過獲取各站的經(jīng)緯度信息，在地圖上標(biāo)注出86 個(gè)國家級(jí)自動(dòng)氣象站，并將故障數(shù)據(jù)導(dǎo)入到故障分析平臺(tái)后，給出86 個(gè)臺(tái)站各站的故障頻次，并給出柱狀分析圖。同時(shí)將廣東省按照不同地區(qū)進(jìn)行劃分，分為珠三角地區(qū)（廣州市、深圳市、珠海市、佛山市、東莞市、惠州市、中山市、江門市、肇慶市）、粵東地區(qū)（汕頭市、潮州市、揭陽市、梅州市、汕尾市）、粵西地區(qū)（湛江市、茂名市、陽江市）和粵北地區(qū)（河源市、清遠(yuǎn)市、韶關(guān)市、云浮市），分別對(duì)不同地區(qū)的故障信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖6 所示。

表3 廣東省2019-05—2020-04 各月份國家級(jí)自動(dòng)氣象站（新型自動(dòng)氣象站）各模塊故障統(tǒng)計(jì)表

圖5 2019-05—2020-04 頻次與百分比統(tǒng)計(jì)圖

圖6 故障統(tǒng)計(jì)圖

從圖6（b）可見，個(gè)別臺(tái)站出現(xiàn)故障頻次較多，比如豐順、茂名、恩平、信宜、龍門等站，12 個(gè)月內(nèi)發(fā)生故障的頻次大于8 次。從圖6（c）可見，珠三角地區(qū)和粵西地區(qū)在2019-05—2020-04 期間，國家級(jí)自動(dòng)氣象站的故障頻次最多，分別是71 和49 次，這也由于珠三角地區(qū)和粵西地區(qū)發(fā)生臺(tái)風(fēng)、暴雨等天氣過程較多?；洊|地區(qū)與粵北地區(qū)故障頻次分別為38 和35 次。

3 結(jié)論

本文基于MATLAB 編程語言建立了新型自動(dòng)氣象站（DZZ1-2）故障統(tǒng)計(jì)分析平臺(tái)。將2019-05—2020-04 的廣東省運(yùn)行監(jiān)控業(yè)務(wù)系統(tǒng)中國家級(jí)自動(dòng)氣象站的故障記錄數(shù)據(jù)導(dǎo)入該平臺(tái)后，能更快速高效地統(tǒng)計(jì)和分析全省的新型自動(dòng)氣象站的故障信息，能快速知道全省各臺(tái)站的故障情況，并有利于找出故障出現(xiàn)頻次較多或持續(xù)時(shí)間較長的故障種類，并可以針對(duì)這些故障采取相應(yīng)的保障措施：①對(duì)于故障發(fā)生比較多的臺(tái)站，值班人員加強(qiáng)對(duì)故障發(fā)生次數(shù)較多的模塊的巡查，比如傳感器和通訊系統(tǒng)等，特別是遇到臺(tái)風(fēng)、暴雨等天氣時(shí)，應(yīng)當(dāng)確保新型站各模塊的正常運(yùn)行；②對(duì)于故障發(fā)生次數(shù)較多的模塊，各臺(tái)站要準(zhǔn)備好充足的相應(yīng)備件來應(yīng)對(duì)。

本文建立的新型自動(dòng)氣象站（DZZ1-2）故障統(tǒng)計(jì)分析平臺(tái)為初版本，可以再根據(jù)用戶的需求增加一些其他功能或故障的種類或統(tǒng)計(jì)圖的種類。