基于DZZ4新型自動氣象站的故障快速診斷技術分析

羅 紅，李青建，龔雪鵬

(1.黔南州氣象局，都勻 558000；2.都勻市氣象局，都勻 558000；3.畢節市氣象局，畢節 551700)

0 引言

隨著氣象事業的發展，貴州黔南臺站已全部完成DZZ4新型自動氣象站的安裝，DZZ4新型自動氣象站采用ISOS軟件進行氣象要素的數據采集、數據整理和數據傳輸工作。氣象要素數據的傳輸率和可用性是目前地面測報業務的兩項重要考核指標，臺站地面觀測業務員不僅要熟練地使用ISOS軟件，而且能夠及時處理氣象傳感器故障、ISOS軟件觀測軟件故障、因復雜天氣產生的各種疑誤數據故障，還應具備新型自動氣象站故障排除的基本能力。文章根據都勻國家基本觀測站的DZZ4新型自動氣象站近幾年在業務運行中出現的故障實例，通過建立ISOS軟件報警參數的相關氣象要素閾值，分析、統計臺站近30 a(1990-2019年)氣候資料，將得出的相關氣象要素月極值進行值域、氣候學界限值、主要變化范圍、內部一直性、時間一直性的質控，從而確立自動氣象站采集器直流電壓閾值，使用新型站串口命令、實時狀態信息等方法，達到快速診斷軟件異常、要素缺測、通信采集器故障的目的[1]。

1 ISOS軟件功能簡介

根據國家氣象局業務切換需要，2017-08-31都勻國家觀測站觀測業務ISOS軟件由普通版升級為集成版，普通版ISOS的采集軟件SMO、業務軟件MOI和通信軟件MOIFTP被集成版ISOS軟件的SMO軟件取代。集成版ISOS軟件具有操作靈活、業務主機內存占用小、疑誤數據處理時間短等特點，該軟件包括實時觀測、數據查詢、數據處理、設備管理和參數設置等功能模塊[2，3]。

集成版ISOS軟件集數據采集、整理和傳輸功能于一體。自動采集DZZ4新型氣象站地面觀測數據(氣壓、溫度、濕度、雨量、風向風速、日照、蒸發量、能見度、天氣現象等要素)；業務應用上具有便捷、高效的特點，可實現疑誤數據處理、運行環境監控、觀測要素缺測報警、要素質控、災害性天氣預警、設備維護和通信監控等功能；業務傳輸上可通過消息客戶端傳輸臺站buf文件。

2 ISOS軟件報警參數的建立

2.1 運行環境監控參數的建立

集成版ISOS軟件對實時數據采集的及時率很大程度上取決于業務主機的運行環境，在滿足軟件運行環境外部硬件配置的要求下，運行環境內部分配也需要設定一個臨界閾值，達到業務上實時數據采集的連續性，因此對主機的內、外部運行環境提出了較高的要求。在業務軟件主界面參數設置的環境項目下，通過主程序CPU限額、內存限額和硬盤使用量來設置合適的參數以優化業務主機的運行環境，一般主機只安裝集成版ISOS軟件，建議按照常規電腦運行設置要求即可，將主程序CPU限額設置為60%，內存限額設置為60%，硬盤使用量設置為50%，同時在啟用報警和聲音報警選項前選擇“√”，當出現CPU、內存、硬盤使用率超過限額設置時，集成版ISOS軟件會發出報警聲音，提醒值班員及時檢查電腦運行狀態，及時排查報警原因，保障軟件正常運行。

2.2 月極值參數的建立

在集成版ISOS軟件里設置小時極值參數，用于氣象要素的實時監測，在業務軟件主界面的參數設置里對小時極值參數進行設置。極值參數數據由都勻臺站30 a(1990-2019年)氣候數據資料統計分析得出，各氣象要素各月(1-12月)極值的錄入包括最高值和最低值。

2.3 其他極值參數的建立

在業務軟件主界面的參數設置里對其他極值參數進行設置。其他極值參數的數據同樣由都勻臺站30 a(1990-2019年)氣候數據資料的統計分析得出，錄入的各極限值是臺站30 a的年極值參數。

3 月極值的質控

根據臺站30 a氣候資料，完成各種參數的設置和錄入，再利用各種極值參數對實時觀測數據進行質控，保障實時觀測數據的準確性和可用性。在業務軟件主界面參數設置的質控選項下勾選小時文件項目“格式檢查”、“缺測檢查”、“界限值檢查”、“臺站極值檢查”、“內部一致性檢查”、“時間一致性檢查”，同時勾選啟用報警中的“聲音報警”，當實時監測數據分別超出界限值時，ISOS系統會發出報警聲音提醒值班員實時數據是否可用，值班員可根據報警指示分別判別實時監測數據是否存在超閾值、缺測或跳變情況。可根據臺站實際需求啟用災害性天氣的聲音報警提示。

4 采集器直流電壓閾值的確立

220 V市電經采集器直流模塊轉換成低壓直流電源為設備供電，采集器電源電壓常用命令符PSS，在業務軟件主界面維護終端的串口終端中找到新型自動站串口處理項目，輸入PSS命令后回車，在端口界面會返回采集器當前的供電主體和電源電壓值，根據返回的電源信息，確立正確的采集器供電主體和電壓閾值，可以有效、快速地幫助值班員排查故障，尤其對于經驗不足的值班員，可以省去盲查時間，不會給數據傳輸的及時率帶來嚴重的影響。

5 串口命令、實時狀態信息的使用

在ISOS終端通過串口命令為主采集器和終端電腦主機之間進行通信，以實現對主采集器各種參數的傳遞和設置，從主采集器讀取各種數據，根據操作命令性質的不同，分為監控操作命令、數據質量控制參數操作命令、觀測數據操作命令和報警命令，臺站人員可以靈活地使用不同性質的命令，實現對主采集器故障的快速判別，串口命令由命令符和相應參數組成。文章介紹幾種常用的串口命令的使用(表1)。

表1 串口命令

6 故障實例分析

地面綜合觀測業務ISOS軟件負責采集和處理氣象要素，實時輸出和顯示觀測數據，直接反映整個系統的運行狀況。故障的排查順序首先將軟件輸出的數據作為故障排查出發點，當出現數據異常報警，依據數據超閾值、缺測、跳變3條路徑進行排查；其次在排除軟件故障的基礎上，再進行硬件故障的排查；最后定位并解決故障，達到快速診斷的目的。

6.1 供電故障快速診斷分析

2020年5月值班員發現ISOS軟件觀測界面部分觀測要素出現缺測，部分觀測要素顯示正常。首先，可以直接排除觀測設備故障，若觀測設備出現故障，通常只會引起某一要素缺測，不會同時出現多要素缺測；其次，可以直接排除采集器故障，按照自動氣象站安裝規則，所有觀測要素數據都要進入采集器再傳輸到電腦ISOS界面，若采集器發生故障通常會導致所有數據缺測，因此可以直接排除；最后，考慮ISOS故障，在維護終端的串口終端下找到“新型自動站串口處理”選項，輸入命令“SAMPLES”讀取采集器采樣數據，串口返回一系列采樣數據，經值班員綜合分析發現供電采樣數據顯示為“DC”(“直流”)，立刻在“新型自動站串口處理”下輸入命令“PSS”，串口返回“DC 12 V”(“直流12 V”)，而正常閾值應是“AC 14.3 V”(“交流14.3 V”)，由此可知，觀測場采集器供電為蓄電池供電且供電電壓較低，原因是觀測場因電源箱發生跳閘，蓄電池長期供電導致電壓較低，當供電電源恢復正常后，ISOS軟件觀測要素也恢復正常，再次輸入命令“SAMPLES”后參數恢復正常。

供電電壓略低于正常電壓值，采集器供電不足，只能滿足部分觀測要素的采樣是引起本次故障的主要原因。在排查和解決故障的實際操作中，值班員耗時不到10 min，實現了快速診斷和解決故障。

6.2 觀測要素故障快速診斷分析

2019年4月值班員發現ISOS軟件發出報警，ISOS界面顯示當前氣溫37 ℃，濕度20%RH。經分析，當前正處于4月，室外氣溫最多不超過23 ℃，氣溫極值最高值設定在33.5 ℃，則判斷采集實時氣溫因超閾值發出報警，再對比當前10個時次濕球分鐘數據的連續性，濕度值處于41%RH～51%RH時，則判斷實時采集濕度因發生跳變而報警，值班員刪除異常溫度、濕度值后，故障仍存在。此時基本可以確定溫濕傳感器出現了故障。新型自動站溫濕要素傳感器分別是WUSH-TW100高精度鉑電阻溫度傳感器和DHC2型電容式濕度傳感器。溫度傳感器的檢測步驟：采用四線制測溫法[4-6]，將傳感器1，2線腳和3，4線腳設為同端，1或2線腳與3或4線腳之間設為異端，如圖1。使用萬用表歐姆檔分別測量異端電阻和同端電阻，此時測得同端電阻值為0，則判斷溫度傳感器故障。濕度傳感器的檢測步驟：DHC2濕度傳感器必須供電才能正常工作，檢查濕度傳感器供電電壓為正常值12 V，通過測量濕度信號電壓是否在0～1 V，應用公式U=100×V(相對濕度U，信號電壓V)檢驗，此時測得信號電壓為0.2 V，計算得出與當前報警輸出的濕度值20%RH一致，而實際濕度卻在46%RH左右，則可確定濕度傳感器故障。更換溫濕傳感器后，采樣要素值恢復正常。

圖1 溫度傳感器連線圖

7 結束語

地面綜合觀測系統的故障分為軟件故障和硬件故障兩部分，臺站綜合氣象業務人員需要充分利用ISOS軟件的常規使用技巧[7-9]，建立極值參數報警閾值，質控實時采集數據，掌握硬件故障排查的基本思路，達到快速診斷故障的目的。