來(lái)賓市自動(dòng)氣象站監(jiān)控告警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡祖權(quán)，王永明，覃愛(ài)金，蘇慶紅，譚光平

(來(lái)賓市氣象局，來(lái)賓 546100)

0 引言

近年來(lái)，隨著氣象現(xiàn)代化建設(shè)的不斷推進(jìn)，來(lái)賓市自動(dòng)氣象站點(diǎn)逐年增加，空間分布日趨完善，所獲取的觀測(cè)數(shù)據(jù)已成為開(kāi)展各類(lèi)氣象服務(wù)工作的重要依據(jù)。如何做好自動(dòng)氣象站運(yùn)行維護(hù)成為日益突出的問(wèn)題，而開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一套自動(dòng)氣象站監(jiān)控告警系統(tǒng)是解決該問(wèn)題的一個(gè)有效途徑[1-3]。

1 自動(dòng)氣象站管理中存在的問(wèn)題

隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展，自動(dòng)氣象站觀測(cè)技術(shù)不斷提高，因其準(zhǔn)確性高、穩(wěn)定性強(qiáng)、不受時(shí)間和空間的限制等特點(diǎn)，在全國(guó)范圍內(nèi)大量建設(shè)。截至2019年，來(lái)賓市已經(jīng)建設(shè)129個(gè)自動(dòng)氣象站，分布在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村屯，為全市精細(xì)化的公眾氣象預(yù)報(bào)服務(wù)、專業(yè)氣象服務(wù)和靶向性氣象防災(zāi)減災(zāi)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐[4-6]。如果自動(dòng)氣象站故障發(fā)現(xiàn)和維修不及時(shí)、無(wú)法及時(shí)獲取氣象信息或獲取到錯(cuò)誤的氣象數(shù)據(jù)，將直接影響氣象服務(wù)工作的方向性和準(zhǔn)確性。目前，來(lái)賓市自動(dòng)氣象站運(yùn)行監(jiān)控工作由氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)員承擔(dān)，因從事該項(xiàng)工作人員少，無(wú)法全天監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀況，致使監(jiān)控盲區(qū)凸顯。在缺乏高效監(jiān)控和告警手段的條件下，基層臺(tái)站經(jīng)常是在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)某個(gè)自動(dòng)氣象站缺數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)疑誤時(shí)才組織人員去維修，導(dǎo)致故障排除時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。只有轉(zhuǎn)變自動(dòng)氣象站故障監(jiān)控和告警方式，才能提高故障排除效率，降低對(duì)氣象業(yè)務(wù)工作的不利影響，因此需要開(kāi)發(fā)一套本地化的自動(dòng)氣象站監(jiān)控告警系統(tǒng)[7-9]。

2 系統(tǒng)需求分析

2.1 功能需求分析

分布在全市各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村屯的自動(dòng)氣象站，每5 min通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上傳1次氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)到自治區(qū)氣象局?jǐn)?shù)據(jù)中心。按照業(yè)務(wù)規(guī)定，自動(dòng)氣象站需每季度進(jìn)行1次巡檢，每年進(jìn)行1次儀器核查，每2 a進(jìn)行1次儀器校準(zhǔn)，出現(xiàn)故障需在72 h內(nèi)修復(fù)。但由于來(lái)賓市自動(dòng)氣象站分布范圍廣、站點(diǎn)多、維護(hù)人員嚴(yán)重不足，無(wú)法采取人工的方式24 h監(jiān)控自動(dòng)氣象站的運(yùn)行狀況，經(jīng)常導(dǎo)致無(wú)法在業(yè)務(wù)規(guī)定的時(shí)間內(nèi)修復(fù)故障。因此，來(lái)賓市自動(dòng)氣象站監(jiān)控告警系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路是：對(duì)轄區(qū)內(nèi)各站點(diǎn)上傳的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)故障后判斷故障站點(diǎn)，再根據(jù)故障站點(diǎn)所屬區(qū)域及時(shí)采用手機(jī)短信或電話的方式通知相關(guān)保障人員，提醒保障人員及時(shí)維護(hù)維修。此監(jiān)控告警系統(tǒng)應(yīng)包括自動(dòng)氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)采集、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分析、故障信息發(fā)送、檢測(cè)信息查詢、告警信息查詢和質(zhì)量統(tǒng)計(jì)等功能。

2.2 技術(shù)選擇

編程環(huán)境采用Windows 7 64位操作系統(tǒng)；編程語(yǔ)言采用易語(yǔ)言，易語(yǔ)言是一個(gè)面向?qū)ο蟆⒅С秩形牡木幊陶Z(yǔ)言，編譯后的程序體積小，占用內(nèi)存低，運(yùn)行效率高；數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL數(shù)據(jù)庫(kù)；告警設(shè)備采用基于4G的無(wú)線告警設(shè)備。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)自動(dòng)氣象站網(wǎng)布局相關(guān)規(guī)定，自動(dòng)氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)全部匯集到自治區(qū)氣象局?jǐn)?shù)據(jù)中心，由數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)處理、存儲(chǔ)和共享數(shù)據(jù)，監(jiān)控告警系統(tǒng)所需自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)只能從數(shù)據(jù)中心相關(guān)系統(tǒng)獲取。為了保證獲取數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，該系統(tǒng)選取了兩種獲取方式，一是廣西壯族自治區(qū)氣象局自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)庫(kù)；二是國(guó)省統(tǒng)一數(shù)據(jù)環(huán)境的氣象數(shù)據(jù)服務(wù)接口。兩種獲取方式同時(shí)使用，互為備份和補(bǔ)充，避免單一獲取方式出現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取不及時(shí)的情況發(fā)生，獲取的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)存入本地SQL數(shù)據(jù)庫(kù)，方便系統(tǒng)多次調(diào)用。

故障的判斷采用分類(lèi)和分級(jí)模式。分類(lèi)模式指根據(jù)故障類(lèi)型分為數(shù)據(jù)缺測(cè)、數(shù)據(jù)逾限、要素缺測(cè)、要素時(shí)間一致性、要素空間一致性和邏輯性6個(gè)類(lèi)別，系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)主要依據(jù)故障類(lèi)型逐站逐類(lèi)開(kāi)展循環(huán)檢測(cè)，并將檢測(cè)出的故障按類(lèi)型、臺(tái)站和時(shí)間存入數(shù)據(jù)庫(kù)。分級(jí)模式指根據(jù)故障緊急程度分為缺測(cè)告警、一般告警和疑誤告警3個(gè)等級(jí)，系統(tǒng)根據(jù)告警等級(jí)確定告警時(shí)限和方式。對(duì)于缺測(cè)告警，設(shè)定為故障發(fā)生后24 h以內(nèi)每4 h發(fā)送1次告警短信，24 h以后為每4 h撥打1次告警電話；一般告警設(shè)定為故障發(fā)生后24 h以內(nèi)每6 h發(fā)送1次告警短信，24 h以后為每6 h撥打1次告警電話；疑誤告警設(shè)定為故障發(fā)生后24 h以內(nèi)每12 h發(fā)送1次告警短信，24 h以后為每12 h撥打1次告警電話。夜間23：00至早上07：00系統(tǒng)只監(jiān)測(cè)不發(fā)送告警信息，當(dāng)故障被排除，數(shù)據(jù)恢復(fù)正常后所有告警信息將自動(dòng)停止。

系統(tǒng)部署在氣象專用網(wǎng)絡(luò)，與互聯(lián)網(wǎng)物理隔離，采用基于4G的無(wú)線告警設(shè)備，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接入氣象寬帶網(wǎng)，使用HTTP API接口實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控告警系統(tǒng)的通信，設(shè)備部署簡(jiǎn)單、通用性好、運(yùn)行穩(wěn)定。

3.2 主要功能模塊

3.2.1 觀測(cè)數(shù)據(jù)采集模塊

該模塊用于全市自動(dòng)氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)的采集。采用定時(shí)的方式從自治區(qū)氣象局自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)庫(kù)和CIMISS氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)一服務(wù)接口獲取氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，采集頻率為1次/2 min，并將采集的數(shù)據(jù)按格式存入本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。

3.2.2 基礎(chǔ)信息錄入模塊

良好的壓實(shí)度是保證路面穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一，本文根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》（JTG E60—2008），采用鉆芯取樣法對(duì)試驗(yàn)段路面壓實(shí)度進(jìn)行檢測(cè)，部分檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

該模塊用于錄入系統(tǒng)所需的基礎(chǔ)信息。包括錄入SQL數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)信息、自動(dòng)氣象站管理維護(hù)人員信息和訪問(wèn)自治區(qū)氣象局?jǐn)?shù)據(jù)相關(guān)設(shè)置等基礎(chǔ)信息，通過(guò)加密后存儲(chǔ)在本地。

3.2.3 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分析模塊

該模塊的功能是對(duì)獲取的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行異常檢測(cè)。采用定時(shí)循環(huán)的方式對(duì)全市各氣象站點(diǎn)的實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，主要檢測(cè)數(shù)據(jù)缺測(cè)、逾限、邏輯性和時(shí)空一致性等類(lèi)別，并將異常監(jiān)測(cè)結(jié)果信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.2.4 故障信息發(fā)送模塊

該模塊的功能是制作和發(fā)送告警信息。通過(guò)定時(shí)讀取存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)的檢測(cè)結(jié)果信息，判斷告警類(lèi)型并按照告警等級(jí)設(shè)定的時(shí)限和站點(diǎn)所屬區(qū)域發(fā)送告警信息給相關(guān)管理和維護(hù)人員，并將發(fā)送結(jié)果情況存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.2.5 檢測(cè)信息查詢模塊

該模塊用于管理人員查詢統(tǒng)計(jì)自動(dòng)氣象站監(jiān)控結(jié)果信息。可以按照自動(dòng)氣象站點(diǎn)、時(shí)間段和告警類(lèi)型統(tǒng)計(jì)監(jiān)控信息，方便管理人員查詢各站點(diǎn)的運(yùn)行情況。

3.2.6 告警信息查詢模塊

該模塊用于管理人員查詢統(tǒng)計(jì)告警信息。可以按照時(shí)間段、告警手機(jī)號(hào)碼、告警方式和告警結(jié)果來(lái)統(tǒng)計(jì)告警信息，便于管理人員對(duì)維護(hù)人員的管理，實(shí)現(xiàn)留痕管理。

3.2.7 質(zhì)量統(tǒng)計(jì)模塊

該模塊用于統(tǒng)計(jì)自動(dòng)氣象站傳輸質(zhì)量。可以按照時(shí)間段、區(qū)域?qū)爡^(qū)內(nèi)自動(dòng)氣象站傳輸質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，方便管理人員對(duì)自動(dòng)氣象站的管理。

3.3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.3.1 觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取

通過(guò)讀取自治區(qū)氣象局自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)庫(kù)和國(guó)省統(tǒng)一數(shù)據(jù)環(huán)境氣象數(shù)據(jù)服務(wù)接口獲取全市自動(dòng)氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換后存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.3.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分析

系統(tǒng)將氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)入庫(kù)時(shí)間大于觀測(cè)時(shí)間8 min且小于45 min的數(shù)據(jù)定義為數(shù)據(jù)逾限；將數(shù)據(jù)入庫(kù)時(shí)間大于等于觀測(cè)時(shí)間45 min的數(shù)據(jù)或者無(wú)整點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)入庫(kù)定義為數(shù)據(jù)缺測(cè)。數(shù)據(jù)時(shí)空一致性疑誤主要有兩個(gè)方面：一是部分氣象要素(溫度、濕度、氣壓)2 h分鐘數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化值超過(guò)系統(tǒng)設(shè)定閾值或者6 h整點(diǎn)數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化值與周邊4個(gè)站點(diǎn)同時(shí)間的數(shù)據(jù)變化值均超出閾值；二是部分氣象要素(降雨量、風(fēng)速)整點(diǎn)數(shù)據(jù)與周邊4個(gè)站點(diǎn)同時(shí)間的整點(diǎn)數(shù)據(jù)差值均大于系統(tǒng)設(shè)定的閾值。邏輯性疑誤主要有3個(gè)方面：一是單站3 h整點(diǎn)風(fēng)速值均大于0但整點(diǎn)風(fēng)向值變化小于10°；二是各氣象要素值大于歷史極值；三是部分氣象要素(溫度、濕度、氣壓)觀測(cè)值在過(guò)去3 h保持不變。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)自動(dòng)氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)缺測(cè)、逾限、時(shí)空一致性和邏輯性進(jìn)行滑動(dòng)檢測(cè)，分析出錯(cuò)誤、疑誤的觀測(cè)數(shù)據(jù)，按站點(diǎn)、時(shí)間、類(lèi)別存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.3.3 告警信息發(fā)送

將4G無(wú)線告警模塊接入交換機(jī)，打開(kāi)電源，狀態(tài)指示燈正常后進(jìn)入等待指令模式，系統(tǒng)使用HTTP API接口與告警模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，主要使用POST、GET等方法實(shí)現(xiàn)發(fā)短信、打電話和結(jié)果獲取等功能。

3.3.4 多線程處理

系統(tǒng)根據(jù)每個(gè)自動(dòng)氣象站觀測(cè)要素的數(shù)量，啟用相應(yīng)數(shù)量的計(jì)算機(jī)線程進(jìn)行檢測(cè)，避免出現(xiàn)要素檢測(cè)過(guò)多而產(chǎn)生排隊(duì)檢測(cè)現(xiàn)象，從而大幅提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)自2019年4月在來(lái)賓市氣象局投入業(yè)務(wù)應(yīng)用以來(lái)，實(shí)用性好，告警準(zhǔn)確，大幅度提高了自動(dòng)氣象站的數(shù)據(jù)傳輸率和可用性，減輕了自動(dòng)氣象站管理人員的工作壓力。但該系統(tǒng)還存在不足之處，特別是局地性天氣對(duì)空間一致性的影響判斷還不完善，今后將不斷改進(jìn)系統(tǒng)功能，更好地服務(wù)于自動(dòng)氣象站管理維護(hù)工作。