來賓市自動氣象站監控告警系統的設計與實現

胡祖權，王永明，覃愛金，蘇慶紅，譚光平

(來賓市氣象局，來賓 546100)

0 引言

近年來，隨著氣象現代化建設的不斷推進，來賓市自動氣象站點逐年增加，空間分布日趨完善，所獲取的觀測數據已成為開展各類氣象服務工作的重要依據。如何做好自動氣象站運行維護成為日益突出的問題，而開發設計一套自動氣象站監控告警系統是解決該問題的一個有效途徑[1-3]。

1 自動氣象站管理中存在的問題

隨著科技的進步和發展，自動氣象站觀測技術不斷提高，因其準確性高、穩定性強、不受時間和空間的限制等特點，在全國范圍內大量建設。截至2019年，來賓市已經建設129個自動氣象站，分布在各鄉鎮、村屯，為全市精細化的公眾氣象預報服務、專業氣象服務和靶向性氣象防災減災提供了基礎數據支撐[4-6]。如果自動氣象站故障發現和維修不及時、無法及時獲取氣象信息或獲取到錯誤的氣象數據，將直接影響氣象服務工作的方向性和準確性。目前，來賓市自動氣象站運行監控工作由氣象觀測業務員承擔，因從事該項工作人員少，無法全天監控設備的運行狀況，致使監控盲區凸顯。在缺乏高效監控和告警手段的條件下，基層臺站經常是在使用過程中發現某個自動氣象站缺數據或數據疑誤時才組織人員去維修，導致故障排除時間過長。只有轉變自動氣象站故障監控和告警方式，才能提高故障排除效率，降低對氣象業務工作的不利影響，因此需要開發一套本地化的自動氣象站監控告警系統[7-9]。

2 系統需求分析

2.1 功能需求分析

分布在全市各個鄉鎮、村屯的自動氣象站，每5 min通過移動網絡上傳1次氣象觀測數據到自治區氣象局數據中心。按照業務規定，自動氣象站需每季度進行1次巡檢，每年進行1次儀器核查，每2 a進行1次儀器校準，出現故障需在72 h內修復。但由于來賓市自動氣象站分布范圍廣、站點多、維護人員嚴重不足，無法采取人工的方式24 h監控自動氣象站的運行狀況，經常導致無法在業務規定的時間內修復故障。因此，來賓市自動氣象站監控告警系統的總體設計思路是：對轄區內各站點上傳的觀測數據進行監控，發現故障后判斷故障站點，再根據故障站點所屬區域及時采用手機短信或電話的方式通知相關保障人員，提醒保障人員及時維護維修。此監控告警系統應包括自動氣象站觀測數據采集、基礎數據錄入、數據監測分析、故障信息發送、檢測信息查詢、告警信息查詢和質量統計等功能。

2.2 技術選擇

編程環境采用Windows 7 64位操作系統；編程語言采用易語言，易語言是一個面向對象、支持全中文的編程語言，編譯后的程序體積小，占用內存低，運行效率高；數據庫采用SQL數據庫；告警設備采用基于4G的無線告警設備。

3 系統設計與實現

3.1 設計思路

根據自動氣象站網布局相關規定，自動氣象站觀測數據全部匯集到自治區氣象局數據中心，由數據中心負責處理、存儲和共享數據，監控告警系統所需自動氣象站數據只能從數據中心相關系統獲取。為了保證獲取數據的實時性和穩定性，該系統選取了兩種獲取方式，一是廣西壯族自治區氣象局自動氣象站數據庫；二是國省統一數據環境的氣象數據服務接口。兩種獲取方式同時使用，互為備份和補充，避免單一獲取方式出現數據獲取不及時的情況發生，獲取的氣象觀測數據存入本地SQL數據庫，方便系統多次調用。

故障的判斷采用分類和分級模式。分類模式指根據故障類型分為數據缺測、數據逾限、要素缺測、要素時間一致性、要素空間一致性和邏輯性6個類別，系統對自動氣象站數據的監測主要依據故障類型逐站逐類開展循環檢測，并將檢測出的故障按類型、臺站和時間存入數據庫。分級模式指根據故障緊急程度分為缺測告警、一般告警和疑誤告警3個等級，系統根據告警等級確定告警時限和方式。對于缺測告警，設定為故障發生后24 h以內每4 h發送1次告警短信，24 h以后為每4 h撥打1次告警電話；一般告警設定為故障發生后24 h以內每6 h發送1次告警短信，24 h以后為每6 h撥打1次告警電話；疑誤告警設定為故障發生后24 h以內每12 h發送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系統只監測不發送告警信息，當故障被排除，數據恢復正常后所有告警信息將自動停止。

系統部署在氣象專用網絡，與互聯網物理隔離，采用基于4G的無線告警設備，通過網絡接入氣象寬帶網，使用HTTP API接口實現與監控告警系統的通信，設備部署簡單、通用性好、運行穩定。

3.2 主要功能模塊

3.2.1 觀測數據采集模塊

該模塊用于全市自動氣象站觀測數據的采集。采用定時的方式從自治區氣象局自動氣象站數據庫和CIMISS氣象數據統一服務接口獲取氣象觀測數據，采集頻率為1次/2 min，并將采集的數據按格式存入本地數據庫。

3.2.2 基礎信息錄入模塊

良好的壓實度是保證路面穩定性的重要指標之一，本文根據現行規范《公路路基路面現場測試規程》（JTG E60—2008），采用鉆芯取樣法對試驗段路面壓實度進行檢測，部分檢測結果如表4所示。

該模塊用于錄入系統所需的基礎信息。包括錄入SQL數據庫訪問信息、自動氣象站管理維護人員信息和訪問自治區氣象局數據相關設置等基礎信息，通過加密后存儲在本地。

3.2.3 數據監測分析模塊

該模塊的功能是對獲取的氣象數據進行異常檢測。采用定時循環的方式對全市各氣象站點的實時觀測數據進行檢測，主要檢測數據缺測、逾限、邏輯性和時空一致性等類別，并將異常監測結果信息存入數據庫。

3.2.4 故障信息發送模塊

該模塊的功能是制作和發送告警信息。通過定時讀取存儲在數據庫的檢測結果信息，判斷告警類型并按照告警等級設定的時限和站點所屬區域發送告警信息給相關管理和維護人員，并將發送結果情況存入數據庫。

3.2.5 檢測信息查詢模塊

該模塊用于管理人員查詢統計自動氣象站監控結果信息?？梢园凑兆詣託庀笳军c、時間段和告警類型統計監控信息，方便管理人員查詢各站點的運行情況。

3.2.6 告警信息查詢模塊

該模塊用于管理人員查詢統計告警信息?？梢园凑諘r間段、告警手機號碼、告警方式和告警結果來統計告警信息，便于管理人員對維護人員的管理，實現留痕管理。

3.2.7 質量統計模塊

該模塊用于統計自動氣象站傳輸質量?？梢园凑諘r間段、區域對轄區內自動氣象站傳輸質量進行統計，方便管理人員對自動氣象站的管理。

3.3 技術實現

3.3.1 觀測數據獲取

通過讀取自治區氣象局自動氣象站數據庫和國省統一數據環境氣象數據服務接口獲取全市自動氣象站觀測數據，進行格式轉換后存入數據庫。

3.3.2 數據監測分析

系統將氣象觀測數據入庫時間大于觀測時間8 min且小于45 min的數據定義為數據逾限；將數據入庫時間大于等于觀測時間45 min的數據或者無整點觀測數據入庫定義為數據缺測。數據時空一致性疑誤主要有兩個方面：一是部分氣象要素(溫度、濕度、氣壓)2 h分鐘數據隨時間的變化值超過系統設定閾值或者6 h整點數據隨時間的變化值與周邊4個站點同時間的數據變化值均超出閾值；二是部分氣象要素(降雨量、風速)整點數據與周邊4個站點同時間的整點數據差值均大于系統設定的閾值。邏輯性疑誤主要有3個方面：一是單站3 h整點風速值均大于0但整點風向值變化小于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)觀測值在過去3 h保持不變。系統通過對自動氣象站觀測數據缺測、逾限、時空一致性和邏輯性進行滑動檢測，分析出錯誤、疑誤的觀測數據，按站點、時間、類別存入數據庫。

3.3.3 告警信息發送

將4G無線告警模塊接入交換機，打開電源，狀態指示燈正常后進入等待指令模式，系統使用HTTP API接口與告警模塊進行數據傳輸，主要使用POST、GET等方法實現發短信、打電話和結果獲取等功能。

3.3.4 多線程處理

系統根據每個自動氣象站觀測要素的數量，啟用相應數量的計算機線程進行檢測，避免出現要素檢測過多而產生排隊檢測現象，從而大幅提高系統運行效率。

4 結束語

該系統自2019年4月在來賓市氣象局投入業務應用以來，實用性好，告警準確，大幅度提高了自動氣象站的數據傳輸率和可用性，減輕了自動氣象站管理人員的工作壓力。但該系統還存在不足之處，特別是局地性天氣對空間一致性的影響判斷還不完善，今后將不斷改進系統功能，更好地服務于自動氣象站管理維護工作。