氣象探測設(shè)備常見故障分析

摘 要：隨著氣象現(xiàn)代化建設(shè)的不斷推進(jìn)，氣象探測設(shè)備在提供多樣化、精細(xì)化氣象服務(wù)中發(fā)揮著日益重要的作用。為進(jìn)一步提高氣象探測設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，以智能觀測儀、風(fēng)塔等設(shè)備為例，對其常見故障進(jìn)行分析研究，總結(jié)故障發(fā)生的原因，提出加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)、完善備件管理、強(qiáng)化人員培訓(xùn)等解決措施。

關(guān)鍵詞：氣象探測設(shè)備；常見故障；故障分析；運(yùn)行維護(hù)

中圖分類號(hào)：P414 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）11–00-03

2022年國務(wù)院發(fā)布的《“十四五”現(xiàn)代服務(wù)業(yè)發(fā)展

規(guī)劃》明確提出，要加快智慧氣象發(fā)展，提高氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報(bào)預(yù)警和風(fēng)險(xiǎn)管理服務(wù)水平。氣象探測設(shè)備是獲取大氣狀態(tài)信息的基礎(chǔ)，也是智慧氣象的重要內(nèi)容。但受復(fù)雜環(huán)境、部件老化等因素影響，氣象探測設(shè)備常出現(xiàn)各種故障，影響正常運(yùn)行。因此，做好氣象探測設(shè)備的故障分析和維護(hù)管理，是保障氣象現(xiàn)代化建設(shè)和氣象為民服務(wù)的必然要求。

1 氣象觀測設(shè)備及常見故障分析

1.1 智能觀測儀

智能觀測儀是當(dāng)前氣象觀測中廣泛使用的先進(jìn)設(shè)備，但各種故障問題頻發(fā)。數(shù)據(jù)傳輸故障可能源于線路老化、電磁干擾、網(wǎng)絡(luò)擁塞等因素，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或錯(cuò)誤。傳感器可能會(huì)由于老化、污染、物理損壞等因素影響而失準(zhǔn)或完全失效，從而產(chǎn)生錯(cuò)誤讀數(shù)或無法獲取相應(yīng)氣象數(shù)據(jù)。若智能觀測儀的內(nèi)部時(shí)鐘與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間存在偏差，或時(shí)鐘同步機(jī)制出現(xiàn)故障，則會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的時(shí)間不準(zhǔn)確，影響數(shù)據(jù)的可用性和分析質(zhì)量。

同時(shí)，智能觀測儀通常依賴電池或太陽能電池板供電，電量耗盡、電池板遮蔽或故障都可能導(dǎo)致供電中斷，使得觀測儀無法正常工作。智能觀測儀的內(nèi)部軟件用于控制各模塊的運(yùn)行、數(shù)據(jù)采集和處理，若軟件存在Bug或設(shè)計(jì)缺陷，可能會(huì)引發(fā)各種異常行為，如死循環(huán)、數(shù)據(jù)計(jì)算錯(cuò)誤等。觀測儀與數(shù)據(jù)中心之間的通信需要遵循特定的協(xié)議規(guī)范，若協(xié)議版本發(fā)生變化或存在實(shí)現(xiàn)差異，可能導(dǎo)致通信失敗或數(shù)據(jù)解析錯(cuò)誤。此外，極端天氣條件、生物腐蝕、人為干擾等環(huán)境因素均可能對觀測儀的正常運(yùn)行造成不利影響。上述故障問題會(huì)直接影響氣象數(shù)據(jù)的質(zhì)量和完整性，進(jìn)而影響基于這些數(shù)據(jù)進(jìn)行的氣象監(jiān)測、預(yù)報(bào)和應(yīng)用[1]。

1.2 風(fēng)塔

風(fēng)塔是一種重要的氣象觀測設(shè)備，用于測量風(fēng)速、風(fēng)向等風(fēng)場參數(shù)。然而，在實(shí)際運(yùn)行中，風(fēng)塔也面臨著各種故障問題，影響其測量精度和可靠性。

第一，風(fēng)塔的機(jī)械結(jié)構(gòu)會(huì)受到自然環(huán)境的侵蝕和老化，導(dǎo)致零件磨損或損壞。例如，轉(zhuǎn)子軸承可能會(huì)由于長期運(yùn)轉(zhuǎn)而產(chǎn)生磨損，影響轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)靈敏度，進(jìn)而導(dǎo)致風(fēng)速測量偏差。同時(shí)，風(fēng)塔外殼和支撐桿也可能遭受腐蝕、生物侵蝕等破壞，削弱其機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

第二，風(fēng)塔的傳感器和測量電路存在故障隱患。風(fēng)速傳感器若受到污染或損壞，則會(huì)產(chǎn)生失真或漂移的輸出信號(hào)，影響風(fēng)速測量的準(zhǔn)確性。風(fēng)向傳感器也面臨類似問題，若出現(xiàn)卡滯或失靈，則無法正確反映風(fēng)向變化。此外，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、放大電路等也可能出現(xiàn)元件老化、誤差累積等故障，干擾測量信號(hào)的采集和處理。

第三，風(fēng)塔的供電系統(tǒng)故障也是一個(gè)常見問題。風(fēng)塔通常依賴電池或太陽能電池板供電，若供電中斷或電力不足，則會(huì)導(dǎo)致風(fēng)塔無法正常工作。電池組老化、太陽能電池板故障等都可能引發(fā)這一問題。數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)環(huán)節(jié)也存在潛在故障風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)塔測量數(shù)據(jù)需要通過有線或無線方式傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，在傳輸過程中可能受到干擾或連接故障的影響，造成數(shù)據(jù)丟失或錯(cuò)誤。同時(shí)，存儲(chǔ)設(shè)備故障也可能導(dǎo)致歷史數(shù)據(jù)損壞或丟失。

第四，環(huán)境因素對風(fēng)塔運(yùn)行也有顯著影響。惡劣天氣如冰雹、雷擊可能直接損壞風(fēng)塔結(jié)構(gòu)，極端高溫或低溫也會(huì)影響電子元件性能。鳥糞或植物侵蝕也是風(fēng)塔面臨的潛在威脅，直接影響風(fēng)塔對風(fēng)場參數(shù)的測量精度和可靠性，進(jìn)而難以確保氣象數(shù)據(jù)質(zhì)量，對天氣預(yù)報(bào)、航空運(yùn)輸、能源利用等領(lǐng)域帶來不利影響[2]。

1.3 自動(dòng)氣象站

自動(dòng)氣象站是地面氣象觀測的基礎(chǔ)設(shè)備，用于連續(xù)自動(dòng)測量氣壓、氣溫、濕度、風(fēng)速風(fēng)向、降水量等氣象要素，其穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)質(zhì)量影響天氣預(yù)報(bào)和氣候分析的準(zhǔn)確性。自動(dòng)氣象站主要由氣象傳感器、數(shù)據(jù)采集器、通信模塊、供電系統(tǒng)等組成。氣象傳感器是自動(dòng)站的核心部件，常見的故障包括氣壓傳感器的遲滯誤差增大、零點(diǎn)漂移等引起氣壓測量失真；溫濕度傳感器的污染、老化等導(dǎo)致測量精度下降；風(fēng)速風(fēng)向傳感器的軸承磨損、編碼器失效等影響風(fēng)速風(fēng)向測量；雨量傳感器的漏斗堵塞、翻斗機(jī)構(gòu)卡滯等造成雨量漏測或錯(cuò)測。數(shù)據(jù)采集器的故障主要有AD轉(zhuǎn)換電路損壞引起數(shù)據(jù)丟失，存儲(chǔ)器故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，時(shí)鐘電路失效造成時(shí)間錯(cuò)誤等。通信模塊采用無線或有線方式傳輸數(shù)據(jù)，其中，無線通信受天線故障、電磁干擾等影響時(shí)會(huì)引起數(shù)據(jù)傳輸中斷或錯(cuò)誤，有線通信線路老化、破損時(shí)也會(huì)導(dǎo)致通信異常。供電系統(tǒng)通常由太陽能電池板、蓄電池等組成，其故障如太陽能電池板老化引起充電效率下降，蓄電池?fù)p壞導(dǎo)致供電中斷等威脅自動(dòng)站的正常工作。

1.4 土壤水分自動(dòng)觀測站

土壤水分自動(dòng)觀測站是監(jiān)測土壤水分動(dòng)態(tài)變化的重要設(shè)備，可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、水文、生態(tài)等領(lǐng)域，為旱澇監(jiān)測、農(nóng)事管理等提供重要依據(jù)。土壤水分自動(dòng)觀測站通常由土壤水分傳感器、數(shù)據(jù)采集器、無線通信模塊、供電系統(tǒng)等組成。

土壤水分傳感器是測量土壤水分含量的關(guān)鍵部件，主要采用頻域反射計(jì)、時(shí)域反射計(jì)等原理，通過測量土壤介電常數(shù)推算含水量。常見的故障包括傳感器探頭的污染、腐蝕引起測量失真，電纜的破損、接觸不良導(dǎo)致信號(hào)中斷，電路板的器件老化、焊點(diǎn)開裂等造成工作異常。數(shù)據(jù)采集器負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)，其故障如AD轉(zhuǎn)換芯片損壞引起數(shù)據(jù)丟失，存儲(chǔ)芯片故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，時(shí)鐘電路失效造成時(shí)間戳錯(cuò)誤等。無線通信模塊多采用GPRS、4G等方式，受基站信號(hào)覆蓋、天線故障、電磁干擾等影響時(shí)會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸中斷或錯(cuò)誤。供電系統(tǒng)通常由太陽能電池板、充電控制器、蓄電池等組成，其故障如太陽能電池板老化引起輸出功率下降，充電控制器損壞導(dǎo)致充放電失控，蓄電池容量衰減造成供電時(shí)間縮短等[3]。

1.5 閃電定位儀

閃電定位儀是監(jiān)測雷電活動(dòng)的關(guān)鍵設(shè)備，可實(shí)時(shí)獲取閃電的三維位置、電流強(qiáng)度、極性等參數(shù)，為雷電預(yù)警、防護(hù)及氣象科研提供重要數(shù)據(jù)支撐。閃電定位儀主要由天線陣列、GPS時(shí)間同步模塊、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集與處理單元等組成。

天線陣列用于接收閃電產(chǎn)生的電磁脈沖信號(hào)，通常采用磁天線或環(huán)形天線，布設(shè)在不同位置以實(shí)現(xiàn)定位。天線的機(jī)械損傷、腐蝕等會(huì)導(dǎo)致接收靈敏度下降，連接器的松動(dòng)、氧化則會(huì)引起信號(hào)中斷或衰減。GPS時(shí)間同步模塊提供高精度的時(shí)間基準(zhǔn)，是確保多臺(tái)閃電定位儀協(xié)同觀測的關(guān)鍵，其故障如天線失鎖、時(shí)鐘漂移等會(huì)導(dǎo)致時(shí)間同步誤差增大，影響定位精度。信號(hào)調(diào)理電路對天線接收到的微弱信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理，其性能關(guān)系到信噪比和動(dòng)態(tài)范圍，常見故障包括運(yùn)放失調(diào)、電路板開裂、元器件參數(shù)漂移等。數(shù)據(jù)采集與處理單元通過高速AD轉(zhuǎn)換和實(shí)時(shí)處理算法實(shí)現(xiàn)閃電信號(hào)的特征提取和定位解算，其故障如AD轉(zhuǎn)換器損壞引起數(shù)據(jù)丟失，時(shí)鐘同步差錯(cuò)導(dǎo)致定位解算異常，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊損壞造成數(shù)據(jù)丟失等。

2 氣象觀測設(shè)備運(yùn)行保障建議

2.1 加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)和定期檢修

首先，氣象部門制定完善的設(shè)備維護(hù)管理制度，明確各類設(shè)備的維護(hù)周期、檢修項(xiàng)目和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，制定設(shè)備維護(hù)手冊和操作規(guī)程，規(guī)范維護(hù)流程。例如，對于自動(dòng)氣象站，要定期清潔傳感器表面，檢查各傳感器的安裝狀態(tài)和數(shù)據(jù)輸出，每年至少進(jìn)行一次性能檢測和校準(zhǔn)[4]。

其次，強(qiáng)化維護(hù)人員的技術(shù)培訓(xùn)和考核，增強(qiáng)其專業(yè)技能和責(zé)任意識(shí)。可采取定期開展業(yè)務(wù)培訓(xùn)、組織技能競賽等方式，促進(jìn)維護(hù)人員的學(xué)習(xí)和交流。

再次，氣象部門加大維護(hù)經(jīng)費(fèi)投入力度，優(yōu)化維護(hù)資源配置，確保備品備件充足，維修儀器齊全，滿足設(shè)備維護(hù)需求。例如，建立關(guān)鍵零部件的質(zhì)量跟蹤機(jī)制，加強(qiáng)對備品備件的管理，提高備品備件的質(zhì)量和可獲得性，降低設(shè)備故障率。

最后，氣象部門還要加強(qiáng)與設(shè)備制造商的溝通協(xié)作，及時(shí)獲取設(shè)備更新改造信息，掌握先進(jìn)的維護(hù)維修技術(shù)。可定期召開設(shè)備維護(hù)技術(shù)交流會(huì)，邀請廠商介紹設(shè)備特性和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)。通過構(gòu)建完善的設(shè)備維護(hù)管理體系，強(qiáng)化人員技能培訓(xùn)，加大資金投入力度，優(yōu)化資源配置，借助廠商力量，多措并舉，開展氣象觀測設(shè)備維護(hù)和檢修工作，從而減少設(shè)備故障發(fā)生，延長設(shè)備使用壽命，切實(shí)保障氣象觀測的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 建立完善的備品備件管理制度

首先，氣象部門需根據(jù)設(shè)備型號(hào)、數(shù)量和故障率，科學(xué)制定備品備件配置標(biāo)準(zhǔn)，合理確定各類備件的儲(chǔ)備定額、采購周期和更新頻率。例如，對于故障率較高的關(guān)鍵部件，如雷達(dá)發(fā)射機(jī)的大功率器件，要提高儲(chǔ)備量并縮短采購周期；對于故障率低但更換周期長的備件，如氣象傳感器，可適當(dāng)降低儲(chǔ)備定額，延長采購周期。

其次，氣象部門需規(guī)范備品備件的采購流程和質(zhì)量控制。制定嚴(yán)格的供應(yīng)商準(zhǔn)入制度，對備件的性能指標(biāo)、可靠性、環(huán)境適應(yīng)性等提出明確要求。在采購過程中，嚴(yán)把備件質(zhì)量關(guān)，對重要備件開展出廠檢驗(yàn)和到貨檢查，確保備件質(zhì)量滿足使用要求。

最后，氣象部門需做好備品備件的庫存管理和定期盤點(diǎn)，建立臺(tái)賬和標(biāo)識(shí)，實(shí)現(xiàn)備件的可追溯管理。定期評(píng)估備件的使用狀況和存儲(chǔ)環(huán)境，及時(shí)更換有效期臨近或性能降低的備件。此外，加強(qiáng)備品備件管理的信息化建設(shè)，開發(fā)備品備件管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)備件的編碼、入庫、出庫、庫存等全過程信息化管理，提高管理效率和決策水平。通過建立科學(xué)的備品備件配置標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范采購和質(zhì)控流程，加強(qiáng)庫存管理，推進(jìn)信息化建設(shè)等措施，不斷完善備品備件管理制度，從而提高備件的可獲得性和供應(yīng)及時(shí)性，有效縮短設(shè)備故障的維修時(shí)間，確保氣象觀測設(shè)備的連續(xù)運(yùn)行[5]。

2.3 加強(qiáng)人員技能培訓(xùn)

首先，氣象部門要制定完善的人員培訓(xùn)制度，根據(jù)崗位需求和設(shè)備特點(diǎn)，制定分類分級(jí)的培訓(xùn)計(jì)劃，明確培訓(xùn)內(nèi)容、培訓(xùn)方式和考核標(biāo)準(zhǔn)。如針對氣象雷達(dá)運(yùn)維人員，開展雷達(dá)原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、操作維護(hù)等專題培訓(xùn)；針對自動(dòng)氣象站維護(hù)人員，重點(diǎn)開展傳感器工作原理、數(shù)據(jù)采集與傳輸、常見故障診斷等實(shí)操訓(xùn)練。

其次，氣象部門要?jiǎng)?chuàng)新培訓(xùn)方式方法，將理論教學(xué)與實(shí)踐操作相結(jié)合，利用多媒體、虛擬仿真等手段，提升培訓(xùn)的直觀性。定期組織技能競賽、經(jīng)驗(yàn)交流等活動(dòng)，營造比學(xué)趕超的良好氛圍。與高校、科研院所開展產(chǎn)學(xué)研合作，為人員能力提升提供智力支持。

再次，氣象部門要制定人員持證上崗制度，將培訓(xùn)與考核相掛鉤，采取理論考試與實(shí)際操作相結(jié)合的方式，考察人員的專業(yè)知識(shí)和實(shí)際技能，確保培訓(xùn)效果。對考核合格的人員頒發(fā)崗位資格證書，并與績效考核、職稱評(píng)聘等掛鉤，調(diào)動(dòng)人員培訓(xùn)積極性。

最后，氣象部門要鼓勵(lì)人員參加行業(yè)交流和學(xué)術(shù)會(huì)議，了解前沿技術(shù)動(dòng)態(tài)，拓寬專業(yè)視野。選派優(yōu)秀人員到設(shè)備制造商參加技術(shù)培訓(xùn)，學(xué)習(xí)先進(jìn)的生產(chǎn)工藝和檢測手段。通過完善培訓(xùn)制度，創(chuàng)新培訓(xùn)模式，強(qiáng)化培訓(xùn)考核，拓展培訓(xùn)渠道等措施，不斷提升氣象觀測設(shè)備運(yùn)維人員的業(yè)務(wù)水平和實(shí)際操作能力，使其掌握設(shè)備性能特點(diǎn)和維護(hù)技巧，從容應(yīng)對各類故障問題，為氣象觀測設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)的人才保障[6]。

2.4 加強(qiáng)氣象觀測環(huán)境的管理

首先，氣象部門應(yīng)嚴(yán)格遵守氣象觀測場地選址標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮地形、地貌、交通、電磁環(huán)境等因素，選擇環(huán)境代表性好、污染源少、便于維護(hù)的場地，并定期開展觀測環(huán)境評(píng)估，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決環(huán)境變化問題。例如，在選址時(shí)，避開高大建筑物、樹木等遮擋物，遠(yuǎn)離交通干線、工業(yè)區(qū)等污染源，確保觀測場地的空曠性和代表性。

其次，氣象部門要加強(qiáng)觀測場地的日常管理和維護(hù)，制定觀測場地巡查制度，及時(shí)清理雜草、垃圾等影響觀測的異物，維護(hù)場地整潔。定期對觀測場地進(jìn)行硬化、平整等處理，保證儀器設(shè)備的安裝穩(wěn)固性。及時(shí)修復(fù)易積水、易塌陷等問題，避免影響設(shè)備正常工作。

再次，氣象部門要做好觀測環(huán)境的安全防護(hù)，加強(qiáng)防雷、防臺(tái)等措施，如在自動(dòng)氣象站周圍設(shè)置防雷擊設(shè)施，定期檢查接地裝置，確保設(shè)備安全。合理設(shè)置安全警示標(biāo)識(shí)，加強(qiáng)安保巡查，防止人為損壞和盜竊。針對沙塵、鳥糞等特殊環(huán)境問題，采取防塵罩、驅(qū)鳥裝置等措施，減輕對設(shè)備的影響[7]。

最后，氣象部門應(yīng)積極開展觀測環(huán)境的宣傳教育，

增強(qiáng)公眾的環(huán)保意識(shí)，爭取社會(huì)各界對氣象觀測工作的理解和支持。定期舉辦開放日活動(dòng)，邀請周邊單位、學(xué)校等參觀，講解觀測環(huán)境保護(hù)的重要性。

3 結(jié)束語

氣象探測設(shè)備常見故障的分析和診斷是一項(xiàng)綜合性、專業(yè)性很強(qiáng)的工作，需要多學(xué)科知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。通過加強(qiáng)維護(hù)檢修、完善備件管理、強(qiáng)化人員培訓(xùn)、優(yōu)化觀測環(huán)境等措施，可以有效降低氣象探測設(shè)備的故障率，延長其使用壽命，為提高氣象觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。未來，隨著新技術(shù)新裝備的不斷應(yīng)用，氣象部門還需與科研院所、制造廠商加強(qiáng)合作，構(gòu)建健全的氣象探測設(shè)備全生命周期的質(zhì)量管理體系，實(shí)現(xiàn)設(shè)備可靠性設(shè)計(jì)、精細(xì)化運(yùn)維和綜合保障能力的同步提升，以適應(yīng)現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)發(fā)展的新要求，不斷滿足國計(jì)民生和防災(zāi)減災(zāi)對高質(zhì)量氣象服務(wù)的需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 李東喆.案例推理技術(shù)在氣象探測設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用[J].中國民航飛行學(xué)院學(xué)報(bào)，2021，32（2）：19-23.

[2] 陳開，陳柯辰.基于Spring框架的氣象探測設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].軟件導(dǎo)刊，2020，19（7）：112-116.

[3] 葉冠寧.氣象探測設(shè)備常見故障及維修保障措施[J].南方農(nóng)機(jī)，2020，51（9）：247.

[4] 鄭煒潭.氣象探測設(shè)備的故障分析與處理[J].南方農(nóng)機(jī)， 2020，51（5）：225-226.

[5] 李靜，張朝明，華夏，等.山西省氣象探測設(shè)備維修平臺(tái)的研究[J].科技與創(chuàng)新，2019（10）：79-81.

[6] 趙云鵬.銀川月牙湖機(jī)場氣象探測設(shè)備電路跳閘故障排查[J].空運(yùn)商務(wù)，2018（11）：52-54.

[7] 周文杰.基于SIPOC航空氣象探測設(shè)備的管理系統(tǒng)研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2018，8（9）：51-54，58.