区域自动气象站故障预测方法的研究

程永明　张卉　江渊　薛博

摘 要：区域自动气象站是现代气象业务中重要的数据采集设备，因此，对它的维护尤为重视。总结日常区域站的维护，介绍了区域站的常见故障，分析了各种故障发生的时间和频率。为了更好地提前判断可能性故障，利用GIS强大的空间分析功能和可视化特点，根据天气实况和预报情况对其进行空间分析，提前发现因天气等外部环境可能引起故障的站点，解决了常规区域站故障维修的滞后性，提前消除故障隐患，变被动为主动，最大限度地减少了自动站观测数据缺测、异常的情况，提高了资料传输的及时率和完整性。

关键词：GIS；区域自动气象站；电池故障 ；数据采集设备

中图分类号：P414.8+9 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）04-0138-03

随着气象业务的不断发展，气象区域站已成为气象数据采集的重要来源之一，对天气实况资料的统计起着重要的作用。区域自动气象站是气象部门进行业务科研、气象服务的重要基础，它有着站点较多、分布面广、数据传输复杂、无人值守等特点。这些特点导致其故障率较高，给维护增加了难度，从而影响业务质量。发现故障再解决必然对资料的完整性和传输的及时率造成影响，因此，对气象区域站进行故障预测分析，将GIS技术应用于故障预测中是非常有意义的。GIS技术的快速发展，气象行业也逐步将GIS应用于各项气象工作中，比如，广泛使用的MICAPS正是在GIS的基础上开发而来的，充分体现了GIS技术的实用性和可行性。依托GIS特有的空间分析功能提前发现可能出现故障的站点，这对于区域站维护工作有着极大的辅助作用，也对保证区域站传输资料的完整性和提高传输效率有着重要的意义。

1 区域站常见故障分析

区域自动气象站大部分都安装于野外，所处环境恶劣，网络信号不是很好，因此设备经常因为通信、天气等问题发生故障，造成资料短缺等不良后果。尤其北方冬天日照时间短，温度较低，直接影响到了电池的使用时间。以往的维修经验表明，长治市区域站故障主要以下三类故障。

1.1 设备供电系统故障

区域站野外作业的特点决定其供电方式为太阳能和蓄电池两种。对于市电供电而言，这两种供电方式稳定性差，对外界环境及其天气变化依赖性较强，且电池的使用时间有限，所以出现故障的频率较高。

供电系统发生故障的原因主要有：太阳能板故障导致不能及时给电池充电，主板的供电模块故障导致不能给电池充电，电池本身出现故障，供电系统线路故障。

1.2 网络通信软故障

目前，长治市所有区域气象自动站均采用移动、联通网络进行传输资料，由于移动和联通网络信号覆盖范围有限，加上部分地区有其他通信波段影响信号，所以由于通信不畅导致的资料短缺也时有发生。

1.3 区域站备件故障

相对于供电和网络故障而言，区域站备件发生故障的概率较低。

1.4 故障状况分析

结合长治各县市的故障类型对气象区域站的维护提供一些参考，以下是长治市各县市2012年区域站维修维护情况表。

由表1可以得知，2012年长治市共维护区域站101次，其中，网络故障率占35%，供电故障率占62%，备件故障率占3%.从表2可以看出，供电故障在全年四个季节中均为发生率最高的故障，且夏季和冬季为供电故障的高发期。网络故障率虽较高，但由于区域站所适用的网络通信设备均为第三方技术，不易处理，因此，本文主要研究如何提前预防供电系统发生故障，消除故障隐患，做到防患于未然，有效地解决并预防供电故障，有力地减少区域站的故障率，对提高区域站传输资料的完整性和传输及时率有着重要的意义。

2 区域站供电系统存在的故障隐患

供电系统是维持区域站工作的动力之源，供电系统的正常运行是确保区域站正常工作的前提，也是区域站发生故障时首要排查的一项工作。区域站的供电系统主要由太阳能板和蓄电池两部分组成，因此，确保太阳能板和蓄电池正常运行，便可以消除供电系统存在的故障隐患。

2.1 建立电池使用情况数据库

任何型号、品牌的电池都会有使用寿命。长治市区域站的电池由于安装时间不统一，使得目前使用的电池新旧不一，部分电池已经存在故障隐患。为了更好地排除电池存在的故障隐患，应对各个区域站的电池使用情况作详细统计，建立电池使用情况数据库，从而实现可随时查看各个站点的电池使用情况，摸清哪些电池容易出问题、哪些需要更换等具体情况。

在区域站维护工作中发现，电池同时出现故障的站点往往是同一时间安装或同一时间更换过电池的区域站，因为电池使用时间越久，故障率越高。比如，在2012年的维护工作中，一周内突然出现较大面积站点的电池故障，经过检索电池数据库发现，出现电池故障的这些站点均为4年前安装的区域站，已超过了保质期。为了消除电池故障的隐患，用万用表测量了同一批安装的区域站电池，发现70%以上的电池电压均不到6 V，而区域站正常工作要求的电压至少在6.5 V以上。因此，建立各个区域站电池使用情况数据库可更方便地检索出哪些站点将有故障隐患，提前更换电池或给原有电池充电，防止出现因电池问题导致的区域站故障。

2.2 天气现象对区域站供电系统的影响

一般情况，区域站均安装于野外，受天气等外界环境影响较大。在区域站的日常维护维修中发现有两种影响区域站电池正常工作的因素。

2.2.1 季节性气候影响

电池容量和温度有着密切的关系，相同的电池在不同的温度下有效使用时间也不同。表3是电池容量和温度的具体关系表。

从表3可以看出，夏季的温度较高，电池有效使用率较高；冬季温度较低，电池有效使用率也较低。结合表2的实际维修情况可得出，夏季虽然电池有效使用率较高，但对于北方地区而言，夏季正好为一年中的雨季，阴雨天气较多，直接影响太阳能供电，所以夏季也是供电故障率较高的季节。北方冬季较冷，极低的气温直接影响区域站蓄电池的使用时长，所以根据表3电池容量与温度的关系可得出，冬季为区域站电池故障的高发期；同时，表2季节性区域站故障率也说明了北方夏季和冬季均为区域站供电故障的高发期。endprint

2.2.2 具体天气影响

太阳能供电能否正常运行，首先取决于日照情况，所以，天气情况直接影响太阳能工作，充足的日照可保证区域站电池能有效得到太阳能的充电；反之，日照条件不足，则会影响区域站电池的充电，从而影响区域站的正常供电。就长治地区而言，大雾天气、阴雨天气和降雪天气都会影响日照时间，从而影响区域站太阳能供电。

2.2.2.1 大雾天气对区域站太阳能供电的影响

大雾天气由于能见度较差，导致日照条件不足，影响太阳能板工作，所以大雾天气会导致太阳能不能正常工作。

2.2.2.2 阴雨天气对区域站太阳能供电的影响

连续阴天或连续阴雨天气均对太阳能供电的正常工作造成了很大影响，甚至完全不能进行太阳能供电，而区域站安装的蓄电池使用时间有限，如果得不到及时充电，则很难保证区域站的正常运行。所以根据蓄电池的使用时间，超过最长使用时间后再得不到太阳能的充电补给，就会因供电电压不足造成区域站故障。

2.2.2.3 降雪天气对区域站太阳能供电的影响

降雪天气对区域站太阳能供电的影响可以被纳入阴雨天气的影响，唯一不同的就是阴雨天气过后就可恢复太阳能的正常供电，而降雪则要考虑降雪深度和降雪后的天气情况。由于降雪后太阳能板被雪覆盖，太阳能供电受到影响。所以，要结合实际的天气情况，分析太阳能的工作情况。如果降雪后天气晴朗，温度可达到融雪温度，则不影响太阳能供电；如果达不到融雪温度，或继续阴天则会影响太阳能供电。

2.2.2.4 克服天气影响的有效方法

结合天气情况对区域气象站影响可以分析得出，如何在天气情况不利于太阳能正常工作时尽量延长蓄电池的使用时间，如何在短时间内找到故障原因或排除发生故障的隐患，则是减轻区域站受天气影响程度的有效途径。通过GIS特有的空间分析及地理信息可视化功能，可快速地判断出因天气原因可能出现故障的区域站，可提前有效地消除故障隐患，有利于提高了区域站的工作效率和资料传输的及时率和完整性。

3 用GIS手段分析天气对区域站供电影响

GIS有强大的空间分析功能，利用GIS空间可以对一些数据进行叠加分析。气象系统已将GIS技术应用于气象服务中，比如利用GIS技术制作天气预报图、天气实况图等。将现有的天气预报图和天气实况图作为数据源，结合影响区域站供电工作的故障权重值进行叠加分析，从而判断可能出现故障的区域站点。

区域站供电工作的故障权重可通过电池有效使用时长来计算，根据华云公司提供的区域站供电信息，一般4要素区域为3 W左右，正常工作电压为6.5 V，通过公式P=UI，可计算出额定电流为0.46 A，四要素区域站均安装有3块电池，每块电池的额定容量为10 Ah，所以电池在理想情况下可持续使用65.2 h，不到3 d时间。所以，在利用ARCGIS进行空间分析时，所使用的故障权重就是区域站电池的有效工作时长。

以长治市夏季阴雨天气为例进行分析，首先通过ARCGIS软件进行建模，将各区域站站点信息经过投影显示于地图中，再对其进行叠加分析判断。

利用ARCGIS的空间分析技术，可快速地分析出可能出现供电故障的区域站，在一定程度上克服了常规区域站故障维修的滞后性，变被动为主动，提前为可能出现故障的站点进行充电补给，可有效地避免因电池问题造成区域站故障，保证了区域站资料传输的及时性和完整性。

4 结束语

利用GIS空间分析功能排查区域站电池故障是一种可行而有效的方法，但ARCGIS这个平台，在数据的更新方面还存在很大缺陷，特别是对天气情况对区域站电池的影响只作了有限的分析，如果要对不同数据和不同需求作更有价值的分析，则需要基于GIS的组件式进行二次开发。这样就可以根据用户不同的要求将多种分析功能集成到一个系统中，便于进行更为科学合理的比较分析。

参考文献

[1]姜冬梅，薛亮美.区域气象观测站常见故障分析及解决办法[J].山东气象，2010年（1）.

[2]王大鹏，金岩.区域自动气象站常见故障及对策[J].内蒙古科技与经济，2011（20）.

[3]刘根强.四要素区域自动气象站的维护[J].北京农业，2011（33）.

作者简介：程永明（1984—），男，昆明理工大学硕士研究生，现就职于山西省长治市气象局。

〔编辑：陈文强〕

Abstract： Regional AWS is important modern meteorological service data acquisition devices， so particular attention to its maintenance. Summarizes the daily maintenance of regional stations， introduced the common faults regional stations， and analyzes the time and frequency of various faults. In order to better determine in advance the possibility of failure， the use of powerful GIS spatial analysis and visualization features， its spatial analysis based on live weather conditions and forecasts， early discovery due to weather and other external environment may cause a malfunction of the site， to solve the general area lag fault repair station in advance to eliminate hidden faults， change from passive to active， to minimize the lack of observational data measured automatically stop abnormal situation， improve the timeliness and completeness of data transmission rate.

Key words： GIS； zone automatic weather stations； battery failure； data acquisition devicesendprint

2.2.2 具体天气影响

太阳能供电能否正常运行，首先取决于日照情况，所以，天气情况直接影响太阳能工作，充足的日照可保证区域站电池能有效得到太阳能的充电；反之，日照条件不足，则会影响区域站电池的充电，从而影响区域站的正常供电。就长治地区而言，大雾天气、阴雨天气和降雪天气都会影响日照时间，从而影响区域站太阳能供电。

2.2.2.1 大雾天气对区域站太阳能供电的影响

大雾天气由于能见度较差，导致日照条件不足，影响太阳能板工作，所以大雾天气会导致太阳能不能正常工作。

2.2.2.2 阴雨天气对区域站太阳能供电的影响

连续阴天或连续阴雨天气均对太阳能供电的正常工作造成了很大影响，甚至完全不能进行太阳能供电，而区域站安装的蓄电池使用时间有限，如果得不到及时充电，则很难保证区域站的正常运行。所以根据蓄电池的使用时间，超过最长使用时间后再得不到太阳能的充电补给，就会因供电电压不足造成区域站故障。

2.2.2.3 降雪天气对区域站太阳能供电的影响

降雪天气对区域站太阳能供电的影响可以被纳入阴雨天气的影响，唯一不同的就是阴雨天气过后就可恢复太阳能的正常供电，而降雪则要考虑降雪深度和降雪后的天气情况。由于降雪后太阳能板被雪覆盖，太阳能供电受到影响。所以，要结合实际的天气情况，分析太阳能的工作情况。如果降雪后天气晴朗，温度可达到融雪温度，则不影响太阳能供电；如果达不到融雪温度，或继续阴天则会影响太阳能供电。

2.2.2.4 克服天气影响的有效方法

结合天气情况对区域气象站影响可以分析得出，如何在天气情况不利于太阳能正常工作时尽量延长蓄电池的使用时间，如何在短时间内找到故障原因或排除发生故障的隐患，则是减轻区域站受天气影响程度的有效途径。通过GIS特有的空间分析及地理信息可视化功能，可快速地判断出因天气原因可能出现故障的区域站，可提前有效地消除故障隐患，有利于提高了区域站的工作效率和资料传输的及时率和完整性。

3 用GIS手段分析天气对区域站供电影响

GIS有强大的空间分析功能，利用GIS空间可以对一些数据进行叠加分析。气象系统已将GIS技术应用于气象服务中，比如利用GIS技术制作天气预报图、天气实况图等。将现有的天气预报图和天气实况图作为数据源，结合影响区域站供电工作的故障权重值进行叠加分析，从而判断可能出现故障的区域站点。

区域站供电工作的故障权重可通过电池有效使用时长来计算，根据华云公司提供的区域站供电信息，一般4要素区域为3 W左右，正常工作电压为6.5 V，通过公式P=UI，可计算出额定电流为0.46 A，四要素区域站均安装有3块电池，每块电池的额定容量为10 Ah，所以电池在理想情况下可持续使用65.2 h，不到3 d时间。所以，在利用ARCGIS进行空间分析时，所使用的故障权重就是区域站电池的有效工作时长。

以长治市夏季阴雨天气为例进行分析，首先通过ARCGIS软件进行建模，将各区域站站点信息经过投影显示于地图中，再对其进行叠加分析判断。

利用ARCGIS的空间分析技术，可快速地分析出可能出现供电故障的区域站，在一定程度上克服了常规区域站故障维修的滞后性，变被动为主动，提前为可能出现故障的站点进行充电补给，可有效地避免因电池问题造成区域站故障，保证了区域站资料传输的及时性和完整性。

4 结束语

利用GIS空间分析功能排查区域站电池故障是一种可行而有效的方法，但ARCGIS这个平台，在数据的更新方面还存在很大缺陷，特别是对天气情况对区域站电池的影响只作了有限的分析，如果要对不同数据和不同需求作更有价值的分析，则需要基于GIS的组件式进行二次开发。这样就可以根据用户不同的要求将多种分析功能集成到一个系统中，便于进行更为科学合理的比较分析。

参考文献

[1]姜冬梅，薛亮美.区域气象观测站常见故障分析及解决办法[J].山东气象，2010年（1）.

[2]王大鹏，金岩.区域自动气象站常见故障及对策[J].内蒙古科技与经济，2011（20）.

[3]刘根强.四要素区域自动气象站的维护[J].北京农业，2011（33）.

作者简介：程永明（1984—），男，昆明理工大学硕士研究生，现就职于山西省长治市气象局。

〔编辑：陈文强〕

Abstract： Regional AWS is important modern meteorological service data acquisition devices， so particular attention to its maintenance. Summarizes the daily maintenance of regional stations， introduced the common faults regional stations， and analyzes the time and frequency of various faults. In order to better determine in advance the possibility of failure， the use of powerful GIS spatial analysis and visualization features， its spatial analysis based on live weather conditions and forecasts， early discovery due to weather and other external environment may cause a malfunction of the site， to solve the general area lag fault repair station in advance to eliminate hidden faults， change from passive to active， to minimize the lack of observational data measured automatically stop abnormal situation， improve the timeliness and completeness of data transmission rate.

Key words： GIS； zone automatic weather stations； battery failure； data acquisition devicesendprint

2.2.2 具体天气影响

太阳能供电能否正常运行，首先取决于日照情况，所以，天气情况直接影响太阳能工作，充足的日照可保证区域站电池能有效得到太阳能的充电；反之，日照条件不足，则会影响区域站电池的充电，从而影响区域站的正常供电。就长治地区而言，大雾天气、阴雨天气和降雪天气都会影响日照时间，从而影响区域站太阳能供电。

2.2.2.1 大雾天气对区域站太阳能供电的影响

大雾天气由于能见度较差，导致日照条件不足，影响太阳能板工作，所以大雾天气会导致太阳能不能正常工作。

2.2.2.2 阴雨天气对区域站太阳能供电的影响

连续阴天或连续阴雨天气均对太阳能供电的正常工作造成了很大影响，甚至完全不能进行太阳能供电，而区域站安装的蓄电池使用时间有限，如果得不到及时充电，则很难保证区域站的正常运行。所以根据蓄电池的使用时间，超过最长使用时间后再得不到太阳能的充电补给，就会因供电电压不足造成区域站故障。

2.2.2.3 降雪天气对区域站太阳能供电的影响

降雪天气对区域站太阳能供电的影响可以被纳入阴雨天气的影响，唯一不同的就是阴雨天气过后就可恢复太阳能的正常供电，而降雪则要考虑降雪深度和降雪后的天气情况。由于降雪后太阳能板被雪覆盖，太阳能供电受到影响。所以，要结合实际的天气情况，分析太阳能的工作情况。如果降雪后天气晴朗，温度可达到融雪温度，则不影响太阳能供电；如果达不到融雪温度，或继续阴天则会影响太阳能供电。

2.2.2.4 克服天气影响的有效方法

结合天气情况对区域气象站影响可以分析得出，如何在天气情况不利于太阳能正常工作时尽量延长蓄电池的使用时间，如何在短时间内找到故障原因或排除发生故障的隐患，则是减轻区域站受天气影响程度的有效途径。通过GIS特有的空间分析及地理信息可视化功能，可快速地判断出因天气原因可能出现故障的区域站，可提前有效地消除故障隐患，有利于提高了区域站的工作效率和资料传输的及时率和完整性。

3 用GIS手段分析天气对区域站供电影响

GIS有强大的空间分析功能，利用GIS空间可以对一些数据进行叠加分析。气象系统已将GIS技术应用于气象服务中，比如利用GIS技术制作天气预报图、天气实况图等。将现有的天气预报图和天气实况图作为数据源，结合影响区域站供电工作的故障权重值进行叠加分析，从而判断可能出现故障的区域站点。

区域站供电工作的故障权重可通过电池有效使用时长来计算，根据华云公司提供的区域站供电信息，一般4要素区域为3 W左右，正常工作电压为6.5 V，通过公式P=UI，可计算出额定电流为0.46 A，四要素区域站均安装有3块电池，每块电池的额定容量为10 Ah，所以电池在理想情况下可持续使用65.2 h，不到3 d时间。所以，在利用ARCGIS进行空间分析时，所使用的故障权重就是区域站电池的有效工作时长。

以长治市夏季阴雨天气为例进行分析，首先通过ARCGIS软件进行建模，将各区域站站点信息经过投影显示于地图中，再对其进行叠加分析判断。

利用ARCGIS的空间分析技术，可快速地分析出可能出现供电故障的区域站，在一定程度上克服了常规区域站故障维修的滞后性，变被动为主动，提前为可能出现故障的站点进行充电补给，可有效地避免因电池问题造成区域站故障，保证了区域站资料传输的及时性和完整性。

4 结束语

利用GIS空间分析功能排查区域站电池故障是一种可行而有效的方法，但ARCGIS这个平台，在数据的更新方面还存在很大缺陷，特别是对天气情况对区域站电池的影响只作了有限的分析，如果要对不同数据和不同需求作更有价值的分析，则需要基于GIS的组件式进行二次开发。这样就可以根据用户不同的要求将多种分析功能集成到一个系统中，便于进行更为科学合理的比较分析。

参考文献

[1]姜冬梅，薛亮美.区域气象观测站常见故障分析及解决办法[J].山东气象，2010年（1）.

[2]王大鹏，金岩.区域自动气象站常见故障及对策[J].内蒙古科技与经济，2011（20）.

[3]刘根强.四要素区域自动气象站的维护[J].北京农业，2011（33）.

作者简介：程永明（1984—），男，昆明理工大学硕士研究生，现就职于山西省长治市气象局。

〔编辑：陈文强〕

Abstract： Regional AWS is important modern meteorological service data acquisition devices， so particular attention to its maintenance. Summarizes the daily maintenance of regional stations， introduced the common faults regional stations， and analyzes the time and frequency of various faults. In order to better determine in advance the possibility of failure， the use of powerful GIS spatial analysis and visualization features， its spatial analysis based on live weather conditions and forecasts， early discovery due to weather and other external environment may cause a malfunction of the site， to solve the general area lag fault repair station in advance to eliminate hidden faults， change from passive to active， to minimize the lack of observational data measured automatically stop abnormal situation， improve the timeliness and completeness of data transmission rate.

Key words： GIS； zone automatic weather stations； battery failure； data acquisition devicesendprint