新型自动气象站实时监控系统的设计与实现

黄宏智，黄飞龙，陈冰怀

（广东省气象探测数据中心，广东广州 510080）

新型自动气象站实时监控系统的设计与实现

黄宏智，黄飞龙，陈冰怀

（广东省气象探测数据中心，广东广州 510080）

介绍针对DZZ1-2N型新型自动气象站设计的运行状态实时监控系统，该系统能实时显示设备的观测数据、传感器工作状态以及将监控数据流发送至省局接收中心，有效提高了对设备的监控和管理能力，大大提升设备的维护保障效率。实际应用效果表明，该系统运行稳定可靠，较好地满足业务需求。

计算机技术与应用；新型自动气象站；监控系统；多传感器；监控数据流

由广东省气象局自主研发的DZZ1-2N型新型自动气象站业已在广东省内大部分台站投入使用，并取代遥测站成为热机进行业务运行，因此对其运行状态的全面监控显得尤为重要。DZZ1-2N型新型自动气象站是根据国家局制定的新型自动气象（气候）站功能规格书规范要求设计的，能提供准确、可靠的观测数据，是提高预报预测准确率和服务能力的重要设备。随着广东省新型自动气象站观测网络的日益扩大，一方面确实能提升地面气象观测的自动化水平，又对观测设备的维护保障能力提出了更高要求，要求能以最快的速度获得故障或异常情况并修复，以免因设备故障或异常得不到及时维修而长时间中断观测或输出错误数据［1］。

因此，需建立新型自动气象站实时监控系统，实时获取新型自动气象站运行过程中的各种信息，为省级保障中心以及台站维护人员提供设备运行状态研判和故障诊断的信息，提升保障的效率。本研究着重介绍了新型自动气象站实时监控系统的模块结构、传感器状态分析、监控数据流的收集和传输等。

1 系统设计方案

新型自动站各探测要素数据的获取是通过“台站地面综合观测业务软件_采集”（SMO软件）发送命令进行采集，并将数据存在本地业务机中。该系统的设计核心就是如何高效、可靠地获取新型自动站的监控信息，并及时准确上传至省局的数据处理中心，为保障人员提供直观的设备全网运行信息。监控数据流的传输流程如图1。

图1 监控数据流传输流程示意图

台站地面综合观测业务软件在每分钟的20 s时发送命令，下载分钟常规观测数据以及读取自动气象站所有状态信息，并按照一定的数据格式写入观测数据文件和状态数据文件中。与SMO软件运行在同一台计算机的监控系统以1 min定时间隔读取观测数据文件和状态数据文件，并把获取的分钟观测数据和状态数据按照一定的格式规则进行组包，通过UDP协议发送至省局数据处理中心的软件。处理中心软件将接收到的监控数据流提取出观测数据和状态数据，并分类导入相应数据表。可通过浏览器查看设备的运行状态，存在异常信息时会自动发出短信报警信息［2］。

2 系统模块介绍

根据新型自动气象站的观测数据及传感器工作状态监控需求，将系统规划为系统初始化、参数设置、数据显示及上传、查询统计等4个模块。软件设计基于数据处理时效性的要求［3］，采用多线程技术提高监控数据的获取和上传效率。

1）系统初始化：系统启动后主界面自动加载工具栏和状态栏，生成RunningLog记录文件夹、Temp临时文件中转文件夹以及Icons状态图标存放文件夹，创建定时器等。

2）参数设置模块：包括数据路径以及通信参数2个部分。数据路径由观测数据存放路径和长Z文件存放路径2个部分组成。通信参数主要是UDP参数的设置，包括远程主机IP地址、本地主机IP地址、远程主机端口号以及本地主机端口号等。

3）数据显示及上传模块：定时时间到达，系统自动检测观测数据文件和状态数据文件的更新情况，如若有更新则提取对应时间的观测数据和状态数据，实时显示并组成UDP报文进行上传。

4）查询管理模块：根据日志日期选择，查询有效期为一个月的观测数据和状态数据检测情况、数据读取情况以及UDP报文上传情况等。

3 系统详细设计

新型自动气象站实时监控系统基于Microsoft Visual C++6.0开发平台，采用多线程并发处理技术、文件读取技术和UDP网络传输协议实现监控数据的获取、传感器状态表征以及监控数据流的上传等，在省局数据处理中心端可提供新型自动站全网观测数据、传感器工作状态、故障信息的显示和查询等［4］。

3.1 监控数据提取

SMO软件运行时，会在业务计算机上形成若干个采集数据文件，包括小时观测数据文件（AWS_H_Z_IIiii_yyyymm.txt）、分钟观测数据文件（AWS_M_Z_IIiii_yyyymmdd.txt）以及状态信息文件（AWS_M_ST_IIiii_yyyymmdd.txt）等，其中yyyymm代表年月，yyyymmdd代表年月日，IIiii代表区站号。通过对新型自动气象站实时监控系统配置一个计时周期为1 min的定时器，一旦计时时间达到，会自动检测上述3种数据文件的状态。若文件有新数据追加写入，则启动相应的数据提取线程，根据设定的数据格式，获取新型自动气象实时数据、统计数据、各传感器工作状态以及长Z报文上传情况等。由于每类数据提取线程的功能以及流程大同小异，本研究就以分钟观测数据提取线程作为示例进行分析。

关键代码说明：

获取分钟观测数据文件最后被修改的时间和日期，并和上次记录的时间日期做比较，如果前者的时间和日期更靠后，则置文件更新标志位为真。

首先判断分钟观测数据提取线程是否在运行？若无，则创建并且启动线程。分钟观测数据提取线程的工作流程图如图2所示。

3.2 传感器状态表征

以往对广东省运行的遥测站监控主要是监控设备的观测数据，通过查看各要素观测数据来判别传感器的工作状态，一般认为有观测数据则为正常，否则为异常。这种判断方式过于简单，缺乏精细化，不利于提升维修效率，尤其是对于气温、湿度、雨量配置了3个传感器的DZZ1-2N型新型自动气象站。

图2 分钟观测数据提取线程工作流程框图

针对上述存在的问题，监控系统设计了传感器状态表征模块，深入分析各要素传感器的工作状态。传感器表征分两种情况：单个传感器要素和3个传感器要素。监控系统每分钟在状态数据文件中检索传感器工作状态数据，构建一个状态数据集，并根据配置要素的次序提取各个要素的状态代码值。对于单个传感器要素，可按照表1状态代码值与传感器工作状态的映射关系分析传感器的工作状态。如蒸发的状态代码值为0，表示蒸发正常工作；如状态代码值为2，则表示其故障或未检测到传感器。本映射关系只适用于单个传感器要素，对于气温、湿度、雨量等配置3个传感器的要素，DZZ1-2N型新型自动气象站采用3位二进制码表示3个传感器的工作状态，其状态代码值为3位二进制码所对应的十进制值。以气温为例说明：第1位表示第1路气温、第2位表示第2路气温、第3位表示第3路气温，如果工作正常则对应位的加权系数为0，否则为1。例如，第1路气温工作正常，第2、第3路气温异常，则气温的状态代码值=0×22+1×21+1× 20，即其值为3。对3路传感器可能出现的工作状态进行排列组合，建立多传感器状态代码值与工作状态的映射关系（表1）。监控系统可根据要素状态代码值来检索表1对应的映射关系，从而精细化判别各要素传感器的工作状态。

表1 单个和多个传感器工作状态映射关系

3.3 监控数据流传输

新型自动气象站监控系统对每分钟提取的观测数据集和状态数据集进行组包封装，并对该报文进行是否为空包检测，如果为空包则系统作报警提示，否则立刻启动数据上传线程，将监控数据流传送到省局数据处理中心。监控数据流的组包方式为：包头+站号+日期+未成功上传长Z文件数+观测数据+状态数据，其中状态数据包括各要素传感器的工作状态、采集器工作电压、采集器供电类型以及采集器主板温度等。每项数据之间用“，”隔开，如果某项数据值为“/”，则表明该项数据对应的要素为缺测状态。一个完整的监控数据包如下：DZZ1-2N，57988，2016 -1-15 15：14：00，0，244，9，246，8，216，25，2306，242，10，249，39，2303，1，5，280，287，2314，280，2356，85，82，2301，321，252，10065，10066，2301，10064，2314，259，274，2306，259，2358，276，278，2301，276，2353，294，311，316，316，300，283，268，233，730，1，22727，23010，70010，2301，340，112，230，74，/，/，/，/，/，/，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，1，2，1，126，0，369，00， 7F

监控数据流的传输采用UDP方式，UDP协议是无连接方式的协议，它的效率高，速度快，占资源少［5］。部署在省局的数据转发软件在接收到各台站上传的监控数据流后即刻流转至省局数据处理中心软件，进行解析、显示、入库等。软件实现界面如图3所示。

图3 监控系统运行界面

随着气象现代化的推进，基层测报业务人员将逐渐从繁重的人工观测业务中解放出来，转而把工作重心转移到设备维护和数据质量控制上。因此，一个运行稳定可靠、功能完善的监控系统将显得愈加重要。

目前，针对广东省的各种类型气象探测设备广东省气象数据探测中心开发了完善的实时监控系统，且在日常的设备维护保障过程中发挥着越来越重要的作用。新型自动气象站实时监控系统在台站已经运行了一年多，使省级和台站保障人员能实时掌握设备的运行状况，及时发现故障提高维修效率，从而缩短故障平均时间，提升气象探测数据业务工作的质量。

［1］李源鸿，敖振浪，李建勇，等.广东省地面气象综合探测全网实时监控系统［J］.广东气象，2007，4（29）：6-7.

［2］雷卫延，陈刚，陈武框，等.CAWS600型自动站运行状态实时监控系统设计［J］.气象水文海洋仪器，2011，3（1）：86-87.

［3］黄宏智，陈冰怀，黄飞龙，等.基于多线程并发的风廓线数据上传监控终端［J］.气象水文海洋仪器，2015，3（1）：13-16.

［4］陈冰怀，黄宏智，陈捷雄，等.风廓线雷达实时监控系统的开发与应用［J］.广东气象，2015，37（1）：68-70.

［5］李建勇，敖振浪，谭鉴荣，等.雷达远程实时信息提取及显示系统的实现［J］.广东气象，2007，29（4）：8-10.

TP39

A

10.3969/j.issn.1007-6190.2016.05.019

2016-03-14

黄宏智（1982年生），男，硕士，工程师，主要从事大气探测设备研发及保障工作。E-mail：645763188@qq.com

黄宏智，黄飞龙，陈冰怀.新型自动气象站实时监控系统的设计与实现［J］.广东气象，2016，38（5）：74-77.