气象探测设备常见故障分析＊

2018-05-05薛风国杨智涛赵忠凯魏新华

科技与创新 2018年9期

薛风国，隋丹，杨智涛，高峰，赵忠凯，魏新华

（1.黑龙江省气象数据中心，黑龙江哈尔滨 150030；2.南京信息工程大学，江苏省气象探测与信息处理重点实验室，江苏南京 210044；3.南京信息工程大学大气环境与装备技术协同创新中心，江苏南京 210044）

综合气象观测运行监控系统（ASOM）是中国气象局气象探测中心于2010年完成设计和建设的集运行监控、维护维修、装备供应保障、站网信息、综合分析评估、综合显示、信息服务和系统管理于一体的中国气象局业务系统[1-3]。其中，运行监控部分主要是对新一代天气雷达、探空系统、自动气象站、自动土壤水分站和闪电定位仪的运行状况进行监控，如图1所示。维护维修部分对各种设备故障情况、停机情况、巡检情况、维护维修情况进行跟踪，如图2所示。对各种气象观测设备常见故障进行归纳总结，发现规律，可以更好地指导台站人员进行气象观测设备的维护维修，这具有重要的现实意义[1]。

ASOM注重气象设备的运行可靠性，采用业务可用性作为业务考核指标。除了新一代天气雷达之外，其他观测设备以数据到报及数据质量作为设备运行状况的判定依据。这难免会受到通讯传输和数据质量控制算法的影响，在体现设备运行状态方面存在很大的局限性。

图1 ASOM监控部分

近年来，我国气象观测设备的运行保障工作在技术手段、体制机制上得到了快速发展，在气象设备生产定型上更加注重设备的可监控性设计。运行监控作为全国性的业务工作，通过设立专门运行监控业务机构、多级监控系统等使其在内涵和外延上发生了变化。监控的范畴由单一向综合方向转变，由最初对数据传输情况的监控向设备运行状态、观测站网、运行保障和探测质量等方面发展[4-5]。

图2 ASOM维护维修部分

1 气象观测设备常见故障及分析

1.1 新一代天气雷达

在新一代天气雷达运行的过程中，发生故障的类别有发射系统故障、监控系统故障、天线/馈线系统故障、接收机/信号处理机故障、光纤系统故障、伺服系统故障和数据处理与显示终端故障[6]。这些故障会影响雷达数据的正常上传，对气象预报产生一定的影响。

发射系统常见的故障备件有调制器、风机、开关组件、触发器、可控硅、灯丝电源、泵台电源和磁场电源等。这些备件出现故障的原因有，全天候运转而导致老化磨损，高压过流导致剧烈发热而被击穿，电压不稳导致备件被击穿等。

接收系统主要故障备件有混频/前置中放、频综、IF放大/限幅器。接收系统故障主要有，频率源损坏或频综滤波器无输出造成扫描无回波，IQ相位检波器故障导致回波出现大量噪点，信号处理器损坏导致回波为圆饼图，接口机接口板线缆的衰减和线性通道增益常数的设置不合理会导致回波强度的过强或过弱等。

天馈系统主要故障备件有波导及波导开关、汇流环及碳刷、周角盒等。长时间工作造成的磨损会导致汇流环和碳刷的损害，恶劣的温湿度环境会造成误差电压波动幅度大，导致天线和高压器件故障。

伺服系统俯仰电机和方位电机故障易多发，原因主要有长时间连续工作的磨损；碳刷长时间工作导致碳粉聚集，造成短路烧毁电机；漏油导致方位减速箱故障等。

通讯系统主要故障备件有上光纤线路板和光端机，监控系统主要故障备件有监控主板，其他故障备件有电源保险、空气开关等。

另外，经常出现虚假报警、状态文件/产品文件未到报（状态文件上传软件故障/产品文件上传软件故障）等情况。部分台站人员单据填写不规范特别是停机时间和维护时间填写不规范也会影响业务可用性。

1.2 探空雷达

在探空雷达运行过程中发生故障的主要是雷达附属设备，视频摄像头故障、俯仰电机皮带老化、WT9线缆破损、天线控制盒故障等是常见故障[7]。部分雷达在大修后器件耐老化程度和硬件质量与大修前相比有所下降，尤其是摄像头，影响到的台站比较多。

1.3 自动气象站

黑龙江省在网运行的国家级自动气象站共84部，当前，全省各台站都处于双套站并轨运行状态，一代站以长春气象仪器厂生产的系列产品为主、华创产品为辅，二代站为中国华云技术开发公司生产的系列产品。

据统计，自动气象站运行过程中发生故障的类别有传感器故障、供电系统故障、软件和业务终端设备故障、采集器故障和通讯传输设备故障等[8-10]。

全省各部自动站的到报率均接近100%，业务可用性在每年5月和6月最低，这是由于汛期前自动站年度现场标定工作中因工作需要对被检定自动站断电，从而产生了错误数据，以及传感器更换过程中环境改变，导致一定时间段的数据发生较大变化，并且各类要素数据回归到真实数据需要一定的时间。另外，地温传感器故障和线路调整也是造成数据错误的常见原因。同时，在新软件的应用过程中，软件不太稳定以及台站观测人员操作不熟练也会造成部分台站要素缺测和部分要素数据跳变[11-13]。

线缆损坏和地温传感器故障也是常见故障，台站线缆已经在2015年更换为铠装电缆，问题得到一定程度的解决。现已对各观测站配备了足够的备份地温传感器，故障出现时能及时更换。

2套站并轨运行时，数据中心会收到2份报文，一代站有时候传输快先入库，二代站报文无法覆盖一代站报文，还是会造成能见度、固态降水等要素的缺测。台站计算机和数据中心授时时间不一致时，会导致数据延迟传输。二代站发生故障未及时切换到一代站，观测员没有用一代站数据订正，会造成全要素缺测；在及时切换到一代站的情况下，因一代站没有能见度、固态降水等要素，会造成这些要素缺测。此外，采集器故障也会导致报文内容为空。

1.4 土壤水分自动观测站

土壤水分站运行过程中发生故障的类别有传感器故障、数据采集器故障、供电单元故障、气象专网通讯传输模块故障和GPRS模块故障[14]。台站使用宏电模块进行无线通讯，部分台站所处地无线信号差、信号不稳定，均会造成数据时有时无。

1.5 闪电定位仪

在闪电定位仪运行过程中发生的故障类型有，电子盒故障、信号线破损、接收器故障、AC/DC转换器故障、UPS故障和通讯设备故障等[15-16]。

在实际工作中发现，国家级ASOM与省级ASOM的结果不一致的情况时有出现，个别台站有时国家级监控平台有数据，但省级平台无数据。数据传输存在较大问题，外网通信故障比较多，影响数据上传。设备从2006年启用至今，部分台站出现设备芯片老化现象，导致一些台站出现通讯设备故障。进入冬季后，我省北部林区夜晚气温极低，经常导致一些台站设备运行异常。

2 气象观测设备运行保障建议

全省新一代天气雷达站建站时间分布跨度大，问题主要体现在部分台站的设备老化和新建台站的设备磨合方面。部分台站已运行10年以上，雷达主机设备开始显现老化状态。按国家局相关主管部门要求，现已开始对雷达数据质量进行控制。

部分自动站备件没有专人负责保管，不能及时将损坏的备件交付省数据中心更换，在这方面需要加强管理。

土壤水分站多数蓄电池使用时间超过5年，有些电池不能正常工作，导致仪器停运，需要更换。仪器存在人为毁坏现象，需要台站人员细致细心，同时应定期巡查。设备采用太阳能供电，黑龙江省冬季降雪时长量大，积雪常将太阳能板覆盖，不能保证设备供电，会影响台站的正常运行，所以，需要台站人员加强巡检巡查，及时清理积雪。另外，长时间阴雨天气也会导致太阳能板产生的电能不足，影响设备运行。黑龙江省按照业务规范和工作实际情况制定了全省闪电定位仪巡检规范，每年对全省闪电定位仪进行巡检，为提高闪电定位仪的稳定性和可靠性，及时排除故障隐患，提供了有力保障。

黑龙江省纬度高，冬季温度极低，这对设备的耐寒性提出了严峻的挑战，需要厂家在仪器耐低温方面有所改进，以便适应黑龙江省高寒的天气情况。另外，要加大台站备件储备，省级保障人员可通过远程指导方式解决故障问题，这是高效快速的方法。同时，要加强台站人员在维护和操作方面的培训，进一步加强日常巡查、维护工作，从而提高设备保障能力。