基于DZZ4新型自动气象站的故障快速诊断技术分析

2021-04-06李青建龚雪鹏

气象水文海洋仪器 2021年1期

罗红，李青建，龚雪鹏

(1.黔南州气象局，都匀 558000；2.都匀市气象局，都匀 558000；3.毕节市气象局，毕节 551700)

0 引言

随着气象事业的发展，贵州黔南台站已全部完成DZZ4新型自动气象站的安装，DZZ4新型自动气象站采用ISOS软件进行气象要素的数据采集、数据整理和数据传输工作。气象要素数据的传输率和可用性是目前地面测报业务的两项重要考核指标，台站地面观测业务员不仅要熟练地使用ISOS软件，而且能够及时处理气象传感器故障、ISOS软件观测软件故障、因复杂天气产生的各种疑误数据故障，还应具备新型自动气象站故障排除的基本能力。文章根据都匀国家基本观测站的DZZ4新型自动气象站近几年在业务运行中出现的故障实例，通过建立ISOS软件报警参数的相关气象要素阈值，分析、统计台站近30 a(1990-2019年)气候资料，将得出的相关气象要素月极值进行值域、气候学界限值、主要变化范围、内部一直性、时间一直性的质控，从而确立自动气象站采集器直流电压阈值，使用新型站串口命令、实时状态信息等方法，达到快速诊断软件异常、要素缺测、通信采集器故障的目的[1]。

1 ISOS软件功能简介

根据国家气象局业务切换需要，2017-08-31都匀国家观测站观测业务ISOS软件由普通版升级为集成版，普通版ISOS的采集软件SMO、业务软件MOI和通信软件MOIFTP被集成版ISOS软件的SMO软件取代。集成版ISOS软件具有操作灵活、业务主机内存占用小、疑误数据处理时间短等特点，该软件包括实时观测、数据查询、数据处理、设备管理和参数设置等功能模块[2，3]。

集成版ISOS软件集数据采集、整理和传输功能于一体。自动采集DZZ4新型气象站地面观测数据(气压、温度、湿度、雨量、风向风速、日照、蒸发量、能见度、天气现象等要素)；业务应用上具有便捷、高效的特点，可实现疑误数据处理、运行环境监控、观测要素缺测报警、要素质控、灾害性天气预警、设备维护和通信监控等功能；业务传输上可通过消息客户端传输台站buf文件。

2 ISOS软件报警参数的建立

2.1 运行环境监控参数的建立

集成版ISOS软件对实时数据采集的及时率很大程度上取决于业务主机的运行环境，在满足软件运行环境外部硬件配置的要求下，运行环境内部分配也需要设定一个临界阈值，达到业务上实时数据采集的连续性，因此对主机的内、外部运行环境提出了较高的要求。在业务软件主界面参数设置的环境项目下，通过主程序CPU限额、内存限额和硬盘使用量来设置合适的参数以优化业务主机的运行环境，一般主机只安装集成版ISOS软件，建议按照常规电脑运行设置要求即可，将主程序CPU限额设置为60%，内存限额设置为60%，硬盘使用量设置为50%，同时在启用报警和声音报警选项前选择“√”，当出现CPU、内存、硬盘使用率超过限额设置时，集成版ISOS软件会发出报警声音，提醒值班员及时检查电脑运行状态，及时排查报警原因，保障软件正常运行。

2.2 月极值参数的建立

在集成版ISOS软件里设置小时极值参数，用于气象要素的实时监测，在业务软件主界面的参数设置里对小时极值参数进行设置。极值参数数据由都匀台站30 a(1990-2019年)气候数据资料统计分析得出，各气象要素各月(1-12月)极值的录入包括最高值和最低值。

2.3 其他极值参数的建立

在业务软件主界面的参数设置里对其他极值参数进行设置。其他极值参数的数据同样由都匀台站30 a(1990-2019年)气候数据资料的统计分析得出，录入的各极限值是台站30 a的年极值参数。

3 月极值的质控

根据台站30 a气候资料，完成各种参数的设置和录入，再利用各种极值参数对实时观测数据进行质控，保障实时观测数据的准确性和可用性。在业务软件主界面参数设置的质控选项下勾选小时文件项目“格式检查”、“缺测检查”、“界限值检查”、“台站极值检查”、“内部一致性检查”、“时间一致性检查”，同时勾选启用报警中的“声音报警”，当实时监测数据分别超出界限值时，ISOS系统会发出报警声音提醒值班员实时数据是否可用，值班员可根据报警指示分别判别实时监测数据是否存在超阈值、缺测或跳变情况。可根据台站实际需求启用灾害性天气的声音报警提示。

4 采集器直流电压阈值的确立

220 V市电经采集器直流模块转换成低压直流电源为设备供电，采集器电源电压常用命令符PSS，在业务软件主界面维护终端的串口终端中找到新型自动站串口处理项目，输入PSS命令后回车，在端口界面会返回采集器当前的供电主体和电源电压值，根据返回的电源信息，确立正确的采集器供电主体和电压阈值，可以有效、快速地帮助值班员排查故障，尤其对于经验不足的值班员，可以省去盲查时间，不会给数据传输的及时率带来严重的影响。

5 串口命令、实时状态信息的使用

在ISOS终端通过串口命令为主采集器和终端电脑主机之间进行通信，以实现对主采集器各种参数的传递和设置，从主采集器读取各种数据，根据操作命令性质的不同，分为监控操作命令、数据质量控制参数操作命令、观测数据操作命令和报警命令，台站人员可以灵活地使用不同性质的命令，实现对主采集器故障的快速判别，串口命令由命令符和相应参数组成。文章介绍几种常用的串口命令的使用(表1)。

表1 串口命令

6 故障实例分析

地面综合观测业务ISOS软件负责采集和处理气象要素，实时输出和显示观测数据，直接反映整个系统的运行状况。故障的排查顺序首先将软件输出的数据作为故障排查出发点，当出现数据异常报警，依据数据超阈值、缺测、跳变3条路径进行排查；其次在排除软件故障的基础上，再进行硬件故障的排查；最后定位并解决故障，达到快速诊断的目的。

6.1 供电故障快速诊断分析

2020年5月值班员发现ISOS软件观测界面部分观测要素出现缺测，部分观测要素显示正常。首先，可以直接排除观测设备故障，若观测设备出现故障，通常只会引起某一要素缺测，不会同时出现多要素缺测；其次，可以直接排除采集器故障，按照自动气象站安装规则，所有观测要素数据都要进入采集器再传输到电脑ISOS界面，若采集器发生故障通常会导致所有数据缺测，因此可以直接排除；最后，考虑ISOS故障，在维护终端的串口终端下找到“新型自动站串口处理”选项，输入命令“SAMPLES”读取采集器采样数据，串口返回一系列采样数据，经值班员综合分析发现供电采样数据显示为“DC”(“直流”)，立刻在“新型自动站串口处理”下输入命令“PSS”，串口返回“DC 12 V”(“直流12 V”)，而正常阈值应是“AC 14.3 V”(“交流14.3 V”)，由此可知，观测场采集器供电为蓄电池供电且供电电压较低，原因是观测场因电源箱发生跳闸，蓄电池长期供电导致电压较低，当供电电源恢复正常后，ISOS软件观测要素也恢复正常，再次输入命令“SAMPLES”后参数恢复正常。

供电电压略低于正常电压值，采集器供电不足，只能满足部分观测要素的采样是引起本次故障的主要原因。在排查和解决故障的实际操作中，值班员耗时不到10 min，实现了快速诊断和解决故障。

6.2 观测要素故障快速诊断分析

2019年4月值班员发现ISOS软件发出报警，ISOS界面显示当前气温37 ℃，湿度20%RH。经分析，当前正处于4月，室外气温最多不超过23 ℃，气温极值最高值设定在33.5 ℃，则判断采集实时气温因超阈值发出报警，再对比当前10个时次湿球分钟数据的连续性，湿度值处于41%RH～51%RH时，则判断实时采集湿度因发生跳变而报警，值班员删除异常温度、湿度值后，故障仍存在。此时基本可以确定温湿传感器出现了故障。新型自动站温湿要素传感器分别是WUSH-TW100高精度铂电阻温度传感器和DHC2型电容式湿度传感器。温度传感器的检测步骤：采用四线制测温法[4-6]，将传感器1，2线脚和3，4线脚设为同端，1或2线脚与3或4线脚之间设为异端，如图1。使用万用表欧姆档分别测量异端电阻和同端电阻，此时测得同端电阻值为0，则判断温度传感器故障。湿度传感器的检测步骤：DHC2湿度传感器必须供电才能正常工作，检查湿度传感器供电电压为正常值12 V，通过测量湿度信号电压是否在0～1 V，应用公式U=100×V(相对湿度U，信号电压V)检验，此时测得信号电压为0.2 V，计算得出与当前报警输出的湿度值20%RH一致，而实际湿度却在46%RH左右，则可确定湿度传感器故障。更换温湿传感器后，采样要素值恢复正常。