新型自动气象站故障判断及处理办法

周继先,聂 云,袁 庆,孙啶棚,郎贵英

(1.贵州省铜仁市气象局,贵州 铜仁 554300;2.贵州省思南县气象局,贵州 思南 565100)

0 引言

为全面实现地面气象观测自动化，根据中国气象局统一部署，自2020年4月1日起全国国家级地面气象观测站由原来的每天值班、守班改为有观测任务时值班、守班(除长期保留人工观测任务的台站)，大大减少一线业务人员的工作量，台站业务人员工作重心将转向数据应用、气象服务。当前，全国所有地面气象观测台站已更新为以新型自动气象站(以下简称为新型站)为核心，综合集成硬件控制器为手段的地面气象观测业务体系[1]。新型站一般具备稳定的数据采集、处理、传输能力[2-3]，由于需24 h不间断采集、处理、储存和传输数据，硬件和软件故障也时有发生[4]。因此当前全面提升台站业务人员的技术水平，使台站业务一线人员熟练掌握新型站硬件和软件的使用，具备故障判断及处理故障的能力至关重要。本文结合实际工作中的新型站常见故障，总结故障判断和处理办法，供同行借鉴和参考。

1 故障排除方法

根据新型站的组成结构和工作原理，按照从观测场到室内、从硬件到软件、从采集器到传感器的基本路径，综合分析和判断故障发生的原因。常见故障排除方法有以下3种。

1.1 排除法

根据所发生的故障现象，一步一步追踪查找。对故障现象进行因果分析，一般情况能快速判断故障所发生部位。如：某一气象要素缺测或者异常，大部分为传感器故障，在供电和光纤通讯均为正常的情况下，可直接对传感器进行故障排查。

1.2 测量法

正常的气象传感器可按照一定规律输出信号，气象传感器一般采用电信号输出(电压、电流、电阻、电容及频率)。如线缆中断可用万用表通断档判断，温度传感器输出电阻信号80～120 Ω，湿度传感器输出电压信号0～1 VDC，风速传感器输出频率，风向传感器输出电压，蒸发传感器输出电流。只要选择万用表合适的档位，输出信号均可测量，从而根据测量输出结果判断故障原因及部位。

1.3 替代法

替代法，顾名思义就是用同型号好的备件替换怀疑部件，如故障现象消失，则说明分析判断正确。在实际工作中，通常利用排除法找到怀疑部位，用替代法进行确认。替代法在地温传感器故障判断时利用最多，如15 cm地温传感器数据缺测或者异常，其余地温均正常，采用就近原则，可用10 cm或者20 cm地温线替代15 cm，如果数据恢复正常，可判断15 cm地温传感器故障。

2 故障分类和措施

新型站由软件和硬件两部分组成，软件包括业务软件和嵌入式软件，硬件包括采集器、传感器、外围设备和外部总线。新型站故障最终体现在终端业务计算机数据出现缺测或者异常，故障可分为软件故障和硬件故障。常见故障及排除方法如图1。

图1 常见故障及排除方法

2.1 软件故障

2.1.1 安装 自2017年9月起，中国气象局业务主管部门规定所有国家级地面气象观测站需用集成版ISOS软件。集成版软件实现了分钟BUFR格式文件的自动生成与传输，数据量大、交互频次高，需选用配置较高的计算机。计算机基本配置要求:主频2.4 G及以上，8 G或以上内存，160 G及以上硬盘，安装win7专业版或旗舰版正版系统；与外网物理隔离，建议关闭Windows防火墙、杀毒软件或将软件定义为杀毒软件信任模式[7]。高性能计算机能确保ISOS软件稳定运行，若电脑硬件配置不够，在软件运行过程中可能出现计算机频繁蓝屏、自动重启、死机和软件部分功能无法正常应用等现象，电脑防火墙和杀毒软件可能误杀程序而导致业务软件运行不正常。

2.1.2 数据缺测 当出现全要素数据缺测，一般首先检查ISOS等相关业务软件是否处于活跃状态→通过Ping命令检查网络是否通畅→检查参数设置(波特率、串口号等)，依次按照这个步骤进行下去，在硬件设备正常的情况下，仍无数据，那就需要重装软件，甚至重装系统恢复。

当出现部分数据缺测时，可利用业务软件维护终端中输入命令: SENST XX(SENST××，××为传感器标识符，返回值为1，表示开启，返回值为0，表示关闭)，查看缺测的气象要素传感器是否关闭，若以上设置正确，那就可能是传感器、采集器通等硬件设备故障。

当出现观测成功率不高，主要表现为非连续性的分钟数据缺测。故障原因有以下两种可能：一是计算机与采集器时间不同步；二是计算机与采集器之间的通讯不正常。前者可以通过正确设置计算机网络授时解决，后者需要检查计算机与采集器之间的通信情况。

2.2 硬件故障

由硬件引起的自动站数据异常的故障可分为：电源系统故障、设备故障、计算机及网络故障。

2.2.1 电源系统故障 电源系统故障是最为常见和主要的故障，出现原因有多种，如遭受雷击、线路断(短)路、市电供电异常等等。如遇电源故障，应结合业务软件数据显示和各采集器指示灯状态来初步判断。可利用万用表对电源电压进行检测和测量，具体流程见图2。

图2 常见电源系统故障及排除方法

2.2.2 采集器故障 在供电正常情况下，主采集器RUN指示灯处于正常秒闪状态。如通讯正常的情况下，数据全部缺测，断电后重启主采集器，使用命令采用有线连接或远程的方法进行测试，结合排除法、测量法来判断是否主采集器故障。目前业务运行中主要的分采集器有温湿分采和地温分采，如显示温、湿度均缺测或地温全缺测，首先用万用表检查分采供电是否正常，其次检查分采各指示灯的状态(CANR指示灯绿色常亮，CANE指示灯红色不亮)，若状态不正常，检查CAN线是否连接正确，最后检查是否出现线路断路或短路，温湿分采还需检查120 Ω电阻是否成对使用，若以上所说均为正常，则断电重启，仍不能恢复，应更换采集器。

2.2.3 传感器故障 业务运行中常用七要素为气压、气温、湿度、风向、风速、雨量、地温[7]。所有传感器故障应该首先检查业务软件和采集器的相关参数设置是否正确，在业务软件维护终端输入命令SENST ××(××为传感器标识符，如T0代表气温，返回值为1，表示开启，返回值为0，表示关闭),一般情况下参数不会受影响，只有新装或更换时需要检查，其次再逐一排查线缆、传感器、采集器等方面的故障。由于气温和地温传感器原理一样，这里不再对地温传感器进行单独介绍。

①温度、湿度传感器故障 铂电阻温度传感器是自动站采集系统使用最多的传感器，采集要素包括气温、草温、浅层地温和深层地温。温度传感器采用四线制,用万用表测量同端电阻和异端电阻，计算出温度值，与当前实际温度相比差异较大，说明传感器故障，通过以上逐一排查后，数据仍未恢复，更换温湿度分采集器。湿度传感器主要由湿敏电容和转换电路两部分组成，湿敏电容电容量经外围电路转换后输出电压信号，电压值与湿度值呈线性正比关系，输出电压为0～1 VDC之间，相对湿度在0～100%之间变化，计算公式为RH=U×100%(其中RH为相对湿度，U为输出电压)，用万用表测量检查供电电压是否为12 VDC，然后测量输出电压计算湿度值，与实际值相比较，若相差较大，说明传感器故障，需更换，通过以上逐一排查后，数据仍未恢复，更换温湿度分采集器。具体流程见图3。

图3 温、湿度传感器故障及排除方法

②气压传感器故障 新型站的气压传感器为智能传感器。当出现气压数据缺测或异常时，在确保相关参数设置正确及气压传感器处于开启状态时，如无数据输出，应先检查供电是否正常，其次检查主采集器通道上端子接线有无错接(平常一般不会出现这种情况)。如：DYC1气压传感器是通过传感器附带的一个DB9型插头，其孔“2”必须与主采集器上气压通道中的“R”相连，“3”与“T”相连，“5”与“G”相连，“9”与“+12VDC”相连，用万用表测量是否错接或者短路。若全部正常，则证明气压传感器故障，需更换。

③风向风速传感器故障 在确定各项参数设置正确及传感器处于开启状态下，针对风向风速传感器首先检查供电电压是否为5 VDC。如DZZ4型自动站，在供电正常的情况下，可测量格雷码信号D0～D6的气压值，电压在4.5～5.0 VDC之间为高电平1，在0～0.7 VDC之间为低电平0，转化为二进制，查出此格雷码所对应的方位，通过转动风向，量取各个格雷码是否具有高低电平变化来判断；风速与脉冲频率成一定线性关系，V=0.1F(其中V为风速，单位：m/s；F为脉冲频率,单位：赫兹Hz)，测量频率输出，如无输出或输出不正常，表示传感器故障。

④雨量传感器故障 雨量传感器是所有传感器中最简单的。在确定各项参数设置正确及传感器处于开启状态下，利用万用表检查雨量器两个线缆是否短路，如未短路，翻转计数翻斗，用万用表的通断档测量雨量传感器红、黑接线柱的输出信号，每翻转一次，万用表发出一声短路提示音，未听到短路提示音说明干簧管故障，需更换。按照以上方法对雨量传感器进行排查，数据仍不能回复，说明主采集器雨量计数通道故障，需更换采集器，具体流程如图4所示。

图4 雨量传感器故障及排除方法

2.2.4 通讯故障 通讯故障一般表现为终端业务计算机与自动站无法进行实时通信。目前的新型站主要是采用综合集成硬件控制器接入业务计算机的，因此通讯故障后首先应检查综合集成硬件控制器是否正常。如果硬件控制器正常的情况下，数据仍然不能收发，最为快捷的办法是在计算机终端连续发送命令，查看光纤模块上TX、RX指示灯是否闪烁，若不闪烁，需检查光纤模块线路(必须交叉)、业务软件通信串口配置，若通信仍不正常，则用光纤测试笔检查光纤线路是否完好。此外，光纤通信线共有3对，其中两对为备用，启用备份时注意收发需交叉接。日照仪和降水现象仪也是通过同种方式接入综合集成硬件控制器，如在综合集成硬件控制器正常情况下，出现日照或者降水现象数据缺测或者异常，针对降水现象仪可检查供电系统、传感器和镜头是否被污染等；对于日照仪可依次检查供电系统、传感器和玻璃罩长时间结霜或起雾等。

2.2.5 计算机及网络故障 新型站的业务计算机需24 h开机运行，如果计算机设备老化、操作系统长期不稳定，可能出现故障导致无法形成BRUF数据上传[5-6]。短时不能恢复，应及时启用备份计算机上传BRUF数据，待主机恢复正常后再进行切换。特别注意利用备份计算机上传BRUF数据时，应将BRUF数据全部剪切而不是复制，这样避免修复主机后重复上传BRUF数据。

3 小结

①自动站数据全要素缺测或异常时，可检查相关业务软件是否开启，供电系统、综合集成硬件控制器、观测场到业务机的光纤通讯是否正常。

②部分要素缺测或异常时，首先检查分采集器供电及通讯是否正常，最后才检查相应的传感器。

③某观测要素缺测或异常时，首先检查传感器的通道是否关闭，逐一排查线缆、传感器、采集器等方面的故障。

④电源系统故障作为新型自动站主要故障，出现原因有多种。出现时，应结合业务软件数据显示和各采集器指示灯状态来初步判断。