国家地面气象观测站运行监控与技术支持系统设计与实现

左湘文，张 磊，薛筝筝，徐 峰，刘青松

(1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，银川 750002；2.宁夏气象防灾减灾重点实验室，银川750002；3.宁夏大气探测技术保障中心，银川 750006)

0 引言

国家级地面气象观测站是地面气象观测站网的主体，观测要素有温度、湿度、气压、雨量、风速、风向、地温、能见度、日照、蒸发和降水现象等[1]。为气象预报、气象灾害预警、气候预测等气象服务提供了及时、准确、全面的地面气象观测数据。随着全国气象部门业务体制改革的深入，对国家级地面气象观测站的稳定、高效运行提出了更高要求。为了满足这一需求，文章设计开发了一套智能化程度高，稳定可靠的国家地面气象观测站运行监控与技术支持系统。文章以实现国家级地面气象观测站观测数据、设备运行状态的获取，以及监控、设备维修流程的管理和设备维修远程技术支持为目标，希望能够促进国家级地面气象观测站维修保障效率的提升，促进国家级地面气象观测站稳定运行。

1 系统结构设计

1.1 系统功能概述

国家级地面气象观测站可分为硬件和软件两部分：硬件分为自动气象站和供电线路；软件主要指的是收集气象数据并编发报文的地面气象观测业务软件[2，3](简称ISOS软件)。除此之外，ISOS软件还可收集部分自动气象站设备的运行状态数据，如主采集器、降水现象仪工作状态和供电电压等。通过研究开发，实现利用带有短信传输功能的电力监测模块获取供电监测数据；通过在ISOS软件部署数据采集软件的方法获取自动气象站运行状态数据；通过宁夏气象信息综合数据获取实时和整点观测数据。分析当前国家级地面气象观测站维修保障业务流程，得出合理的维修业务流程图，实现维修过程记录管理。建立国家级地面气象观测站运行监控与技术支持系统Web接口，微信小程序客户端和运行状态采集软件，实现对国家级地面气象观测站实时监控、报警分析提示、国家级地面观测站观测数据和报警部件的三维展示，以及维修过程管理、系统数据的载入、转储、恢复和数据系统字典的维护功能等。

1.2 系统分层结构设计

国家地面气象观测站运行监控与技术支持系统结构分为3层：数据层、服务接口层和表示层。第1层是数据层，该层为系统提供基础数据访问和二次加工数据的存储底层服务，是系统的基础。数据层的基数据主要有：结构化数据—台站信息、台站实时(5 min)、整点观测数据、自动气象站状态数据、自动气象站供电系统监测数据，这些数据系统存储在数据库中，非结构化数据存储以文件的形式存储在文件管理系统中；第2层是服务接口层，该层起到“承上启下”作用，既为表示层提供接口化服务，也是数据层的直接使用者。服务接口层主要进行数据采集、发送、数据格式化、数据判断分析和数据调度等工作；第3层是表示层，该层通过调用服务接口层的服务，经过本层处理，实现与业务人员的交互。该层需完成的任务有：运行监控信息数据图形化显示、故障报警、维修管理、运行评估和技术支持等。

2 系统功能及特点

2.1 系统功能布局

根据业务工作需求，同时充分考虑功能完整性和使用性[4]，将系统分为B/S结构的Web服务接口、实现维修流程管理和技术支持的微信小程序客户端和C/S结构的运行状态采集软件。

2.2 系统功能介绍

2.2.1 Web服务接口功能介绍

1)运行监控功能。该模块实现了对国家级地面气象观测站的综合硬件控制器运行状态、采集器运行状态、能见度仪运行状态等6种状态和风向、风速、气压等27项观测数据的图形化实时监控；以微信的方式实现了报警的提醒和推送，也可通过3D实时展示定位并展示报警部件[5，6]。

2)运行评估。当用户发起统计请求时，系统从维护维修信息、报警产品中提取统计需要的关键数据，并根据计算要求进行格式处理。根据所计算的内容提取公式，将提取的关键数据带入公式进行计算，得出计算结果，若结果异常则抛出异常提醒。最后整理计算结果，存入数据库，并生成报表。

3)系统管理。实现国家级台站网站后台管理。在用户权限模型方面，将用户分为2类角色，即系统级角色和数据级角色。系统级角色维度分为管理员和功能用户。遵循扁平化原则，在数据级维度分为区、市两级用户。

2.2.2 运行状态采集软件功能介绍

1)供电与网络环境监控。该软件通过AT指令集实现了与供电线路参数监视器的通信。每10 min采集1次市电电压。每1 min采集1次网络ping值，并上传系统服务器。

2)获取ISOS软件和部分自动气象站运行状态。通过读取ISOS软件运行日志获取软件运行状态。通过自动气象站串口命令集获取采集器、能见度仪、降水现象仪的运行状态和综合硬件控制器状态。考虑到尽量减少ISOS业务计算机的负荷，每5 min获取1次ISOS软件和部分自动气象站运行状态，并上传系统服务器。

2.2.3 微信小程序客户端功能介绍

1)报警信息提醒与维修管理。用户可以通过小程序实时监控国家级自动气象站运行状态和观测数据。在自动气象站出现报警信息时，接收来自运行状态信息发布模块发送的报警信息产品，并向技术保障人员手机通知栏推送提醒信息，用户可以直观地查询到是哪个台站于何时发生了何种报警信息。在进入维修流程后，可通过小程序客户端实现故障单的生成、现场二维码认证、维修记录更新、维修单上报和维修单审核管理功能。

2)在线技术支持。用户可根据系统类型、部件类型检索查询需要的技术文档。还可通过小程序与在远端的技术专家通过文字、图形或音视频进行沟通，实现在线技术支持，需要共享技术文档时，可将该技术文档实时推送给现场维修人员[7，8]。

3 关键技术实现

3.1 设备运行监控产品、运行环境监测产品生成算法

该算法输出数据来自设备运行监控产品要素和故障报警产品要素，输入数据来自自动气象站观测数据、运行状态数据和供电线路监控数据。

算法流程分为3个阶段：1)对采集到的自动气象站观测数据、自动气象站部分状态数据、地面观测系统供电监控数据进行格式处理，使数据转变为可读数据格式，生成自动气象站健康状况监测产品并存储；2)对自动气象站观测数据和地面观测系统供电监控数据进行分析，对布尔型数据进行真假分析，对浮点数数据进行阈值判断滑动窗口平均值比较分析，若分析结果正确则循环执行，若结果错误则产生初始报警信息；3)检查有无检定到期的传感器，检查ASOM系统是否产生报警，若产生报警则进行同步处理。经过相关性检查后输出最终的报警信息并存储。

3.2 维修过程信息化管理实现

通过梳理维修反馈流程，实现了以自动气象站故障报警为驱动，以GPS定位、NFC扫码等技术手段为技术支点的维修信息管理。具体流程为：1)报警推送。当系统产生报警时将报警推送给站点所属单位的维修人员，若未接单则每10 min推送1次，同时记录接单响应时效。2)维修阶段。接单响应之后生成故障信息，现场维修时利用手机NFC扫码功能扫描故障部件二维码完成现场维修验证，每次现场维修后维修人员在现场填写维修记录，同时通过GPS定位技术记录维修地点及维修时效，可记录多次维修过程。3)关闭维修阶段。故障修复后填写故障总结和故障单，并关闭故障，故障单提交至区级技术保障单位进行审核，审核结束后故障流程结束。

4 结束语

国家级地面气象观测站运行监控与技术支持系统开发完成后，在贺兰县气象局投入试运行，县级技术保障人员对系统的各个功能进行了验证。系统在应用中得到了不断完善，系统各个功能模块业务逻辑与实际工作流程相符，能够满足实际业务工作需要，切实促进了国家级地面气象观测站维修保障效率的提升。