地面气象观测附属设备监控报警系统设计

罗生言，骆艺仁，蒋承志

(防城港市气象局，防城港 538001)

0 引言

随着地面观测自动化改革工作的推进，地面观测站探测系统已不再需要值班员全天候监控值守，观测岗人员逐渐向保障岗转型，无人值守后观测系统的运行监控变成解放人力的阻碍[1]。国家级地面气象观测站观测设备经过国产化换型后系统性能得到了很大提升，近年省级装备保障部门也开发完善了地面观测采集系统的监控系统[2，3]，自动化程度得到了提升。但地面观测更多的故障问题发生在观测系统的附属设施上，附属设施主要负责对采集系统返回数据进行处理转发的计算机、承担计算机与服务器通信任务的路由网络以及保障采集系统稳定供电的后备发电机等，此类设施的可靠性直接影响了地面气象观测采集系统的稳定性[4]；因此，对地面气象观测站附属设施的运行监控是地面观测实现全面自动化的关键环节。

1 系统结构

地面气象观测附属设备监控报警系统(以下简称“系统”)的核心为监控计算机。监控计算机与部分被监控对象间需通过Modbus TCP/IP协议转换模块建立连接，以满足稳定通信和集成兼容的要求，如UPS电源、发电机、各类采集器等，其他对象则通过网络方式直接通信。该设计方法主要是考虑方便未来对系统的扩展和升级，实现更多附属设备的监控[5-8]。

2 监控方法

2.1 计算机状态监控

采集计算机是整个观测系统的核心传输设备，负责将采集系统采集到的数据取回后进行存储和生成报文并发送给服务器，其稳定性与数据的传输率直接关联，系统在采集计算机上内置1个心跳小程序，每分钟向监控主机发送1个心跳数据包，心跳数据包内包含系统盘容量、数据盘容量、内存使用率及CPU使用率等关键参数，系统实时对心跳数据进行综合分析评估及采集计算机性能，当评估值偏差时则发出告警。若监控主机在2个心跳周期内未能收到心跳数据包，则通过PING命令对采集计算机进行网络测试，若网络测试不通过则判断采集计算机宕机，立即发出告警，通知保障人员处理。

2.2 供电监控

利用Modbus TCP/IP通信协议接口的交流电压采集器分别对市电的输入电压Vmain、发电机的输出电压Vback及UPS的输入电压Vin进行定时采样，综合UPS的最低稳定电压及发电机的启动触发阈值两项因素的考虑，将电压判断阈值设为185 V，即当采样电压低于185 V时，则该路电压判断为异常电压。当Vmain异常时判断Vback是否正常，若Vback正常且Vin也正常，则发出市电异常发电机已启动提示；若两路均不正常，则发出市电异常发电机未启动警告；若Vmain和Vback有1路正常但Vin异常，则判断为供电电闸出现故障并发出警告。

2.3 发电机状态监控

通过Modbus TCP/IP协议转换模块与发电机建立通信，定时读取发电机的待机状态参数及运行状态参数，定时查询状态参数分析发电机可能出现的故障，提醒保障人员及时处理排除隐患。发电机储油量则通过超声波探测传感器测量油桶内的油液高度，经过换算可得到油桶的储油量，储油量的油量原理与地面气象观测的蒸发量测量原理相同。

2.4 UPS状态监控

UPS稳压器是观测系统的直接供电设备，其稳定与否将直接影响到观测设备的稳定性，通过Modbus TCP/IP协议转换模块与UPS稳压器主机建立通信，定时读取其工作状态参数，主要包括输出电压、电池容量、供电频率及逆变器告警等，及时将UPS参数的变化情况告知保障人员能提升观测系统的工作稳定性。

2.5 网络监控

在日常网络管理中，利用tracert命令对路由进行定向追踪，可准确有效地判断网络运行情况。通过tracert命令对省局网络网关进行路由追踪，对返回的路由信息进行综合分析。若是通过本地市运营商托管的路由网关到达目标服务器，则说明主光纤网络正常；若是通过无线路由器网关到达目标服务器，则说明主光纤中断，4G备份网线正常，否则说明通向省局的网络发生故障。

3 系统工作流程

系统启动后先加载适配参数，对各硬件模块进行检测和初始化，若初始化过程出现异常将提示用户修改参数或检查硬件设备的工作状态。当系统初始化成功后便启动线程触发定时器，各个线程分别对UPS状态、供电状态、发电机状态、发电机油量、计算机状态及网络状态进行查询、分析和判断，当判断发生告警事件时将按照预设的条件选择告警模式和通知对象并触发告警[9]。

4 系统实现

基于C++语言，利用Visual Studio2012开发工具开发了系统主控软件，系统主要分为主监控处理与显示模块、参数配置模块、人员信息管理模块、短信告警模块、电话告警模块和计算机监控服务模块。

4.1 监控处理与显示

监控处理与显示模块利用网络套接字与各通信协议转换模块建立TCP通信，每一个监控要素设定一个数据采集和分析处理的线程，各个线程通过不同周期的定时器触发启动，每一个监控要素都配置过去和当前两个状态，各个线程把获取到的要素当前数据赋值于当前状态，再将当前状态与过去状态进行比对，当状态发生变化时则将当前状态赋值于过去状态，形成提示信息并触发告警线程，否则直接将当前状态赋值于过去状态。以此方法处理和监控各要素的采集数据方便用户掌握监控目标的工作状态，数据分析处理后形成状态信息显示在消息窗口中，用户可直观监控。

4.2 参数配置

参数配置模块通过文件IO接口将从INI配置文件读取到的参数显示给用户，并将用户修改的参数写入配置文件中，形成人机交互。配置文件可设置各目标采集器的网络参数、告警触发条件参数及计算参数等，所有参数在软件启动时一次性读取用于系统初始化。

4.3 人员信息

人员信息模块利用ADO接口读写本地数据库，将需要通知对象的姓名、电话号码及告警方式等信息记录在数据库中，用户可根据非汛期模式、汛期模式或应急响应模式对人员进行关联，也可独立对每一个通知对象进行设置，达到合理有效的告警效果。

4.4 短信告警

短信告警模块通过MSComm控件编程，与GSM短信模块进行交互，程序将需要发送的短信内容进行宽字节UNICODE码转换后通过串口向模块进行数据写入，模块将信息发送后向系统反馈发送结果，系统根据反馈结果判断是否需要重发，确保告警短信可靠发送。

4.5 电话告警

电话告警模块通过USB通信接口编程实现与电话语音模块通信，在语音告警触发时，系统模块将需要告警的信息通过微软的TTS语音引擎转换成wav语音文件，向告警通知对象拨通电话后随即播放告警语音文件，播放告警语音文件完成后则向用户询问按键反馈，若1次告警未收到按键反馈则循环发出语音告警，直至收到用户按键反馈为止，以达到有效告警的效果。

4.6 计算机监控服务

计算机监控程序是在系统中独立运行的服务程序，该程序每分钟查询1次业务计算机的系统状态，利用GetSystemMemoryInfo和GetDiskFreeSpaceEx等函数读取包括CPU使用率、内存使用率、系统盘剩余容量、数据盘剩余容量及时钟状态等信息，并以心跳包的形式发送到监控主机上，由监控系统进行分析判断并适配告警触发条件。若监控主机超过2 min未收到监控服务程序发送的心跳包，则利用PING命令测试业务主机的网络状态；若PING命令无法响应时则判断为业务主机宕机，当业务主机发生宕机或相关系统状态异常时则发出告警[10]。

5 系统应用情况

系统可运行于WIN7和WIN10环境下，具有兼容性较好、占用系统资源少、稳定可靠等优点，已在防城港市部分地面观测站投入业务试运行，在试用过程中取得了较好的应用效益，尤其是对局站分离的站点，值班人员可根据告警信息合理有效地开展应急处置工作，如安排运送发电机燃油、网络排障等，降低了值班员监控压力和减缓了应急紧张情绪，并为地面气象观测监控工作取得更多的主动权。

6 结束语

利用计算机辅助方法实现地面气象观测系统监控自动化是全面提高地面气象观测质量的重要手段，针对观测系统附属设施的监控应抓住关键监测点，及时准确地反应相关设备的运行状态。文章的设计经过科学验证发现地面观测附属设施较为敏感且具有代表性，结合成熟的远距离通信方式实现监控和报警功能，切实有效地提升了地面气象观测的稳定性。