基于电子技术的RAWS公路交通气象观测站维护维修方法

2022-07-07高士禹谢万军张玲徐金强

电子技术与软件工程 2022年6期

高士禹谢万军张玲徐金强

（甘肃省气象信息与技术装备保障中心甘肃省兰州市 730020）

1 引言

近些年，随着国家经济快速发展。人民生活水平的提高，汽车数量相交于20年前有着突飞猛进的增加，然而在庞大的汽车数量面前，同时伴随着的是庞大的交通通事故数量。国家也意识到了问题的严重性，严格驾照考试，对酒驾醉驾严惩不贷，这也使得每年的交通事故数量有了明显的下降，即使这样，汽车引起的交通事故还是所有交通工具中最多的，降低交通事故率，保证人民的生命和财产安全是一件刻不容缓的事情。

在所有公路交通事故中，高速公路是公路交通事故的重灾区。由于城市内公路的车速较慢，重点路段都有交警维持交通秩序，所以恶劣自然环境造成的交通事故相较于高速公路是非常少的。随着气象现代化建设的不断推进，高速公路交通气象观测站点的不断增多，高速公路的交通事故也在不断减少。为保证交通气象站数据的准确性和及时性，对于站点的维护维修就显得尤为重要。

2 RAWS公路交通气象观测站技术说明

甘肃省目前采用的RAWS公路交通气象观测站（以下简称为RAWS交通站）由上海长望公司所生产，RAWS公路交通气象观测站是一种集成采集式的气象站，体积较小，安装便捷，所有设备均在主体钢架之上安装，有两个主机箱，一个采集主机箱，一个供电主机箱。能耗不高，通过太阳能电池板就可以维持其长期运行，采用4G通讯模块进行数据传输。

2.1 部件及主要组成

气象数据采集及接收系统包括：7种传感器、采集器、供电系统、无线传输模块、风杆、传感器支架及机械安装结构件等。

传感器包括：天津天仪生产的EL15-1型风向传感器和EL15-2型风速传感器、PWD22天气现象能见度传感器或DNQ2能见度传感器、CWEE180温湿度传感器、SL3-1雨量传感器或DSC3称重降水传感器、IRS31路面状态传感器、PT100路面温度传感器、PT100路基温度传感器。

RAWS数据采集平台包括：CAMS-MA数据采集器1个、IP65机箱一套、防辐射罩、供电电源一套。

太阳能供电系统包括：太阳能电池板一块、太阳能充电供电控制器、免维护蓄电池一套。

无线传输模块为GPRS无线传输模块，接口类型为RS232，数据传输方式为内嵌TCP/IP Internet协议栈，透明传输。

2.2 数据说明

采集器上有一个存储卡，可以存储至少2年的数据，其中包含分钟数据、小时数据、工作状态数据以及安全报警信息等。

气象要素数据包括：能见度，温度，相对湿度，瞬时风速、风向，分钟内极大风速、风向，2分钟平均风速、风向，10分钟平均风速、风向，降水量，路面温度、路基温度（-10cm），以及路面状况、天气现象等数据集。

观测站工作状态包括：供电状态，蓄电池电压，机箱温度，传感器工作状态信息等。安全报警状态包括：蓄电池电压、机箱温度、机箱门开关状态、传感器工作状态等出现异常或故障等报警信息。各气象要素数据，工作状态及安全报警状态数据均可按照时序变化有序地进行存储和检验，也能够调入缓冲区进行实时读取。

2.3 数据传输

RAWS公路交通气象站，通过现有的4G通讯模块DTU将数据重新编码后以CDMA无线通讯方式传输到中心站中，如果传输多个地址，数据将保存在不同地址的中心站电脑中，中心站数据库自动将数据按照日期编排到所指定的文件夹内，通过检索展现在中心站监控软件中，中心站可以对站点进行远程指令操控。

2.4 数据质量控制

RAWS公路气象观测站从采集器自带程序与中心站程序两个方面对站点的数据进行质量控制。

在各个观测要素的瞬时数据以及分钟数据生成在采集器时，采集器会检查数据是否超出传感器所能观测的正常范围，如果超出正常范围，则将数据认定为错误数据。通过质量控制将错误数据剔除，然后加注特定标记。对通过质量控制的数据进行标识，作为可信数据存储，然后将数据传输到中心站中。

中心站程序的数据质量控制，首先会判断通讯协议检查数据的校验码是否为“9600 N 8 1”，再通过编码过程中数据的打包码与接收码进行判断，最后检查数据的编码格式是否为本中心站匹配的格式。

在检查完数据形式后，则开始针对数据的内容进行质量控制。在中心站接收到采集器发来的数据时，如果数据内容的时间错误是无法进入中心站的数据库中的。如果数据出现中断，中心站同样会生成相应日期的文件夹，里面没有数据文件，当站点短时间内恢复通讯后，系统会自动将缺报的数据传输到相应的文件夹内，如果缺测时间过长，则需要人工将数据补录入中心站内。当中心站收到的连续数据不是平滑曲线时，也会通过质量控制认定数据为错误数据。

3 RAWS交通站维护方法介绍

为保证高速公路气象数据的准确性与稳定性，甘肃省气象局每年都定期对全省交通站进行现场维护。现场维护主要有以下几个方面：自然环境检查、设备外观检查、设备供电检查、采集器检查、设备传感器检查、设备通讯检查等。

交通气象站一般建设于高速公路两侧，对于站点的维护与维修存在一定的危险性，所以本文通过介绍RAWS交通站的维护维修方法，来提高维护维修的效率，保证交通气象站的数据质量，保护维护人员的安全。

3.1 自然环境及设备外观维护

到现场后第一步检查气象站周围环境，清理围栏外及围栏内的杂草以及蜘蛛网，保证站点数据不会因为周围环境产生较大误差。

第二步针对站点设备外观进行检查，检查风杆立柱、无线发射天线、设备箱内外情况、电源线、电缆线这些外观硬件是否发生人为破坏。由于交通站属于无人值守站点，维护级别达不到国家级自动站，所以太阳能电池板以及蓄电池经常被盗，在发现太阳能电池板及蓄电池被盗后，应及时报警，并更换新的备件。

3.2 设备供电维护

在完成站点外观检查合格后，进行设备电力情况，打开机箱门检查太阳能充电控制器是否有电，确定太阳能电池板是否正常工作，打扫太阳能电池板上的异物，保持清洁，使其正常工作。

蓄电池电极处金属如出现氧化则用砂纸将氧化部分清理干净，将蓄电池处于空载状态，使用万用表直流电压20V档测量蓄电池电压，如果发现蓄电池电池电压不足时，则需要更换蓄电池。

检查采集器指示灯是否闪烁，使用万用表直流电压20V档测量采集器电源接口的电压是否大于12V。

检查GPRS无线传输模块电源指示灯是否正常。

3.3 站点数据检查

将采集器关闭，用电脑的串口线链接采集器通讯口，在采集器打开3分钟后，打开电脑串口调试助手，在命令栏输入“DMTD”命令，串口调试助手则不间断返回采集器中以BG为开头，ED为结尾的一组实时数据，如图1所示。

图1

BG为数据的起始段，所有字段均以“,”间隔开，固定字段，包含下列项目：区站号（6位数字）：前面升位，后五位保持不变，现有站点首位加8。新站按000001开始分段配置至799999。预留段900000～999999；服务类型（2位数字）：04交通气象站设备标识位（4位字母）：传感器类型，公路交通气象观测站：RWIS；设备ID（3位数字），区分同一个区站号同类设备；时间（年月日时分秒，共14位）；帧标示（2位数字）：01代表分钟数据，02代表时数据；观测要素变量数（2位数字）：00～99，表示观测要素数量；设备状态变量数（2位数字）：00～99，表示状态数量。

在固定字段之后便是实时数据，在维护的时候主要需要检查的数据有：“ABA为气温，单位为℃，保留一位小数扩大10倍输出；ACA为相对湿度，单位%，整数输出；ADA为瞬时风向，单位°，整数输出；AEA为瞬时风速，单位m/s，保留一位小数扩大10倍输出；AFA为分钟降水，单位mm，保留一位小数扩大10倍输出；APA为路面温度，单位℃，保留一位小数扩大10倍输出；APB为10cm路基温度，单位℃，保留一位小数扩大10倍输出；AMA为1分钟平均水平能见度，单位m，整数输出；APH为路面状况，数据前两位为11表示干燥，12表示潮湿，13表示积水，14表示雪，15表示冰，16表示霜，17表示有融雪剂，00表示状态未知。”上述数据如果为0则表示相应的传感器损坏，下面需要检查各传感器是否正常工作。

3.4 传感器检查维护

在确定各传感器均有数据时则对各传感器进行正常维护。

（1）雨量传感器。站点为SL3-1翻斗式雨量传感器时，则需要清洁雨量桶中的杂物，使其保持通畅，用水清洗雨量桶中双翻斗中的杂物，看传感器底端的水平水泡是否在正中心，在雨量桶中用模拟特定雨量观察电脑是否输出正确的数值，最后将雨量筒恢复原状；站点为DSC3型称重式雨量传感器时，将雨量桶中的杂物全部倒出，加入新的防冻液，用雨量现场核查设备检查称重单元是否正常工作且数据准确。

（2）温湿度传感器。用小刷子将温湿度传感器的保护罩清理干净，不要用手碰触保护罩内的传感器以免损坏传感器，检查传感器内的接线是否有松动或者断路。定期检查电阻是否清洁。利用温湿度现场核查设备在给定特殊温度、湿度情况下，如温湿度传感器误差过大，则更换传感器。

（3）风速、风向传感器。检查传感器上是否有异物，将异物取下以免影响传感器的正常使用，用手转动传感器的风杯，如发现旋转不是缓慢停止，则轴承损坏，需更换轴承。将风向摆放至特定方向，如0°、90°、180°，与电脑中的数据进行比对。模拟特定风速大小，在电脑上进行比对。如风速、风向传感器数据偏差过大，更换传感器。

（4）能见度传感器。使用专用清洁布清洁传感器镜头，安装现场核查遮光板，与电脑中数据进行比对。

（5）路面状态传感器。站点为IRS31埋入式路面状态传感器，传感器上干燥时，电脑中显示数据为11，在传感器上放置湿毛巾，电脑中显示为12，在传感器上加水后，电脑中显示为13，则路面状态传感器正常，如显示数值为0，则旭排除故障。

4 RAWS交通站维修方法介绍

在站点没有数据上传到中心站时，则需要对设备进行故障排除。

4.1 供电系统故障监测

如果采集器指示灯不亮，更换采集器，更换采集器后指示灯还是不亮，则判断为供电故障，检查设备供电情况。用万用表测量太阳能电池板的输出端是否有10-30V之间的电压，如果没有则考虑太阳能电池板的供电线路断路或者电池板损坏。检查太阳能充电控制器输出端是否有12V电压，检查蓄电池输出端12V电压是否正常，逐段排查供电线路是否有出现断路现象，如发现断路及时更换线路保证供电线路的通畅。

4.2 传感器故障

在确保电力通畅后，通过笔记本电脑的串口线连接采集器的终“终端1”口，串口调试助手中会出现实时数据，逐条进行筛查。

风速传感器故障检修：在电脑中的AEA后的数据为0时，转动风杯检查数据是否发生变化，如没有变化，则在判断传感器供电正常；采集器至风横臂接线无断路；风横臂接线盒内线路无虚接且正确接线；传感器航空插头处没有因为过度旋转而导致断路时更换传感器。

风向传感器故障检修：将传感器转动至90°、180°时，检查电脑中的ADA后的数据是否为相应数值，如为0或者257时，则在判断传感器供电正常；采集器至风横臂接线无断路；风横臂接线盒内线路无虚接且正确接线；传感器航空插头处没有因为过度旋转而导致断路时更换传感器。

雨量传感器故障检修：雨量传感器本身不带电，是通过脉冲信号将数据传输到采集器的。用万用表通断档测量雨量传感器干簧管两端，翻动雨量传感器翻斗，如无蜂鸣声，则干簧管损坏，更换干簧管。如线路出现故障，将线路一头短路，用万用表通断档测量，如无蜂鸣声，则线路断路，更换线路。

温湿度传感器故障检修：当改变当前温度及相对湿度值后，电脑中ABA及ACA无变化或者为0时，在判断传感器供电正常后，用万用表直流电压2V档测量采集器湿度接口处的RH+与RH-之间的电压是否在0V至1V之间，根据给定湿度值进行判断传感器湿度部分是否正常。在采集器上的温度端测量温度传感器的通断与电阻是否正常。由于温湿度传感器是一个整体，所以当判断温度或者湿度任意要素出现故障时更换传感器。

路面状态传感器是交通气象站中非常重要的一个传感器，连接组件多，容易出现故障。高速公路经常在路面施工时会破坏路面状态传感器，由于传感器本身带电，所以在路面施工时会出现短路现象，将整个交通气象站毁坏，因此，路面状态传感器通过一个保险管接入气象站，当出现短路时，保险管将保护交通气象站不受损。路面状态传感器并不是像其他传感器一样直接接入采集器，是通过一个RS232/RS485无源转换器接入采集器。上述是路面状态传感器的接入情况。

路面状态传感器故障检修：传感器带电测量，使用万用表通断档测量路面状态传感器连入采集箱内的保险管，如出现蜂鸣声，则保险管正常，说明传感器供电正常。同理测量路面状态传感器连接RS232/RS485无源转换器的信号线路的通断与RS232/RS485无源转换器连接至主采集器的线路通断，如线路正常，则先更换RS232/RS485无源转换器，如路面状态传感器无数据，则更换传感器。

4.3 通讯系统故障及配置

当从电脑上读取的采集器所有信息都是没问题，且中心站还是没有接收到数据，则判断是通讯模块故障。确定通讯模块的供电线路无断路，所更换的新通讯模块是需要与当前站点所匹配的，下面将介绍匹配方法。

通过电脑USB接口连接至RAWS交通站通讯模块的RS232接口处，从电脑中打RAWS交通站所匹配的“多中心DTU参数配置中心”软件，首先通过“配置”选项设置好DTU连接的串口。然后给DTU上电，上电后立刻依次点击“打开串口”，“连接”，等待有密码输入框提示，输入密码“1234”，在软件下面的提示框中提示连接DTU成功后，点“读取”获得DTU中的参数配置。如果要修改某些参数，首先选中选项前面的选择框，然后输入合适的参数，然后点击“配置”按钮。

RAWS交通站通讯模块的DTU一般采用多通道网络通信，DTU每次拨号都将全部2个通道打开，条件是这些通道必须配置有固定IP或域名。当用户发送数据时，将同时向这几个通道发送。

在每个通道设置界面中有以下几项数据：

DNS IP地址为指定域名解释服务器地址。DSC IP地址为数据中心的固定IP地址。DSC域名为数据中心的域名。DSC通讯端口为数据中心的端口。本地通讯端口为DTU的端口。联网方式为与DSC连接的方式，一般选用TCP和UDP方式。因为选择了多通道模式，所以可以填入多个IP地址，将数据发到多个中心站中。

在匹配好站点的通讯IP地址与端口号后，设置站点专用心跳包，DTU每隔一定的时间发送心跳包给数据中心，单位秒，取值范围0～1000，默认40，0表示不发送心跳包，本系统选心跳包长度7，内容为：48 65 61 72 74 0D 0A。

在4G通讯模块DTU设置好后，放入指定的电话卡，将天线连接至良好位置，接好RS232通讯接口及12V电源后，传输模块上的指示灯变为绿色，几秒后，变为红色闪烁，最后后变为绿色。

如果通讯模块指示灯闪烁表示传输模块正常工作，如果站点现场信号不好，通讯模块则会处于搜索网络状态，如果指示灯再次变为红色常亮，则表示通讯再次连接正常。

在通讯模块设置好后，如没有将天线连接好通电，则会损坏通讯模块的信号发射组件。

4.4 维修注意事项

在站点维护维修时，传感器以及采集器上的端子及接口严禁带电拔插。如发现保险管损坏时，不要强行供电，以免设备的损坏。更换采集器或者机箱内其他设备时，应先拍照，在检查更换设备接线无误的情况下再通电。不能将现用保险管更换为大容量的保险管。调整供电线路或者供电设备后，应先用万用表确定正负极无误后接入站点，以免站点部件损坏。带电测量时防止测试探头与相邻的焊点或元件相碰，避免造成新的故障。在更换机箱内线路时，应将线缆线头做整齐，以免线路的触碰导致站点短路。在更换采集器时，如检查原采集器CF卡损坏时，必须将程序写入新CF卡，否则采集器将无法正常使用。在更换路面状态传感器时，必须使用专用工具，以免影响传感器后续维修，在传感器更换好后必须用专用胶密封传感器，一旦密封不严，传感器进水则导致传感器短路和损坏。在更换风向、风速传感器时，必须手抓正确的部位进行更换，否则会造成传感器航空插头因过度旋转而导致线路断路。能见度传感器维护时，一定要使用专用清洁布以免划花镜头。维护称重雨量传感器时，一定要加入防冻液以防冬季无法正确测量雨量数据。在维护维修完成后将掉入机内的螺钉、螺母、导线头、焊锡等，一定要及时清除，避免造成人为故障或留下隐患。