區域自動氣象站故障預測方法的研究

程永明　張卉　江淵　薛博

摘 要：區域自動氣象站是現代氣象業務中重要的數據采集設備，因此，對它的維護尤為重視?？偨Y日常區域站的維護，介紹了區域站的常見故障，分析了各種故障發生的時間和頻率。為了更好地提前判斷可能性故障，利用GIS強大的空間分析功能和可視化特點，根據天氣實況和預報情況對其進行空間分析，提前發現因天氣等外部環境可能引起故障的站點，解決了常規區域站故障維修的滯后性，提前消除故障隱患，變被動為主動，最大限度地減少了自動站觀測數據缺測、異常的情況，提高了資料傳輸的及時率和完整性。

關鍵詞：GIS；區域自動氣象站；電池故障 ；數據采集設備

中圖分類號：P414.8+9 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）04-0138-03

隨著氣象業務的不斷發展，氣象區域站已成為氣象數據采集的重要來源之一，對天氣實況資料的統計起著重要的作用。區域自動氣象站是氣象部門進行業務科研、氣象服務的重要基礎，它有著站點較多、分布面廣、數據傳輸復雜、無人值守等特點。這些特點導致其故障率較高，給維護增加了難度，從而影響業務質量。發現故障再解決必然對資料的完整性和傳輸的及時率造成影響，因此，對氣象區域站進行故障預測分析，將GIS技術應用于故障預測中是非常有意義的。GIS技術的快速發展，氣象行業也逐步將GIS應用于各項氣象工作中，比如，廣泛使用的MICAPS正是在GIS的基礎上開發而來的，充分體現了GIS技術的實用性和可行性。依托GIS特有的空間分析功能提前發現可能出現故障的站點，這對于區域站維護工作有著極大的輔助作用，也對保證區域站傳輸資料的完整性和提高傳輸效率有著重要的意義。

1 區域站常見故障分析

區域自動氣象站大部分都安裝于野外，所處環境惡劣，網絡信號不是很好，因此設備經常因為通信、天氣等問題發生故障，造成資料短缺等不良后果。尤其北方冬天日照時間短，溫度較低，直接影響到了電池的使用時間。以往的維修經驗表明，長治市區域站故障主要以下三類故障。

1.1 設備供電系統故障

區域站野外作業的特點決定其供電方式為太陽能和蓄電池兩種。對于市電供電而言，這兩種供電方式穩定性差，對外界環境及其天氣變化依賴性較強，且電池的使用時間有限，所以出現故障的頻率較高。

供電系統發生故障的原因主要有：太陽能板故障導致不能及時給電池充電，主板的供電模塊故障導致不能給電池充電，電池本身出現故障，供電系統線路故障。

1.2 網絡通信軟故障

目前，長治市所有區域氣象自動站均采用移動、聯通網絡進行傳輸資料，由于移動和聯通網絡信號覆蓋范圍有限，加上部分地區有其他通信波段影響信號，所以由于通信不暢導致的資料短缺也時有發生。

1.3 區域站備件故障

相對于供電和網絡故障而言，區域站備件發生故障的概率較低。

1.4 故障狀況分析

結合長治各縣市的故障類型對氣象區域站的維護提供一些參考，以下是長治市各縣市2012年區域站維修維護情況表。

由表1可以得知，2012年長治市共維護區域站101次，其中，網絡故障率占35%，供電故障率占62%，備件故障率占3%.從表2可以看出，供電故障在全年四個季節中均為發生率最高的故障，且夏季和冬季為供電故障的高發期。網絡故障率雖較高，但由于區域站所適用的網絡通信設備均為第三方技術，不易處理，因此，本文主要研究如何提前預防供電系統發生故障，消除故障隱患，做到防患于未然，有效地解決并預防供電故障，有力地減少區域站的故障率，對提高區域站傳輸資料的完整性和傳輸及時率有著重要的意義。

2 區域站供電系統存在的故障隱患

供電系統是維持區域站工作的動力之源，供電系統的正常運行是確保區域站正常工作的前提，也是區域站發生故障時首要排查的一項工作。區域站的供電系統主要由太陽能板和蓄電池兩部分組成，因此，確保太陽能板和蓄電池正常運行，便可以消除供電系統存在的故障隱患。

2.1 建立電池使用情況數據庫

任何型號、品牌的電池都會有使用壽命。長治市區域站的電池由于安裝時間不統一，使得目前使用的電池新舊不一，部分電池已經存在故障隱患。為了更好地排除電池存在的故障隱患，應對各個區域站的電池使用情況作詳細統計，建立電池使用情況數據庫，從而實現可隨時查看各個站點的電池使用情況，摸清哪些電池容易出問題、哪些需要更換等具體情況。

在區域站維護工作中發現，電池同時出現故障的站點往往是同一時間安裝或同一時間更換過電池的區域站，因為電池使用時間越久，故障率越高。比如，在2012年的維護工作中，一周內突然出現較大面積站點的電池故障，經過檢索電池數據庫發現，出現電池故障的這些站點均為4年前安裝的區域站，已超過了保質期。為了消除電池故障的隱患，用萬用表測量了同一批安裝的區域站電池，發現70%以上的電池電壓均不到6 V，而區域站正常工作要求的電壓至少在6.5 V以上。因此，建立各個區域站電池使用情況數據庫可更方便地檢索出哪些站點將有故障隱患，提前更換電池或給原有電池充電，防止出現因電池問題導致的區域站故障。

2.2 天氣現象對區域站供電系統的影響

一般情況，區域站均安裝于野外，受天氣等外界環境影響較大。在區域站的日常維護維修中發現有兩種影響區域站電池正常工作的因素。

2.2.1 季節性氣候影響

電池容量和溫度有著密切的關系，相同的電池在不同的溫度下有效使用時間也不同。表3是電池容量和溫度的具體關系表。

從表3可以看出，夏季的溫度較高，電池有效使用率較高；冬季溫度較低，電池有效使用率也較低。結合表2的實際維修情況可得出，夏季雖然電池有效使用率較高，但對于北方地區而言，夏季正好為一年中的雨季，陰雨天氣較多，直接影響太陽能供電，所以夏季也是供電故障率較高的季節。北方冬季較冷，極低的氣溫直接影響區域站蓄電池的使用時長，所以根據表3電池容量與溫度的關系可得出，冬季為區域站電池故障的高發期；同時，表2季節性區域站故障率也說明了北方夏季和冬季均為區域站供電故障的高發期。endprint

2.2.2 具體天氣影響

太陽能供電能否正常運行，首先取決于日照情況，所以，天氣情況直接影響太陽能工作，充足的日照可保證區域站電池能有效得到太陽能的充電；反之，日照條件不足，則會影響區域站電池的充電，從而影響區域站的正常供電。就長治地區而言，大霧天氣、陰雨天氣和降雪天氣都會影響日照時間，從而影響區域站太陽能供電。

2.2.2.1 大霧天氣對區域站太陽能供電的影響

大霧天氣由于能見度較差，導致日照條件不足，影響太陽能板工作，所以大霧天氣會導致太陽能不能正常工作。

2.2.2.2 陰雨天氣對區域站太陽能供電的影響

連續陰天或連續陰雨天氣均對太陽能供電的正常工作造成了很大影響，甚至完全不能進行太陽能供電，而區域站安裝的蓄電池使用時間有限，如果得不到及時充電，則很難保證區域站的正常運行。所以根據蓄電池的使用時間，超過最長使用時間后再得不到太陽能的充電補給，就會因供電電壓不足造成區域站故障。

2.2.2.3 降雪天氣對區域站太陽能供電的影響

降雪天氣對區域站太陽能供電的影響可以被納入陰雨天氣的影響，唯一不同的就是陰雨天氣過后就可恢復太陽能的正常供電，而降雪則要考慮降雪深度和降雪后的天氣情況。由于降雪后太陽能板被雪覆蓋，太陽能供電受到影響。所以，要結合實際的天氣情況，分析太陽能的工作情況。如果降雪后天氣晴朗，溫度可達到融雪溫度，則不影響太陽能供電；如果達不到融雪溫度，或繼續陰天則會影響太陽能供電。

2.2.2.4 克服天氣影響的有效方法

結合天氣情況對區域氣象站影響可以分析得出，如何在天氣情況不利于太陽能正常工作時盡量延長蓄電池的使用時間，如何在短時間內找到故障原因或排除發生故障的隱患，則是減輕區域站受天氣影響程度的有效途徑。通過GIS特有的空間分析及地理信息可視化功能，可快速地判斷出因天氣原因可能出現故障的區域站，可提前有效地消除故障隱患，有利于提高了區域站的工作效率和資料傳輸的及時率和完整性。

3 用GIS手段分析天氣對區域站供電影響

GIS有強大的空間分析功能，利用GIS空間可以對一些數據進行疊加分析。氣象系統已將GIS技術應用于氣象服務中，比如利用GIS技術制作天氣預報圖、天氣實況圖等。將現有的天氣預報圖和天氣實況圖作為數據源，結合影響區域站供電工作的故障權重值進行疊加分析，從而判斷可能出現故障的區域站點。

區域站供電工作的故障權重可通過電池有效使用時長來計算，根據華云公司提供的區域站供電信息，一般4要素區域為3 W左右，正常工作電壓為6.5 V，通過公式P=UI，可計算出額定電流為0.46 A，四要素區域站均安裝有3塊電池，每塊電池的額定容量為10 Ah，所以電池在理想情況下可持續使用65.2 h，不到3 d時間。所以，在利用ARCGIS進行空間分析時，所使用的故障權重就是區域站電池的有效工作時長。

以長治市夏季陰雨天氣為例進行分析，首先通過ARCGIS軟件進行建模，將各區域站站點信息經過投影顯示于地圖中，再對其進行疊加分析判斷。

利用ARCGIS的空間分析技術，可快速地分析出可能出現供電故障的區域站，在一定程度上克服了常規區域站故障維修的滯后性，變被動為主動，提前為可能出現故障的站點進行充電補給，可有效地避免因電池問題造成區域站故障，保證了區域站資料傳輸的及時性和完整性。

4 結束語

利用GIS空間分析功能排查區域站電池故障是一種可行而有效的方法，但ARCGIS這個平臺，在數據的更新方面還存在很大缺陷，特別是對天氣情況對區域站電池的影響只作了有限的分析，如果要對不同數據和不同需求作更有價值的分析，則需要基于GIS的組件式進行二次開發。這樣就可以根據用戶不同的要求將多種分析功能集成到一個系統中，便于進行更為科學合理的比較分析。

參考文獻

[1]姜冬梅，薛亮美.區域氣象觀測站常見故障分析及解決辦法[J].山東氣象，2010年（1）.

[2]王大鵬，金巖.區域自動氣象站常見故障及對策[J].內蒙古科技與經濟，2011（20）.

[3]劉根強.四要素區域自動氣象站的維護[J].北京農業，2011（33）.

作者簡介：程永明（1984—），男，昆明理工大學碩士研究生，現就職于山西省長治市氣象局。

〔編輯：陳文強〕

Abstract： Regional AWS is important modern meteorological service data acquisition devices， so particular attention to its maintenance. Summarizes the daily maintenance of regional stations， introduced the common faults regional stations， and analyzes the time and frequency of various faults. In order to better determine in advance the possibility of failure， the use of powerful GIS spatial analysis and visualization features， its spatial analysis based on live weather conditions and forecasts， early discovery due to weather and other external environment may cause a malfunction of the site， to solve the general area lag fault repair station in advance to eliminate hidden faults， change from passive to active， to minimize the lack of observational data measured automatically stop abnormal situation， improve the timeliness and completeness of data transmission rate.

Key words： GIS； zone automatic weather stations； battery failure； data acquisition devicesendprint

2.2.2 具體天氣影響

太陽能供電能否正常運行，首先取決于日照情況，所以，天氣情況直接影響太陽能工作，充足的日照可保證區域站電池能有效得到太陽能的充電；反之，日照條件不足，則會影響區域站電池的充電，從而影響區域站的正常供電。就長治地區而言，大霧天氣、陰雨天氣和降雪天氣都會影響日照時間，從而影響區域站太陽能供電。

2.2.2.1 大霧天氣對區域站太陽能供電的影響

大霧天氣由于能見度較差，導致日照條件不足，影響太陽能板工作，所以大霧天氣會導致太陽能不能正常工作。

2.2.2.2 陰雨天氣對區域站太陽能供電的影響

連續陰天或連續陰雨天氣均對太陽能供電的正常工作造成了很大影響，甚至完全不能進行太陽能供電，而區域站安裝的蓄電池使用時間有限，如果得不到及時充電，則很難保證區域站的正常運行。所以根據蓄電池的使用時間，超過最長使用時間后再得不到太陽能的充電補給，就會因供電電壓不足造成區域站故障。

2.2.2.3 降雪天氣對區域站太陽能供電的影響

降雪天氣對區域站太陽能供電的影響可以被納入陰雨天氣的影響，唯一不同的就是陰雨天氣過后就可恢復太陽能的正常供電，而降雪則要考慮降雪深度和降雪后的天氣情況。由于降雪后太陽能板被雪覆蓋，太陽能供電受到影響。所以，要結合實際的天氣情況，分析太陽能的工作情況。如果降雪后天氣晴朗，溫度可達到融雪溫度，則不影響太陽能供電；如果達不到融雪溫度，或繼續陰天則會影響太陽能供電。

2.2.2.4 克服天氣影響的有效方法

結合天氣情況對區域氣象站影響可以分析得出，如何在天氣情況不利于太陽能正常工作時盡量延長蓄電池的使用時間，如何在短時間內找到故障原因或排除發生故障的隱患，則是減輕區域站受天氣影響程度的有效途徑。通過GIS特有的空間分析及地理信息可視化功能，可快速地判斷出因天氣原因可能出現故障的區域站，可提前有效地消除故障隱患，有利于提高了區域站的工作效率和資料傳輸的及時率和完整性。

3 用GIS手段分析天氣對區域站供電影響

GIS有強大的空間分析功能，利用GIS空間可以對一些數據進行疊加分析。氣象系統已將GIS技術應用于氣象服務中，比如利用GIS技術制作天氣預報圖、天氣實況圖等。將現有的天氣預報圖和天氣實況圖作為數據源，結合影響區域站供電工作的故障權重值進行疊加分析，從而判斷可能出現故障的區域站點。

區域站供電工作的故障權重可通過電池有效使用時長來計算，根據華云公司提供的區域站供電信息，一般4要素區域為3 W左右，正常工作電壓為6.5 V，通過公式P=UI，可計算出額定電流為0.46 A，四要素區域站均安裝有3塊電池，每塊電池的額定容量為10 Ah，所以電池在理想情況下可持續使用65.2 h，不到3 d時間。所以，在利用ARCGIS進行空間分析時，所使用的故障權重就是區域站電池的有效工作時長。

以長治市夏季陰雨天氣為例進行分析，首先通過ARCGIS軟件進行建模，將各區域站站點信息經過投影顯示于地圖中，再對其進行疊加分析判斷。

利用ARCGIS的空間分析技術，可快速地分析出可能出現供電故障的區域站，在一定程度上克服了常規區域站故障維修的滯后性，變被動為主動，提前為可能出現故障的站點進行充電補給，可有效地避免因電池問題造成區域站故障，保證了區域站資料傳輸的及時性和完整性。

4 結束語

利用GIS空間分析功能排查區域站電池故障是一種可行而有效的方法，但ARCGIS這個平臺，在數據的更新方面還存在很大缺陷，特別是對天氣情況對區域站電池的影響只作了有限的分析，如果要對不同數據和不同需求作更有價值的分析，則需要基于GIS的組件式進行二次開發。這樣就可以根據用戶不同的要求將多種分析功能集成到一個系統中，便于進行更為科學合理的比較分析。

參考文獻

[1]姜冬梅，薛亮美.區域氣象觀測站常見故障分析及解決辦法[J].山東氣象，2010年（1）.

[2]王大鵬，金巖.區域自動氣象站常見故障及對策[J].內蒙古科技與經濟，2011（20）.

[3]劉根強.四要素區域自動氣象站的維護[J].北京農業，2011（33）.

作者簡介：程永明（1984—），男，昆明理工大學碩士研究生，現就職于山西省長治市氣象局。

〔編輯：陳文強〕

Abstract： Regional AWS is important modern meteorological service data acquisition devices， so particular attention to its maintenance. Summarizes the daily maintenance of regional stations， introduced the common faults regional stations， and analyzes the time and frequency of various faults. In order to better determine in advance the possibility of failure， the use of powerful GIS spatial analysis and visualization features， its spatial analysis based on live weather conditions and forecasts， early discovery due to weather and other external environment may cause a malfunction of the site， to solve the general area lag fault repair station in advance to eliminate hidden faults， change from passive to active， to minimize the lack of observational data measured automatically stop abnormal situation， improve the timeliness and completeness of data transmission rate.

Key words： GIS； zone automatic weather stations； battery failure； data acquisition devicesendprint

2.2.2 具體天氣影響

太陽能供電能否正常運行，首先取決于日照情況，所以，天氣情況直接影響太陽能工作，充足的日照可保證區域站電池能有效得到太陽能的充電；反之，日照條件不足，則會影響區域站電池的充電，從而影響區域站的正常供電。就長治地區而言，大霧天氣、陰雨天氣和降雪天氣都會影響日照時間，從而影響區域站太陽能供電。

2.2.2.1 大霧天氣對區域站太陽能供電的影響

大霧天氣由于能見度較差，導致日照條件不足，影響太陽能板工作，所以大霧天氣會導致太陽能不能正常工作。

2.2.2.2 陰雨天氣對區域站太陽能供電的影響

連續陰天或連續陰雨天氣均對太陽能供電的正常工作造成了很大影響，甚至完全不能進行太陽能供電，而區域站安裝的蓄電池使用時間有限，如果得不到及時充電，則很難保證區域站的正常運行。所以根據蓄電池的使用時間，超過最長使用時間后再得不到太陽能的充電補給，就會因供電電壓不足造成區域站故障。

2.2.2.3 降雪天氣對區域站太陽能供電的影響

降雪天氣對區域站太陽能供電的影響可以被納入陰雨天氣的影響，唯一不同的就是陰雨天氣過后就可恢復太陽能的正常供電，而降雪則要考慮降雪深度和降雪后的天氣情況。由于降雪后太陽能板被雪覆蓋，太陽能供電受到影響。所以，要結合實際的天氣情況，分析太陽能的工作情況。如果降雪后天氣晴朗，溫度可達到融雪溫度，則不影響太陽能供電；如果達不到融雪溫度，或繼續陰天則會影響太陽能供電。

2.2.2.4 克服天氣影響的有效方法

結合天氣情況對區域氣象站影響可以分析得出，如何在天氣情況不利于太陽能正常工作時盡量延長蓄電池的使用時間，如何在短時間內找到故障原因或排除發生故障的隱患，則是減輕區域站受天氣影響程度的有效途徑。通過GIS特有的空間分析及地理信息可視化功能，可快速地判斷出因天氣原因可能出現故障的區域站，可提前有效地消除故障隱患，有利于提高了區域站的工作效率和資料傳輸的及時率和完整性。

3 用GIS手段分析天氣對區域站供電影響

GIS有強大的空間分析功能，利用GIS空間可以對一些數據進行疊加分析。氣象系統已將GIS技術應用于氣象服務中，比如利用GIS技術制作天氣預報圖、天氣實況圖等。將現有的天氣預報圖和天氣實況圖作為數據源，結合影響區域站供電工作的故障權重值進行疊加分析，從而判斷可能出現故障的區域站點。

區域站供電工作的故障權重可通過電池有效使用時長來計算，根據華云公司提供的區域站供電信息，一般4要素區域為3 W左右，正常工作電壓為6.5 V，通過公式P=UI，可計算出額定電流為0.46 A，四要素區域站均安裝有3塊電池，每塊電池的額定容量為10 Ah，所以電池在理想情況下可持續使用65.2 h，不到3 d時間。所以，在利用ARCGIS進行空間分析時，所使用的故障權重就是區域站電池的有效工作時長。

以長治市夏季陰雨天氣為例進行分析，首先通過ARCGIS軟件進行建模，將各區域站站點信息經過投影顯示于地圖中，再對其進行疊加分析判斷。

利用ARCGIS的空間分析技術，可快速地分析出可能出現供電故障的區域站，在一定程度上克服了常規區域站故障維修的滯后性，變被動為主動，提前為可能出現故障的站點進行充電補給，可有效地避免因電池問題造成區域站故障，保證了區域站資料傳輸的及時性和完整性。

4 結束語

利用GIS空間分析功能排查區域站電池故障是一種可行而有效的方法，但ARCGIS這個平臺，在數據的更新方面還存在很大缺陷，特別是對天氣情況對區域站電池的影響只作了有限的分析，如果要對不同數據和不同需求作更有價值的分析，則需要基于GIS的組件式進行二次開發。這樣就可以根據用戶不同的要求將多種分析功能集成到一個系統中，便于進行更為科學合理的比較分析。

參考文獻

[1]姜冬梅，薛亮美.區域氣象觀測站常見故障分析及解決辦法[J].山東氣象，2010年（1）.

[2]王大鵬，金巖.區域自動氣象站常見故障及對策[J].內蒙古科技與經濟，2011（20）.

[3]劉根強.四要素區域自動氣象站的維護[J].北京農業，2011（33）.

作者簡介：程永明（1984—），男，昆明理工大學碩士研究生，現就職于山西省長治市氣象局。

〔編輯：陳文強〕

Abstract： Regional AWS is important modern meteorological service data acquisition devices， so particular attention to its maintenance. Summarizes the daily maintenance of regional stations， introduced the common faults regional stations， and analyzes the time and frequency of various faults. In order to better determine in advance the possibility of failure， the use of powerful GIS spatial analysis and visualization features， its spatial analysis based on live weather conditions and forecasts， early discovery due to weather and other external environment may cause a malfunction of the site， to solve the general area lag fault repair station in advance to eliminate hidden faults， change from passive to active， to minimize the lack of observational data measured automatically stop abnormal situation， improve the timeliness and completeness of data transmission rate.

Key words： GIS； zone automatic weather stations； battery failure； data acquisition devicesendprint