北京市海淀區新型自動氣象站故障排查分析

王瑩　張瑋　史辰

摘要 以北京市海淀區新型自動氣象站故障排查過程為例，探討優化自動氣象站故障排查方法及后續處理，為新型自動氣象站正常運行、探測數據正常采集傳輸和有效降低自動氣象站故障率提供參考。

關鍵詞 新型自動氣象站；故障排查；排查流程；北京市海淀區

中圖分類號 P415.1+2 文獻標識碼 B 文章編號 1007-5739（2017）13-0207-04

Abstract Taking the troubleshooting process of the new automatic weather station of Haidian District in Beijing City as an example，the approach and subsequent processing of troubleshooting optimization were discussed，in order to provide references for normal operation of the new automatic weather station，normal collection and transmission of detection data，and reducing the failure rate of the automatic weather station.

Key words new automatic weather station；troubleshooting；investigation process；Haidian District of Beijing City

隨著氣象現代化建設的推進，氣象觀測自動化程度已經有了長足的進步，2012年新型自動氣象站在全國范圍得到普及，觀測要素的數量、精度及頻次都得到了極大的提升，但作為新型設備，在新型自動氣象站故障率降低的同時，其故障類型、檢測方法步驟也與以往有所不同[1]。而新型自動氣象站故障的迅速診斷、排查及數據的后續處理是綜合業務的重要組成部分，是每位業務人員都應掌握的技能。盡管各臺站在新型自動氣象站運行保障中已經積累了一定的維修經驗，但臺站的故障排查能力仍有待加強。究其原因，一是臺站業務人員對新型自動氣象站的理論知識掌握不夠；二是臺站人員崗位流動性大，難有固定人員從事保障工作；三是平時業務工作中動手操作機會少，參加過系統性保障培訓的人員不多，發生故障時需要通過聯系探測中心人員尋求遠程指導，導致診斷時間長、排查效率低。這導致新型自動氣象站的保障、維修效率方面的問題日趨突出[2]。

北京海淀屬于國家一般氣象站，現有2套自動氣象站設備，分別是華云生產的DZZ5新型自動氣象站（業務站）和CAWS600自動氣象站（備份站），轄區內設有15個區域自動站和1個GNSS（global navigation satellite systems）/MET水汽站。本文根據新型自動氣象站ISOS軟件中全部數據缺測、部分數據缺測和單個要素數據缺測3種情況，介紹海淀新型自動站故障的診斷、排查及有關數據處理的過程，并歸納出DZZ5新型自動氣象站運行過程中出現故障排查思路及建議，以供氣象工作人員實踐中參考[2]。

1 全部數據缺測故障排查過程

1.1 故障現象

2016年10月5日9：16，值班室觀測業務電腦SMO軟件連續報警，發現數據全部缺測，立即開展故障排查，避免影響整點報文。

1.2 排查過程和思路

遇到數據缺測時，應保持冷靜，遵循就近原則，先迅速排查室內，室內排查完畢，形成大致方向，再攜帶萬用表、機箱鑰匙等工具趕赴觀測場。

1.2.1 排查室內（9：16—9：30）。①查看室內供電和計算機的本地連接是否正常。②運行調試軟件。首先，打開Nport軟件查看串口是否變化，發現并未更換，如變化改回原來的串口。其次，用DOS命令ping串口服務器IP查看是否正常連接，發現連接無誤，則室內通訊模塊運行正常。最后，打開SMO軟件的參數設置中啟用通訊查看，顯示內容為：采集器無返回，讀取串口COM5。初步判定為主采集器和串口服務器（包括主采集器、串口服務器、通訊線路）之間出現問題，室內排查完畢。

1.2.2 排查室外（9：30—10：10）。①排查串口服務器（9：30—9：45）。到觀測場查看串口服務器指示燈，發現主采集器返回燈未亮，復位串口服務器觀察，值班室內數據仍然不正常。②排查主采集器（9：50—10：10）。打開主采集器箱門，發現運行指示燈異常，復位觀察，聽到2聲滴響，1 min后值班室內數據逐漸恢復正常。③如果仍未恢復，需進一步排查。

故障發生時，業務人員一方面要及時排查故障，另一方面要將故障發生情況上報北京市氣象信息中心和本單位業務主管領導，并在中國氣象局綜合氣象觀測系統運行監控平臺（簡稱ASOM系統）填寫故障報告單。

1.3 數據處理

由于數據缺測時間為9：16—10：25，導致10：00、11：00整點數據受到影響，所以需要進行數據處理，發送報文。首先補調數據，在SMO軟件中按以下步驟操作，點擊數據處理→歷史數據查詢（下載歷史數據）→開始下載，根據補調結果不同分為以下2種情況。

1.3.1 補調成功。在SMO軟件上，按以下步驟操作，點擊數據處理→歷史數據查詢（下載歷史數據）→開始下載，補調數據成功則需在MOI點擊觀測與編報→上傳文件補充編發，選擇Z文件，選擇補發時段補發報文；如補調不成功，則查看D：＼ISOS＼SMO＼dataset＼北京＼54399＼AWS＼新型自動站＼設備＼Minute＼中查看txt內原始數據文件是否缺測，發現10：00前10 min、正點后10 min數據全部缺測，10：00正點數據則只能用備份自動站的數據代替。

1.3.2 補調失敗。由于故障時間不包含定時觀測時次，無需人工觀測能見度，數據采用備份站數據代替。具體操作如下：記錄備份站氣壓、氣溫、濕度（相對濕度、水汽壓、露點溫度）、2 min和10 min風向、風速、地面溫度（含草溫）、淺層和深層地溫數據，其中海平面氣壓輸入氣壓和氣溫后自動計算，地面溫度（含草溫）、氣溫、相對濕度、氣壓小時極值和小時內最大風速、極大風速從實有記錄中挑選，能見度及極值、瞬時風向風速全部按缺測處理。8：00—10：00無新的天氣現象出現，也沒有已出現且需要記錄時間的天氣現象，天氣現象欄無需更改。故障時段內無降水現象，刪除小時降水量中缺測的分鐘降水量。除風向外，其余要素數據擴大10倍輸入，缺測數據輸“-”。應在14：00（下一定時觀測時次）前完成數據處理和上傳。

這里值得注意的是，小時內能見度數據異常時，極值不能從實有記錄中挑選，9：16—10：25數據缺測導致10：00、11：00的最小能見度以及出現時間都受到影響，故10：00和11：00的最小能見度和出現時間按缺測處理，11：00正點數據需處理上傳。分鐘降水量中的缺測也應刪除。

以上操作應在14：00（下一定時觀測時次）前完成數據處理和上傳。

1.3.3 MDOS備注。按國家局業務規定，新型自動氣象站出現此類故障影響正點數據時，要在12 h內將包含數據處理方法等內容的備注上傳到MDOS。

按以下步驟進行，登錄MDOS軟件功能菜單→元數據信息處理→備注信息登記→一般備注事件→理由填寫：由于主采集器故障，9：16—10：25數據缺測，10：00正點數據用備份站代替，10：00和11：00最小能見度和出現時間按缺測處理；氣壓、氣溫、相對濕度、風、地面溫度、草溫的小時極值從實有記錄挑選，不影響日極值（因MDOS系統升級，以上操作針對的是V1.2.1舊版，V2.0新版中具體操作略有差異，但不影響備注內容）。

在ASOM系統填寫完整的故障單。同時，值班員仍需觀察對比新型自動氣象站的數據和備份站的差異，持續關注新型自動氣象站的運行情況并做好記錄，確保數據的有效性和準確性。

2 某一類觀測數據缺測故障排查過程

2.1 故障現象

2015年9月14日6：10，觀測室報警，查看觀測數據，草面溫度、地面溫度、淺層、深層地溫全部缺測。

2.2 排查思路

因與地溫分采集器相關的數據全部缺測，去觀測場查看地溫分采集器，斷電重啟，回值班室查看，地面數據仍全部缺測，然后打開機箱查看主采集器，發現CAN總線松動。

2.3 解決辦法

斷開主采集器電源，連接好CAN總線，復位主采集器。回值班室查看數據，恢復正常[3-4]。

3 某一項觀測數據缺測故障排查過程

3.1 故障現象

2016年7月15日，ISOS軟件報警，80 cm深層地溫數據缺測。

3.2 排查思路

故障現象發現后，排查時要全面，逐步排查，規范操作。由于地溫傳感器為標準4線制鉑電阻溫度傳感器。鉑電阻溫度傳感器根據金屬鉑的電阻值隨溫度變化測定溫度[5]。現行業務中使用的Pt100鉑電阻在0 ℃的電阻值是R0=100 Ω（另有Pt1000阻值不同），以0 ℃為基點溫度，在溫度為t（℃）時的電阻值Rt=R0（1+At+Bt2）[4]（A、B為系數，經標定可以求出其值）。結合原理排查如下：①由于只有80 cm地溫數據異常，其他深層地溫數據正常，故排除主、分采集器和CAN線故障。②用萬用表測試地溫分采集器面板上端子處80 cm地溫傳感器的同端和異端電阻，發現80 cm深層地溫電阻明顯異常，將160 cm深層地溫線插入機箱下面80 cm地溫傳感器的航空插頭，再次測量電阻值在正常范圍內，排除傳感器至分采集器通信線路故障。③將80 cm深層地溫傳感器挖出，發現一處有明顯的老鼠撕咬痕跡。依次用蜂鳴檔以及電阻檔測試4線頭的1、3兩線，發現藍色線無蜂鳴聲，電阻值極大，確認故障出現在地溫傳感器頭或地溫傳感器線上。④將地溫傳感器線剪短用水溫測試法測試后發現傳感器正常，排除傳感器頭故障確認傳感器線故障。

3.3 解決辦法

用深層地溫傳感器備件替換壞件，與地溫分采集器連接好線后，等待觀察，數據恢復正常。

4 自動站故障排查流程

4.1 注意事項

在排查故障的過程中，需要保持冷靜，逐步排查，規范操作。因為每個設備都有指示燈，對排查故障有很重要的指示意義，所以要重視指示燈的使用。另外，采集器電源箱、計算機、UPS、打印機均與市電相接，插拔電源插頭時，切記應注意安全。

4.2 故障排查流程圖

臺站觀測業務人員能夠迅速判斷和處理故障，對保障自動站運行和數據準確性、完整性非常重要。新型自動氣象站在全國范圍內業務運行后，各臺站應該根據新型站軟硬件特點和臺站情況建立故障排查流程，流程滿足邏輯清晰、實用性高、兼顧效率的原則。本文從臺站運行保障工作經驗出發，提出一種故障排查流程設計，以供參考。

根據出現異常的要素類別和數量將故障分為3類，故障分類及可能原因見表1。以下按照上述分類介紹相應的排查流程。

4.2.1 全部要素缺測。解決此類故障，根據新型自動站數據傳輸方式（圖1），設計排查步驟如下。

首先檢查計算機與串口服務器的網絡連接是否正常。在DOS命令窗口輸入“ping串口服務器IP地址”，如果數據收發正常，說明問題出在串口服務器上游的主采集器或串口通信線路上，按照步驟（1）進行排查，否則按照B。

（1）流程見圖2。①查看主采集器運行狀態。如主采集器運行狀態指示燈異常，進入圖2右區，用萬用表直流電壓檔測量供電電壓，確保供電正常（12V），復位主采集器。指示燈仍異常，用串口轉USB線直連筆記本和主采集器，通過ISOS中采集軟件SMO維護終端功能或串口調試工具讀取主采集器數據，如數據仍全部缺測或異常，則確認主采集器故障，需要更換。如主采集器運行狀態指示燈正常或直連數據正常，則進入圖2左區進行通信故障排查。②檢查串口服務器?？墒紫葒L試復位，更換主采集器串口線與串口服務器的接口（Port口），更換后通過串口服務器管理軟件查看新接口對應的COM端口，更改ISOS采集軟件SMO通信參數，數據恢復則排查結束，仍異常說明主采集器至串口服務器的通信線路故障或串口服務器自身故障。③檢查主采集器至串口服務器的通信線路。用萬用表蜂鳴檔檢查包括端子、防雷板和導線在內的通信線路有無短路或斷路，如有異常，找到具體故障點后進行更換。確定線路無故障后，數據仍未恢復說明串口服務器出現故障。

注意圖2左右兩區有交叉，因實際業務中可能出現2處以上故障，此時排查難度增加。

（2）數據收發不正常。①檢查供電與外表可見的損壞。查看串口服務器和光電轉換模塊供電是否正常，串口服務器指示燈是否正常，連接計算機和串口服務器的光纖、以太網線是否有明顯損壞，接口是否有松動脫落。②復位。連接仍未恢復，重啟光電轉換模塊和串口服務器。③詳細檢查。連接仍未恢復，用以太網線將筆記本電腦與串口服務器直連，使用ping命令再次測試網絡連接。無法連接說明串口服務器或以太網線損壞，更換網線后仍不能連接，說明換串口服務器損壞；連接正常說明光電轉換模塊、光纖或至業務計算機以太網線損壞，光纖可借助光源進行檢查，仍未恢復則需更換以太網線或光電轉換模塊。

4.2.2 部分要素缺測。依據鉑電阻溫度傳感器的原理和特點，新型站采用了溫濕分采集器和地溫分采集器，并通過CAN總線實現與主采集器的通信。當溫濕或所有地溫（含草溫）數據同時出現異常，應依次檢查分采供電、分采到主采通信線（包括端子、防雷板、CAN線等）是否存在短路或斷路。以上處理完成后數據仍異常，說明分采故障或主采CAN接口故障，需及時更換。

如不是通過某一分采集器的氣象要素全部異常，則應按單個要素數據異常進行排查。

4.2.3 單個要素數據缺測。單個要素數據缺測或異常多為供電、通信線或傳感器故障，也可能是主采集器對應端口損壞，按上述順序排查較為合理。注意檢查通信線路應包括防雷板、端子和各段的數據線。以下介紹幾種傳感器檢查方法。

（1）溫度傳感器（包括氣溫、地溫、草溫）。斷電，用萬用表測量傳感器四線電阻值，包括2組同端電阻和1組異端電阻，同端電阻值應為幾歐量級，異端電阻值在100 Ω左右，通過以上電阻值計算溫度，如與實際溫度相差較大，說明傳感器損壞。

（2）濕度傳感器。加電條件下用萬用表測量信號電壓值（毫伏檔），與當前實際相對濕度相差較大，則說明傳感器損壞。

（3）翻斗式雨量傳感器。斷開與主采集器連接，使用萬用表蜂鳴檔檢查干簧管在撥動計數翻斗是否能夠接通，無法連通說明干簧管損壞，需更換雨量傳感器。

（4）風向傳感器。將風向標固定在東北、東南、西南、西北4個方位，依次讀取風向數據，只出現偏東風或偏西風說明傳感器D6位出現故障，只出現偏北風或偏南風說明D5位出現故障。其余5位格雷碼盤出現故障較難發現，且排查較為復雜，氣象資料業務系統MDOS中能夠檢測此類故障（系統偏差），在此不做展開。

（5）風速傳感器。轉動風杯，用萬用表電壓檔測量風速信號，測量值應該在3 V左右或交替出現0、5 V，否則說明傳感器損壞。

（6）氣壓和前向散射能見度儀。儀器為智能傳感器，其故障排查較為復雜。氣壓故障建議直接更換；能見度數據異常，注意檢查儀器安裝位置是否有變動、鏡頭是否污染等，仍不能解決時建議停止使用并在定時時次啟用人工觀測，及時聯系上級裝備保障部門完成儀器維修。

4.3 進一步改進措施

為了進一步提高故障診斷速度，降低自動氣象站故障率，首先，要加強業務基本技能，熟練掌握操作難點和技巧，以提高自身實踐能力；其次，要加強新型自動站維護維修方面的學習培訓，多同其他臺站進行交流和學習；再次，要結合本站實際情況，制定出符合國家標準的測報工作規范，進而有效約束測報人員的不良習慣，做到操作規范，防止故障發生；最后，在日常工作中，要強化責任意識，及時發現問題并做好異常情況處理，積極做好各項測報工作，提高地面測報工作質量。

此外，本文并未涉及臺站與省級信息中心通信故障的排查解決。目前，北京市大多數臺站采用撥號作為備份通信方式，鑒于3G/4G通信技術的成熟和普及，建議北京市氣象局統一布設3G/4G模塊作為新的備份通信方式，提高通信方式切換效率。

5 參考文獻

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