省級氣象觀測設(shè)備測試維修平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉峰 李建宇 周旭輝

摘要：省級氣象觀測設(shè)備測試維修平臺是集氣象觀測設(shè)備性能參數(shù)測試、故障診斷、維修保障等功能于一體的新型維修保障平臺，從各類氣象技術(shù)裝備維修維護(hù)的實(shí)際業(yè)務(wù)需求出發(fā)，以支持LabView圖形編程的PXI硬件平臺為基礎(chǔ)，通過與硬件測試平臺及虛擬儀器相連接，實(shí)現(xiàn)對地面主要?dú)庀笥^測設(shè)備的故障檢測、測試分析、維修指導(dǎo)等工作。

關(guān)鍵詞：氣象裝備;測試維修;平臺設(shè)計(jì);裝備保障

目前我國已建成龐大的地面氣象自動(dòng)觀測站網(wǎng)，為滿足氣象預(yù)報(bào)、服務(wù)對天氣監(jiān)測資料的需求，未來還將進(jìn)一步增加對災(zāi)害性天氣監(jiān)測的時(shí)空密度，完善和發(fā)展穩(wěn)定可靠的綜合氣象觀測系統(tǒng)。在加快提升我國地面氣象觀測能力的同時(shí)，保障能力的不足將成為制約綜合氣象觀測系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行的重大問題。

地面氣象觀測系統(tǒng)設(shè)備類型多，同類設(shè)備型號多，故障檢測儀器和檢測標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，難以適應(yīng)保障標(biāo)準(zhǔn)化的要求;裝備檢測、維修以經(jīng)驗(yàn)為主;自動(dòng)化程度低，難以滿足快速保障的要求。面對新的更高的業(yè)務(wù)需求，亟需解決地面氣象觀測裝備保障的標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化問題。

1 主要功能

省級氣象觀測設(shè)備測試維修平臺（以下簡稱維修平臺）是為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)氣象站、自動(dòng)土壤水分站、閃電定位儀、能見度儀、稱重式降水觀測儀等氣象觀測設(shè)備的參數(shù)測試、故障診斷、維修保障測試等自動(dòng)化測試功能的系統(tǒng)。使用時(shí)配合測試工裝，達(dá)到最小可更換單元級的調(diào)試、維修能力，協(xié)助保障人員排除氣象觀測設(shè)備疑難故障。最大限度地提高觀測設(shè)備的測試自動(dòng)化程度，從而通過業(yè)務(wù)操作流程的合理規(guī)劃及系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各類設(shè)備的維修流程標(biāo)準(zhǔn)化。

2 系統(tǒng)組成

省級氣象觀測設(shè)備測試維修平臺包括硬件和軟件兩部分。硬件部分包括PXI系統(tǒng)、信號模擬源及采集通訊系統(tǒng)、工裝接口板。軟件部分主要通過與硬件測試平臺及虛擬儀器相連接，實(shí)現(xiàn)對地面氣象觀測設(shè)備的故障檢測、測試分析、維修向?qū)У裙δ堋?/p>

（1）硬件部分的核心是PXI系統(tǒng)，使用支持PXI總線的高性能嵌入式控制器，采用支持PXI接口的可編程電源、數(shù)字萬用表、數(shù)字示波器。

（2）定制模擬信號源及采集通訊系統(tǒng)：模擬信號包括各型號自動(dòng)氣象站各要素、土壤水分站、能見度儀、稱重式降水觀測儀等所有地面觀測設(shè)備的傳感器信號及采集器線路板測試時(shí)的板卡信號。

采集通訊系統(tǒng)用于采集被測試傳感器（所有地面觀測設(shè)備的傳感器）輸出值、為各類地面觀測設(shè)備采集器或采集單元命令測試及性能分析測試提供通訊通道。

（3）定制測試工裝接口集成板：用于板級測試時(shí)輸入、輸出信號的歸集，避免多路信號電纜對被測試板的纏繞。

（4）軟件部分。主控軟件安裝在PXI系統(tǒng)中，通過配置標(biāo)準(zhǔn)信號源，輸出各種傳感器模擬信號接入待測采集器，采集器輸出數(shù)據(jù)接入PXI系統(tǒng)，主控軟件將信號源和待測采集器輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行定時(shí)的采集、對比，根據(jù)兩者之間的誤差從而給出待測采集器某一通道是否故障的判斷;將待測傳感器接入采集板（器），通過主控軟件控制采集板進(jìn)行信號采集，采集板（器）將待測傳感器的數(shù)據(jù)和預(yù)先安裝在系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)傳感器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，從而給出待測傳感器是否存在故障的結(jié)論;測試完成后可以根據(jù)測試報(bào)告中的故障描述在專家經(jīng)驗(yàn)庫中進(jìn)行檢索，從而找到最有可能的故障原因。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)功能設(shè)計(jì)為辦公區(qū)、維修區(qū)和測試區(qū)三個(gè)功能分區(qū)，另外設(shè)計(jì)一個(gè)可以移動(dòng)的小車用于擺放被測件，方便被測件在各個(gè)功能區(qū)域之間的傳遞。測試區(qū)是系統(tǒng)的主體，模擬源、采集板、PXI系統(tǒng)等都在這一部分;維修區(qū)可以擺放維修過程中需要的各種工具，如維修臺燈、工具箱、焊臺等;辦公區(qū)可以根據(jù)需要擺放電腦、打印機(jī)等辦公設(shè)備，方便維修報(bào)告的打印和信息交互。這樣設(shè)計(jì)能最大限度的將測試維修工作所需的設(shè)備、工具擺放的位置人為分離，避免桌面的混亂。

3.1 信號源和采集板（器）的設(shè)計(jì)

定制模擬信號源及采集通訊系統(tǒng)：模擬信號包括各型號自動(dòng)氣象站各要素、土壤水分、能見度儀、稱重式降水等所有地面觀測設(shè)備的傳感器信號及采集器線路板測試時(shí)的板卡信號，其中溫度要求十路并行輸出，各路輸出信號的精度要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前新型自動(dòng)氣象站的精度要求。采集通訊系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對以上模擬信號的采集、顯示等功能。因此需要定制模擬信號源及采集通訊系統(tǒng)。

3.2 工裝接口板的設(shè)計(jì)

工裝接口板用于板級測試時(shí)輸入、輸出信號的歸集，避免多路信號電纜對被測試板的纏繞。廠家定制各種采集器配套使用的工裝轉(zhuǎn)接板，信號源和轉(zhuǎn)接板通過排線進(jìn)行連接，通過更換不同類型采集器的轉(zhuǎn)接板實(shí)現(xiàn)不同采集器和信號源的連接。最大限度減少測試人員的工作量，避免接線不正確可能會(huì)帶來的各種問題。在轉(zhuǎn)接板內(nèi)部是一個(gè)集成各種信號的電路板，可以受觸摸屏和主控軟件的直接控制來輸出信號。用戶測試不同的采集器只需要直接更換工裝接口板，無需關(guān)注接口定義等細(xì)節(jié)問題。操作簡單，適合各種層次的測試人員測試。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

結(jié)合硬件設(shè)計(jì)，維修平臺軟件設(shè)計(jì)了模擬信號源管理、采集通訊系統(tǒng)管理、綜合維修測試、性能分析測試、維修指導(dǎo)、維修信息管理、系統(tǒng)管理、幫助文檔八個(gè)功能模塊。

1）模擬源管理：控制信號源各輸出通道是否輸出、輸出值、輸出模式（固定值輸出、階梯輸出或分段輸出等）;可以批量設(shè)置各通道;維修測試時(shí)可以根據(jù)工單號所屬儀器類型突出顯示所需通道;每次設(shè)置完成后以被測試儀器的類別為單位記錄保存設(shè)置參數(shù)，作為下次測試同類設(shè)備時(shí)的默認(rèn)設(shè)置。

2）采集通訊系統(tǒng)管理：控制采集通訊系統(tǒng)各輸入通道是否打開、通訊通道通訊參數(shù)，傳感器通道采樣頻率;傳感器測試時(shí)可以控制多個(gè)通道同時(shí)采集;可以批量設(shè)置各通道;維修測試時(shí)可以根據(jù)工單號所屬儀器類型突出顯示所需通道;每次設(shè)置完成后以被測試儀器的類別為單位記錄保存設(shè)置參數(shù)，作為下次測試同類設(shè)備時(shí)的默認(rèn)設(shè)置。

3）綜合維修測試：綜合維修測試模塊完成被維修設(shè)備維修測試、故障件的查找等功能。具體包括快速檢測功能，查看設(shè)備是否存在故障及故障類型，為更深入測試做準(zhǔn)備;采集器命令測試功能，采集器在進(jìn)行線路板級維修之前首先應(yīng)該檢查采集器參數(shù)設(shè)置是否正常;采集器線路板級測試

功能，檢測地面探測設(shè)備采集器或采集單元的每一塊電路板是否有故障;元件級關(guān)鍵點(diǎn)測試功能，完成具體故障元件的查找。

4）性能分析測試：性能分析測試是為了分析采集器、傳感器等設(shè)備是否存在故障及是否性能不良（穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性等），需要長時(shí)間連續(xù)觀測并分析其性能。

5）維修指導(dǎo)：維修指導(dǎo)主要完成專家?guī)煊涗浀纳伞?dǎo)出、導(dǎo)入、檢索等功能。

6）維修信息管理：主要完成設(shè)備維修周期內(nèi)必要信息的登記及管理，包括儀器信息錄入、設(shè)備維修后的處理、維修報(bào)告生成與打印、測試記錄查詢等功能。

7）系統(tǒng)管理：系統(tǒng)管理主要完成平臺軟件安裝后的初始化設(shè)置，包括用戶權(quán)限管理、設(shè)備信息管理、單位信息管理、日志管理、系統(tǒng)對時(shí)功能。

8）幫助：幫助模塊為HTML幫助文件，提供中文幫助主題檢索，具體包括PXI示波器手冊、PXI程控模擬開關(guān)手冊、數(shù)字萬用表手冊、模擬源使用手冊、采集通訊系統(tǒng)使用手冊、業(yè)務(wù)流程操作手冊。

5 系統(tǒng)的先進(jìn)性與創(chuàng)新性

5.1 基于虛擬儀器技術(shù)的集成式氣象觀測設(shè)備測試維修平臺

系統(tǒng)采用基于Labview語言的PXI系統(tǒng)為核心，集成了采用觸摸屏操作的標(biāo)準(zhǔn)信號源和采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)氣象站、土壤水分站、閃電定位儀、能見度儀、稱重式降水等多種氣象觀測設(shè)備的測試維修。

5.2 工裝接口板的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

工裝接口板能實(shí)現(xiàn)各種采集器的維修測試，接口板使用相同的底層電路板和外殼，配備不同的信號電纜和插頭，實(shí)現(xiàn)信號源到待測采集器的快速接入。

5.3 專家經(jīng)驗(yàn)庫設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

專家經(jīng)驗(yàn)庫設(shè)計(jì)為兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的表構(gòu)成，兩個(gè)表的功能完全相同，唯一的區(qū)別是對用戶的開放程度不同。其中一個(gè)是廠家標(biāo)配，出廠時(shí)已經(jīng)輸入了若干經(jīng)過整理的案例號，用戶只能查看不能修改;另一個(gè)專家經(jīng)驗(yàn)表是由用戶根據(jù)自己已經(jīng)掌握的知識來進(jìn)行添加，管理員權(quán)限的用戶有權(quán)利對其進(jìn)行增補(bǔ)和修改，從而實(shí)現(xiàn)了經(jīng)驗(yàn)的不斷增長。

6 小結(jié)

目前省級測試維修平臺已經(jīng)通過中國氣象局組織的業(yè)務(wù)驗(yàn)收并投入使用，省級測試維修平臺的建立有效提高了省級氣象裝備維修保障能力，借助維修平臺可對自動(dòng)氣象站等氣象觀測設(shè)備更換下的采集器、傳感器、故障組件及模塊進(jìn)行故障診斷和維修，達(dá)到降低維修成本、節(jié)省維修時(shí)間的目的。

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作者簡介：劉 峰（1981），男，碩士，工程師，主要從事氣象裝備保障技術(shù)研究與應(yīng)用。