區域自動氣象站監控報警與技術保障遠程支持系統的設計與實現

李文韜,張明潔，劉策

(1.海南省氣象探測中心，海南 海口 570203；2. 海南省氣象局 海南省南海氣象防災減災重點實驗室，海南 海口 570203)

為了提高災害性天氣的監測、預報、預警水平，補充和完善精細化預報系統，海南省已建設完成了區域自動氣象站五百多套，高密度的觀測實現了對中小尺度區域內多項氣象要素的實時監測。但隨著區域自動氣象站網建設基本完成，管理維護人員卻缺少對各類站點的故障信息、預警情況的有效監測手段和方法，無法及時全面了解系統的實時運行狀態。中國氣象局統一部署的綜合氣象觀測系統運行監控平臺(ASOM)[1-2]，由于設計是針對全國氣象裝備運行監控的，難免會有因地域不同出現的問題，比如由于地域差異造成的氣候極值不同，ASOM系統監控自動氣象站氣象要素數據時會把正常的真實數據當作錯誤處理。其次，ASOM監控系統目前還不能在省級氣象部門實現總監控并提供實時報警提示功能，因此業務人員必須每隔1 h登陸網頁查看故障，不利于氣象裝備保障人員及時準確地找出故障站點并進行處理。

關于區域自動氣象站的運行監控，目前已有針對全國不同區域的設計開發和應用[3-6]。例如，李嫦等[7]設計開發了江西省區域自動站監控軟件。左湘文等[8]采用.NET技術開發了3層分布式結構的區域站氣象運行監控系統，實現了寧夏區域氣象站狀態實時監控、故障報警等功能。韓亮等[9]通過實時監控自動站的數據傳輸情況，從缺報的角度全面地分析判斷自動氣象站故障原因，實現了對區域自動站數據傳輸的自動監控和故障定位的智能判斷。另一方面，自動氣象站設備通常來自不同的生產廠家，種類型號多，且設備軟硬件經常升級，使自動氣象站維護保障工作復雜多樣，也對維修工作和負責維修的技術人員提出了新的技術要求。關于自動氣象站技術保障，也有很多學者和業務技術人員進行了探討[10]。例如，文獻[11-14]分別就內蒙古、山東、海南和上海的自動站維護維修等技術保障問題進行了研究探討。針對自動氣象站維護保障工作的多樣性、復雜性，省級業務管理部門每年組織的傳統業務技術集中培訓的時間相對較短，培訓的手段途徑相對較單一，還不能完全滿足目前的維護維修業務需求。因此，基于自動氣象站運行監控和技術保障的需要，本研究設計開發了區域自動氣象站監控報警和技術保障遠程支持系統，為實現區域自動站快速有效的故障監控,向自動氣象站基層維護人員提供快速、全面、高效的培訓，提高氣象裝備保障人員的素質提供了技術和軟件支持。

1 系統結構概述

區域自動氣象站監控報警和技術保障遠程支持系統選擇browser/server(B/S)3層結構。B/S模式即瀏覽器和服務器模式，是指在TCP/IP的支持下，以HTTP為傳輸協議，客戶端通過browser訪問Web服務器以及與之相連的后臺數據庫的技術及體系結構。B/S模式由瀏覽器、Web服務器、應用服務器和數據庫服務器組成(圖1)，其工作原理是客戶端的瀏覽器通過URL訪問Web服務器，Web服務器請求數據庫服務器，并將獲得的結果以HTML形式返回客戶端瀏覽器。B/S模式突破了傳統的文件共享及C/S模式的限制，實現了更大程度的信息共享，任何用戶只要通過瀏覽器即可訪問數據庫，從而克服了時間和空間的限制。

圖1 B/S模式工作原理Fig.1 Operating principle of the B/S mode

2 系統總體結構和功能

按照模塊化的設計思想，設計出了系統的總體框架(圖2)。系統由前臺信息瀏覽和后臺信息管理兩大部分組成，同時具備了設定數據庫、訪問數據庫、修改數據庫等多種功能，各個功能模塊相互協調工作。

圖2 系統邏輯關系圖Fig.2 The logical diagram of the system

系統主要包括自動氣象站監控報警、監控報表生成、維護維修與故障診斷素材共享、相關業務軟件共享、后臺管理共4個模塊。功能模塊的設計主要是圍繞與用戶交互和數據庫操作兩方面進行，同時，各個模塊中的具體功能為了降低復雜性，也使用了模塊化設計的思想，建立了更小規模的模塊，系統結構見圖3。

圖3 系統結構圖Fig.3 The structure of the system

2.1 自動氣象站運行監控報警模塊

該模塊對海南省全省共五百多套區域自動氣象站、土壤水分觀測站、紫外線觀測站進行實時監控，對故障站點進行聲光報警。系統實時監測區域氣象站10 min氣象數據、土壤水分站1 h氣象數據、紫外線站1 min數據，判斷數據是否存在、正確。當系統監測到故障信息時自動以表格形式發布報警提示，報警頁面顯示當前故障站點的站號、站名、所屬市縣、最后一次上傳數據時間等內容，系統還將向管理員和設置好的一般用戶發送短信報警提示。圖4為2019年8月27日09：50時系統顯示的實時監控的自動站故障站點信息，頁面簡潔直觀。此外，該模塊還可根據故障信息對故障站點的數據錯誤次數、到報率等進行分析和統計，且系統為全自動監控系統，運行時不需要人工干預。

圖4 系統實時監控的自動站故障站點信息Fig.4 Information of the fault automatic station for real-time monitoring of the system

2.2 監控報表生成模塊

該模塊利用系統監控信息數據庫的內容，根據需要自動生成數據表格和展示圖，數據可自動導入Excel表中，生成需要的監控報表，降低了報表的人工輸入量。

2.3 維護維修與故障診斷素材共享和業務軟件共享模塊

維護維修與故障診斷素材共享模塊主要實現制作和收集到的各類自動氣象站維護維修與故障診斷技術指南、音頻視頻材料的在線瀏覽、播放、下載功能。業務軟件共享模塊主要實現了在用氣象觀測業務軟件及相關支持說明文檔的在線瀏覽和下載功能。

2.4 后臺管理功能

后臺管理功能包括各類資料的上傳、編輯、刪除等，主要實現網站配置(基本信息、基本設置、菜單管理、公告管理)、站務管理(訪問統計、在線IP、留言管理、修改密碼、查看權限)、內容管理(生成靜態、分類管理、新聞管理、文章管理、圖片管理、影音管理、下載管理、評論管理)、數據管理(服務器參數探測、sql注入、上傳管理、后臺記錄)、用戶管理、生成運行日志等功能。

3 系統的開發運行環境與實現

3.1 開發運行環境及開發技術

區域自動氣象站監控報警和技術保障遠程支持系統采用B/S技術體系架構，以SQL Server數據庫為后臺。構建的數據庫基于Web服務器管理系統，在進行數據庫的訪問時采用一種完全的Web數據庫訪問方案。Web服務器運行Apache Tomcat，以JSP(Java server pages)和HTML(hypertext marked language)作為開發工具，客戶端用IE瀏覽器。支持的操作系統為Windows 7以上。

3.2 系統功能的實現

3.2.1 區域自動氣象站運行監控報警模塊

該模塊為保證報警的及時性，使用的數據庫為海南省氣象觀測資料實時業務數據庫，庫名為webmeteo。通過監控實時數據庫中表DATA_DMGD并進行質量控制，目的是盡可能使隱藏在數據集中的錯誤數據得到有效檢測，保障用戶用到基本正確可靠的資料。

表1 觀測數據缺報告警規則

觀測數據首先通過缺報檢查，缺報報警規則見表1，然后進行觀測數據質量控制，系統中所采用的是如下三種區域自動站數據質量控制方法[15]，以對異常觀測數據進行判斷：(1)界限值檢查：包括溫度、濕度、氣溫、氣壓、雨量、風向風速值或值域范圍檢查、區域界限值檢查。(2)內部一致性檢查：對固定測站不同要素之間是否符合某種物理聯系的檢查稱之為內部一致性檢查,如是否滿足日最高氣溫>日平均氣溫>日最低氣溫條件。(3)空間一致性檢查：空間一致性檢查是根據氣象參數具有一定的空間分布特點而進行的檢查，其有效性取決于觀測站網密度和被檢參數與空間的相關程度。通常利用與被檢站鄰近的臺站同一時間觀測的氣象要素值進行比較，或利用鄰近測站觀測值計算被檢站的估計值，觀測值與估計值進行比較檢查。系統中采用空間平均值比較法、Madsen-Allerupt方法、空間極值比較法。系統使用Java自帶的alert()功能實現報警功能。首先獲取當前時間，改變當前時間的格式，使之同區域自動站數據庫的中表 tabMinuteData的ObservTime格式一致，將查詢時間設定為和當前時間最近的整數分鐘時間，如10 min、20 min，查詢該時間數據未到的區域自動站并顯示在頁面上。如果出現新的故障站點，則觸發報警，系統會自動彈出報警框提示有新的故障站點，并將目前故障站點的站號、所屬市縣、站名、最后一次上傳數據時間、故障持續時間、數量顯示在當前頁面。查詢時間根據預先設定，每10 min查詢一次，考慮到數據傳輸過程的延遲，個別的邊遠站點通訊條件不佳的情況，查詢時次設定為當前時間的20 min前。告警顯示頁面由標題欄、文字欄、告警欄三部分組成，每部分由表格實現，表格由table元素以及多個tr、th或td元素組成，tr元素定義表格行，th元素定義表頭，td元素定義表格單元。告警欄設計為5列表格，行數由告警站點數量自動調整。

3.2.2 維護維修與故障診斷素材共享和業務軟件共享模塊

聘請自動氣象站維護維修專家、技術人員編寫日常維護維修與故障診斷技術指南，播音人員利用專業攝像設備和錄音設備，制作音頻視頻文件，文件格式包括：mp3，mp4，ogg，rm，wav，wma等。目前，素材庫包括了《采集器系統原理》《電源系統原理》《故障排除操作流程》《HMP45D溫濕傳感器日常維護及清洗》《區域自動氣象站電源的使用和維護》《使用故障智能診斷器維護維修區域自動氣象站》《CAWS600系列自動氣象站使用與維護》《CAWS600-R系列中尺度加密自動氣象站、HYA系列自動站介紹》《DZZ4傳感器及配套部件安裝與維護》《CawsAnyWhere軟件介紹》《ZQZ-CII型自動站使用與維護》以及CAWS600型、ZQZ-CⅡ型、ZQZ-BH型、ZQZ-F型、ZQZ-A型等自動氣象站的傳感器、采集器、通訊設備、電源及其他部件日常維護維修與故障診斷技術等。

3.2.3 相關業務軟件共享

收集和測試自動氣象站相關軟件，配套相關使用手冊并上傳到數據庫。用戶可以通過訪問業務軟件共享模塊，瀏覽并下載軟件，如自動氣象站監控軟件、自動氣象站本地通軟件、自動氣象站串口軟件、(海南)自動氣象站監控管理軟件Professional(客戶端)V1.0.1、sscom32(串口軟件)、USB串口驅動、ZQZ自動站調試軟件V2.5.0、串口助手、ZQZ-A/F型自動站數據查看軟件V1、華云海島站客戶端、通信模塊自動設置軟件、項目軟件清單、應急車載自動站監測系統等。

4 系統應用情況

區域自動氣象站監控報警與技術保障遠程支持系統自設計開發以來，一直在海南省氣象探測中心運行使用，運行狀態良好。運行監控報警模塊配合中國氣象局氣象探測中心的ASOM監控系統平臺投入使用，有效地實現了對區域自動氣象站的實時監控，能夠快速準確及時地對故障站點進行報警并為業務人員提供故障信息，使業務人員能夠快速做出反應，對站點進行維護，保證氣象數據的質量和及時上傳。同時，還有效地解決了ASOM系統對自動氣象站監控中出現的出錯時間不實時、對氣候極值判斷錯誤、出現某項數據缺測系統仍認為正常等問題。統計表明，2018年海南省汛期(5月-10月)該系統相比單獨使用ASOM系統平均提前0.5 h發現了17站次自動氣象站故障情況(表2)，準確發現自動站點缺測單一氣象要素的4站次，實現了通過實時監控省級業務數據庫對每個自動氣象站的每個要素實行質量控制，盡早發現錯誤。

表2 2018年5月-10月系統報警的故障站點

自動站維護維修與故障診斷素材庫和相關業務軟件共享模塊目前共有音頻視頻素材110多個，相關業務軟件12個，共計被訪問6000多次。在留言板塊系統用戶針對應用中出現的情況提出問題和建議，管理員進行解答并采納了一部分建議，進行了有效互動。

5 結論

區域自動氣象站監控報警與技術保障遠程支持系統具有簡潔、高效等特點，并且具有良好的可擴充性、可維護性。監控報警模塊的開發應用，為業務人員對區域自動氣象站日常監控工作提供了便利，滿足了區域自動氣象監控業務需求，有效地提高了設備監控水平和氣象觀測設備保障技術水平。素材庫模塊為自動氣象站日常維護、軟硬件安裝、故障診斷及維修等提供了技術支持，滿足了基層臺站自動氣象保障業務需求，有效提高了維護維修技術人員水平，為提高氣象觀測設備保障技術水平奠定了良好的基礎。下一步，該系統將在探測數據質量控制方法、相關業務流程等方面進一步完善，隨著自動氣象站日常維護維修和故障診斷經驗的不斷積累、技術的提高以及設備的更新，系統素材也會不斷更新。