新型自動氣象站故障判斷及處理辦法

周繼先,聶 云,袁 慶,孫啶棚,郎貴英

(1.貴州省銅仁市氣象局,貴州 銅仁 554300;2.貴州省思南縣氣象局,貴州 思南 565100)

0 引言

為全面實現地面氣象觀測自動化，根據中國氣象局統一部署，自2020年4月1日起全國國家級地面氣象觀測站由原來的每天值班、守班改為有觀測任務時值班、守班(除長期保留人工觀測任務的臺站)，大大減少一線業務人員的工作量，臺站業務人員工作重心將轉向數據應用、氣象服務。當前，全國所有地面氣象觀測臺站已更新為以新型自動氣象站(以下簡稱為新型站)為核心，綜合集成硬件控制器為手段的地面氣象觀測業務體系[1]。新型站一般具備穩定的數據采集、處理、傳輸能力[2-3]，由于需24 h不間斷采集、處理、儲存和傳輸數據，硬件和軟件故障也時有發生[4]。因此當前全面提升臺站業務人員的技術水平，使臺站業務一線人員熟練掌握新型站硬件和軟件的使用，具備故障判斷及處理故障的能力至關重要。本文結合實際工作中的新型站常見故障，總結故障判斷和處理辦法，供同行借鑒和參考。

1 故障排除方法

根據新型站的組成結構和工作原理，按照從觀測場到室內、從硬件到軟件、從采集器到傳感器的基本路徑，綜合分析和判斷故障發生的原因。常見故障排除方法有以下3種。

1.1 排除法

根據所發生的故障現象，一步一步追蹤查找。對故障現象進行因果分析，一般情況能快速判斷故障所發生部位。如：某一氣象要素缺測或者異常，大部分為傳感器故障，在供電和光纖通訊均為正常的情況下，可直接對傳感器進行故障排查。

1.2 測量法

正常的氣象傳感器可按照一定規律輸出信號，氣象傳感器一般采用電信號輸出(電壓、電流、電阻、電容及頻率)。如線纜中斷可用萬用表通斷檔判斷，溫度傳感器輸出電阻信號80～120 Ω，濕度傳感器輸出電壓信號0～1 VDC，風速傳感器輸出頻率，風向傳感器輸出電壓，蒸發傳感器輸出電流。只要選擇萬用表合適的檔位，輸出信號均可測量，從而根據測量輸出結果判斷故障原因及部位。

1.3 替代法

替代法，顧名思義就是用同型號好的備件替換懷疑部件，如故障現象消失，則說明分析判斷正確。在實際工作中，通常利用排除法找到懷疑部位，用替代法進行確認。替代法在地溫傳感器故障判斷時利用最多，如15 cm地溫傳感器數據缺測或者異常，其余地溫均正常，采用就近原則，可用10 cm或者20 cm地溫線替代15 cm，如果數據恢復正常，可判斷15 cm地溫傳感器故障。

2 故障分類和措施

新型站由軟件和硬件兩部分組成，軟件包括業務軟件和嵌入式軟件，硬件包括采集器、傳感器、外圍設備和外部總線。新型站故障最終體現在終端業務計算機數據出現缺測或者異常，故障可分為軟件故障和硬件故障。常見故障及排除方法如圖1。

圖1 常見故障及排除方法

2.1 軟件故障

2.1.1 安裝 自2017年9月起，中國氣象局業務主管部門規定所有國家級地面氣象觀測站需用集成版ISOS軟件。集成版軟件實現了分鐘BUFR格式文件的自動生成與傳輸，數據量大、交互頻次高，需選用配置較高的計算機。計算機基本配置要求:主頻2.4 G及以上，8 G或以上內存，160 G及以上硬盤，安裝win7專業版或旗艦版正版系統；與外網物理隔離，建議關閉Windows防火墻、殺毒軟件或將軟件定義為殺毒軟件信任模式[7]。高性能計算機能確保ISOS軟件穩定運行，若電腦硬件配置不夠，在軟件運行過程中可能出現計算機頻繁藍屏、自動重啟、死機和軟件部分功能無法正常應用等現象，電腦防火墻和殺毒軟件可能誤殺程序而導致業務軟件運行不正常。

2.1.2 數據缺測 當出現全要素數據缺測，一般首先檢查ISOS等相關業務軟件是否處于活躍狀態→通過Ping命令檢查網絡是否通暢→檢查參數設置(波特率、串口號等)，依次按照這個步驟進行下去，在硬件設備正常的情況下，仍無數據，那就需要重裝軟件，甚至重裝系統恢復。

當出現部分數據缺測時，可利用業務軟件維護終端中輸入命令: SENST XX(SENST××，××為傳感器標識符，返回值為1，表示開啟，返回值為0，表示關閉)，查看缺測的氣象要素傳感器是否關閉，若以上設置正確，那就可能是傳感器、采集器通等硬件設備故障。

當出現觀測成功率不高，主要表現為非連續性的分鐘數據缺測。故障原因有以下兩種可能：一是計算機與采集器時間不同步；二是計算機與采集器之間的通訊不正常。前者可以通過正確設置計算機網絡授時解決，后者需要檢查計算機與采集器之間的通信情況。

2.2 硬件故障

由硬件引起的自動站數據異常的故障可分為：電源系統故障、設備故障、計算機及網絡故障。

2.2.1 電源系統故障 電源系統故障是最為常見和主要的故障，出現原因有多種，如遭受雷擊、線路斷(短)路、市電供電異常等等。如遇電源故障，應結合業務軟件數據顯示和各采集器指示燈狀態來初步判斷。可利用萬用表對電源電壓進行檢測和測量，具體流程見圖2。

圖2 常見電源系統故障及排除方法

2.2.2 采集器故障 在供電正常情況下，主采集器RUN指示燈處于正常秒閃狀態。如通訊正常的情況下，數據全部缺測，斷電后重啟主采集器，使用命令采用有線連接或遠程的方法進行測試，結合排除法、測量法來判斷是否主采集器故障。目前業務運行中主要的分采集器有溫濕分采和地溫分采，如顯示溫、濕度均缺測或地溫全缺測，首先用萬用表檢查分采供電是否正常，其次檢查分采各指示燈的狀態(CANR指示燈綠色常亮，CANE指示燈紅色不亮)，若狀態不正常，檢查CAN線是否連接正確，最后檢查是否出現線路斷路或短路，溫濕分采還需檢查120 Ω電阻是否成對使用，若以上所說均為正常，則斷電重啟，仍不能恢復，應更換采集器。

2.2.3 傳感器故障 業務運行中常用七要素為氣壓、氣溫、濕度、風向、風速、雨量、地溫[7]。所有傳感器故障應該首先檢查業務軟件和采集器的相關參數設置是否正確，在業務軟件維護終端輸入命令SENST ××(××為傳感器標識符，如T0代表氣溫，返回值為1，表示開啟，返回值為0，表示關閉),一般情況下參數不會受影響，只有新裝或更換時需要檢查，其次再逐一排查線纜、傳感器、采集器等方面的故障。由于氣溫和地溫傳感器原理一樣，這里不再對地溫傳感器進行單獨介紹。

①溫度、濕度傳感器故障 鉑電阻溫度傳感器是自動站采集系統使用最多的傳感器，采集要素包括氣溫、草溫、淺層地溫和深層地溫。溫度傳感器采用四線制,用萬用表測量同端電阻和異端電阻，計算出溫度值，與當前實際溫度相比差異較大，說明傳感器故障，通過以上逐一排查后，數據仍未恢復，更換溫濕度分采集器。濕度傳感器主要由濕敏電容和轉換電路兩部分組成，濕敏電容電容量經外圍電路轉換后輸出電壓信號，電壓值與濕度值呈線性正比關系，輸出電壓為0～1 VDC之間，相對濕度在0～100%之間變化，計算公式為RH=U×100%(其中RH為相對濕度，U為輸出電壓)，用萬用表測量檢查供電電壓是否為12 VDC，然后測量輸出電壓計算濕度值，與實際值相比較，若相差較大，說明傳感器故障，需更換，通過以上逐一排查后，數據仍未恢復，更換溫濕度分采集器。具體流程見圖3。

圖3 溫、濕度傳感器故障及排除方法

②氣壓傳感器故障 新型站的氣壓傳感器為智能傳感器。當出現氣壓數據缺測或異常時，在確保相關參數設置正確及氣壓傳感器處于開啟狀態時，如無數據輸出，應先檢查供電是否正常，其次檢查主采集器通道上端子接線有無錯接(平常一般不會出現這種情況)。如：DYC1氣壓傳感器是通過傳感器附帶的一個DB9型插頭，其孔“2”必須與主采集器上氣壓通道中的“R”相連，“3”與“T”相連，“5”與“G”相連，“9”與“+12VDC”相連，用萬用表測量是否錯接或者短路。若全部正常，則證明氣壓傳感器故障，需更換。

③風向風速傳感器故障 在確定各項參數設置正確及傳感器處于開啟狀態下，針對風向風速傳感器首先檢查供電電壓是否為5 VDC。如DZZ4型自動站，在供電正常的情況下，可測量格雷碼信號D0～D6的氣壓值，電壓在4.5～5.0 VDC之間為高電平1，在0～0.7 VDC之間為低電平0，轉化為二進制，查出此格雷碼所對應的方位，通過轉動風向，量取各個格雷碼是否具有高低電平變化來判斷；風速與脈沖頻率成一定線性關系，V=0.1F(其中V為風速，單位：m/s；F為脈沖頻率,單位：赫茲Hz)，測量頻率輸出，如無輸出或輸出不正常，表示傳感器故障。

④雨量傳感器故障 雨量傳感器是所有傳感器中最簡單的。在確定各項參數設置正確及傳感器處于開啟狀態下，利用萬用表檢查雨量器兩個線纜是否短路，如未短路，翻轉計數翻斗，用萬用表的通斷檔測量雨量傳感器紅、黑接線柱的輸出信號，每翻轉一次，萬用表發出一聲短路提示音，未聽到短路提示音說明干簧管故障，需更換。按照以上方法對雨量傳感器進行排查，數據仍不能回復，說明主采集器雨量計數通道故障，需更換采集器，具體流程如圖4所示。

圖4 雨量傳感器故障及排除方法

2.2.4 通訊故障 通訊故障一般表現為終端業務計算機與自動站無法進行實時通信。目前的新型站主要是采用綜合集成硬件控制器接入業務計算機的，因此通訊故障后首先應檢查綜合集成硬件控制器是否正常。如果硬件控制器正常的情況下，數據仍然不能收發，最為快捷的辦法是在計算機終端連續發送命令，查看光纖模塊上TX、RX指示燈是否閃爍，若不閃爍，需檢查光纖模塊線路(必須交叉)、業務軟件通信串口配置，若通信仍不正常，則用光纖測試筆檢查光纖線路是否完好。此外，光纖通信線共有3對，其中兩對為備用，啟用備份時注意收發需交叉接。日照儀和降水現象儀也是通過同種方式接入綜合集成硬件控制器，如在綜合集成硬件控制器正常情況下，出現日照或者降水現象數據缺測或者異常，針對降水現象儀可檢查供電系統、傳感器和鏡頭是否被污染等；對于日照儀可依次檢查供電系統、傳感器和玻璃罩長時間結霜或起霧等。

2.2.5 計算機及網絡故障 新型站的業務計算機需24 h開機運行，如果計算機設備老化、操作系統長期不穩定，可能出現故障導致無法形成BRUF數據上傳[5-6]。短時不能恢復，應及時啟用備份計算機上傳BRUF數據，待主機恢復正常后再進行切換。特別注意利用備份計算機上傳BRUF數據時，應將BRUF數據全部剪切而不是復制，這樣避免修復主機后重復上傳BRUF數據。

3 小結

①自動站數據全要素缺測或異常時，可檢查相關業務軟件是否開啟，供電系統、綜合集成硬件控制器、觀測場到業務機的光纖通訊是否正常。

②部分要素缺測或異常時，首先檢查分采集器供電及通訊是否正常，最后才檢查相應的傳感器。

③某觀測要素缺測或異常時，首先檢查傳感器的通道是否關閉，逐一排查線纜、傳感器、采集器等方面的故障。

④電源系統故障作為新型自動站主要故障，出現原因有多種。出現時，應結合業務軟件數據顯示和各采集器指示燈狀態來初步判斷。