國家地面氣象觀測站運行監控與技術支持系統設計與實現

左湘文，張 磊，薛箏箏，徐 峰，劉青松

(1.中國氣象局旱區特色農業氣象災害監測預警與風險管理重點實驗室，銀川 750002；2.寧夏氣象防災減災重點實驗室，銀川750002；3.寧夏大氣探測技術保障中心，銀川 750006)

0 引言

國家級地面氣象觀測站是地面氣象觀測站網的主體，觀測要素有溫度、濕度、氣壓、雨量、風速、風向、地溫、能見度、日照、蒸發和降水現象等[1]。為氣象預報、氣象災害預警、氣候預測等氣象服務提供了及時、準確、全面的地面氣象觀測數據。隨著全國氣象部門業務體制改革的深入，對國家級地面氣象觀測站的穩定、高效運行提出了更高要求。為了滿足這一需求，文章設計開發了一套智能化程度高，穩定可靠的國家地面氣象觀測站運行監控與技術支持系統。文章以實現國家級地面氣象觀測站觀測數據、設備運行狀態的獲取，以及監控、設備維修流程的管理和設備維修遠程技術支持為目標，希望能夠促進國家級地面氣象觀測站維修保障效率的提升，促進國家級地面氣象觀測站穩定運行。

1 系統結構設計

1.1 系統功能概述

國家級地面氣象觀測站可分為硬件和軟件兩部分：硬件分為自動氣象站和供電線路；軟件主要指的是收集氣象數據并編發報文的地面氣象觀測業務軟件[2，3](簡稱ISOS軟件)。除此之外，ISOS軟件還可收集部分自動氣象站設備的運行狀態數據，如主采集器、降水現象儀工作狀態和供電電壓等。通過研究開發，實現利用帶有短信傳輸功能的電力監測模塊獲取供電監測數據；通過在ISOS軟件部署數據采集軟件的方法獲取自動氣象站運行狀態數據；通過寧夏氣象信息綜合數據獲取實時和整點觀測數據。分析當前國家級地面氣象觀測站維修保障業務流程，得出合理的維修業務流程圖，實現維修過程記錄管理。建立國家級地面氣象觀測站運行監控與技術支持系統Web接口，微信小程序客戶端和運行狀態采集軟件，實現對國家級地面氣象觀測站實時監控、報警分析提示、國家級地面觀測站觀測數據和報警部件的三維展示，以及維修過程管理、系統數據的載入、轉儲、恢復和數據系統字典的維護功能等。

1.2 系統分層結構設計

國家地面氣象觀測站運行監控與技術支持系統結構分為3層：數據層、服務接口層和表示層。第1層是數據層，該層為系統提供基礎數據訪問和二次加工數據的存儲底層服務，是系統的基礎。數據層的基數據主要有：結構化數據—臺站信息、臺站實時(5 min)、整點觀測數據、自動氣象站狀態數據、自動氣象站供電系統監測數據，這些數據系統存儲在數據庫中，非結構化數據存儲以文件的形式存儲在文件管理系統中；第2層是服務接口層，該層起到“承上啟下”作用，既為表示層提供接口化服務，也是數據層的直接使用者。服務接口層主要進行數據采集、發送、數據格式化、數據判斷分析和數據調度等工作；第3層是表示層，該層通過調用服務接口層的服務，經過本層處理，實現與業務人員的交互。該層需完成的任務有：運行監控信息數據圖形化顯示、故障報警、維修管理、運行評估和技術支持等。

2 系統功能及特點

2.1 系統功能布局

根據業務工作需求，同時充分考慮功能完整性和使用性[4]，將系統分為B/S結構的Web服務接口、實現維修流程管理和技術支持的微信小程序客戶端和C/S結構的運行狀態采集軟件。

2.2 系統功能介紹

2.2.1 Web服務接口功能介紹

1)運行監控功能。該模塊實現了對國家級地面氣象觀測站的綜合硬件控制器運行狀態、采集器運行狀態、能見度儀運行狀態等6種狀態和風向、風速、氣壓等27項觀測數據的圖形化實時監控；以微信的方式實現了報警的提醒和推送，也可通過3D實時展示定位并展示報警部件[5，6]。

2)運行評估。當用戶發起統計請求時，系統從維護維修信息、報警產品中提取統計需要的關鍵數據，并根據計算要求進行格式處理。根據所計算的內容提取公式，將提取的關鍵數據帶入公式進行計算，得出計算結果，若結果異常則拋出異常提醒。最后整理計算結果，存入數據庫，并生成報表。

3)系統管理。實現國家級臺站網站后臺管理。在用戶權限模型方面，將用戶分為2類角色，即系統級角色和數據級角色。系統級角色維度分為管理員和功能用戶。遵循扁平化原則，在數據級維度分為區、市兩級用戶。

2.2.2 運行狀態采集軟件功能介紹

1)供電與網絡環境監控。該軟件通過AT指令集實現了與供電線路參數監視器的通信。每10 min采集1次市電電壓。每1 min采集1次網絡ping值，并上傳系統服務器。

2)獲取ISOS軟件和部分自動氣象站運行狀態。通過讀取ISOS軟件運行日志獲取軟件運行狀態。通過自動氣象站串口命令集獲取采集器、能見度儀、降水現象儀的運行狀態和綜合硬件控制器狀態。考慮到盡量減少ISOS業務計算機的負荷，每5 min獲取1次ISOS軟件和部分自動氣象站運行狀態，并上傳系統服務器。

2.2.3 微信小程序客戶端功能介紹

1)報警信息提醒與維修管理。用戶可以通過小程序實時監控國家級自動氣象站運行狀態和觀測數據。在自動氣象站出現報警信息時，接收來自運行狀態信息發布模塊發送的報警信息產品，并向技術保障人員手機通知欄推送提醒信息，用戶可以直觀地查詢到是哪個臺站于何時發生了何種報警信息。在進入維修流程后，可通過小程序客戶端實現故障單的生成、現場二維碼認證、維修記錄更新、維修單上報和維修單審核管理功能。

2)在線技術支持。用戶可根據系統類型、部件類型檢索查詢需要的技術文檔。還可通過小程序與在遠端的技術專家通過文字、圖形或音視頻進行溝通，實現在線技術支持，需要共享技術文檔時，可將該技術文檔實時推送給現場維修人員[7，8]。

3 關鍵技術實現

3.1 設備運行監控產品、運行環境監測產品生成算法

該算法輸出數據來自設備運行監控產品要素和故障報警產品要素，輸入數據來自自動氣象站觀測數據、運行狀態數據和供電線路監控數據。

算法流程分為3個階段：1)對采集到的自動氣象站觀測數據、自動氣象站部分狀態數據、地面觀測系統供電監控數據進行格式處理，使數據轉變為可讀數據格式，生成自動氣象站健康狀況監測產品并存儲；2)對自動氣象站觀測數據和地面觀測系統供電監控數據進行分析，對布爾型數據進行真假分析，對浮點數數據進行閾值判斷滑動窗口平均值比較分析，若分析結果正確則循環執行，若結果錯誤則產生初始報警信息；3)檢查有無檢定到期的傳感器，檢查ASOM系統是否產生報警，若產生報警則進行同步處理。經過相關性檢查后輸出最終的報警信息并存儲。

3.2 維修過程信息化管理實現

通過梳理維修反饋流程，實現了以自動氣象站故障報警為驅動，以GPS定位、NFC掃碼等技術手段為技術支點的維修信息管理。具體流程為：1)報警推送。當系統產生報警時將報警推送給站點所屬單位的維修人員，若未接單則每10 min推送1次，同時記錄接單響應時效。2)維修階段。接單響應之后生成故障信息，現場維修時利用手機NFC掃碼功能掃描故障部件二維碼完成現場維修驗證，每次現場維修后維修人員在現場填寫維修記錄，同時通過GPS定位技術記錄維修地點及維修時效，可記錄多次維修過程。3)關閉維修階段。故障修復后填寫故障總結和故障單，并關閉故障，故障單提交至區級技術保障單位進行審核，審核結束后故障流程結束。

4 結束語

國家級地面氣象觀測站運行監控與技術支持系統開發完成后，在賀蘭縣氣象局投入試運行，縣級技術保障人員對系統的各個功能進行了驗證。系統在應用中得到了不斷完善，系統各個功能模塊業務邏輯與實際工作流程相符，能夠滿足實際業務工作需要，切實促進了國家級地面氣象觀測站維修保障效率的提升。