淺談多傳感器融合技術在氣象觀測中的應用

張 瑞，蒲小蘭,周 宇

(1.四川省合江縣氣象局，四川 合江 646200;2.四川省瀘州市納溪區氣象局，四川 瀘州 646300)

0 引言

根據四川省氣象局要求，2020年9月30日20時后，氣溫降水多傳感器融合觀測業務正式運行，在此之前各臺站需完成氣溫降水多傳感器的安裝，地面綜合觀測業務ISOS軟件Ver3.0.2.615、主采程序升級，氣溫降水多傳感器掛接調試工作。多溫多雨觀測正式運行，更能保證氣溫與雨量數據的完整性和可用性，提高自動化程度。

1 氣溫降水多傳感器簡介

1.1 氣溫

氣溫多傳感器標準系統[1]：3支氣溫傳感器和氣溫多傳感器標準控制器等組成。

氣溫標準值[2]：3支氣溫傳感器采集的氣溫觀測數據進入氣溫多傳感器標準控制器，通過融合算法和監控算法實現多傳感器數據融合為標準值。

氣溫多傳感器由3支鉑電阻溫度傳感器組成，分別稱為氣溫傳感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，氣溫多傳感器標準控制器將氣溫傳感器Ⅰ的測量結果選作業務主用數據源，Ⅱ和Ⅲ的測量結果作為熱備份數據源，將3支傳感器的測量值與標準值進行對比檢查，若超出閾值±0.3 ℃，則觀測軟件報警提示檢查異常氣溫傳感器。現用氣溫傳感器異常時，標準控制器自動切換至狀態正常的熱備份氣溫數據源，順序為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅰ依次切換，標準值缺測或3支氣溫傳感器均超出閾值，則傳輸值缺測。

1.2 降水

降水多傳感器標準系統：3個雨量傳感器和雨量多傳感器標準控制器等組成。

降水多傳感器標準值：3個雨量傳感器采集的降水量觀測數據進入雨量多傳感器標準控制器，通過融合算法和監控算法實現多傳感器數據融合為標準值。

降水多傳感器由3個翻斗式雨量傳感器[1]組成，分別稱為雨量傳感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，降水多傳感器標準控制器將Ⅰ的測量結果選作業務主用數據源，Ⅱ和Ⅲ的測量結果作為熱備份數據源，在整點將3個傳感器的小時累積降水量測量結果與標準值進行對比檢查，若超出閾值±0.4 mm(≤10 mm)或±4%(>10 mm)，則觀測軟件報警提示檢查異常雨量傳感器。現用雨量傳感器異常時，其切換方式和順序與氣溫多傳感器相同。

2 氣溫降水多傳感器安裝

2.1 氣溫多傳感器安裝

斷電后將配套的多孔位溫濕度支架安裝好后，在多孔位溫濕度支架上安裝3支新溫度傳感器與原用的濕度傳感器，氣溫傳感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和濕度傳感器的安裝方位分別為東、北、南、西(如圖1)。

圖1 溫濕度支架上傳感器布局Fig.1 Layoutof sensoron the temperature and humidity bracket

傳感器安裝上架后，在19位接線排上按對應順序接線。接線要注意，原單溫單雨觀測時，使用HMP155溫濕度傳感器的臺站，接濕度傳感器線時應只接溫濕度傳感器上藍棕粉紅4根濕度傳感器的電源、信號線，另黃白灰綠4根溫度電阻線不再接用。在百葉箱外側南面安裝HY1360氣溫多傳感器標準控制器，與接線排對應接口連接，最后將氣溫多傳感器標準控制器通過電源線、CAN總線與主采連接，實現通電和通訊。

2.2 降水多傳感器安裝

降水多傳感器的安裝首先要預制基礎。原單溫單雨使用的翻斗式雨量傳感器距東邊小路2.5 m則可保持不動，作為降水多傳感器中的雨量傳感器Ⅰ，并以此為基準安裝其他儀器。在雨量傳感器Ⅰ東側1.5 m處安裝降水多傳感器標準控制器，安裝完成后，標準控制器應與東邊小路相距1 m；在雨量傳感器Ⅰ西南側和東南側分別安裝雨量傳感器Ⅱ和Ⅲ，3個雨量傳感器位置的連線成為邊長為1.5 m的等邊三角形(圖2)。將3個雨量傳感器的二芯線分別接到HY1361降水多傳感器標準控制器上對應的接口，最后將降水多傳感器標準控制器通過電源線、CAN總線與主采相連接，實現通電和通訊。

圖2 降水傳感器及控制器安裝布局Fig.2 Installation layout of precipitation sensor and controller

要實現氣溫降水多傳感器掛接運行，還需將主采軟件升級到VER2.69版本，地面綜合觀測業務軟件升級到VER3.0.2.615，軟件升級在此不再詳述。升級完成后的參數設置：可以通過調試助手或者在ISOS軟件維護終端進行相關命令操作，查看版本號，檢查升級是否成功，命令符：“VERSION(回車)”，設置溫雨融合框架：命令符：“CHRVER X”，“1”表示溫雨融合框架，“0”表示單溫單雨框架，返回T表示設置成功，隨后采集器會重啟，稍等2～3 min；設置溫度降水多傳感器站，命令符：“STLX M(回車)”(此命令需在溫雨融合框架下使用)，返回“M”為溫度降水多傳感器站，返回“S”為溫度降水單傳感器站；設置多溫度傳感器系數，命令符：“RSENCO XXX a0 a1 a2 a3”，返回“T”設置成功。XXX分別代表多溫傳感器T01、T02、T03，溫度傳感器標簽上的系數有2種表達方式ABC與a2a1a0,A=a2,B=a1,C=a0。重置質控默認參數，命令符“RESETTOFACTORY(回車)”后，則可對氣溫多傳感器進行掛接調試。

3 氣溫降水多傳感器問題

氣溫降水多傳感器標準控制系統，能有效解決現行自動氣象站氣溫和雨量傳感器故障導致的氣溫、雨量數據異常或缺測破壞數據連續性的問題，其本質就是增加氣溫和降水的備用數據源，使其在儀器故障等需要較長時間恢復的過程中，有實時可用、即時傳輸的數據，較單溫單雨觀測時，大大增加了氣溫、降水觀測數據的連續性、完整性和可用性，以此提高了自動化程度。氣溫降水多傳感器的優點顯而易見，但也還存在一些可優化的問題。

前面提到，氣溫降水多傳感器標準控制器會將3個傳感器的測量結果與標準值進行對比，當發現現用傳感器異常時，標準控制器可自動切換至狀態正常的熱備份數據源。但是氣溫、降水多傳感器標準控制器對比所用時間太長，切換不及時。例如：某臺站9月25日降水情況(表1)，雨量傳感器Ⅰ故障導致22—08時無降雨量，08時40分經人工維護恢復正常；雨量傳感器Ⅱ也出現故障，但是有降雨量，雨量偏小，17時31分恢復正常；雨量傳感器Ⅲ經與備份站比較，雨量正常。降水標準控制器25日04時將數據源轉為雨量Ⅱ，到19時才將傳輸數據源切換回雨量Ⅰ，期間從未切換到降水傳感器Ⅲ。而在此過程中，無法進行人工切換，將數據源切換到正常的降雨傳感器數據源。

表1 某站24日22時—25日21時雨量數據(單位：mm)Tab.1 Rainfall data of a station from 22:00 on the 24th to 21:00 on the 25th (unit∶mm)

由于雨量變化過程不是緩慢而連續的，所以與3個傳感器的觀測值進行對比的標準值算法應該再進行優化，否則當3個傳感器中有2個傳感器同時異常時，標準值就失去了標準性，加上對比切換時間長達幾個小時，這對數據的準確率也有所影響。

多傳感器現存在的問題：一是標準控制器對比不靈敏，所需用時長達幾小時，人工發現明顯錯誤時，標準控制器不能質控出來；二是某傳感器異常時，只能通過標準控制器對比后自動切換，不能人工切換；三是標準值的融合算法有待進一步優化，多傳感器標準控制器進行融合處理時，各傳感器測量的不精確和干擾都會成為數據融合的障礙[3]。

4 結論

①應用安裝：氣溫降水多傳感器的安裝與單溫單雨傳感器安裝過程大同小異，在安裝中需注意在標準控制器中的對應接線順序，否則會導致數據源選用錯誤；硬件安裝后的軟件升級是使用多傳感器觀測方式的前提，軟件升級成功后一定要先發送命令轉化多溫多雨融合框架才能進行傳感器的參數設置。

②優化建議：多傳感器融合技術在氣象觀測的應用中應繼續優化，如果在之后的軟件升級中能優化人工切換數據源功能，優化標準控制器對比切換數據源的時間以及標準值的融合算法，相信能讓氣溫降水多傳感器在保證數據連續性、完整性、準確性、可用性上更進一步。能讓氣象觀測事業實現全面自動化、現代化、智能化。