網絡通信技術在自動氣象觀測系統中的應用研究

陶霞

（內蒙古自治區雅布賴氣象站，內蒙古 阿拉善盟阿拉善右旗 737300）

隨著科學技術的現代化水平不斷增強，在地面氣象監測領域，各種自動化設備和先進控制技術正在陸續引進。當前，各級氣象機構的觀測工作基本上是數字化和自動化的，大部分臺站基本淘汰了人工觀測模式。在臺站氣象業務觀測中，氣象數據采集和分析設備最為常見，包含各種類型常規業務自動站、區域多要素自動站、能見度觀測儀器、自動土壤濕度儀等設備。自臺站中引入這些現代化觀測設備以來，從根本上改變了傳統人工觀測中的定時、定點、定次觀測項目，結合觀測儀器中的時鐘芯片實現了定期自動化觀測，并借助于網絡媒介將采集到的氣象觀測數據信息第一時間傳輸到數據服務中心來。由此不難發現，在采集數據環節，現代化的觀測儀器設備的有效應用保證了氣象觀測的精確度水平，在網絡傳輸中能否成功上傳氣象信息，就成為決定自動氣象觀測系統監測水平的關鍵性所在。當前，網絡通信技術主要包含有線傳輸和無線傳輸兩種主流方式，前者是將電纜、光纖和雙絞線作為傳播媒介，后者則是以無線電信號為媒介。將這兩種傳播方式進行結合，可將終端觀測設備與數據分析中心連接成為緊密的有機整體，以確保傳輸的數據信息具有較高的可靠性和準確性水平。

1 計算機網絡系統在氣象通信中的重要性

1.1 增強氣象資料的處理效率

隨著計算機網絡的廣泛普及，氣象設備的自動化和智能化水平愈發突出，使得系統可第一時間獲取所需的氣象信息，同時還能對氣象信息進行自動化處理和分析。另外，網絡系統可借助于多渠道來獲取全面、詳細的氣象信息，以保證氣象預測和決策的準確度水平。實際上，氣象資料包含的內容較多，如以前和現有的氣象觀測數據信息，信息量極為龐大，使得氣象信息管理難度大幅度提升，將計算機系統應用到氣象通信中可有效解決這方面的問題。通過構建系統數據庫，可使分析和管理數據效率得到提升，并將更加優質的氣象服務提供給社會大眾。[1]

1.2 減少人為方面的誤差

自計算機系統在社會各個行業中得到應用以來，傳統通過人工方式處理信息的模式基本被淘汰，而自動化和智能化處理系統得到了推廣應用，有效提升了我國氣象通信效率。現階段，因成本低、功能全面等優勢，使得我國自主研發的計算機網絡系統在氣象通信領域中得到了廣泛應用，在減少人為誤差對氣象服務質量影響的同時，還能增強氣象信息的準確性水平，進而為人們日常生產生活提供更加可靠的氣象服務，推動農業生產工作持續健康開展。

1.3 提升氣象預測的準確性水平

氣象預報是各級臺站的重要服務之一，采取科學有效的方法不斷提升氣象預報的準確性水平，在確保氣象服務質量方面發揮著極其重要的作用。當前，各級氣象部門比較關注氣象觀測儀器設備的更新換代工作，在積極引進國外現代化氣象預測技術的同時，還加大了計算機網絡系統的研發力度。我國研發的計算機系統的交互性功能較為突出，可全面分析氣象觀測資料信息，并通過多樣化方式，如圖表、數據等不同形式呈現到人們面前。總之，網絡系統的普遍應用凸顯了觀測設備的自動化和智能化特性，有效增強了氣象預測工作的精準度。

2 計算機網絡技術類型

計算機網絡技術包含局域網技術、云計算技術、地面通信技術和移動通信技術，其在氣象數據傳輸領域均有涉及。

2.1 局域網技術

當前，我國的局域網技術由于科學技術的飛速發展而日趨成熟，并已應用于社會的各個業務領域。高速局域網技術的進步主要體現在以太網的異步傳輸和交換上，為氣象信息的自動傳輸和交換提供了便利。以太網通常包括千兆以太網和萬兆以太網。由于萬兆以太網在運行時主要基于單模或多模光纖，其傳輸速度是千兆以太網的近10 倍，用戶可以充分利用無限擴展的網絡，實現更高層次的氣象信息交換。局域網技術的應用，促進了現實與虛擬在氣象廣播中的應用，促進了遠程廣播和高清視頻會議的順利進行，為氣象部門的日常溝通提供了有利條件。

2.2 云計算技術

云計算技術屬于一種線性計算方案，其特點是擴展性強、響應速度快，主要是將服務器虛擬化技術與基礎設施相結合的產品，是將一個或多個數據中心的計算資源虛擬化后提供給用戶的一種服務。近些年來，因科學技術水平的快速發展，在日常運行中，氣象部門的整個業務流程由計算機自動化處理，而云計算技術的應用可有效降低總擁有成本。在實際的氣象業務中，服務上會承擔設備采購費用，這可以顯著降低存儲數據所需的IT 設備的采購成本。與此同時，因降低了對數據空間的占用率，節省了氣象部門在租金、電力方面的資金投入。由于云計算機的運算能力較為龐大，將其應用到氣象數據傳輸中，提升了氣象數據的運算能力，并通過虛擬數據中心的創建，通過匯集內存、存儲和計算能力，服務于整個氣象網絡，極致的計算能力堪比“超級計算機”，可在短時間內處理海量的數據信息，也可結合用戶實際需求來加工數據信息，提升預報服務產品的個性化特征。[2-4]

2.3 移動通信技術

近年來，由于科技的飛速發展，我們迎來了移動互聯網時代。無線技術除光纖通信技術外，還有代表性的無線局域網，它分為多個地址，這是通過無線通信技術完成的。由于移動通信技術的發展和成熟，其應用領域不斷擴大，例如應用于氣象通信時，可為氣象信息觀測系統的運行提供良好的傳播媒介，便于氣象觀測信息的采集和分析。

2.4 地面通信技術

近些年來，在密集波分復用技術的基礎上對新一代互聯網技術進行構建逐漸發展成熟，且該技術在我國大部分臺站中得到了廣泛應用。基于地面通信技術主要是將格狀網的光纜骨干變為環狀網，通過新一代網絡傳輸設備，一對光纖的傳輸容量可以達到1600Gbps，從而可以在很大程度上傳輸區域內的天氣信息，一旦在運行中發現環狀網出現故障，系統可自動進行修復，使得地面通信中的人工維護支出不斷下降。

3 計算機網絡技術的應用途徑

3.1 氣象臺站

3.1.1 采集觀測信息

為了向社會大眾提供可靠的氣象信息，應始終確保觀測數據信息的精確性和全面性水平。近年來，各級氣象部門重視起了先進技術和設備的引入，使得氣象探測設備的智能化和自動化特征愈發突出，自動站數量和占據的比例呈現出直線上升趨勢。自動氣象站的主要優勢是可以布設在對氣象條件要求嚴格，且無法順利實現人工觀測的區域，如航天發射和回收區域、高速公路等，可確保氣象部門及時獲取到較為全面的氣象信息，并給出高精準度的氣象預測結果。實際上，自動氣象站包含不同種類的傳感器，如溫度、濕度、風向、風速、氣壓、降水量等，在采集到對應氣象要素的模擬信號后，通過采集器可以轉化為數字信號，之后傳輸到計算機開展深度處理。如，通過計算機對比分析數字信號，進而判斷其是否超出合理范圍，若是超出，需第一時間進行處理；若不存在，應嚴格相關流程對氣象數據進行傳輸、儲存等一系列操作。[5]

3.1.2 信息傳輸

當前，大部分氣象站均已構建了氣象數據傳輸網絡，根據自愈環網，一旦系統出現故障問題，可在較短的時間內確保數據傳輸業務快速恢復正常，有效提升氣象數據傳輸的安全性水平。因氣象觀測數據具有復雜性特征，可借助于計算機網絡技術來傳輸觀測數據信息，增強臺站氣象觀測數據的傳輸能力。

3.2 傳輸鏈路

在氣象數據傳輸環節，主要是本地區所轄縣市的氣象臺或氣象臺對風向、風速、溫度、濕度等各種類型進行數據采集，氣象數據信息通過通信網絡和路由器傳輸到數據管理中心的中央交換機，再傳輸到氣象數據通信系統。在傳輸氣象數據信息的過程中，除了影響氣象信息的可靠性水平外，還與各級氣象站間的聯系溝通產生影響。只有在各級氣象部門搭建統一的氣象數據管理平臺，才能實現各級氣象部門之間的數據采集、傳輸、處理、監測等功能和觀測數據共享。該做法可有效提升氣象數據傳輸和管理的規范化水平，同時還能增強數據處理傳輸性能。

4 網絡通信技術在自動氣象觀測系統中的應用研究

4.1 有線網絡數據通信技術

有線網絡數據通信是一種傳統的通信方式，使用時間早，當前仍舊是自動氣象觀測系統中最常用的通信方式。這種通信方式包含的設備主要有：數據采集傳感器節點、中繼設備、終端控制計算機。其中數據采集傳感器節點的作用是采集數據信息，并獲取各種類型氣象信息；數據匯總中繼設備則是匯總獲取到的數據信息，為后續數據傳輸提供便利；專用通信電纜的作用是主要的傳輸數據途徑；終端控制計算機的主要功能是對數據信息進行反向處理。在搭建自動氣象站時，因需要將數據泄露和信息安全方面的問題考慮進去，數據傳輸中會優先選用可靠性強、質量好的同軸電纜。這種方法可以實現海量的數據吞吐量，并且信號相對穩定，可以避免外部干擾，觀測數據的安全性水平得到了保障。[6]

通過分析自動氣象觀測系統的組成部分，不難發現傳感器節點作為搜集數據的主要設備，內部有很多感應元件，一旦外界氣象要素，如溫度、濕度等發生改變，將電氣元件中出現一定量的感應電流，該感應電流被轉換為數據信號，在線性轉換后可分析處理各種類型氣象數據信息。在獲取分析后的數據信息后，結合對應軟件可篩選并剔除部分異常信息，以提升觀測數據的準確性。

在數據采集器的作用下，通過網絡傳輸端可將獲取的觀測信息傳輸到終端控制計算機內，在將這些數據信息審核完成后，可分類存儲，并結合規范要求做好備份工作。在終端計算上包含不同功能模塊，可根據不同需求編輯發報，進而形成氣象報告。在通信網絡技術的基礎上來播報氣象信息，同時還能向數據庫傳輸最終分析結果和觀測到的氣象信息，并對其進行存儲。[7-8]

4.2 無線網絡數據通信技術

近些年來，因社會大眾及各個行業對氣象觀測要求不斷提升，越來越多的觀測設備都在野外布設。如自動氣象站，若是通過有線方式連接，會增加線路架設的難度，而安裝成本也會上升，在日后運行維護中會出現額外壓力。若是選用結構簡單、成本低廉且維護便捷的無線通信系統，則能確保數據傳輸任務順利完成。

對部分區域觀測站來說，無線網絡傳輸自動氣象觀測系統主要包括信息采集器、太陽能電池、通信傳輸模塊。其中采集器是采集觀測數據的設備；太陽能電池主要提供電源功能。同有線傳輸系統相比，無線傳感器供電時主要選用的是太陽能電池，并通過4G 網絡傳輸數據信息。經過多年發展，該項技術逐漸發展成熟，且具有較強的穩定性和可靠性水平，在實際應用中，能有效滿足各種數據傳輸需求。另外，由于該技術采用數據分組交換，可以實時保證數據傳輸的水平，避免電路動作造成的時差，有效提高數據傳輸的效率和及時性。目前無線數傳技術的數據吞吐量基本可以滿足氣象觀測的需要，但在實際應用中，無線數傳技術可以滿足一對一的數據傳輸需求，還可以實現一對多的數據傳輸，可通過多個數據終端處理氣象監測的全過程。