HY-WP1A天氣現象視頻智能觀測儀的業務運行和日常維護

劉 銳，黎 亮，何文常

(四川省巴中市氣象局，四川 巴中 636000)

0 引言

地面氣象觀測自動化改革業務運行后，天氣現象(或氣象要素)實現全面自動化觀測，總云量、云高、露、霜、結冰、雷暴等6項天氣現象由國家級業務單位采用自動綜合判識開展觀測[1]，霧凇、雨凇、積雪和雪深作為省局自定觀測項目，多以人工觀測為主。而天氣現象視頻智能觀測儀(以下簡稱視頻智能儀)是應用計算機視覺和深度學習技術，通過不同角度的多個攝像機采集圖像和視頻數據，利用圖像識別、深度學習、數據融合等技術，對視頻采集器拍攝的天氣現象(或氣象要素)實現自動觀測識別，其中總云量、結冰、積雪和雪深等主要采用計算機視覺原理，云狀、地面凝結現象(霜、露、雨凇、霧凇)等主要采用深度學習原理[2]。該儀器的使用極大地提升了氣象觀測現代化水平。

1 結構與原理

視頻智能儀由圖像采集單元、圖像處理單元、通信單元、供電單元和附件等組成。圖像采集單元自動定時采集視頻和圖片資料，通過多路RJ45網線信號傳輸到工業以太網交換機(以下簡稱交換機)，交換機將資料匯集送入數據處理單位HY-MC1A主控制器。主控制器對質量合格的圖片運用計算機視覺和深度學習技術進行數據質量控制、數據運算處理，自動識別天氣現象(或氣象要素)，并進行記錄存儲[3]。傳輸識別結果通過串口線接入串口服務器，作為一個新的掛接項通過原有鏈路接入到 ISOS主機。在ISOS主機上，用 SMOPORT 軟件，將視頻智能儀掛接的綜合硬件控制器PORT口對應的com端口設置為RS-232方式，9600N81[4]。傳輸視頻和圖片通過光纖接入室內光纖轉換設備，以RJ45網絡傳輸線纜與業務內網通信終端連接。

表1 圖像采集單元觀測要素表

圖1 視頻智能儀通信流程示意圖

2 安裝要點

視頻智能儀的安裝遵循《地面氣象觀測規范》，并參照《地面氣象觀測場規范化建設圖冊》，布設在觀測場內西北側，布設區域約2 m(東西向)×4 m(南北向)，南面設置1個地面集中觀測區域，用于安裝結冰容器、電線積冰架、專用雪深尺等輔助觀測目標物。圖像采集單元中的獨立魚眼鏡頭高清攝像機安裝在立柱頂端，距地2.8 m，指北標志對北，垂直向上安裝，水平180°可無死角觀測到全部天空。長焦高清攝像機和短焦高清攝像機分別距地2.1 m、1.8 m，朝南面向地面集中觀測區[5]。

電線積冰架距立桿基礎中心1.65 m，雪尺約為3.3 m，將直徑26.8 mm、長度100 cm的220 kV電力傳輸電纜作為雨凇和霧凇的觀測目標物，距地1.5 m。電纜面對鏡頭，在鏡頭內要保持水平，不被架子的支柱遮擋，須完全可見；電纜頂部與圖像頂部留出一段距離，底部與雪尺頂部留出一段距離，防止結冰遮擋雪尺刻度；電纜下方不要出現(水平方向)較長的白色物體。積雪觀測目標物為地面集中觀測區內較開闊的區域，積雪深度的觀測目標物為圓柱形、金屬材質的專用雪深尺；雪尺垂直于地面，占圖片高度的70%以上，在鏡頭中完全可見；0刻度與圖像底部留出一小段距離，傾斜角度<3°；避免雜草遮擋雪尺刻度，尤其注意避免雜草遮住0刻度；雪尺紅色中軸線居中，中軸線左右兩邊刻度寬度大致相同。結冰容器作為結冰觀測的目標物應占據圖像左半部分大部分面積、圖像右半部分有較多的植物。地面集中觀測區內的草地作為露、霜觀測的目標物，鏡頭應盡量對準草較多的位置，優先選擇葉子較寬的草[6]。

圖像采集單元的圖像必須清晰，不能出現對焦模糊的情況，背景中不要出現藍色和紅色物體；處理雜草時必須要露出地面，露出地面面積盡可能大一點。補光燈應根據環境光照情況自動開啟和關閉，采用白光補光，短焦高清攝像機的補光須同時打開近光燈和遠光燈，遠光燈調至最強(10)，近光燈調至較強(8)；長焦高清攝像機亮度調至中值(5)。

3 業務運行

目前，視頻智能儀處于業務試運行階段，識別結果通過信號線采用RS-232通信方式將識別文件推送至ISOS軟件，由ISOS軟件將識別結果轉換成并行BUFR格式數據文件上傳到省局指定目錄(與雨滴譜上傳地址相同)，暫不入ISOS業務數據庫；待業務化運行后，將識別結果正式寫入ISOS數據庫，合并至現有小時業務數據格式相應數據段，通過現用小時BUFR文件上傳，并行BUFR文件不再生成和上傳。原始視頻和圖片數據采用光纖通信傳輸到室內通信終端，再通過業務內網上傳至省級或國家級。

3.1 攝像機參數和主控IP設置

高清攝像機上電后，通過RJ45網線與計算機連接，修改計算機IP地址，確保兩者通信正常，啟用ONVIF協議，同步時間、設置主碼流等參數，最后修改攝像機IP地址。在攝像機段設置好參數后，還需在主控頁面進行相關設置，通過chrome瀏覽器登錄http://IP:8080 (IP為智能觀測儀主控IP地址)進行相關項目的管理和設置。在“設備管理”中對攝像單位的IP地址、登錄用戶名和密碼等進行相應設置；在“參數設置”中設置服務器IP和文件地址，上傳端口默認21，FTP用戶名和密碼與ISOS軟件中FTP通訊參數的用戶名和密碼相同；并勾選頁面中的“啟動”。待相關項目修改后，最后修改主控IP，其中判識接口在主控IP變更后，自動與之同步。參數配置好后，在重啟頁面中點擊“點擊重啟”按鈕進行重啟。待參數設置好后，可在“數據監控”“上報統計”“數據查詢”“設備監控”等選項中對設備運行情況、數據傳輸情況等進行查看。

3.2 ISOS軟件相關設置

視頻智能儀與ISOS軟件對接后，在“自動項目掛接設置”頁面中，勾選“視頻智能觀測儀”項目對應的3個復選框，并設置通信參數，通信端口為綜合硬件集成控制器對應的PORT口，傳輸參數設置為9600N81。在“自定項目參數”頁面中，確認FTP通訊參數中的雨滴譜通道設置正確，且勾選。正常情況下，在ISOS軟件首頁中的“數據統計信息”中能查看視頻智能儀的觀測成功率，視頻智能儀的觀測數據文件(設備、質控、訂正分鐘數據文件和狀態信息文件)存放在ISOSdataset省份IIiiiAWSintelligentweather文件夾下，文件傳輸情況存放在ISOSinlogftpYYYY-MM-DD(YYYY：年份，MM：月份，DD：日期)中。查閱了解傳輸情況，或檢查ISOSinSendintelligentweather文件夾對應日期下是否有24個BUFR文件(即T文件)，若無則未上傳成功。

4 故障排查思路

在業務試運行工作中，視頻智能儀出現無數據等情況時，通過主控頁面重啟設備，硬件重啟，一般能恢復。但受水浸、雷擊和通信故障等問題，涉及的相關流程較多、排查難度較大[7]。本文以巴中市臺站在業務試運行期間出現過的故障為基礎，進行相關分析。

4.1 查看各模塊工作狀態

主控頁面的“數據監控”可對攝像機工作狀態和網絡通訊狀態情況進行查看。當相關設備出現故障時，顯示為故障，并以紅色凸顯，判識結果相應為淺紅色，無數據。也可通過在ISOS軟件中“查詢與處理→數據查詢→分鐘數據查詢”中的“視頻智能觀測儀要素每日逐分鐘狀態表”選擇對應分采運行狀態、攝像機工作狀態、通訊狀態和鏡頭污染情況，查看是否顯示正常或為0。

4.2 現場排查

4.2.1 觀察各儀器指示燈 HY-MC1A主控制器面板上共4個指示燈。在正常工作狀態下，“電源”“控制”指示燈紅色常亮，“工作”指示燈綠色常亮，“通訊”指示燈在有數據輸出時閃爍；攝像機網線與工業交換機底部網口連接處，綠色燈閃爍，黃色燈常亮；12 V和24 V電源指示燈綠色常亮。如果各指示燈異常，則相應模塊出現故障。需要進一步排查。

4.2.2 檢查電源情況 供電單元由電源控制器、交流防雷器、空氣開關和保險管組成，220 V交流通過開關電源轉換為直流12 V，為魚眼、短焦和工業交換機供電，直流24 V為長焦供電。如開關電源指示燈正常顯示，則重點檢查保險管和電壓輸出端。12 V和24 V鏈路電源的保險管規格分別為5 A和10 A，更換時需要注意其對應的安裝位置。

4.2.3 相關線路排查 重點檢查各攝像機接頭處是否接觸良好，有無水浸導致接線銹蝕。雷電導致儀器故障或數據缺測，首先考慮是否交流防雷器損壞，可通過更換或利用萬用表進行電壓檢測。檢查網線是否正常時，通過Ping相關IP，查看通信是否正常；網線通斷檢查則將相關網線接入網線檢測儀，網線正常時1～8號LED燈按順序亮顯或者1、2、3、6號燈亮顯，否則網線存在異常，需進行更換。若主控IP顯示正常，圖像和視頻文件能正常采集，而ISOS軟件無數據，則考慮串口信號線是否有斷路或短路現象，利用萬用表通斷檔進行檢查，或者FL100低壓電涌保護器損壞，可直接跳過保護器直接與串口線連接。若儀器均正常，主控頁面和ISOS軟件均無數據，考慮通信轉換單元和光纖是否正常。通信轉換單元通過觀察指示燈的閃爍情況進行初步檢查，光纖可通過光纖紅光筆進行檢查；若光纖損壞，更換光纖時，選用多模光纖(MMF)，一般通過顏色區分，單模常用黃色外護套，多模常采用橙色或水綠色外護套。

圖2 視頻智能儀供電流程示意圖

4.2.4 資料上傳率較低 首先檢查主控頁面中的FTP參數是否設置正確，上傳頻率是否符合省局要求。其次檢查ISOS軟件中雨滴譜的FTP傳輸參數參數是否正確，在FTP通訊狀態測試中勾選“雨滴譜”，點擊測試，是否顯示成功連接。個別時次正點00分數據缺測，在主控頁面的系統信息中檢查設備版本號是否為V1.1.10。若雨滴譜數據上傳正常，視頻儀上傳數據文件T文件上傳失敗，則需檢查網絡丟包問題，即是否存在網絡設備、物理線路故障，網絡擁塞或MTU 配置不當等。

4.3 圖像采集相關問題

天臉視頻或圖像采集成功率偏低或者不采集。通過瀏覽器訪問攝像機IP地址后，檢查ONVIF協議是否勾選，刪除管理員賬戶，重新添加，用戶名密碼和原來保持一致。登錄主控IP頁面，在設備管理中檢查參數和攝像機中設置的參數是否一致，不一致則修改，一致點擊確定。最后在主控機箱關閉空氣開關5～10 s，再次重新上電。天臉數據采集成功率低，在主控IP頁面中的參數設置中檢查手動校時框的時間是否正確，確保時間同步。若成功率仍偏低，則按照本小節第一個問題的解決方法進行處理。天臉無法正常采集視頻，需訪問攝像機IP地址，在“配置—視音頻—視頻”中的視頻編碼檢查是否選擇H.264。天臉魚眼攝像機圖像異常時，訪問攝像機IP，確認安裝方式為桌面，顯示方式為魚眼。

5 日常維護

視頻智能儀的日常巡視和維護工作應納入臺站日常維護(周維護、月維護和年維護)，若攝像機有遮擋或污染情況，在日出前或日落后及時清理；在清理過程中，不能劃傷玻璃表面，使用柔軟不起毛的棉布或脫脂棉沾無水乙醇直接擦試鏡頭玻璃，勿用其他物品清潔。若遇沙塵、降雪等影響儀器觀測時，應加強巡查頻率，及時清潔。業務人員要定時對地面集中觀測區自然下墊面及露、霜目標物草地狀況進行整理，保持平整；每周清洗結冰容器，及時添加當地自然水體；檢查儀器安裝是否到位；夏季和冬季每周至少開展1次維護工作。每年春季要對防雷設施進行全面檢查，確保防雷安全；在月維護中，檢查供電單元是否安全，立柱是否穩固，配件有無損壞或腐蝕等安全隱患，避免振動等對攝像機產生的不良影響，杜絕其他安全事故發生[8]。

6 結束語

本文通過對HY-WP1A視頻智能儀的結構原理、安裝要求、參數設置、故障排查和日程維護進行了介紹，市縣技術保障人員可通過文章中的相關方法，解決實際業務工作中存在的問題，提高業務技術水平，保障業務設備的穩定率和數據可用性，為氣象預報和服務提供更多更有價值的氣象信息。