常德地區自動氣象站故障研究

劉志鵬，葉日新，黃 伶，武孟祥，陳 科

(常德市氣象局，常德 415000)

0 引言

區域自動氣象觀測站(以下簡稱區域站)作為國家綜合氣象觀測系統的重要組成部分，廣泛部署在易出現極端天氣和地理環境惡劣的區域，可自動采集雨量、溫度、風向、風速、濕度、氣壓等多種氣象要素，為精細化預報和氣象災害防御提供決策性支撐[1]。為保證區域站提供的氣象數據真實有效，維護人員需不斷加強區域站的監測管理和優化維護，及時處理臺站出現的各種設備故障[2-4]。對區域站中出現的各類故障，維護人員做了一系列研究和分析，如江彩英[5]等通過分析維修區域站時遇到的故障實例，提出了針對性的維修方法和設備保障建議；姜明[6]等通過對區域站中各部件設備的耗電情況和供電系統進行分析，提出了一種針對蓄電池工作狀態下的電量異常質控方法；盧舟[7]等針對區域站通信質量差、信號強度弱等問題，通過多種對比實驗分析發現利用加長增益天線可有效提高區域站站點的信號強度和通信穩定性；王明輝[8]等設計了一種對區域站傳感器進行現場檢測的系統，用于傳感器故障的檢測和判斷。文章通過分析2016-2020年區域站的故障實例，發現區域站故障通常出現在電源系統、通信系統、傳感器等部件，針對常出現的故障特點提出了各個系統部件的保障方法和維修建議。

1 區域站的組成及工作原理

1.1 區域站的系統結構組成

區域站是一種無人值守的氣象監測設備，可自動采集雨量、溫度、風向、風速、濕度和氣壓等多種氣象要素信息。因其占用空間小、成本相對低廉以及氣象要素可選擇性強等優勢被廣泛部署在容易出現極端天氣和地理環境惡劣的區域，從而有效預防氣象災害的發生。長期工作在惡劣地區的區域站很容易出現設備老化、電子器件氧化等故障[9]，針對這些故障問題可通過研究區域站的系統結構解決，區域站的系統結構組成如圖1所示。

圖1 區域站系統結構組成

1.2 區域站的工作原理

由圖1可知，區域站主要由數據采集器、傳感器、通信系統和供電系統4部分組成[10]。數據采集器作為區域站系統的核心部件，可根據配置傳感器的類型提供所需氣象要素，主采集器采集到數據后經過運算處理，通過通信系統中的GPRSDTU模塊將數據傳輸到省局中心站；供電部分作為系統的電力來源，可將獲取到的太陽能經過太陽能控制器存儲在蓄電池中，然后為數據采集器提供12 V的直流電源。

2 常見故障分析及保障方法

為便于技術維護人員的維護維修，以最短時間鎖定故障出現的部位，提供針對性的故障處理方法，可將各個部件的故障部位定義到最小可更換單元。

2.1 故障部件分析

文章通過對常德市氣象局在2016-2020年出現的677次故障維修情況進行分析匯總，統計了各個部件出現故障的次數，經統計可知，電源系統、傳感器和通信系統出現故障的次數最多，占比分別為36%，35%，20%；其次是主控器故障，占比7%；其他故障占比2%。

2.2 電源系統故障現象分析

電源系統故障主要是蓄電池、PV和太陽能板出現問題，具體故障統計分析如表1所示。

表1 電源系統故障統計分析

通過分析電源系統中出現故障的部件和故障現象，提出如下維護建議：

1)當天氣狀況處于持續不斷的陰雨天氣時，太陽能板向蓄電池提供的電量會降低，導致蓄電池一直處于欠充電的狀態，到夜晚工作時蓄電池又處于過放電狀態，長此以往，會導致蓄電池出現浮充情況，白天蓄電池的電壓可達14～15 V，夜晚電壓快速下降到11～12 V，導致蓄電池的工作壽命大大降低，此時工作人員應及早更換蓄電池。

2)當太陽能板無輸出電壓或蓄電池電壓逐天降低時，可能是PV或者太陽能板出現故障，針對此情況，維護人員需定期排查站點電壓變化情況，及早發現故障并排除。

2.3 傳感器故障分析與保障建議

區域站中傳感器出現的故障次數僅次于電源系統，常德市氣象局部署的氣象站主要分為單要素、兩要素、四要素和六要素，其中單要素掛接的是雨量傳感器，其在整個氣象站點中的數量占比為52.5%；兩要素站點掛接的是雨量和溫度傳感器，其數量占比為30.6%；四要素站點掛接的主要是雨量、溫度和風向風速傳感器，其數量占比為9.4%；六要素站點掛接的主要是雨量、溫度、濕度以及風向風速傳感器，其數量占比為7.5%。單要素站點雨量傳感器出現的故障次數最多，如表2所示。

表2 傳感器故障統計分析

通過對傳感器出現故障的部件位置和現象分析，對傳感器的故障維護建議包括：

1)雨量傳感器故障次數及種類較多，需要綜合多種監測手段進行判斷。①雨量值偏小、偏大或缺測故障判斷：引起此類故障的原因有很多，如干簧管損壞、匯集漏斗堵塞、雨量線損壞、接線柱腐蝕等。②異常雨量“野值”判斷：對于晴天突然出現雨量值的站點，有可能是現場施工濺水或人為倒水無意間造成的，可詢問站點現場管理人員進行確認。當晴天斷斷續續出現雨量時，需要技術人員到現場對雨量線的通斷進行判斷并對雨量傳感器進行清理，平時維護時需放置防蟲劑，防止爬蟲入侵。

2)溫度傳感器故障現象一般為溫度值為負值、數值固定不變或溫度值劇烈跳變等，判斷故障原因可能是溫度線老化、工作性能下降或者傳感器接線斷路，更換傳感器即可解決這些故障。

3)風傳感器故障現象一般為風向風速值缺測、風向值固定不變或起步風速值偏大等，當風向風速值缺測或數值固定不變時，更換傳感器即可解決；當起步風速值偏大時，需在日常維護中對傳感器核查檢定，也可更換傳感器的軸承。

2.4 通信系統故障分析

通信系統故障主要以通信模塊故障為主，具體故障統計分析如表3所示。

表3 通信系統故障統計分析

根據通信系統出現故障的部件位置和現象分析，對通信系統故障維護建議如下：

1)通信模塊故障現象是模塊狀態燈、數據燈、網絡燈閃爍異常，對于此類情況，首先重啟系統，如果重啟不能恢復正常工作，需更換通信模塊。

2)SIM卡氧化故障，此時需清潔或更換SIM卡；隨著新一代通信模塊的使用和4G信號的全面覆蓋，SIM卡也需要升級為4G卡。當運營商軟件系統升級或進行線路切割等操作時，通信系統也會發生故障，因此，需要提前與運營商做好對接工作。

3)通信系統信號問題。信號故障通常分為兩方面，一方面是運營商的基站信號覆蓋低，此類問題可與運營商溝通，對基站優化或擴大信號覆蓋范圍；另一方面是通信天線接收信號的強度差，此類問題可通過更換增益天線或加長天線等方法解決，也可以將站點遷到信號強的區域。

2.5 主控器故障現象分析

主采集器故障一般是硬件或軟件出現問題，硬件故障主要是電源供電電壓不穩，導致主板線路燒毀無法正常工作；軟件故障一般是系統軟件未及時更新，導致采集程序走亂、對時不準，從而數據無法正確采集。

3 結束語

文章對常德市氣象局部署的259個區域自動氣象站近5 a內出現的各類故障進行了分類統計，并分析每個部件出現的故障類型，有針對性地總結了各種故障判斷方式和維修手段，提高技術人員的維修效率，保障各類氣象數據傳輸的到報率和可用率。